專利名稱：真空閥門及真空閥門的制造方法
技術領域：
本發明涉及用于如真空斷路器等的裝置中的真空閥門，更具體而言，涉及有效用于對包括在真空閥門中的波紋管進行接合的工藝。
背景技術：
舉例來說，在真空開關中使用真空閥門來切斷攜帶較大電流的電路是一種眾所周知的工藝方法。
例如，專利文件1披露了一種結構，其包括保持預定程度真空的氣密絕緣容器；由錨定在固定導電桿頂端的固定電極與錨定在活動導電桿頂端的活動電極組成的觸點，該觸點容納于絕緣容器之中；設置在絕緣容器的插入活動導電桿的一部分處的波紋管，波紋管一端氣密固定在絕緣容器上，另一端氣密固定在活動導電桿上。波紋管在軸向上的膨脹與收縮允許活動電極(即，活動導電桿)在軸向上移動，同時在容器中保持真空。連接到固定導電桿與活動導電桿的導電線路的切換是通過接觸和分開由固定電極與活動電極組成的觸點來實現的。
如果前述結構真空閥門中的真空程度減小，在觸點處會發生電弧放電，從而防礙電路的電流開關運作。因此，從可靠操作并延長使用壽命的角度考慮，在長時間內確保膨脹與收縮的波紋管本身壁部中的氣密性以及絕緣容器和波紋管的接合處之間的氣密性是至關重要的。
因此，波紋管是組成真空閥門最重要的零件之一。奧氏體不銹鋼由于其優異的抗腐蝕性成為了制造波紋管的主要材料。TiG焊接與銀焊可用于將波紋管的端部焊接到端板和活動導電桿。
然而，TiG焊接帶來的問題是必需要嚴格控制一個零件相對于另一個零件的尺寸，并且取決于工人的焊接技術水平，焊接處的質量可能會較差。
盡管銀焊沒有TiG焊接的上述問題，但必需要注意被焊接零件的表面特性。舉例來說，作為可用于波紋管材料的奧氏體不銹鋼的表面具有氧化層，雖然它表現出極其出色的抗腐蝕性，但由于氧化層的原因，對于銀焊料它不能體現出令人滿意的潤濕性。因此，為了確保銀焊料的潤濕性一般會在波紋管的表面鍍上鎳。專利文件2披露了在波紋管的焊接縫上鍍鎳的方案。
然而，波紋管上的鎳鍍層通常厚度較小，并且形狀復雜，因此不能使用類似于滾鍍的批處理，而這種批處理可在一次對多個波紋管進行處理，從而防止蝕點之類的損傷。
因此，就不可避免地要使用掛鍍這樣的消耗更多工作時間的獨立電鍍處理。所以，作為實施焊接的先決條件的電鍍本身需要相對較高的成本。
作為銀焊工件的波紋管可以是如專利文件3中描述的所謂的無縫型波紋管。
無縫型波紋管通常通過以下程序制造利用沖切從厚度約為0.5mm的片材上沖壓出圓盤。該圓盤經過包括重復進行清洗、潤滑、深沖壓、清洗、退火、潤滑、深沖壓等步驟的程序，獲得較深的圓筒形杯體，其管狀側壁的厚度約為0.1mm，(包圍杯體端部的)底板相對較厚(原片材的厚度，即約0.5mm)。該杯體經對其內壁進行液壓處理后形成肋片以獲得波紋管。
如上所述，無縫型波紋管是經過十分復雜的多個工序制造的，所以帶來了成本比較昂貴的問題。
要將具有底板的無縫型波紋管裝入真空閥門中，如之前提到的專利文件3所述，要在底部開出用于電極的通孔，并且利用焊接將波紋管、波紋管護罩部件、以及鎖緊環(binding ring)疊加固定。該一體結構是必需的但很復雜。
該一體結構的復雜性將有可能引起在波紋管、波紋管護罩部件以及鎖緊環之間的焊縫上焊料填充不足。因此，會在焊接接頭處出現強度和氣密性降低的問題。日本專利號3369366[專利文件2] 未審查的日本專利公開文件第2004-79446號[專利文件3] 未審查的日本專利公開文件第2001-6503號發明內容考慮到上述問題，本發明要達到的目的是降低真空閥門的成本，該閥門在波紋管的活動部內具有一焊接結構。本發明的另一個目的是縮短在波紋管的活動部內具有一焊接結構的真空閥門的生產周期。
本發明的另一個目的是改善真空閥門中波紋管活動部內的焊接結構中的接合處的強度和氣密性。
本發明的第一個考慮點是提供一種真空閥門，其包括容納固定接觸件和活動接觸件的氣密容器，該氣密容器包括其上具有金屬鍍層的第一構件、沒有金屬鍍層的波紋管、和其上具有金屬鍍層的第二構件，其中第一構件介于活動接觸件與波紋管之間并與波紋管的一個端部焊接，而波紋管的另一個端部與第二構件焊接。
本發明的第二個考慮點是對第一考慮點的真空閥門進行設置，其中該波紋管通過焊接步驟和成形步驟制成，在焊接步驟中將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接側面的接縫線以形成筒管，在成形步驟中在該筒管上形成加肋部，波紋管具有允許膨脹和收縮的加肋部，并在加肋部的兩側具有圓筒端部。
本發明的第三個考慮點是對第一考慮點的真空閥門進行設置，其中第一和第二構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
本發明的第四個考慮點是對第一考慮點的真空閥門進行設置，其中金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層，且第一和第二構件使用銀焊料與波紋管焊接。
本發明的第五個考慮點是對第一考慮點的真空閥門進行設置，其中在波紋管和第一構件之間的被焊接位置包含有從第一構件的金屬鍍層轉移的金屬成分，且在波紋管和第二構件之間的被焊接位置包含有從第二構件的金屬鍍層轉移的金屬成分。
本發明的第六個考慮點是對第一考慮點的真空閥門進行設置，其中波紋管包括允許膨脹和收縮的加肋部和位于加肋部兩側的具有圓筒形狀的開口端部，第一構件包括用于讓活動電極從中通過的通孔和圍繞該通孔形成的階梯部，波紋管的開口端部之一的外表面與第一構件的階梯部的內表面焊接。
本發明的第七個考慮點提供了一種真空閥門的制造方法，該真空閥門包括容納固定接觸件和活動接觸件的氣密容器，其中氣密容器包括其上具有金屬鍍層的第一構件、沒有金屬鍍層的波紋管、和其上具有金屬鍍層的第二構件，并通過波紋管支撐活動接觸件，該方法包括第一步準備第一構件、波紋管、和第二構件，其中將第一構件插入活動接觸件和波紋管之間并與波紋管的一個端部相鄰布置，且波紋管的另一端部與第二構件相鄰布置，第二步將第一構件與波紋管焊接，并將波紋管與第二構件焊接。
本發明的第八個考慮點是對第七考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中波紋管在第一步中通過焊接過程和成形過程制成，在焊接過程中通過將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接被軋制片材側表面上的接縫線而形成筒管，在成形過程中在筒管上形成肋。
本發明的第九個考慮點是對第七考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中第一和第二構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
本發明的第十個考慮點是對第七考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中
金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層。
本發明的第十一個考慮點是對第七考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中進行焊接的第二步是使用銀焊料來實施的。
本發明的第十二個考慮點是對第七考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中在第二步中的將第一構件與波紋管焊接的過程中，第一構件上的金屬鍍層的金屬成分轉移到波紋管，在第二步中的將第二構件與波紋管焊接的過程中，第二構件上的金屬鍍層的金屬成分轉移到波紋管。
本發明的第十三個考慮點提供了一種真空閥門的制造方法，在該真空閥門中用于容納觸點的氣密容器的構件與波紋管焊接，以允許觸點接觸和分離，同時保持氣密性，該方法包括第一步在構件上鍍敷金屬鍍層；第二步將構件與沒有金屬鍍層的波紋管焊接。
本發明的第十四個考慮點是對第十三考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中波紋管在第一步中通過焊接過程和成形過程制成，在焊接過程中通過將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接被軋制片材側表面上的接縫線而形成筒管，在成形過程中在筒管上形成肋。
本發明的第十五個考慮點是對第十三考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中該構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
本發明的第十六個考慮點是對第十三考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中構件的金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層，且焊接過程是使用銀焊料來實施的。
本發明的第十七個考慮點是對第十三考慮點的真空閥門的制造方法進行設置，其中在第二步中的將構件與波紋管焊接的過程中，構件上的金屬鍍層的金屬成分轉移到波紋管。
在本發明真空閥門的波紋管的焊接結構中，金屬鍍層沒有設置在波紋管本身上，而是設置在與其相對的構件上，從而降低了波紋管的成本。在此金屬鍍層鍍敷在形狀相對簡單的構件上，不易產生采用如可進行簡易批量處理的滾鍍的方法而帶來的諸如蝕點的損傷。所以減小金屬電鍍的成本。
通過使用經濟的有縫型波紋管，可進一步降低成本。
由于其制造方法，有縫型波紋管在其兩端具有圓筒形開口。在將開口部的外圍表面與相對的構件焊接的過程中，由于開口部的外圍表面與相對的構件之間的縫隙結構簡單，所以該縫隙可以被焊料充分填充，從而改善了焊接縫的強度與氣密性。
本發明實現了降低在活動部內具有波紋管焊接結構的真空閥門的成本。
本發明還實現了縮短在活動部內具有波紋管焊接結構的真空閥門的生產周期。
本發明進一步實現了改善真空閥門中波紋管的焊接結構的強度和氣密性，該真空閥門在活動部內具有波紋管焊接結構。
以下參考附圖對本發明的優選實施例進行詳細說明。
圖1是根據本發明實施例的真空閥門的剖面圖；圖2A是根據本發明實施例的真空閥門中波紋管接合部的放大剖面圖；圖2B是示出了根據本發明實施例的真空閥門中波紋管接合部的變化的放大剖面圖；圖3示出了根據本發明實施例的真空閥門中所包括的波紋管的制造過程的示例；圖4A示出了接合用在真空閥門中的波紋管的初步示例1；圖4B示出了接合用在真空閥門中的波紋管的初步示例1的變型示例；圖5A示出了接合用在真空閥門中的波紋管的初步示例2；圖5B示出了接合用在真空閥門中的波紋管的初步示例2的變型示例；圖6示出了根據本發明實施例的接合波紋管的方法的示例1；圖7A是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的焊接部的剖面觀察圖，該焊接部由接合側金屬、銀焊料層、和基體金屬組成；圖7B是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的接合面的剖面觀察圖，該接合面位于接合側金屬和銀焊料層之間；圖7C是對根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的接合側金屬和銀焊料層之間的接合面區域通過EPMA進行測量的各種組分的濃度分布結果的圖表；圖7D示出了圖7C中體現的各個組分的濃度分布的圖表，其中所有圖表的接合面位置一致；圖8A是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的焊接部的剖面觀察圖，該焊接部由接合側金屬、銀焊料層、和基體金屬組成；圖8B是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的接合面的剖面觀察圖，該接合面位于基體金屬和銀焊料層之間；圖8C是對根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例1中的基體金屬和銀焊料層之間的接合面區域通過EPMA進行測量的各種組分的濃度分布結果的圖表；圖8D示出了圖8C中體現的各個組分的濃度分布的圖表，其中所有圖表的接合面位置一致；圖9示出了應用于真空閥門上接合根據本發明實施例的波紋管的方法的示例2的原理；圖10A是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例2中的焊接部的剖面觀察圖；圖10B是根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例2中的接合面的剖面觀察圖，該接合面位于波紋管和銀焊料層之間；圖10C是對根據本發明實施例在用來接合波紋管的示例2中的波紋管和銀焊料層之間的接合面區域通過EPMA進行測量的各種組分的濃度分布結果的圖表；圖10D示出了圖10C中體現的各個組分的濃度分布的圖表，其中所有圖表的接合面位置一致。
(附圖標記說明)10 真空閥門11 絕緣圓筒11a金屬鍍層11b金屬鍍層12 活動側端板12a鎳鍍層12b通孔12c階梯部13 固定側端板14 活動接觸元件14a活動接觸件14b活動導電桿15 固定接觸元件15a固定接觸件15b固定導電桿16 波紋管16a可膨脹加肋部16b開口端部16c開口端部16d加肋部的外表面17 蓋17a鎳鍍層17b通孔17c階梯部17d凸緣18 電弧罩21 焊接縫22 焊接縫23 焊接縫
23a填角焊縫23b填角焊縫24 焊接縫24a填角焊縫24b填角焊縫25 焊接縫26 焊接縫30 波紋管31 片材32 筒管33 接縫34 加肋部40 成形夾具41 基礎夾具42 擠壓夾具101基礎金屬101a 基礎金屬上的鍍層102接合側金屬102a 接合側金屬上的鍍層103銀焊料層103a 填角焊縫103b 收縮凹部104接合面104a 接合面105虛線105a 高濃度區域V 氣密容器具體實施方式
圖1的剖面圖示出了根據本發明實施例的真空閥門結構的示例。
該實施例的真空閥門10包括絕緣圓筒11，活動側端板12，固定側端板13，活動接觸元件14，固定接觸元件15，波紋管16，蓋17，和電弧罩18。
絕緣圓筒11由陶瓷等絕緣材料制造，在絕緣圓筒11的底端和頂端分別形成有金屬鍍層11a和金屬鍍層11b。
絕緣圓筒11兩端的金屬鍍層11a和金屬鍍層11b分別通過焊接縫22和焊接縫21與固定側端板13和活動側端板12相接合，由此構成具有保持預定程度真空的內部空間的氣密容器V。
在構成氣密容器V的絕緣圓筒11的內部，穿過固定側端板13的固定接觸元件15和穿過活動側端板12的活動接觸元件彼此相對布置。
活動接觸元件14包括位于一對向端部的活動接觸件14a和從后側支撐該活動接觸件14a的活動導電桿14b。
固定接觸元件15包括位于一對向端部的固定接觸件15a和從后側支撐該固定接觸件15a的固定導電桿15b。
穿過固定側端板13的固定接觸元件15通過焊接縫26氣密固定在固定側端板13上。
在氣密容器V內部，杯形電弧罩18被連接到固定接觸元件15，將固定接觸件15a與活動接觸件14a彼此相對的空間包圍起來。設置電弧罩18是為了防止絕緣圓筒11的內壁受到因接觸和打開固定接觸件15a和活動接觸件14a而切換電流時所產生的電弧放電的污染。
圖2A是活動接觸元件14穿過活動側端板12的區域的放大剖面圖。
波紋管16設置在活動接觸元件14穿過活動側端板12的區域處。波紋管16一方面允許活動接觸元件14在軸向上移動，另一方面保證了活動接觸元件14穿過活動側端板12的區域中的氣密性。
波紋管16由可膨脹的加肋部16a和位于該加肋部兩側的圓筒形開口端部16b和16c構成。每個開口端部為圓筒形，其縱向界面大致平行于軸向。
波紋管可以用例如不銹鋼來制造。該波紋管可以是使用下述方法制造的有縫型波紋管。在該實施例中，波紋管16的內表面與外表面都沒有金屬鍍層，以原材料加工的方式暴露在外。
活動側端板12的整個表面上鍍有鎳鍍層12a。活動側端板12的中心部分具有通孔12b，用來使活動接觸元件14從中通過。階梯部12c與通孔12b同心設置，從氣密容器V上伸出。
利用銀焊料等焊料在焊接縫23處將階梯部12c的內圓周與波紋管16的開口端部16c氣密焊接。在焊接縫23處，開口端部16c的外表面與階梯部12c的內圓周表面之間的縫隙的整個圓周填充有焊料，并且在波紋管16的開口端部16c的外圓周和內圓周上分別形成填角焊縫23a和填角焊縫23b。
波紋管16的另一開口端部16b通過蓋17與活動接觸元件14氣密接合。
蓋17整體鍍敷有鎳鍍層17a，且在它的中心部分具有供活動接觸元件14穿過的通孔17b。通孔17b的內圓周與活動接觸元件14的外圍表面利用焊料在焊接縫25處氣密固定。
蓋17具有階梯部17c，其與通孔17b同心布置，并朝向氣密容器V的內部伸出。階梯部17c的外圍上設置有凸緣17d。凸緣17d使波紋管16與氣密容器V中活動接觸件14a與固定接觸件15a彼此相對的區域分開。
階梯部17c的內圓周表面與波紋管16的開口端部16b的外表面利用焊料在焊接縫24處氣密接合在一起。在焊接縫24處，開口端部16b的外表面和階梯部17c的內圓周表面之間的縫隙的整個圓周上填充有焊料，并且在波紋管16的開口端部16b的內圓周和外圓周上分別形成填角焊縫24a和填角焊縫24b。
本實施例中所用的波紋管并不是由深沖壓制造的無縫型波紋管，而是使用下述方法制造的有縫型波紋管16。因此，波紋管16的兩端，開口端部16b和16c都為圓筒形，并且按照制造時的狀態沿軸向具有統一的直徑。
結果，波紋管16與蓋17(以及與活動接觸元件14)接合的部位具有簡單的結構，在該結構中，波紋管16的開口端部16b沿軸向插入蓋17的階梯部17c并與之配合。這種簡單的結構使得在焊接縫24處開口端部16b和階梯部17c之間的縫隙完全被焊料填充，形成形狀平滑的填角焊縫24a和填角焊縫24b。
同樣，波紋管16和活動側端板12接合的部位也具有簡單的結構，在該結構中，波紋管16的開口端部16c沿軸向配合在活動側端板12的階梯部12c中。在焊接縫23處開口端部16c和階梯部12c之間的縫隙也完全被焊料填充，形成形狀平滑的填角焊縫23a和填角焊縫23b。
所以，在焊接縫24和焊接縫23處的接合強度與氣密性都得到了改善。通過調節波紋管16的開口端部16b的軸向上的接合長度L1以控制焊接縫24的軸向長度，可將焊接縫24處的接合強度和氣密性設置為期望程度。同樣，通過調節波紋管16的開口端部16c的軸向上的接合長度L2以控制焊接縫23的軸向長度，可將焊接縫23處的接合強度和氣密性設置為期望程度。
圖2B示出了波紋管16和蓋17之間的焊接縫24的變型。在該變型中，除了開口端部16b的外表面以外，焊接縫24還利用波紋管16的可膨脹加肋部16a的外表面16d的一部分用作接合表面的一部分，所述外表面的該部分與開口端部16b相鄰，并且是大約與波紋管16的軸向垂直的表面。這種變型結構可進一步改進焊接縫24處的接合強度和氣密性。
圖3舉例說明了根據本發明實施例的波紋管16的制造過程。
例如，將矩形不銹鋼片材31軋制成筒管32，并將筒管32側表面上在軸向上的接縫33焊接。之后，使用由基礎夾具41和擠壓夾具42組成的成形夾具40在筒管32軸向上的中間位置形成可膨脹加肋部34(可膨脹加肋部16a)，其中基礎夾具41在其外周形成有基礎肋模，擠壓夾具42帶有具有肋片間隔的突起部。在成形工藝中，將基礎夾具41插入筒管32之中，擠壓夾具42在筒管32的徑向向內方向上沿筒管32的壁頂著基礎夾具41進行擠壓。這樣，就得到波紋管30(波紋管16)。
如果不使用成形夾具40，也可以采用如下方法來制造波紋管30。在該方法中，將筒管32插入在其內壁具有肋的圓筒形母模具之中，并從筒管32的內部施加液壓以按照母模具的內部形狀使筒管32擴展。
上述制造波紋管30的這些方法形成加肋部34，并使筒管32的兩個端部保持原始的圓筒形狀，可以在較短的時間內提供根據本發明實施例的波紋管16。該波紋管16在軸向中間部分具有可膨脹的加肋部16a，在兩個端部具有簡單的圓筒開口端部16b和開口端部16c。與需要復雜制造工藝的現有技術的無縫型波紋管相比，可以以較短的時間制造本發明實施例的有縫型波紋管16。因此，根據本發明的制造方法，也可以縮短使用波紋管16的真空閥門10的生產周期。
在具有本發明實施例結構的真空閥門10中，活動接觸元件14和固定接觸元件15連接到期望的電路上，活動接觸件14a和固定接觸件15a彼此接觸使電路導通。當電路由于某些故障而斷開時，由波紋管16所支撐的活動接觸元件14響應外部信號而移動，與固定接觸元件15分開。活動接觸件14a和固定接觸件15a分開，相互處于絕緣狀態。氣密容器V內部的真空可防止由于電弧放電的擊穿故障。
這樣，可以膨脹和收縮的波紋管16可通過活動接觸件14a和固定接觸件15a的接觸和分離來實現電路的開關操作，同時在氣密容器V內部保持真空。
在這里所述的本發明的實施例中，波紋管上沒有金屬鍍層，只是在活動側端板12和蓋17上鍍敷有鎳鍍層12a和鍍層17a。波紋管16的開口端部16c和活動側端板12在焊接縫23處例如用銀焊料接合，而波紋管16的開口端部16b和蓋17在焊接縫24處用銀焊料接合。
下述的具體示例將證明這種波紋管16沒有金屬鍍層而只是在活動側端板12的相對組件和蓋17上設置有鎳鍍層12a和鎳鍍層17a的結構可以保證滿意的接合強度和氣密性。本發明實施例的真空閥門的結構基于具體示例的內容。
如前所述，常規真空閥門中的波紋管的鍍銀方法使用無縫型波紋管，該無縫型波紋管是通過對奧氏體不銹鋼片材進行深沖壓而制成，并且如專利文件2所述，這種無縫型波紋管要通過花費大量時間和工作的掛鍍或非電鍍鍍敷鎳鍍層。
此外，專利文件3所述的波紋管與電極的一體結構十分復雜，它需要在無縫波紋管的厚底板上開出用于電極的通孔，并且要將波紋管、波紋管護罩部件、和鎖緊環疊加保持在電極的階梯部，并焊接固定。
所以，現有技術需要使用昂貴的無縫型波紋管，還要在波紋管上鍍鎳。波紋管本身的高成本和鎳鍍層的必要性增加了額外的成本。
考慮到上述情況，如下所述，本發明的發明人對在本發明實施例的真空閥門10中的波紋管上進行經濟的銀焊方法作了詳細研究。前述本發明實施例的真空閥門10的結構是由此研究所得到知識的應用。
使用各種材料對焊接進行了一些初步試驗。試驗中所使用的材料為無氧銅板(C1020P，日本工業標準材料編碼，以及下文中的“SPCC”與“SUS304CP”)、冷軋鋼板(SPCC)，冷軋不銹鋼板(SUS304CP)。樣本的形狀為厚度2-3mm邊長約30mm的方形，樣本的表面僅用溶劑作了去油處理而沒有被鍍上鎳層。
將銀焊料箔片(72Ag-Cu)置于沒有鎳鍍層的SUS304板(臨時作為基礎金屬101)和C1020P，SPCC或SUS304CP(臨時作為接合側金屬102)之間。該組合體在10-2Pa壓力以內的高度真空環境中被加熱到攝氏800度，通過銀焊料層103將基礎金屬101與接合側金屬102接合。在該基礎金屬101(SUS304)/接合側金屬102(C1020P或SPCC)組合體中，在C1020P或SPCC的接合側金屬102一側形成了紡錘形填角焊縫103，而在基礎金屬SUS304一側形成了收縮凹部103b，如圖4A所示。
在SUS304的基礎金屬101和SUS304的接合側金屬102的組合體中，在基礎金屬和接合側金屬的兩側形成了較大的收縮凹部103b，如圖4B所示。
這種情況的發生是因為在真空加熱的還原反應下，C1020P和SPCC表面上只有很少的污漬和氧化物被分解，因此帶來較好的潤濕性。在使用SUS304材料的情況下，在它的表面上形成有堅固的氧化膜，并且該氧化膜不能通過在真空中加熱來去除。結果，沒有鎳鍍層的SUS304表現出較差的潤濕性，也不能提供在沒有鎳鍍層或其它特殊處理的條件下所需要的較好的氣密接合。
之后，對具有鎳鍍層的SUS304基礎金屬101板與沒有鎳鍍層的C1020P，SPCC或SUS304CP的接合側金屬102的組合體進行相似的焊接試驗。
在基礎金屬101(具有鎳鍍層的SUS304)/接合側金屬102(C1020P或SPCC)的組合體中，在基礎金屬101和接合側金屬102的兩側都形成了紡錘狀的填角焊縫103a，如圖5A所示。這樣，實際上對銀焊料表現出較差潤濕性的SUS304當其鍍敷有鎳鍍層時仍然可以表現出很好的焊接性能。
在基礎金屬101(具有鎳鍍層的SUS304)/接合側金屬102(沒有鎳鍍層的SUS304CP)的組合體中可以觀察到一種奇特的現象，如圖5B所示。在沒有鎳鍍層的SUS304接合側金屬102一側形成了表現出圖5B所示的良好焊接狀況的紡錘狀填角焊縫103a，而依其本身特性應對銀焊料表現出較差的潤濕性。
這種現象的原因可以理解為，形成在基礎金屬101(SUS304)上的鎳鍍層101a在800-850攝氏度的焊接過程中部分融解，并在銀焊料的固化過程中沉淀在接合側金屬102(沒有鎳鍍層)的表面上，就像在接合側金屬102上鍍有鎳鍍層一樣。
以與前述相同的焊接方式，對具有鎳鍍層的SUS304基礎金屬101與具有鎳鍍層的C1020P，SPCC或SUS304CP的組合體進行進一步的焊接試驗。不出所料，在每種組合體中基礎金屬101和接合側金屬102的兩側都形成了良好的填角焊縫103a。
盡管在鎳鍍層的表面上也會形成污漬或氧化膜，但它們可通過在真空中加熱而被有效去除，從而實現對銀焊料的良好潤濕性。
基于前述初步示例得到的知識，以沒有鍍層的SUS304基礎金屬101和分別在其上具有鎳鍍層(接合側金屬102上的鍍層)的C1020P，SPCC或SUS304的三種組合制成三種樣本。通過觀察焊接結果，如圖6所示，在每個組合體中，即使是在沒有鎳鍍層的SUS304基礎金屬101一側，也形成了填角焊縫103，表現出良好的焊接狀況。
表1列出了前述的試驗結果。表格欄目中的標記表示基礎金屬側處/接合側金屬處的焊接狀況，其中0表示形成有填角焊縫，焊接狀況良好，X表示沒有形成填角焊縫，焊接狀況較差。
基于這些試驗結果，對樣本的橫截面進行了更詳細的觀察。
圖7A，7B，7C，7D，8A，8B，8C，8D示出了作為SUS304主要成分的Fe，Cr和Ni，作為銀焊料主要成分的Ag，Cr，以及鎳鍍層的Ni這些元素的濃度分布的觀察和測量結果。該結果是采用EPMA(電子探針微量分析)在沒有鎳鍍層的SUS304基礎金屬101和具有鎳鍍層的SUS304接合側金屬102的焊接部位的橫截面上測量的。
具體來說，圖7A是由接合側金屬102，銀焊料層103和基礎金屬101組成的焊接部的剖面觀察圖，圖7B是接合側金屬102和銀焊料層103之間的接合面104a的剖面觀察圖。
圖7C是EPMA測定的多種元素的濃度分布圖表，圖7D是各元素的濃度分布圖表，其中所有圖表中的接合面104a的位置是一致的。
圖8A是由基礎金屬101，銀焊料層103，和接合側金屬102組成的焊接部的剖面觀察圖，圖8B是基礎金屬101和銀焊料層103之間的接合面104的剖面觀察圖。
圖8C是EPMA測定的多種元素的濃度分布圖表，圖8D是各元素的濃度分布圖表，其中所有圖表中的接合面104的位置是一致的。
在每幅圖7C，7D，8C，8D中，縱坐標表示EPMA獲得的元素計數，較高位置代表濃度較大，橫坐標表示位置。圖表中的雙點劃線表示無鎳鍍層的SUS304基礎金屬101和銀焊料層之間的接合面104以及有鎳鍍層的SUS304接合側金屬102和銀焊料層103之間的接合面104a的大體位置。在每種元素的分析圖表7C，7D，8C，8D中，為便于理解，縱坐標可任意伸縮。
圖7A，7B，7C，7D示出了對有鎳鍍層的SUS304接合側金屬102與銀焊料層103之間的接合面104a的元素分析結果。可以看到，在接合側金屬102上幾微米處的表面區域Ni濃度相對較高。這是由鎳鍍層引起的。
圖8A，8B，8C，8D示出了對沒有鎳鍍層的SUS304基礎金屬101和銀焊料層103之間的接合面104的元素分析結果。由于在SUS304基礎金屬101的表面上沒有鎳鍍層，所以鎳只能在基礎金屬101的內部找到，并且鎳對應SUS304中的組成其濃度分布大致恒定，如圖8D的虛線105所示。然而，盡管不具有鎳鍍層，在SUS304基礎金屬101的表面區域上卻發現可觀察到較高鎳濃度的奇特現象。
這一事實證實了前述的設想，即形成在SUS304上的鎳鍍層在焊接過程中部分融解，并在固化過程中沉淀在相對的SUS304的表面上，就像鍍有鎳鍍層一樣。
基于前述試驗所得到的知識，對將波紋管16焊接在真空閥門10中進行了試驗。在焊接試驗中使用的波紋管是利用圖3所示的示例方法制造的。將奧氏體不銹鋼片材(SUS316)軋制后經TiG焊接形成管，然后施加液壓形成波紋管。該波紋管是具有焊縫的所謂有縫型波紋管16。沒有鍍敷鎳鍍層。
與波紋管焊接的接合側金屬是蓋17和活動側端板12，蓋17由C1020P或SPCC構成，并具有厚度為2-3μm的鎳鍍層17a；活動側端板12由Fe-42Ni構成，并具有厚度為2-3μm鎳鍍層12a。(見圖2A)以前述方式對這些組合材料進行焊接，并檢查其外觀和橫截面結構。發現在每種組合中都形成了如圖9的示例所示的填角焊縫24b和填角焊縫23a，證明具有良好的焊接狀態。
圖10A，10B，10C，10D示出了采用EPMA對作為波紋管16主要成分的Fe，Cr和Ni，作為銀焊料主要成分的Ag，Cu，以及鎳鍍層17a(12a)的Ni這些元素的元素分析結果。該結果在沒有鎳鍍層的波紋管16和具有鎳鍍層17a(12a)的C1020P蓋17(活動側端板12)之間的焊接部位的剖面上測量的。
具體來說，圖10A是由波紋管16，銀焊料層，和蓋17(或活動側端板12)組成的焊接縫24(或在焊接縫23)的剖面觀察圖；圖10B是(在焊接縫24或焊接縫23處)波紋管16和銀焊料層之間的接合面104的剖面觀察圖。
圖10C是由EPMA所測量的多種元素的濃度分布結果圖表。圖10D是各個元素的濃度圖表，其中所有圖表中接合面104的位置是一致的。
在從圖10A到圖10D的這些圖中，即使是在沒有鎳鍍層的波紋管16的表面上，也可以觀察到圖10D中指示的較高鎳濃度區域105a，類似于圖8D中的105a。這是由于在焊接溫度處理下鎳鍍層17a的鎳組分轉移到波紋管16一側。
盡管以上說明的是使用C1020作為要接合波紋管16的蓋17和活動側端板12的材料的情況，對于奧氏體不銹鋼，低碳鋼，Fe-Ni和Fe-Ni-Co的密封合金這些材料的情況也獲得了類似的結果。
對根據本發明的接合方法制造的真空閥門中的壓力(真空程度)隨時間的變化作了測量，沒有發現壓力下降或真空度降低，這證明了在波紋管16和蓋17之間的焊接縫24處以及波紋管16和活動側端板12之間的焊接縫23處具有良好的氣密接合。
就目前所述，在根據本發明實施例的真空閥門10的波紋管的接合中，沒有對例如由不銹鋼制造的波紋管16進行鍍鎳。取而代之的是，在蓋17與活動側端板12上分別設置鎳鍍層17a與鎳鍍層12a并將其焊接，其中蓋17與活動側端板12是與波紋管相對的部件并具有相對簡單的形狀。不在波紋管16上鍍鎳降低了成本，并可以高氣密性和接合強度進行接合。
由于可以使用價格低廉的有縫型波紋管，所以能夠進一步降低成本。該有縫型波紋管是通過形成帶有焊縫的薄的筒管而制成的。有縫型波紋管的成本只有無縫型波紋管成本的三分之一。因此，可以明顯地降低成本。
經制造成形的無縫型波紋管16具有直圓筒部，并且在其兩端具有開口端部16b和開口端部16c。因此，使用該開口端部16b和16c的內或外表面用作焊接的接合表面，可以形成結構簡單的焊接縫23和焊接縫22。
所以，與專利文件3中披露的復雜的疊加結構相比，可以在焊接縫23和22處長時間保持氣密性。
上述說明描述了在真空閥門10中波紋管16的接合部位處的接合工藝。圖1中示例所示的真空閥門10中的接合處理可在真空爐中同時用于所有焊接縫，這些焊接縫包括焊接縫21，焊接縫22，焊接縫23，焊接縫24，焊接縫25，焊接縫26。
具有圖1結構的真空閥門10的零件如圖1所示臨時組裝，并將焊料置于焊接縫從21到26上。在臨時裝配時可利用焊料的粘性為零件相對定位。這些零件將被放進真空爐中整體加熱到800-850攝氏度的焊接溫度，使其進行焊接裝配。
由于本實施例的有縫型波紋管16的兩端是簡單圓筒形的開口端部16b和16c，通過同心布置蓋17、波紋管16、活動側端板12、活動接觸元件14，就可以有效地實現臨時裝配。這給本實施例帶來了額外的好處。
在加熱過程中，圖2A所示的與波紋管16有關的元件被設置在絕緣圓筒11中，因此幾乎不會從真空爐接收到輻射。
然而，由于在本實施例中可在大約800攝氏度的焊接溫度下進行焊接，通過將真空爐溫度設置為大約850攝氏度，并將包括位于絕緣圓筒11中的波紋管的組件加熱到大約800度，可以實現真空閥門10的一次性裝配。
本發明不應限于上述的示例實施例，在本發明的范圍和原則內可以作任何改變。
例如，活動側端板12和蓋17上的金屬鍍層不限于鎳鍍層，也可以是金(Au)鍍層。
權利要求
1.一種真空閥門，包括容納固定接觸件和活動接觸件的氣密容器，所述氣密容器包括其上具有金屬鍍層的第一構件、沒有金屬鍍層的波紋管、和其上具有金屬鍍層的第二構件，其中所述第一構件介于所述活動接觸件與所述波紋管之間并與所述波紋管的一個端部焊接，而所述波紋管的另一個端部與所述第二構件焊接。
2.如權利要求1所述的真空閥門，其中所述波紋管通過焊接步驟和成形步驟制成，在所述焊接步驟中將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接側面的接縫線以形成筒管，在所述成形步驟中在所述筒管上形成加肋部，所述波紋管具有允許膨脹和收縮的所述加肋部，并在加肋部的兩側具有圓筒端部。
3.如權利要求1所述的真空閥門，其中所述第一和第二構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
4.如權利要求1所述的真空閥門，其中所述金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層，且所述第一和第二構件使用銀焊料與所述波紋管焊接。
5.如權利要求1所述的真空閥門，其中在所述波紋管和所述第一構件之間的被焊接位置包含有從所述第一構件的所述金屬鍍層轉移的金屬成分，且在所述波紋管和所述第二構件之間的被焊接位置包含有從所述第二構件的金屬鍍層轉移的金屬成分。
6.如權利要求1所述的真空閥門，其中所述波紋管包括允許膨脹和收縮的加肋部和位于所述加肋部兩側的具有圓筒形狀的開口端部，所述第一構件包括用于讓活動電極從中通過的通孔和圍繞所述通孔形成的階梯部，所述波紋管的所述開口端部之一的外表面與所述第一構件的所述階梯部的內表面焊接。
7.一種真空閥門的制造方法，所述真空閥門包括容納固定接觸件和活動接觸件的氣密容器，其中所述氣密容器包括其上具有金屬鍍層的第一構件、沒有金屬鍍層的波紋管、和其上具有金屬鍍層的第二構件，并通過所述波紋管支撐所述活動接觸件，所述方法包括第一步準備所述第一構件、所述波紋管、和所述第二構件，其中將所述第一構件插入所述活動接觸件和所述波紋管之間并與所述波紋管的一個端部相鄰布置，且所述波紋管的另一端部與所述第二構件相鄰布置，第二步將所述第一構件與所述波紋管焊接，并將所述波紋管與所述第二構件焊接。
8.如權利要求7所述的真空閥門的制造方法，其中所述波紋管在所述第一步中通過焊接過程和成形過程制成，在所述焊接過程中通過將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接被軋制片材側表面上的接縫線而形成筒管，在所述成形過程中在所述筒管上形成肋。
9.如權利要求7所述的真空閥門的制造方法，其中所述第一和第二構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
10.如權利要求7所述的真空閥門的制造方法，其中所述金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層。
11.如權利要求7所述的真空閥門的制造方法，其中進行焊接的所述第二步是使用銀焊料來實施的。
12.如權利要求7所述的真空閥門的制造方法，其中在所述第二步中的將所述第一構件與所述波紋管焊接的過程中，所述第一構件上的所述金屬鍍層的金屬成分轉移到所述波紋管，在所述第二步中的將所述第二構件與所述波紋管焊接的過程中，所述第二構件上的所述金屬鍍層的金屬成分轉移到所述波紋管。
13.一種真空閥門的制造方法，在所述真空閥門中用于容納觸點的氣密容器的構件與波紋管焊接，以允許所述觸點接觸和分離，同時保持氣密性，所述方法包括第一步在所述構件上鍍敷金屬鍍層；第二步將所述構件與沒有金屬鍍層的波紋管焊接。
14.如權利要求13所述的真空閥門的制造方法，其中所述波紋管在所述第一步中通過焊接過程和成形過程制成，在所述焊接過程中通過將不銹鋼片軋制成圓筒形并焊接被軋制片材側表面上的接縫線而形成筒管，在所述成形過程中在所述筒管上形成肋。
15.如權利要求13所述的真空閥門的制造方法，其中所述構件由低碳鋼、銅、不銹鋼、或鐵鎳合金或鐵鎳鈷合金的密封合金構成。
16.如權利要求13所述的真空閥門的制造方法，其中所述構件的所述金屬鍍層為金鍍層或鎳鍍層，且所述焊接過程是使用銀焊料來實施的。
17.如權利要求13所述的真空閥門的制造方法，其中在所述第二步中的將所述構件與所述波紋管焊接的過程中，所述構件上的所述金屬鍍層的金屬成分轉移到所述波紋管。
全文摘要
本發明的目的是降低真空閥門的成本并縮短其制造周期，該真空閥門包括將波紋管焊接在真空閥門活動部中的結構。真空閥門包括具有絕緣圓筒(11)、活動側端板(12)和固定側端板(13)并容納彼此相對的活動接觸元件(14)和固定接觸元件(15)的氣密容器(V)。活動接觸元件(14)由波紋管(16)支撐，并且其移動執行觸點的開關動作，同時保持氣密容器的氣密性。所用波紋管為無鎳鍍層的有縫型波紋管(16)。鎳鍍層(12a)和鎳鍍層(17a)分別形成在要與波紋管接合的活動側端板(12)和蓋(17)上。波紋管(16)的端部用銀焊料在焊接縫(23)和(24)處與活動側端板(12)和蓋(17)焊接以密封容器。
文檔編號H01H33/664GK1953117SQ20061015145
公開日2007年4月25日 申請日期2006年9月8日 優先權日2005年10月20日
發明者吉田將司, 尾高信行, 古澤正幸 申請人:富士電機機器制御株式會社