Способ сварки контактных пластин и контактные элементы, полученные этим способом

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу изготовления электрических контактов. Техническим результатом является повышение качества сварки и обеспечение создания автоматизированного цикла производства. Технический результат достигается за счет того, что предложен способ сварки друг с другом пластины, которая имеет, по меньшей мере, один слой на основе сплавов Ag, и тела из меди, предусматривающий использование лазерных средств для осуществления сварки. Способ заключается в том, что накладывают одну грань пластины на поверхность тела из меди или на основе меди и сцепляют их друг с другом. Начинают процесс сварки, фокусируя лазерное средство на точке, расположенной близко к соединению между гранью пластины и поверхностью тела из меди. Поддерживают угол падения, обеспечиваемый лазерным средством, в диапазоне величин от 5° до 20° относительно перпендикуляра к свариваемой поверхности. Перемещают лазерное средство относительно соединения с обеспечением подталкивания сварочной ванны вдоль этого соединения. 6 н. и 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу сварки контактных пластин, в частности контактных пластин, имеющих, по меньшей мере, один слой на основе сплава серебра (такого как Ag/Mo, Ag/WC и т.п.) на элементе из меди или на основе меди, в частности на подвижном или неподвижном контакте низковольтных выключателей и контакторов. Способ, соответствующий настоящему изобретению, основан на лазерных технологиях для осуществления упомянутой сварки.

Контактные пластины выключателей и электрических контакторов, в частности низковольтных выключателей и контакторов, обычно прикреплены к соответствующему контакту посредством процессов сварки с припоем (сварки-пайки) с добавлением металла или без добавления металла; другим процессом, который можно использовать для такого прикрепления, является двухсторонняя точечная индукционная сварка или сварка методом сопротивления.

Хотя эти способы позволяют получить удовлетворительные результаты, у них есть недостатки, среди которых непременно нужно упомянуть о процессе отжига, которому подвергается медь ввиду подвода тепла, обусловленного процессом сварки с припоем. Это нагревание, при котором возможно достижение температур порядка 700°С за несколько десятков секунд, вызывает восстановление меди и снижение ее механических характеристик.

Чтобы устранить эти недостатки, предприняты попытки найти способ, который не обуславливает подводы тепла, вредные для механических характеристик соединяемых деталей. В частности, в патентной заявке ЕР 288585 описан способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях.

В соответствии с техническим решением, описанным в упомянутой патентной заявке, поверхность материала, из которого состоит контактная пластина и который представляет собой сплав Ag и некоторого оксида металла, кратковременно подвергается плавлению путем облучения лазером в восстановительной среде, предпочтительно - среде водорода или смеси азота и водорода.

Чтобы нивелировать явления отражения, поверхность пластины заранее огрубляют путем обработки проволочной щеткой или пескоструйной обработки либо чернения. Затем перемещают лазер таким образом, чтобы покрыть всю поверхность пластины или чтобы оставить на ней след в виде сеткообразной траектории. Контактные пластины (расположенные перед компонентом, на который их будут наваривать) выравнивают на ленте транспортера, которая переносит их в камеру, где заключена восстановительная среда, под окно, прозрачное для лазерного излучения.

Хотя этот способ, который основан на проведении нагревания на нижней стороне пластины путем воздействия лазерным излучением на всю верхнюю поверхность, и возможен теоретически, он не нашел практического применения из-за его сложности.

Из вышеизложенного очевидно, что на современном уровне развития техники ощущается потребность в наличии эффективного способа сварки контактных пластин, в частности приваривания пластин из сплава Ag на поверхностях меди или на основе меди.

Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, который не требует подводов тепла, вредных для механических свойств свариваемых компонентов.

В рамках этой цели, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях и не требующий сложных подготовительных этапов обработки.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях, который не предусматривает использование восстановительных сред.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях, который обеспечивает стабильные соединения между компонентами, подвергаемыми процессу сварки.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях, который можно использовать в автоматизированном цикле производства.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях, который гарантирует воспроизводимость в массовом производстве.

Другая задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать способ сварки контактных пластин, основанный на лазерных технологиях, который можно легко внедрить в промышленность при умеренных затратах и который экономически конкурентоспособен.

Эта цель достигается, а упомянутые и другие задачи, которые станут более понятными из нижеследующего описания, решаются посредством способа сварки друг с другом пластины, которая имеет, по меньшей мере, один слой на основе сплавов Ag, и тела из меди или на основе меди, при этом способ предусматривает использование лазерных средств для осуществления сварки и отличается тем, что включает в себя этапы, на которых:

накладывают одну грань пластины на поверхность тела из меди или на основе меди и сцепляют их друг с другом,

начинают процесс сварки, фокусируя лазерные средства на точке, расположенной близко к соединению между гранью пластины и поверхностью тела из меди или на основе меди,

поддерживают угол падения, обеспечиваемый лазерным средством, в диапазоне величин, отличных от 0°, относительно перпендикуляра к свариваемой поверхности,

перемещают лазерное средство относительно соединения с обеспечением подталкивания сварочной ванны вдоль этого соединения.

Фактически, обнаружено, что, применяя сварку, которая предусматривает использование лазерных средств, и действуя в соответствии со способом согласно изобретению, между пластиной и телом из меди или на основе меди можно создать сварной шов, не имеющий недостатков, характерных для известных способов сварки с припоем (сварки-пайки) и не требующий усложненных очищающих обработок, используемых при реализации известных способов лазерной сварки.

Конкретные характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными по прочтении нижеследующего описания предпочтительного, но не исключительного конкретного варианта осуществления, изображенного лишь в качестве неограничительного примера на прилагаемом чертеже, причем на этом единственном чертеже представлен условный вид системы для сварки друг с другом пластины и тела из меди или на основе меди, обеспечиваемой в соответствии с изобретением.

На прилагаемом чертеже пластина, имеющая, по меньшей мере, один слой на основе Ag, обозначена позицией 1, а тело из меди обозначено позицией 2. Как упоминалось выше, способ, соответствующий изобретению, предусматривает - для осуществления сварки - использование лазерного средства, условно показанного на чертеже и обозначенного позицией 3.

Чтобы создать сварной шов (обозначенный позицией 5 на чертеже), одну грань пластины накладывают на поверхность тела из меди или на основе меди и сцепляют их друг с другом. Процесс сварки начинают, фокусируя лазерное средство на точке, расположенной близко к соединению между гранью пластины и поверхностью тела из меди.

Чтобы избежать явлений отражения или, по меньшей мере, минимизировать их, на начальном этапе и во время процесса собственно сварки важно поддерживать угол падения, обеспечиваемый лазерным средством, в диапазоне величин, отличных от 0°, относительно перпендикуляра к свариваемой поверхности. На практике это означает, что лазерный луч не должен быть перпендикулярным свариваемой поверхности.

Затем осуществляют процесс собственно сварки, перемещая лазерные средства относительно соединения с обеспечением подталкивания сварочной ванны вдоль этого соединения. Состояние «подталкиваемой» сварочной ванны возникает, когда составляющая угла падения ориентирована в том же направлении, что и движение лазерного луча относительно сварного соединения. Обнаружено, что это состояние необходимо для обеспечения самоподдерживаемой сварочной ванны. При работе в условиях «протаскиваемой» сварочной ванны (что происходит, когда составляющая угла падения ориентирована в направлении, противоположном направлению движения луча лазера относительно сварного соединения) обнаружено, что возникают отражения лазерного луча, стимулируемые увеличением количества плазмы, создающие неуправляемые циклы уничтожения и повторного зарождения сварочной ванны, а также вызывающие образование кратера и риск опасных возвратов лазерного луча в генерирующую его систему.

Для специалиста в данной области техники очевидно, что сварка осуществляется за счет относительного движения, которое лазерные средства осуществляют относительно свариваемых компонентов во время операции сварки. Это относительное движение на практике можно обеспечить, поддерживая неподвижными свариваемые компоненты и перемещая лазерные средства, поддерживая неподвижными лазерные средства и перемещая свариваемые компоненты или перемещая и лазерные средства, и свариваемые компоненты.

Скорость продвижения, угол падения и все остальные физические параметры лазерного луча, подробнее описываемые ниже, можно выбирать и модулировать в соответствии с характеристиками свариваемых элементов, например, такими как их химическая природа или их толщина, а также можно регулировать и соответственно изменять во время операций сварки, чтобы компенсировать нагревание отдельных областей и оптимизировать результаты в целом.

Процесс сварки предпочтительно начинают, фокусируя лазерные средства на той точке тела из меди, которая расположена близко к соединению между поверхностью тела из меди или на основе меди и гранью пластины.

В отличие от ожидаемых результатов, на самом деле обнаружено, что лучшие результаты получаются, когда начальный этап и собственно сварку проводят на той стороне соединения, с которой находится медь. В частности, обнаружено, что конкретные хорошие результаты достигнуты, когда, по меньшей мере, 70% расплавленного материала находится - по отношению к соединению - на той стороне, которая принадлежит телу из меди. Это состояние облегчает процесс изготовления и позволяет получить механические прочностные характеристики, например предел прочности при растяжении, которые лучше, чем характеристики, получаемые при работе по другим технологиям.

Как упоминалось выше, лазерный луч не должен быть перпендикулярным свариваемой поверхности, а угол падения, обеспечиваемый лазерными средствами, т.е. угол падения соответствующего лазерного луча относительно перпендикуляра к свариваемой поверхности, должен находится в диапазоне между 5° и 20°.

На практике обнаружено, что весьма предпочтительно работать с лазерными средствами, построенными на основе твердотельных технологий, например с лазером на кристалле Nd. И в этом случае такие характеристики использования лазера, как, например, частота, мощность и угол падения, можно выбирать и модулировать даже во время сварки в зависимости от характеристик свариваемых элементов и получаемых результатов.

Чтобы получить лучшие результаты, пластина в предпочтительном варианте должна содержать - помимо слоя на основе сплавов Ag - также слой меди. Такие пластины можно получить, например, посредством процесса совместной экструзии, и это является дополнительным аспектом настоящего изобретения.

При использовании этих пластин процесс сварки осуществляют, накладывая слой меди упомянутой пластины на поверхность тела из меди и сцепляя их.

На практике обнаружено, что способ, соответствующий изобретению, позволяет решить проблемы известного уровня техники и обладает многими преимуществами над ним, поскольку можно избежать применения методов сварки с припоем (сварки-пайки) и связанных с ними проблем. Кроме того, совокупность характеристик способа, соответствующего изобретению, позволяет избежать явлений отражения и деградации сварочной ванны, которые типичны для процессов, основанных на лазерных технологиях, соответствующих известному уровню техники.

Следовательно, с помощью способа, соответствующего изобретению, оказывается возможным получение контактных элементов, которые имеют улучшенные характеристики по сравнению с известным уровнем техники. В частности, оказывается возможным получение контактных элементов, в которых тело из меди представляет собой подвижный контакт или неподвижный контакт контактора или низковольтного выключателя.

Контактные элементы, а также контакторы или выключатели, полученные с использованием этих элементов, составляют еще один аспект настоящего изобретения.

На практике обнаружено, что способ, соответствующий изобретению, и контактные элементы, полученные этим способом, обеспечивают полное достижение поставленных целей и решение поставленных задач. Предложенное изобретение обеспечивает возможность внесения многочисленных модификаций и изменений, причем все они находятся в рамках изобретательского замысла. Кроме того, возможна замена всех описанных деталей другими, технически эквивалентными элементами.

1. Способ получения контактного элемента путем сварки друг с другом пластины, которая имеет, по меньшей мере, один слой на основе сплавов Ag, и тела из меди, предусматривающий использование лазерного средства для осуществления сварки, отличающийся тем, что включает в себя этапы, на которых накладывают одну грань пластины на поверхность тела из меди или на основе меди и сцепляют их друг с другом, начинают процесс сварки, фокусируя лазерное средство на точке, расположенной близко к соединению между гранью пластины и поверхностью тела из меди, поддерживают угол падения, обеспечиваемый лазерным средством, в диапазоне между 5 и 20° относительно перпендикуляра к свариваемой поверхности и перемещают лазерное средство относительно соединения с обеспечением подталкивания сварочной ванны вдоль этого соединения.

2. Способ сварки друг с другом пластины и тела из меди по п.1, отличающийся тем, что начало сварки реализуют, фокусируя лазерное средство на точке тела из меди, расположенной близко к соединению между поверхностью тела из меди и гранью пластины.

3. Способ сварки друг с другом пластины и тела из меди по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, 70% расплавленного материала находится - по отношению к соединению - на той стороне, которая принадлежит телу из меди.

4. Способ сварки друг с другом пластины и тела из меди по п.1, отличающийся тем, что лазерное средство представляет собой твердотельный лазер.

5. Способ сварки друг с другом пластины и тела из меди по п.1, отличающийся тем, что пластина содержит, по меньшей мере, один слой на основе сплавов Ag и, по меньшей мере, один слой меди.

6. Способ сварки друг с другом пластины и тела из меди по п.5, отличающийся тем, что пластина имеет грань, которую накладывают на тело из меди и сцепляют с ним.

7. Контактный элемент, полученный способом по п.1.

8. Контактный элемент по п.7, отличающийся тем, что тело из меди представляет собой подвижный контакт низковольтного контактора или выключателя.

9. Контактный элемент по п.7, отличающийся тем, что тело из меди представляет собой неподвижный контакт низковольтного контактора или выключателя.

10. Низковольтный выключатель, отличающийся тем, что он содержит один или более контактных элементов по п.7.

11. Низковольтный выключатель, отличающийся тем, что он содержит один или более контактных элементов по п.8.

12. Низковольтный контактор, отличающийся тем, что он содержит один или более контактных элементов по п.7.

13. Низковольтный контактор, отличающийся тем, что он содержит один или более контактных элементов по п.8.