专利名称：真空阀门及真空阀门的制造方法
技术领域：
本发明涉及用于如真空断路器等的装置中的真空阀门，更具体而言，涉及有效用于对包括在真空阀门中的波纹管进行接合的工艺。
背景技术：
举例来说，在真空开关中使用真空阀门来切断携带较大电流的电路是一种众所周知的工艺方法。
例如，专利文件1披露了一种结构，其包括保持预定程度真空的气密绝缘容器；由锚定在固定导电杆顶端的固定电极与锚定在活动导电杆顶端的活动电极组成的触点，该触点容纳于绝缘容器之中；设置在绝缘容器的插入活动导电杆的一部分处的波纹管，波纹管一端气密固定在绝缘容器上，另一端气密固定在活动导电杆上。波纹管在轴向上的膨胀与收缩允许活动电极(即，活动导电杆)在轴向上移动，同时在容器中保持真空。连接到固定导电杆与活动导电杆的导电线路的切换是通过接触和分开由固定电极与活动电极组成的触点来实现的。
如果前述结构真空阀门中的真空程度减小，在触点处会发生电弧放电，从而防碍电路的电流开关运作。因此，从可靠操作并延长使用寿命的角度考虑，在长时间内确保膨胀与收缩的波纹管本身壁部中的气密性以及绝缘容器和波纹管的接合处之间的气密性是至关重要的。
因此，波纹管是组成真空阀门最重要的零件之一。奥氏体不锈钢由于其优异的抗腐蚀性成为了制造波纹管的主要材料。TiG焊接与银焊可用于将波纹管的端部焊接到端板和活动导电杆。
然而，TiG焊接带来的问题是必需要严格控制一个零件相对于另一个零件的尺寸，并且取决于工人的焊接技术水平，焊接处的质量可能会较差。
尽管银焊没有TiG焊接的上述问题，但必需要注意被焊接零件的表面特性。举例来说，作为可用于波纹管材料的奥氏体不锈钢的表面具有氧化层，虽然它表现出极其出色的抗腐蚀性，但由于氧化层的原因，对于银焊料它不能体现出令人满意的润湿性。因此，为了确保银焊料的润湿性一般会在波纹管的表面镀上镍。专利文件2披露了在波纹管的焊接缝上镀镍的方案。
然而，波纹管上的镍镀层通常厚度较小，并且形状复杂，因此不能使用类似于滚镀的批处理，而这种批处理可在一次对多个波纹管进行处理，从而防止蚀点之类的损伤。
因此，就不可避免地要使用挂镀这样的消耗更多工作时间的独立电镀处理。所以，作为实施焊接的先决条件的电镀本身需要相对较高的成本。
作为银焊工件的波纹管可以是如专利文件3中描述的所谓的无缝型波纹管。
无缝型波纹管通常通过以下程序制造利用冲切从厚度约为0.5mm的片材上冲压出圆盘。该圆盘经过包括重复进行清洗、润滑、深冲压、清洗、退火、润滑、深冲压等步骤的程序，获得较深的圆筒形杯体，其管状侧壁的厚度约为0.1mm，(包围杯体端部的)底板相对较厚(原片材的厚度，即约0.5mm)。该杯体经对其内壁进行液压处理后形成肋片以获得波纹管。
如上所述，无缝型波纹管是经过十分复杂的多个工序制造的，所以带来了成本比较昂贵的问题。
要将具有底板的无缝型波纹管装入真空阀门中，如之前提到的专利文件3所述，要在底部开出用于电极的通孔，并且利用焊接将波纹管、波纹管护罩部件、以及锁紧环(binding ring)叠加固定。该一体结构是必需的但很复杂。
该一体结构的复杂性将有可能引起在波纹管、波纹管护罩部件以及锁紧环之间的焊缝上焊料填充不足。因此，会在焊接接头处出现强度和气密性降低的问题。日本专利号3369366[专利文件2] 未审查的日本专利公开文件第2004-79446号[专利文件3] 未审查的日本专利公开文件第2001-6503号发明内容考虑到上述问题，本发明要达到的目的是降低真空阀门的成本，该阀门在波纹管的活动部内具有一焊接结构。本发明的另一个目的是缩短在波纹管的活动部内具有一焊接结构的真空阀门的生产周期。
本发明的另一个目的是改善真空阀门中波纹管活动部内的焊接结构中的接合处的强度和气密性。
本发明的第一个考虑点是提供一种真空阀门，其包括容纳固定接触件和活动接触件的气密容器，该气密容器包括其上具有金属镀层的第一构件、没有金属镀层的波纹管、和其上具有金属镀层的第二构件，其中第一构件介于活动接触件与波纹管之间并与波纹管的一个端部焊接，而波纹管的另一个端部与第二构件焊接。
本发明的第二个考虑点是对第一考虑点的真空阀门进行设置，其中该波纹管通过焊接步骤和成形步骤制成，在焊接步骤中将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接侧面的接缝线以形成筒管，在成形步骤中在该筒管上形成加肋部，波纹管具有允许膨胀和收缩的加肋部，并在加肋部的两侧具有圆筒端部。
本发明的第三个考虑点是对第一考虑点的真空阀门进行设置，其中第一和第二构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
本发明的第四个考虑点是对第一考虑点的真空阀门进行设置，其中金属镀层为金镀层或镍镀层，且第一和第二构件使用银焊料与波纹管焊接。
本发明的第五个考虑点是对第一考虑点的真空阀门进行设置，其中在波纹管和第一构件之间的被焊接位置包含有从第一构件的金属镀层转移的金属成分，且在波纹管和第二构件之间的被焊接位置包含有从第二构件的金属镀层转移的金属成分。
本发明的第六个考虑点是对第一考虑点的真空阀门进行设置，其中波纹管包括允许膨胀和收缩的加肋部和位于加肋部两侧的具有圆筒形状的开口端部，第一构件包括用于让活动电极从中通过的通孔和围绕该通孔形成的阶梯部，波纹管的开口端部之一的外表面与第一构件的阶梯部的内表面焊接。
本发明的第七个考虑点提供了一种真空阀门的制造方法，该真空阀门包括容纳固定接触件和活动接触件的气密容器，其中气密容器包括其上具有金属镀层的第一构件、没有金属镀层的波纹管、和其上具有金属镀层的第二构件，并通过波纹管支撑活动接触件，该方法包括第一步准备第一构件、波纹管、和第二构件，其中将第一构件插入活动接触件和波纹管之间并与波纹管的一个端部相邻布置，且波纹管的另一端部与第二构件相邻布置，第二步将第一构件与波纹管焊接，并将波纹管与第二构件焊接。
本发明的第八个考虑点是对第七考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中波纹管在第一步中通过焊接过程和成形过程制成，在焊接过程中通过将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接被轧制片材侧表面上的接缝线而形成筒管，在成形过程中在筒管上形成肋。
本发明的第九个考虑点是对第七考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中第一和第二构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
本发明的第十个考虑点是对第七考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中
金属镀层为金镀层或镍镀层。
本发明的第十一个考虑点是对第七考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中进行焊接的第二步是使用银焊料来实施的。
本发明的第十二个考虑点是对第七考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中在第二步中的将第一构件与波纹管焊接的过程中，第一构件上的金属镀层的金属成分转移到波纹管，在第二步中的将第二构件与波纹管焊接的过程中，第二构件上的金属镀层的金属成分转移到波纹管。
本发明的第十三个考虑点提供了一种真空阀门的制造方法，在该真空阀门中用于容纳触点的气密容器的构件与波纹管焊接，以允许触点接触和分离，同时保持气密性，该方法包括第一步在构件上镀敷金属镀层；第二步将构件与没有金属镀层的波纹管焊接。
本发明的第十四个考虑点是对第十三考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中波纹管在第一步中通过焊接过程和成形过程制成，在焊接过程中通过将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接被轧制片材侧表面上的接缝线而形成筒管，在成形过程中在筒管上形成肋。
本发明的第十五个考虑点是对第十三考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中该构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
本发明的第十六个考虑点是对第十三考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中构件的金属镀层为金镀层或镍镀层，且焊接过程是使用银焊料来实施的。
本发明的第十七个考虑点是对第十三考虑点的真空阀门的制造方法进行设置，其中在第二步中的将构件与波纹管焊接的过程中，构件上的金属镀层的金属成分转移到波纹管。
在本发明真空阀门的波纹管的焊接结构中，金属镀层没有设置在波纹管本身上，而是设置在与其相对的构件上，从而降低了波纹管的成本。在此金属镀层镀敷在形状相对简单的构件上，不易产生采用如可进行简易批量处理的滚镀的方法而带来的诸如蚀点的损伤。所以减小金属电镀的成本。
通过使用经济的有缝型波纹管，可进一步降低成本。
由于其制造方法，有缝型波纹管在其两端具有圆筒形开口。在将开口部的外围表面与相对的构件焊接的过程中，由于开口部的外围表面与相对的构件之间的缝隙结构简单，所以该缝隙可以被焊料充分填充，从而改善了焊接缝的强度与气密性。
本发明实现了降低在活动部内具有波纹管焊接结构的真空阀门的成本。
本发明还实现了缩短在活动部内具有波纹管焊接结构的真空阀门的生产周期。
本发明进一步实现了改善真空阀门中波纹管的焊接结构的强度和气密性，该真空阀门在活动部内具有波纹管焊接结构。
以下参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
图1是根据本发明实施例的真空阀门的剖面图；图2A是根据本发明实施例的真空阀门中波纹管接合部的放大剖面图；图2B是示出了根据本发明实施例的真空阀门中波纹管接合部的变化的放大剖面图；图3示出了根据本发明实施例的真空阀门中所包括的波纹管的制造过程的示例；图4A示出了接合用在真空阀门中的波纹管的初步示例1；图4B示出了接合用在真空阀门中的波纹管的初步示例1的变型示例；图5A示出了接合用在真空阀门中的波纹管的初步示例2；图5B示出了接合用在真空阀门中的波纹管的初步示例2的变型示例；图6示出了根据本发明实施例的接合波纹管的方法的示例1；图7A是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的焊接部的剖面观察图，该焊接部由接合侧金属、银焊料层、和基体金属组成；图7B是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的接合面的剖面观察图，该接合面位于接合侧金属和银焊料层之间；图7C是对根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的接合侧金属和银焊料层之间的接合面区域通过EPMA进行测量的各种组分的浓度分布结果的图表；图7D示出了图7C中体现的各个组分的浓度分布的图表，其中所有图表的接合面位置一致；图8A是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的焊接部的剖面观察图，该焊接部由接合侧金属、银焊料层、和基体金属组成；图8B是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的接合面的剖面观察图，该接合面位于基体金属和银焊料层之间；图8C是对根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例1中的基体金属和银焊料层之间的接合面区域通过EPMA进行测量的各种组分的浓度分布结果的图表；图8D示出了图8C中体现的各个组分的浓度分布的图表，其中所有图表的接合面位置一致；图9示出了应用于真空阀门上接合根据本发明实施例的波纹管的方法的示例2的原理；图10A是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例2中的焊接部的剖面观察图；图10B是根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例2中的接合面的剖面观察图，该接合面位于波纹管和银焊料层之间；图10C是对根据本发明实施例在用来接合波纹管的示例2中的波纹管和银焊料层之间的接合面区域通过EPMA进行测量的各种组分的浓度分布结果的图表；图10D示出了图10C中体现的各个组分的浓度分布的图表，其中所有图表的接合面位置一致。
(附图标记说明)10 真空阀门11 绝缘圆筒11a金属镀层11b金属镀层12 活动侧端板12a镍镀层12b通孔12c阶梯部13 固定侧端板14 活动接触元件14a活动接触件14b活动导电杆15 固定接触元件15a固定接触件15b固定导电杆16 波纹管16a可膨胀加肋部16b开口端部16c开口端部16d加肋部的外表面17 盖17a镍镀层17b通孔17c阶梯部17d凸缘18 电弧罩21 焊接缝22 焊接缝23 焊接缝
23a填角焊缝23b填角焊缝24 焊接缝24a填角焊缝24b填角焊缝25 焊接缝26 焊接缝30 波纹管31 片材32 筒管33 接缝34 加肋部40 成形夹具41 基础夹具42 挤压夹具101基础金属101a 基础金属上的镀层102接合侧金属102a 接合侧金属上的镀层103银焊料层103a 填角焊缝103b 收缩凹部104接合面104a 接合面105虚线105a 高浓度区域V 气密容器具体实施方式
图1的剖面图示出了根据本发明实施例的真空阀门结构的示例。
该实施例的真空阀门10包括绝缘圆筒11，活动侧端板12，固定侧端板13，活动接触元件14，固定接触元件15，波纹管16，盖17，和电弧罩18。
绝缘圆筒11由陶瓷等绝缘材料制造，在绝缘圆筒11的底端和顶端分别形成有金属镀层11a和金属镀层11b。
绝缘圆筒11两端的金属镀层11a和金属镀层11b分别通过焊接缝22和焊接缝21与固定侧端板13和活动侧端板12相接合，由此构成具有保持预定程度真空的内部空间的气密容器V。
在构成气密容器V的绝缘圆筒11的内部，穿过固定侧端板13的固定接触元件15和穿过活动侧端板12的活动接触元件彼此相对布置。
活动接触元件14包括位于一对向端部的活动接触件14a和从后侧支撑该活动接触件14a的活动导电杆14b。
固定接触元件15包括位于一对向端部的固定接触件15a和从后侧支撑该固定接触件15a的固定导电杆15b。
穿过固定侧端板13的固定接触元件15通过焊接缝26气密固定在固定侧端板13上。
在气密容器V内部，杯形电弧罩18被连接到固定接触元件15，将固定接触件15a与活动接触件14a彼此相对的空间包围起来。设置电弧罩18是为了防止绝缘圆筒11的内壁受到因接触和打开固定接触件15a和活动接触件14a而切换电流时所产生的电弧放电的污染。
图2A是活动接触元件14穿过活动侧端板12的区域的放大剖面图。
波纹管16设置在活动接触元件14穿过活动侧端板12的区域处。波纹管16一方面允许活动接触元件14在轴向上移动，另一方面保证了活动接触元件14穿过活动侧端板12的区域中的气密性。
波纹管16由可膨胀的加肋部16a和位于该加肋部两侧的圆筒形开口端部16b和16c构成。每个开口端部为圆筒形，其纵向界面大致平行于轴向。
波纹管可以用例如不锈钢来制造。该波纹管可以是使用下述方法制造的有缝型波纹管。在该实施例中，波纹管16的内表面与外表面都没有金属镀层，以原材料加工的方式暴露在外。
活动侧端板12的整个表面上镀有镍镀层12a。活动侧端板12的中心部分具有通孔12b，用来使活动接触元件14从中通过。阶梯部12c与通孔12b同心设置，从气密容器V上伸出。
利用银焊料等焊料在焊接缝23处将阶梯部12c的内圆周与波纹管16的开口端部16c气密焊接。在焊接缝23处，开口端部16c的外表面与阶梯部12c的内圆周表面之间的缝隙的整个圆周填充有焊料，并且在波纹管16的开口端部16c的外圆周和内圆周上分别形成填角焊缝23a和填角焊缝23b。
波纹管16的另一开口端部16b通过盖17与活动接触元件14气密接合。
盖17整体镀敷有镍镀层17a，且在它的中心部分具有供活动接触元件14穿过的通孔17b。通孔17b的内圆周与活动接触元件14的外围表面利用焊料在焊接缝25处气密固定。
盖17具有阶梯部17c，其与通孔17b同心布置，并朝向气密容器V的内部伸出。阶梯部17c的外围上设置有凸缘17d。凸缘17d使波纹管16与气密容器V中活动接触件14a与固定接触件15a彼此相对的区域分开。
阶梯部17c的内圆周表面与波纹管16的开口端部16b的外表面利用焊料在焊接缝24处气密接合在一起。在焊接缝24处，开口端部16b的外表面和阶梯部17c的内圆周表面之间的缝隙的整个圆周上填充有焊料，并且在波纹管16的开口端部16b的内圆周和外圆周上分别形成填角焊缝24a和填角焊缝24b。
本实施例中所用的波纹管并不是由深冲压制造的无缝型波纹管，而是使用下述方法制造的有缝型波纹管16。因此，波纹管16的两端，开口端部16b和16c都为圆筒形，并且按照制造时的状态沿轴向具有统一的直径。
结果，波纹管16与盖17(以及与活动接触元件14)接合的部位具有简单的结构，在该结构中，波纹管16的开口端部16b沿轴向插入盖17的阶梯部17c并与之配合。这种简单的结构使得在焊接缝24处开口端部16b和阶梯部17c之间的缝隙完全被焊料填充，形成形状平滑的填角焊缝24a和填角焊缝24b。
同样，波纹管16和活动侧端板12接合的部位也具有简单的结构，在该结构中，波纹管16的开口端部16c沿轴向配合在活动侧端板12的阶梯部12c中。在焊接缝23处开口端部16c和阶梯部12c之间的缝隙也完全被焊料填充，形成形状平滑的填角焊缝23a和填角焊缝23b。
所以，在焊接缝24和焊接缝23处的接合强度与气密性都得到了改善。通过调节波纹管16的开口端部16b的轴向上的接合长度L1以控制焊接缝24的轴向长度，可将焊接缝24处的接合强度和气密性设置为期望程度。同样，通过调节波纹管16的开口端部16c的轴向上的接合长度L2以控制焊接缝23的轴向长度，可将焊接缝23处的接合强度和气密性设置为期望程度。
图2B示出了波纹管16和盖17之间的焊接缝24的变型。在该变型中，除了开口端部16b的外表面以外，焊接缝24还利用波纹管16的可膨胀加肋部16a的外表面16d的一部分用作接合表面的一部分，所述外表面的该部分与开口端部16b相邻，并且是大约与波纹管16的轴向垂直的表面。这种变型结构可进一步改进焊接缝24处的接合强度和气密性。
图3举例说明了根据本发明实施例的波纹管16的制造过程。
例如，将矩形不锈钢片材31轧制成筒管32，并将筒管32侧表面上在轴向上的接缝33焊接。之后，使用由基础夹具41和挤压夹具42组成的成形夹具40在筒管32轴向上的中间位置形成可膨胀加肋部34(可膨胀加肋部16a)，其中基础夹具41在其外周形成有基础肋模，挤压夹具42带有具有肋片间隔的突起部。在成形工艺中，将基础夹具41插入筒管32之中，挤压夹具42在筒管32的径向向内方向上沿筒管32的壁顶着基础夹具41进行挤压。这样，就得到波纹管30(波纹管16)。
如果不使用成形夹具40，也可以采用如下方法来制造波纹管30。在该方法中，将筒管32插入在其内壁具有肋的圆筒形母模具之中，并从筒管32的内部施加液压以按照母模具的内部形状使筒管32扩展。
上述制造波纹管30的这些方法形成加肋部34，并使筒管32的两个端部保持原始的圆筒形状，可以在较短的时间内提供根据本发明实施例的波纹管16。该波纹管16在轴向中间部分具有可膨胀的加肋部16a，在两个端部具有简单的圆筒开口端部16b和开口端部16c。与需要复杂制造工艺的现有技术的无缝型波纹管相比，可以以较短的时间制造本发明实施例的有缝型波纹管16。因此，根据本发明的制造方法，也可以缩短使用波纹管16的真空阀门10的生产周期。
在具有本发明实施例结构的真空阀门10中，活动接触元件14和固定接触元件15连接到期望的电路上，活动接触件14a和固定接触件15a彼此接触使电路导通。当电路由于某些故障而断开时，由波纹管16所支撑的活动接触元件14响应外部信号而移动，与固定接触元件15分开。活动接触件14a和固定接触件15a分开，相互处于绝缘状态。气密容器V内部的真空可防止由于电弧放电的击穿故障。
这样，可以膨胀和收缩的波纹管16可通过活动接触件14a和固定接触件15a的接触和分离来实现电路的开关操作，同时在气密容器V内部保持真空。
在这里所述的本发明的实施例中，波纹管上没有金属镀层，只是在活动侧端板12和盖17上镀敷有镍镀层12a和镀层17a。波纹管16的开口端部16c和活动侧端板12在焊接缝23处例如用银焊料接合，而波纹管16的开口端部16b和盖17在焊接缝24处用银焊料接合。
下述的具体示例将证明这种波纹管16没有金属镀层而只是在活动侧端板12的相对组件和盖17上设置有镍镀层12a和镍镀层17a的结构可以保证满意的接合强度和气密性。本发明实施例的真空阀门的结构基于具体示例的内容。
如前所述，常规真空阀门中的波纹管的镀银方法使用无缝型波纹管，该无缝型波纹管是通过对奥氏体不锈钢片材进行深冲压而制成，并且如专利文件2所述，这种无缝型波纹管要通过花费大量时间和工作的挂镀或非电镀镀敷镍镀层。
此外，专利文件3所述的波纹管与电极的一体结构十分复杂，它需要在无缝波纹管的厚底板上开出用于电极的通孔，并且要将波纹管、波纹管护罩部件、和锁紧环叠加保持在电极的阶梯部，并焊接固定。
所以，现有技术需要使用昂贵的无缝型波纹管，还要在波纹管上镀镍。波纹管本身的高成本和镍镀层的必要性增加了额外的成本。
考虑到上述情况，如下所述，本发明的发明人对在本发明实施例的真空阀门10中的波纹管上进行经济的银焊方法作了详细研究。前述本发明实施例的真空阀门10的结构是由此研究所得到知识的应用。
使用各种材料对焊接进行了一些初步试验。试验中所使用的材料为无氧铜板(C1020P，日本工业标准材料编码，以及下文中的“SPCC”与“SUS304CP”)、冷轧钢板(SPCC)，冷轧不锈钢板(SUS304CP)。样本的形状为厚度2-3mm边长约30mm的方形，样本的表面仅用溶剂作了去油处理而没有被镀上镍层。
将银焊料箔片(72Ag-Cu)置于没有镍镀层的SUS304板(临时作为基础金属101)和C1020P，SPCC或SUS304CP(临时作为接合侧金属102)之间。该组合体在10-2Pa压力以内的高度真空环境中被加热到摄氏800度，通过银焊料层103将基础金属101与接合侧金属102接合。在该基础金属101(SUS304)/接合侧金属102(C1020P或SPCC)组合体中，在C1020P或SPCC的接合侧金属102一侧形成了纺锤形填角焊缝103，而在基础金属SUS304一侧形成了收缩凹部103b，如图4A所示。
在SUS304的基础金属101和SUS304的接合侧金属102的组合体中，在基础金属和接合侧金属的两侧形成了较大的收缩凹部103b，如图4B所示。
这种情况的发生是因为在真空加热的还原反应下，C1020P和SPCC表面上只有很少的污渍和氧化物被分解，因此带来较好的润湿性。在使用SUS304材料的情况下，在它的表面上形成有坚固的氧化膜，并且该氧化膜不能通过在真空中加热来去除。结果，没有镍镀层的SUS304表现出较差的润湿性，也不能提供在没有镍镀层或其它特殊处理的条件下所需要的较好的气密接合。
之后，对具有镍镀层的SUS304基础金属101板与没有镍镀层的C1020P，SPCC或SUS304CP的接合侧金属102的组合体进行相似的焊接试验。
在基础金属101(具有镍镀层的SUS304)/接合侧金属102(C1020P或SPCC)的组合体中，在基础金属101和接合侧金属102的两侧都形成了纺锤状的填角焊缝103a，如图5A所示。这样，实际上对银焊料表现出较差润湿性的SUS304当其镀敷有镍镀层时仍然可以表现出很好的焊接性能。
在基础金属101(具有镍镀层的SUS304)/接合侧金属102(没有镍镀层的SUS304CP)的组合体中可以观察到一种奇特的现象，如图5B所示。在没有镍镀层的SUS304接合侧金属102一侧形成了表现出图5B所示的良好焊接状况的纺锤状填角焊缝103a，而依其本身特性应对银焊料表现出较差的润湿性。
这种现象的原因可以理解为，形成在基础金属101(SUS304)上的镍镀层101a在800-850摄氏度的焊接过程中部分融解，并在银焊料的固化过程中沉淀在接合侧金属102(没有镍镀层)的表面上，就像在接合侧金属102上镀有镍镀层一样。
以与前述相同的焊接方式，对具有镍镀层的SUS304基础金属101与具有镍镀层的C1020P，SPCC或SUS304CP的组合体进行进一步的焊接试验。不出所料，在每种组合体中基础金属101和接合侧金属102的两侧都形成了良好的填角焊缝103a。
尽管在镍镀层的表面上也会形成污渍或氧化膜，但它们可通过在真空中加热而被有效去除，从而实现对银焊料的良好润湿性。
基于前述初步示例得到的知识，以没有镀层的SUS304基础金属101和分别在其上具有镍镀层(接合侧金属102上的镀层)的C1020P，SPCC或SUS304的三种组合制成三种样本。通过观察焊接结果，如图6所示，在每个组合体中，即使是在没有镍镀层的SUS304基础金属101一侧，也形成了填角焊缝103，表现出良好的焊接状况。
表1列出了前述的试验结果。表格栏目中的标记表示基础金属侧处/接合侧金属处的焊接状况，其中0表示形成有填角焊缝，焊接状况良好，X表示没有形成填角焊缝，焊接状况较差。
基于这些试验结果，对样本的横截面进行了更详细的观察。
图7A，7B，7C，7D，8A，8B，8C，8D示出了作为SUS304主要成分的Fe，Cr和Ni，作为银焊料主要成分的Ag，Cr，以及镍镀层的Ni这些元素的浓度分布的观察和测量结果。该结果是采用EPMA(电子探针微量分析)在没有镍镀层的SUS304基础金属101和具有镍镀层的SUS304接合侧金属102的焊接部位的横截面上测量的。
具体来说，图7A是由接合侧金属102，银焊料层103和基础金属101组成的焊接部的剖面观察图，图7B是接合侧金属102和银焊料层103之间的接合面104a的剖面观察图。
图7C是EPMA测定的多种元素的浓度分布图表，图7D是各元素的浓度分布图表，其中所有图表中的接合面104a的位置是一致的。
图8A是由基础金属101，银焊料层103，和接合侧金属102组成的焊接部的剖面观察图，图8B是基础金属101和银焊料层103之间的接合面104的剖面观察图。
图8C是EPMA测定的多种元素的浓度分布图表，图8D是各元素的浓度分布图表，其中所有图表中的接合面104的位置是一致的。
在每幅图7C，7D，8C，8D中，纵坐标表示EPMA获得的元素计数，较高位置代表浓度较大，横坐标表示位置。图表中的双点划线表示无镍镀层的SUS304基础金属101和银焊料层之间的接合面104以及有镍镀层的SUS304接合侧金属102和银焊料层103之间的接合面104a的大体位置。在每种元素的分析图表7C，7D，8C，8D中，为便于理解，纵坐标可任意伸缩。
图7A，7B，7C，7D示出了对有镍镀层的SUS304接合侧金属102与银焊料层103之间的接合面104a的元素分析结果。可以看到，在接合侧金属102上几微米处的表面区域Ni浓度相对较高。这是由镍镀层引起的。
图8A，8B，8C，8D示出了对没有镍镀层的SUS304基础金属101和银焊料层103之间的接合面104的元素分析结果。由于在SUS304基础金属101的表面上没有镍镀层，所以镍只能在基础金属101的内部找到，并且镍对应SUS304中的组成其浓度分布大致恒定，如图8D的虚线105所示。然而，尽管不具有镍镀层，在SUS304基础金属101的表面区域上却发现可观察到较高镍浓度的奇特现象。
这一事实证实了前述的设想，即形成在SUS304上的镍镀层在焊接过程中部分融解，并在固化过程中沉淀在相对的SUS304的表面上，就像镀有镍镀层一样。
基于前述试验所得到的知识，对将波纹管16焊接在真空阀门10中进行了试验。在焊接试验中使用的波纹管是利用图3所示的示例方法制造的。将奥氏体不锈钢片材(SUS316)轧制后经TiG焊接形成管，然后施加液压形成波纹管。该波纹管是具有焊缝的所谓有缝型波纹管16。没有镀敷镍镀层。
与波纹管焊接的接合侧金属是盖17和活动侧端板12，盖17由C1020P或SPCC构成，并具有厚度为2-3μm的镍镀层17a；活动侧端板12由Fe-42Ni构成，并具有厚度为2-3μm镍镀层12a。(见图2A)以前述方式对这些组合材料进行焊接，并检查其外观和横截面结构。发现在每种组合中都形成了如图9的示例所示的填角焊缝24b和填角焊缝23a，证明具有良好的焊接状态。
图10A，10B，10C，10D示出了采用EPMA对作为波纹管16主要成分的Fe，Cr和Ni，作为银焊料主要成分的Ag，Cu，以及镍镀层17a(12a)的Ni这些元素的元素分析结果。该结果在没有镍镀层的波纹管16和具有镍镀层17a(12a)的C1020P盖17(活动侧端板12)之间的焊接部位的剖面上测量的。
具体来说，图10A是由波纹管16，银焊料层，和盖17(或活动侧端板12)组成的焊接缝24(或在焊接缝23)的剖面观察图；图10B是(在焊接缝24或焊接缝23处)波纹管16和银焊料层之间的接合面104的剖面观察图。
图10C是由EPMA所测量的多种元素的浓度分布结果图表。图10D是各个元素的浓度图表，其中所有图表中接合面104的位置是一致的。
在从图10A到图10D的这些图中，即使是在没有镍镀层的波纹管16的表面上，也可以观察到图10D中指示的较高镍浓度区域105a，类似于图8D中的105a。这是由于在焊接温度处理下镍镀层17a的镍组分转移到波纹管16一侧。
尽管以上说明的是使用C1020作为要接合波纹管16的盖17和活动侧端板12的材料的情况，对于奥氏体不锈钢，低碳钢，Fe-Ni和Fe-Ni-Co的密封合金这些材料的情况也获得了类似的结果。
对根据本发明的接合方法制造的真空阀门中的压力(真空程度)随时间的变化作了测量，没有发现压力下降或真空度降低，这证明了在波纹管16和盖17之间的焊接缝24处以及波纹管16和活动侧端板12之间的焊接缝23处具有良好的气密接合。
就目前所述，在根据本发明实施例的真空阀门10的波纹管的接合中，没有对例如由不锈钢制造的波纹管16进行镀镍。取而代之的是，在盖17与活动侧端板12上分别设置镍镀层17a与镍镀层12a并将其焊接，其中盖17与活动侧端板12是与波纹管相对的部件并具有相对简单的形状。不在波纹管16上镀镍降低了成本，并可以高气密性和接合强度进行接合。
由于可以使用价格低廉的有缝型波纹管，所以能够进一步降低成本。该有缝型波纹管是通过形成带有焊缝的薄的筒管而制成的。有缝型波纹管的成本只有无缝型波纹管成本的三分之一。因此，可以明显地降低成本。
经制造成形的无缝型波纹管16具有直圆筒部，并且在其两端具有开口端部16b和开口端部16c。因此，使用该开口端部16b和16c的内或外表面用作焊接的接合表面，可以形成结构简单的焊接缝23和焊接缝22。
所以，与专利文件3中披露的复杂的叠加结构相比，可以在焊接缝23和22处长时间保持气密性。
上述说明描述了在真空阀门10中波纹管16的接合部位处的接合工艺。图1中示例所示的真空阀门10中的接合处理可在真空炉中同时用于所有焊接缝，这些焊接缝包括焊接缝21，焊接缝22，焊接缝23，焊接缝24，焊接缝25，焊接缝26。
具有图1结构的真空阀门10的零件如图1所示临时组装，并将焊料置于焊接缝从21到26上。在临时装配时可利用焊料的粘性为零件相对定位。这些零件将被放进真空炉中整体加热到800-850摄氏度的焊接温度，使其进行焊接装配。
由于本实施例的有缝型波纹管16的两端是简单圆筒形的开口端部16b和16c，通过同心布置盖17、波纹管16、活动侧端板12、活动接触元件14，就可以有效地实现临时装配。这给本实施例带来了额外的好处。
在加热过程中，图2A所示的与波纹管16有关的元件被设置在绝缘圆筒11中，因此几乎不会从真空炉接收到辐射。
然而，由于在本实施例中可在大约800摄氏度的焊接温度下进行焊接，通过将真空炉温度设置为大约850摄氏度，并将包括位于绝缘圆筒11中的波纹管的组件加热到大约800度，可以实现真空阀门10的一次性装配。
本发明不应限于上述的示例实施例，在本发明的范围和原则内可以作任何改变。
例如，活动侧端板12和盖17上的金属镀层不限于镍镀层，也可以是金(Au)镀层。
权利要求
1.一种真空阀门，包括容纳固定接触件和活动接触件的气密容器，所述气密容器包括其上具有金属镀层的第一构件、没有金属镀层的波纹管、和其上具有金属镀层的第二构件，其中所述第一构件介于所述活动接触件与所述波纹管之间并与所述波纹管的一个端部焊接，而所述波纹管的另一个端部与所述第二构件焊接。
2.如权利要求1所述的真空阀门，其中所述波纹管通过焊接步骤和成形步骤制成，在所述焊接步骤中将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接侧面的接缝线以形成筒管，在所述成形步骤中在所述筒管上形成加肋部，所述波纹管具有允许膨胀和收缩的所述加肋部，并在加肋部的两侧具有圆筒端部。
3.如权利要求1所述的真空阀门，其中所述第一和第二构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
4.如权利要求1所述的真空阀门，其中所述金属镀层为金镀层或镍镀层，且所述第一和第二构件使用银焊料与所述波纹管焊接。
5.如权利要求1所述的真空阀门，其中在所述波纹管和所述第一构件之间的被焊接位置包含有从所述第一构件的所述金属镀层转移的金属成分，且在所述波纹管和所述第二构件之间的被焊接位置包含有从所述第二构件的金属镀层转移的金属成分。
6.如权利要求1所述的真空阀门，其中所述波纹管包括允许膨胀和收缩的加肋部和位于所述加肋部两侧的具有圆筒形状的开口端部，所述第一构件包括用于让活动电极从中通过的通孔和围绕所述通孔形成的阶梯部，所述波纹管的所述开口端部之一的外表面与所述第一构件的所述阶梯部的内表面焊接。
7.一种真空阀门的制造方法，所述真空阀门包括容纳固定接触件和活动接触件的气密容器，其中所述气密容器包括其上具有金属镀层的第一构件、没有金属镀层的波纹管、和其上具有金属镀层的第二构件，并通过所述波纹管支撑所述活动接触件，所述方法包括第一步准备所述第一构件、所述波纹管、和所述第二构件，其中将所述第一构件插入所述活动接触件和所述波纹管之间并与所述波纹管的一个端部相邻布置，且所述波纹管的另一端部与所述第二构件相邻布置，第二步将所述第一构件与所述波纹管焊接，并将所述波纹管与所述第二构件焊接。
8.如权利要求7所述的真空阀门的制造方法，其中所述波纹管在所述第一步中通过焊接过程和成形过程制成，在所述焊接过程中通过将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接被轧制片材侧表面上的接缝线而形成筒管，在所述成形过程中在所述筒管上形成肋。
9.如权利要求7所述的真空阀门的制造方法，其中所述第一和第二构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
10.如权利要求7所述的真空阀门的制造方法，其中所述金属镀层为金镀层或镍镀层。
11.如权利要求7所述的真空阀门的制造方法，其中进行焊接的所述第二步是使用银焊料来实施的。
12.如权利要求7所述的真空阀门的制造方法，其中在所述第二步中的将所述第一构件与所述波纹管焊接的过程中，所述第一构件上的所述金属镀层的金属成分转移到所述波纹管，在所述第二步中的将所述第二构件与所述波纹管焊接的过程中，所述第二构件上的所述金属镀层的金属成分转移到所述波纹管。
13.一种真空阀门的制造方法，在所述真空阀门中用于容纳触点的气密容器的构件与波纹管焊接，以允许所述触点接触和分离，同时保持气密性，所述方法包括第一步在所述构件上镀敷金属镀层；第二步将所述构件与没有金属镀层的波纹管焊接。
14.如权利要求13所述的真空阀门的制造方法，其中所述波纹管在所述第一步中通过焊接过程和成形过程制成，在所述焊接过程中通过将不锈钢片轧制成圆筒形并焊接被轧制片材侧表面上的接缝线而形成筒管，在所述成形过程中在所述筒管上形成肋。
15.如权利要求13所述的真空阀门的制造方法，其中所述构件由低碳钢、铜、不锈钢、或铁镍合金或铁镍钴合金的密封合金构成。
16.如权利要求13所述的真空阀门的制造方法，其中所述构件的所述金属镀层为金镀层或镍镀层，且所述焊接过程是使用银焊料来实施的。
17.如权利要求13所述的真空阀门的制造方法，其中在所述第二步中的将所述构件与所述波纹管焊接的过程中，所述构件上的所述金属镀层的金属成分转移到所述波纹管。
全文摘要
本发明的目的是降低真空阀门的成本并缩短其制造周期，该真空阀门包括将波纹管焊接在真空阀门活动部中的结构。真空阀门包括具有绝缘圆筒(11)、活动侧端板(12)和固定侧端板(13)并容纳彼此相对的活动接触元件(14)和固定接触元件(15)的气密容器(V)。活动接触元件(14)由波纹管(16)支撑，并且其移动执行触点的开关动作，同时保持气密容器的气密性。所用波纹管为无镍镀层的有缝型波纹管(16)。镍镀层(12a)和镍镀层(17a)分别形成在要与波纹管接合的活动侧端板(12)和盖(17)上。波纹管(16)的端部用银焊料在焊接缝(23)和(24)处与活动侧端板(12)和盖(17)焊接以密封容器。
文档编号H01H33/664GK1953117SQ20061015145
公开日2007年4月25日 申请日期2006年9月8日 优先权日2005年10月20日
发明者吉田将司, 尾高信行, 古泽正幸 申请人:富士电机机器制御株式会社