[發明專利]用于結合銅導體的方法

在審

• 申請號: 201210127637.8
• 申請日: 2012-04-27
• 公開（公告）號: CN102756203A
• 公開（公告）日: 2012-10-31
• 發明（設計）人: T.A.佩里;J.G.施羅思;D.R.西格勒
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: B23K11/18
• 分類號: B23K11/18;B23K35/34;B23K103/12
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 董均華;譚祐祥

本申請要求基于2011年4月29日提交的題為“Method?of?Joining?Copper?Conductors”的臨時申請61/480,469的優先權，該臨時申請通過參考引入本文。

技術領域

本發明涉及在銅工件的面對面表面之間形成強焊接部的相對低溫、低熱量輸入方法。焊接部通過在工件之間留下低電阻銅-銅焊接部的冶金反應結合過程形成。在例如在電動馬達中的銅導體對之間形成時，這種得到的焊接接頭是非常希望的。

背景技術

雖然存在用于結合許多金屬成分的工件的許多焊接實踐，但是仍需要在最小變形和熱量輸入的情況下在兩個銅工件之間形成完好的低電阻焊接接頭的方法。特別是需要用于在車輛的電牽引馬達的定子構件中、在許多這種銅導體對的組件中、在銅導體條的獨立對之間形成焊接連接的這種結合方法。

發明內容

本發明使用冶金反應結合過程在組裝銅工件的面對面表面之間形成完好的低電阻強焊接部。在本發明的一個實施例的說明中，具有小矩形截面的線或條形式且與觸頭的面對面表面類似的兩個銅導體構件放置且加壓在一起且在焊接界面中結合。因而，本發明的該實施例中，銅工件是基本上純的高導電率銅金屬。在冶金反應過程中，反應性金屬或合金薄層放置在銅工件的面對面表面之間，且在加熱時，反應性金屬用于清潔和平滑表面，以允許在寬區域上的緊密接觸和形成固態焊接部。

反應性金屬或金屬合金被選擇以提供作為焊接過程的一部分的重要功能。這種冶金反應性金屬成分必須通過在施加的熱量的影響下與來自于面對面銅工件表面中的每個的少量材料反應而形成可流動液相。液相必須具有比工件金屬的熔點更低的固相線溫度。所形成的可流動相必須能夠去除在要結合的銅工件表面上初始存在的氧化物膜。可流動相的預期功能是去除妨礙銅表面-銅表面焊接的這種膜。在反應過程期間實現表面平滑效果，即，通過溶解銅工件的一部分和在壓力下驅出反應金屬，消除每個工件表面上的非常薄層。這用于形成低電阻焊接接頭，通常在高導電率銅工件之間。

在本發明的許多實施例中，期望接頭取決于在銅工件的最小侵蝕的情況下將反應性金屬驅出接頭。在這些實施例中，要結合的面對面銅工件表面的區域優選應當具有類似的配合幾何形狀，即，平坦-平坦，固定凸半徑-固定凹半徑等，且得到的表面粗糙度必須足夠平滑，使得可以在保留最少填料金屬的情況下形成完好接頭。由于反應性材料大部分從接頭驅出，因而最終接頭具有的電阻與自焊（autogenously）形成的接頭幾乎相同。

在本發明的說明性實施例中，按重量計大約7％的磷和其余部分是銅的合金薄金屬條是結合基本上純的銅工件的合適反應性金屬。銅具有1084?℃的熔點，而銅-7wt.％磷合金具有710?℃的熔點。該銅-磷合金能夠溶解或熔化在銅-銅工件界面處存在的表面氧化物以及與銅工件的一部分反應并溶解銅工件的一部分。用于焊接銅的另一種合適反應性金屬成分是銅與按重量計6％的磷、6％的錫和0.4％的硅的合金。用于焊接銅的另一種合適反應性金屬成分銅與按重量計15％的銀和5％的磷的合金。該過程通過將薄（例如，50至250微米厚）反應性金屬部段放置在要結合的銅工件的面對面表面之間進行。夾層接頭然后被壓縮且加熱至遠高于金屬/反應性金屬合金系統的固相線溫度（即，在使用銅-7％磷合金時，高于710?℃）但是遠低于銅的熔點（即，低于1084?℃）的溫度。

在加熱時壓縮的常規方法使用電阻加熱，這通過將面對面工件的外表面與商業點焊機的相對電極接合來提供。點焊機的夾持力提供使兩個銅工件的配合表面與反應性金屬夾層接觸的所需壓力。電阻加熱電流傳送至電極之間且通過工件和薄反應性金屬條的界面。一旦充分加熱，冶金反應就開始且反應性金屬將液化并去除界面處的基體銅合金上的任何自然氧化物，且進一步與銅反應以形成含液體的相。電極施加的壓力與銅工件的平滑配對或配合表面相結合還將可流動液體驅出到接頭之外。在一些情況下，將存在具有足夠低有效粘度的半固相，其可以從接頭驅出，如純液體的情況下那樣。被驅出的該材料隨之夾帶任何熔化的氧化物或其它先前表面雜質，以留下清潔的平滑銅表面。通過該過程形成非常清潔的銅-銅焊接部。所形成的接頭不主要是釬焊接頭。這樣形成的接頭部段的詳細顯微照片表明，幾乎所有的反應性金屬從最終的銅工件-銅工件焊接接頭驅出。該方法是相對低能量的方法和相對低溫度的方法，這可以使得結合過程對銅工件或其它附近物品上的任何附近隔離的影響最小化。