[发明专利]用于结合铜导体的方法

说明书

本申请要求基于2011年4月29日提交的题为“Method of Joining Copper Conductors”的临时申请61/480,469的优先权，该临时申请通过参考引入本文。

技术领域

本发明涉及在铜工件的面对面表面之间形成强焊接部的相对低温、低热量输入方法。焊接部通过在工件之间留下低电阻铜-铜焊接部的冶金反应结合过程形成。在例如在电动马达中的铜导体对之间形成时，这种得到的焊接接头是非常希望的。

背景技术

虽然存在用于结合许多金属成分的工件的许多焊接实践，但是仍需要在最小变形和热量输入的情况下在两个铜工件之间形成完好的低电阻焊接接头的方法。特别是需要用于在车辆的电牵引马达的定子构件中、在许多这种铜导体对的组件中、在铜导体条的独立对之间形成焊接连接的这种结合方法。

发明内容

本发明使用冶金反应结合过程在组装铜工件的面对面表面之间形成完好的低电阻强焊接部。在本发明的一个实施例的说明中，具有小矩形截面的线或条形式且与触头的面对面表面类似的两个铜导体构件放置且加压在一起且在焊接界面中结合。因而，本发明的该实施例中，铜工件是基本上纯的高导电率铜金属。在冶金反应过程中，反应性金属或合金薄层放置在铜工件的面对面表面之间，且在加热时，反应性金属用于清洁和平滑表面，以允许在宽区域上的紧密接触和形成固态焊接部。

反应性金属或金属合金被选择以提供作为焊接过程的一部分的重要功能。这种冶金反应性金属成分必须通过在施加的热量的影响下与来自于面对面铜工件表面中的每个的少量材料反应而形成可流动液相。液相必须具有比工件金属的熔点更低的固相线温度。所形成的可流动相必须能够去除在要结合的铜工件表面上初始存在的氧化物膜。可流动相的预期功能是去除妨碍铜表面-铜表面焊接的这种膜。在反应过程期间实现表面平滑效果，即，通过溶解铜工件的一部分和在压力下驱出反应金属，消除每个工件表面上的非常薄层。这用于形成低电阻焊接接头，通常在高导电率铜工件之间。

在本发明的许多实施例中，期望接头取决于在铜工件的最小侵蚀的情况下将反应性金属驱出接头。在这些实施例中，要结合的面对面铜工件表面的区域优选应当具有类似的配合几何形状，即，平坦-平坦，固定凸半径-固定凹半径等，且得到的表面粗糙度必须足够平滑，使得可以在保留最少填料金属的情况下形成完好接头。由于反应性材料大部分从接头驱出，因而最终接头具有的电阻与自焊（autogenously）形成的接头几乎相同。

在本发明的说明性实施例中，按重量计大约7％的磷和其余部分是铜的合金薄金属条是结合基本上纯的铜工件的合适反应性金属。铜具有1084 ℃的熔点，而铜-7wt.％磷合金具有710 ℃的熔点。该铜-磷合金能够溶解或熔化在铜-铜工件界面处存在的表面氧化物以及与铜工件的一部分反应并溶解铜工件的一部分。用于焊接铜的另一种合适反应性金属成分是铜与按重量计6％的磷、6％的锡和0.4％的硅的合金。用于焊接铜的另一种合适反应性金属成分铜与按重量计15％的银和5％的磷的合金。该过程通过将薄（例如，50至250微米厚）反应性金属部段放置在要结合的铜工件的面对面表面之间进行。夹层接头然后被压缩且加热至远高于金属/反应性金属合金系统的固相线温度（即，在使用铜-7％磷合金时，高于710 ℃）但是远低于铜的熔点（即，低于1084 ℃）的温度。

在加热时压缩的常规方法使用电阻加热，这通过将面对面工件的外表面与商业点焊机的相对电极接合来提供。点焊机的夹持力提供使两个铜工件的配合表面与反应性金属夹层接触的所需压力。电阻加热电流传送至电极之间且通过工件和薄反应性金属条的界面。一旦充分加热，冶金反应就开始且反应性金属将液化并去除界面处的基体铜合金上的任何自然氧化物，且进一步与铜反应以形成含液体的相。电极施加的压力与铜工件的平滑配对或配合表面相结合还将可流动液体驱出到接头之外。在一些情况下，将存在具有足够低有效粘度的半固相，其可以从接头驱出，如纯液体的情况下那样。被驱出的该材料随之夹带任何熔化的氧化物或其它先前表面杂质，以留下清洁的平滑铜表面。通过该过程形成非常清洁的铜-铜焊接部。所形成的接头不主要是钎焊接头。这样形成的接头部段的详细显微照片表明，几乎所有的反应性金属从最终的铜工件-铜工件焊接接头驱出。该方法是相对低能量的方法和相对低温度的方法，这可以使得结合过程对铜工件或其它附近物品上的任何附近隔离的影响最小化。