碳結構與金屬片組合體及其制成方法
【專利摘要】本發明提供一種碳結構與金屬片的焊接方法，包括將硬釬料設置至碳結構的表面、將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊、以及將金屬片軟釬焊至硬釬焊后的硬釬料的表面三個步驟。硬釬料與該碳結構進行硬釬焊后，硬釬料中如鈦、鉻、硅等活性元素會與該碳結構中碳元素發生化學反應，從而增強硬釬料與碳結構的結合強度。另外，由于金屬片是在較低溫的環境下軟釬焊至硬釬料層，金屬片不會被破壞而變軟，同時也避免了裂紋的產生。本發明還提供一種碳結構與金屬片的組合體。
【專利說明】碳結構與金屬片組合體及其制成方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及焊接方法，尤其涉及一種碳結構與金屬片的焊接方法。
【背景技術】
[0002] 換向器通常包括多個換向片以及多個與對應的換向片電性連接的掛鉤，掛鉤用于 掛接線圈，以與該線圈電性連接。目前大部分換向器的換向片與掛鉤由銅片一體沖壓而制 成。由于碳刷的硬度與銅的硬度相差較大，碳刷工作過程中磨損較為嚴重。因此，有一種改 進是使用石墨片來代替上述銅換向片，這就涉及到該換向片與上述由銅制成的掛鉤的連接 問題。現有技術中，通常是在石墨片表面電鍍或者離子濺鍍一個鎳或銅金屬層，然后再利用 錫等熔點低于450°C的軟釬料將具有上述掛鉤的銅片軟釬焊（Soldering)至該金屬層。然 而，由于上述金屬層與石墨片之間不是通過冶金結合，兩者間的連接并不牢固。現有技術 中，也有在石墨與具有上述掛鉤的銅片之間夾設熔點高于450°C的硬釬料，然后將該石墨、 銅片以及硬釬料放置在高溫中進行硬釬焊（Brazing)，直接將該銅片固定至該石墨。然而， 由于銅與石墨的膨脹系數相差較大，制成后石墨上會出現較多并且較大的裂紋，而且，經過 如此高溫烘烤過的銅片會變軟，不利于線圈的掛設。
【發明內容】
[0003] 有鑒于此，本發明提供一種可克服上述技術問題的碳結構與金屬片組合體及其制 成方法。
[0004] 一種碳結構與金屬片的組合體，包括碳結構、由硬釬料在該碳結構表面硬釬焊后 形成的硬釬料層、由軟釬料在該硬釬料層表面軟釬焊后形成的軟釬料層、以及結合至該軟 釬料層表面金屬片。
[0005] -種碳結構與金屬片的焊接方法，包括以下步驟：將硬釬料設置至碳結構的表面； 將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊；以及將金屬片軟釬焊至硬釬焊后的硬釬料的表面。
[0006] 本發明的硬釬料與該碳結構進行硬釬焊后，硬釬料中如鈦、鉻、硅等活性元素會與 該碳結構中碳元素的會發生化學反應，從而增強硬釬料與碳結構的結合強度。另外，由于金 屬片是在較低溫的環境下軟釬焊至硬釬料層，金屬片不會被破壞而變軟，同時也避免了裂 紋的產生。
[0007] 為了能更進一步了解本發明的特征以及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細 說明與附圖，然而所附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本發明加以限制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發明較佳實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法的流程圖。
[0009] 圖2是圖1的流程圖中第三個步驟的詳細流程圖。
[0010] 圖3是本發明較佳實施方式的碳結構與金屬片的組合體的局部剖視結構示意圖， 值得注意的是實際上各層的比例關系未必如圖所示。
【具體實施方式】 toon] 下面結合附圖，通過對本發明的【具體實施方式】詳細描述，將使本發明的技術方案 及其他有益效果顯而易見。附圖僅提供參考與說明用，并非用來對本發明加以限制。附圖 中顯示的尺寸僅僅是為了便于清晰描述，而并不限定比例關系。
[0012] 本發明第一實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法包括以下步驟：
[0013] 步驟1 :將銀銅鈦（Ag，Cu，Ti)硬釬料，比如69%的銀，27%的銅，4%的鈦的銀銅鈦 硬釬料，通過網版絲印的方式印刷至該碳結構的表面，網版絲印過程中優選厚度為0. 5毫 米以下的聚脂絲網，以使得絲網在印刷釬料的過程中具有較佳的彈性。上述碳結構可以是 石墨、碳和石墨粉末的混合物等。
[0014] 步驟2 :將上述設置有銀銅鈦硬釬料的碳結構放入真空度在1.0ΧΚΓ1帕至 4. ΟΧ ΚΓ2帕并且溫度在800°C至900°C的真空爐中保溫13至17分鐘，然后冷卻，以使銀銅 鈦硬釬料硬釬焊至碳結構。優選地，上述真空度在6. 0 X ΚΓ2帕，上述溫度為850°C，上述保 溫時間為15分鐘。在上述設置有銀銅鈦硬釬料的碳結構放入真空爐后，優選地，真空爐從 室溫以每分鐘l〇°C的速度上升至850°C，然后再在該850°C的環境中保溫15分鐘。
[0015] 步驟3 :將錫膏通過網版絲印的方式設置至由硬釬焊后的銀銅鈦硬釬料的表面， 即由銀銅鈦硬釬料硬釬焊后所形成的硬釬焊層的表面，網版絲印過程中優選厚度為1毫米 以下的不銹鋼絲網，以保證絲網在印刷釬料的過程中的彈性。
[0016] 步驟4 :將純銅片覆蓋至上述錫膏表面。
[0017] 步驟5 :將該硬釬焊后的碳結構、錫膏以及純銅片放置在250°C至300°C的環境中2 至4分鐘后冷卻，以使純銅片通過以錫膏為軟釬料的軟釬焊方式結合至硬釬焊后的銀銅鈦 硬釬料的表面。
[0018] 本發明第二實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法包括以下步驟：
[0019] 步驟1 :將美國焊接協會（American Welding Society, AWS)規定的BNi2型硬釬 料通過噴射的方式均勻噴射至該碳結構的表面。上述碳結構可以是石墨、碳和石墨粉末的 混合物等。
[0020] 步驟2 :將上述設置有BNi2硬釬料的碳結構放入真空度在2. 0 X 10_2帕至8 X 10_3 帕并且溫度為1050°C至1150°C的真空爐中保溫25至35分鐘，然后冷卻，以使BNi2硬釬料 硬釬焊至碳結構。優選地，上述真空度在1.0ΧΚΓ 2帕，上述溫度為1KKTC，上述保溫時間 為30分鐘。在上述設置有BNi2硬釬料的碳結構放入真空爐后，優選地，真空爐從室溫以每 分鐘15°C的速度上升至1100°C，然后再在該1100°C的環境中保溫30分鐘。
[0021] 步驟3 :將錫鉍（Sn，Bi)漿料，比如含42%的錫及58%的鉍的錫鉍漿料（Sn-58Bi)， 通過網版絲印的方式設置至由BNi 2硬釬料硬釬焊后所形成的硬釬焊層的表面，網版絲印過 程中優選孔徑為1毫米以下的不銹鋼絲網，以保證絲網在印刷釬料的過程中的彈性。
[0022] 步驟4 :將青銅片覆蓋至上述錫鉍漿料表面。
[0023] 步驟5 :將該硬釬焊后的碳結構、錫鉍漿料以及青銅片放置在150°C至250°C的環 境中4至6分鐘后冷卻，以使青銅片通過以錫鉍漿料為軟釬料的軟釬焊方式結合至硬釬焊 后的8附 2硬釬料的表面。
[0024] 本發明第三實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法包括以下步驟：
[0025] 步驟1 :將鈦鋯銅鎳（Ti，Zr，Cu，Ni)硬釬料，比如含40%的鈦，20%的鋯，20%的銅， 20%的鎳的鈦鋯銅鎳硬釬料，均勻曬在該碳結構的表面。該碳結構可為環狀的石墨片。
[0026] 步驟2 :將上述設置有鈦鋯銅鎳硬釬料的碳結構放入真空度在1.0ΧΚΓ2帕至 3X ΚΓ3帕并且溫度為900°C至1000°C的真空爐中保溫20至30分鐘，然后冷卻，以使鈦鋯 銅鎳釬料硬釬焊至碳結構。優選地，上述真空度在8 X 1(Γ3帕，上述溫度為950°C，上述保溫 時間為20分鐘。在上述設置有鈦鋯銅鎳釬料的碳結構放入真空爐后，優選地，真空爐從室 溫以每分鐘15°C的速度上升至950°C，然后再在該950°C的環境中保溫20分鐘。
[0027] 步驟3 :將同為環狀的錫銅（Sn，Cu)焊片，比如含98%的錫及2%的銅的錫銅焊片 (Sn-2Cu)，覆蓋至由鈦鋯銅鎳硬釬料硬釬焊后所形成的硬釬焊層的表面。
[0028] 步驟4 :將銀片覆蓋至上述錫銅焊片表面。
[0029] 步驟5 :將該硬釬焊后的碳結構、錫銅焊片以及銀片放置在300°C至350°C的環境 中7至10分鐘后冷卻，以使銀片通過以錫銅片焊片為軟釬料的軟釬焊方式結合至硬釬焊后 的鈦鋯銅鎳硬釬料的表面。
[0030] 本發明第四實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法包括以下步驟：
[0031] 步驟1 :將AWS規定的8附5硬釬料通過網版絲印的方式印刷至該碳結構的表面，網 版絲印過程中優選0. 5毫米以下的聚脂絲網，以使得絲網在印刷釬料的過程中具有較佳的 彈性。
[0032] 步驟2 :將上述設置有8附5硬釬料的碳結構放入真空度在3.0ΧΚΓ3帕至 1. 0X10_3帕并且溫度為1KKTC至1200°C的真空爐中保溫15至20分鐘，然后冷卻，以使 8附 5硬釬料硬釬焊至碳結構。優選地，上述真空度在1X10_3帕，上述溫度為1200°C，上述 保溫時間為20分鐘。在上述設置有銀銅鈦硬釬料的碳結構放入真空爐后，優選地，真空爐 從室溫以每分鐘20°C的速度上升至1200°C，然后再在該1200°C的環境中保溫20分鐘。
[0033] 步驟3 :將形狀對應的錫片覆蓋至由BNi5硬釬料硬釬焊后所形成的硬釬焊層的表 面。采用上述固體的錫片可方便組裝。
[0034] 步驟4 :將鋁片覆蓋至上述錫片表面。
[0035] 步驟5 :將該硬釬焊后的碳結構、錫片以及鋁片放置在270°C至300°C的環境中3 至5分鐘后冷卻，以使鋁片通過以錫片為軟釬料的軟釬焊方式結合至硬釬焊后的BNi5硬釬 料的表面。
[0036] 本發明第五實施方式的碳結構與金屬片的焊接方法包括以下步驟：
[0037] 步驟1 :將8附7硬釬料通過網版絲印的方式印刷至該碳結構的表面，網版絲印過 程中優選0. 5毫米以下的聚脂絲網，以使得絲網在印刷釬料的過程中具有較佳的彈性。
[0038] 步驟2 :將上述設置有BNi7硬釬料的碳結構放入氨分解網帶爐（Mesh Belt Furnace)中，帶速設定0. 1-0. 8m/s，最高釬焊溫度設定為800°C至1100°C，然后冷卻，以使 BNi7硬釬料硬釬焊至碳結構。優選地，上述帶速設定0. 4m/s，最高釬焊溫度設定為1000°C。 實際上，上述氨分解網帶爐就是一個氣氛保護爐，其中的氣體還可以是氮氣、氫氣、氬氣、氦 氣、一氧化碳、二氧化碳、或其混合氣體等，不同氣體對應不同溫度。因此溫度范圍不限于上 述范圍。
[0039] 步驟3 :將形狀對應的錫銦（Sn，In)焊片，比如含49%的錫以及51%的銦的錫銦焊 片（Sn-51In)，覆蓋至由BNi7硬釬料硬釬焊后所形成的硬釬焊層的表面。采用上述固體的 錫銦焊片可方便組裝。
[0040] 步驟4 :將銅片覆蓋至上述錫銦焊片表面。
[0041] 步驟5 :將該硬釬焊后的碳結構、錫銦焊片以及銅片放置在130°C至230°C的環境 中3至5分鐘后冷卻，以使銅片通過以錫銦焊片為軟釬料的軟釬焊方式結合至硬釬焊后的 BNi7硬釬料的表面。
[0042] 可以理解，上述各實施方式中，在步驟1之前，還可打磨碳結構用于與該硬釬料接 觸的表面，并將該碳結構放置在設置有超聲波產生裝置的酒精中清洗，再取出浸泡在丙酮 中，然后取出晾干，以去除粉塵雜質。
[0043] 請結合圖1，通過以上多個實施方式可看出，本發明的碳結構與金屬片的焊接方法 實際上主要包括以下三個步驟：
[0044] S10 :將硬釬料設置至碳結構的表面；
[0045] S20 :將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊；以及
[0046] S30 :將金屬片軟釬焊至硬釬焊后的硬釬料的表面。
[0047] 其中，步驟S20中硬釬料及碳結構被放置在真空度在1. 0X10-1帕以上（即真空 度大于等于1. 0X 10-1帕，比如1. 0X 10-3帕），溫度為800°C以上（即大于等于800°C )的 環境中10至30分鐘而進行硬釬焊。也可以理解，硬釬焊所持續的時間也可不限于上述時 間方位，比如，在上述第三實施方式中，時間也可超過30分鐘。而步驟S30又可分解為S31 : 將軟釬料設置至硬釬焊后的硬釬料的表面、S32 :將該金屬片覆蓋至該軟釬料、S33 :將該硬 釬焊后的碳結構、軟釬料以及金屬片放置在130°C至350°C的環境中2至10分鐘這三個步 驟，如圖2所示。然而可以理解，步驟S30除了可通過上述S31至S33來完成以外，還可通 過電烙鐵進行手工焊接等其它方式來實現。
[0048] 請結合圖3,在上述的焊接方法中，硬釬料與該碳結構10進行硬釬焊后，硬釬料中 如鈦、鉻、鋯、硅等活性元素會與該碳結構中的碳元素發生化學反應。如此，硬釬料在該碳結 構表面硬釬焊后形成的硬釬料層20實際包括了兩個層，一個是靠近該碳結構10的由該硬 釬料與該碳結構10化學反應而成的反應層22,另一個是靠近該軟釬料層30的由該硬釬料 自身的組份反應而成的結合層24。由于發生了冶金反應，該反應層22與該碳結構10高度 結合的同時還與該結合層24高度結合。因此，主要由金屬元素構成的結合層24牢固地結 合至該碳結構10。既是說，硬釬料硬釬焊至該碳結構10后在該碳結構10表面形成了一個 牢固的金屬層，從而有利于后續與軟釬料30的結合。而正是因為金屬片40是在較低溫的 環境下軟釬焊至硬釬料層20的，金屬片的質地不會被破壞而變軟，同時也避免了因膨脹系 數相差較大而導致的裂紋的產生。
[〇〇49] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 碳結構與金屬片的焊接方法，包括以下步驟： 將硬釬料設置至碳結構的表面； 將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊；以及 將金屬片軟釬焊至硬釬焊后的硬釬料的表面。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，選用石墨為該碳結構。
3. 如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，在將硬釬料設置至碳結構的表面之前， 還包括步驟：清洗該碳結構與該硬釬料接觸的表面。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，將硬釬料設置至碳結構的表面包括通過網 版絲印的方式將該硬釬料設置至該碳結構的表面。
5. 如權利要求4所述的方法，其特征在于，將硬釬料設置至碳結構的表面包括采用厚 度在0. 5毫米以下的聚脂絲網進行網版絲印。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，將硬釬料設置至碳結構的表面包括通過噴 射或噴曬的方式將該硬釬料設置至該碳結構的表面。
7. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊包括將 該硬釬料及該碳結構被放置在真空度在1. 〇 X ΚΓ1帕以上，溫度為800°C以上的環境中而進 行硬釬焊。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊包括將 該硬釬料及該碳結構所處的環境以每分鐘10至20度上升至所需的溫度。
9. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，將該硬釬料及該碳結構進行硬釬焊包括將 該硬釬料及該碳結構被放置在溫度為800°C以上的氣氛保護爐中進行硬釬焊。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于，該氣氛保護爐包括氮氣、氫氣、氦氣、氦氣、 一氧化碳、二氧化碳、氨分解氣或其混合氣體。
11. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，將金屬片軟釬焊至硬釬焊后的硬釬料的表 面包括以下步驟： 將軟釬料設置至硬釬焊后的硬釬料的表面； 將該金屬片覆蓋至該軟釬料；以及 將該硬釬焊后的碳結構、軟釬料以及金屬片放置在130°C至350°C的環境中2至10分 鐘。
12. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，該軟釬料呈與該碳結構形狀對應的固體 片狀。
13. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，該軟釬料呈膏狀或粉狀。
14. 如權利要求11所述的方法，其特征在于，將軟釬料設置至硬釬焊后的硬釬料的表 面包括通過網版絲印方式將軟釬料設置至該硬釬焊后的硬釬料的表面。
15. 如權利要求14所述的方法，其特征在于，將軟釬料設置至硬釬焊后的硬釬料的表 面包括采用厚度在1毫米以下的不銹鋼絲網進行網版絲印。
16. -種碳結構與金屬片的組合體，包括： 碳結構； 由硬釬料在該碳結構表面硬釬焊后形成的硬釬料層； 由軟釬料在該硬釬料層表面軟釬焊后形成的軟釬料層；以及 結合至該軟釬料層表面的金屬片。
17. 如權利要求16所述的組合體，其特征在于，該碳結構為石墨。
18. 如權利要求16所述的組合體，其特征在于，該硬釬料層包括靠近該碳結構的反應 層以及靠近該軟釬料層的結合層，該反應層由該硬釬料與該碳結構化學反應而成，該結合 層由該硬釬料自身的組份反應而成。
【文檔編號】H01R43/02GK104064935SQ201310090190
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2013年3月20日 優先權日:2013年3月20日
【發明者】郭建軍, 鄒志平, 鄭宗暉, 杜志恒 申請人:深圳聯合焊接材料有限公司, 德昌電機(深圳)有限公司