JP5296870B2 - 支持バーに電流取得部を配設する方法および支持バー - Google Patents

Description

本発明は、電解液内で使用されるアルミニウム支持バーの第１の端部の表面に、銀もしくは銀基合金からなり高導電性接触面を有する電流取得部を配設する方法に関し、前記支持バーは、前記電流取得部を介して、電解浴槽に接続して使用されるバスバーに支持されることができる。

本発明はまた、電解液内で使用するアルミニウム支持バーに関し、該バーの第１の端部には、銀もしくは銀合金からなり高導電性接触面を有する電流取得部が設けられ、前記支持バーは、前記電流取得部を介して、電解浴槽に接続されて使用されるバスバーに支持されることができる。

フィンランド特許公報第１１４９２６号の開示により、溶射コーティングを用いて、コーティングによって、支持バーの端部に銀もしくは銀合金からなる電流取得部を配設する方法が知られている。該電流取得部は、アルミニウムと冶金結合を形成する。溶射コーティングは、高度熟練作業者を必要とする。さらに、実際にはアルミニウムと銀との間に優れた導電性を有する良好な冶金結合を達成することが極めて困難であるため、導電性と強度の点で、最終結果は格別良好ではない。コーティング前には、コーティングされる材料は例えばサンドブラストあるいはワイヤブラッシングにより酸化物層を除去しなければならず、さもなければ、コーティングとの間に良好な接触／接合が全く得られない。除去作業は時間を浪費し、必ずしも良好な仕上げ結果を保証するとは限らない。コーティング後、接合箇所を強化すべく短い熱処理を施してもよい。当然ながら、熱処理が作業量に付加される。フィンランド特許公報第１１４９２６号はまた、アルミニウムバーを先ず銅でコーティングし、その後に銀もしくは銀合金を用いて最終コーティングを行なうことができることを開示している。後者の処置は、複雑である。

フィンランド特許公報第１１４９２７号には、支持バーの端部に接着された銅接触部材の頂部になされるコーティングと、銅接触部材との冶金接合を形成する導電層の使用とによって、銀もしくは銀合金からなる電流取得部を支持バーの端部に配設する方法が開示されている。導電層はスズあるいはスズ基合金からなり、半田付けにより接触部材の上に設けられる。電流取得部は、半田付けあるいは溶射コーティングのいずれかにより導電層の頂部に配設される。銅接触部材をアルミニウムに接着する工程は、支持バーの製造コストを増大させる。溶射コーティングにより電流取得部を提供するには、高度熟練作業者が必要である。

国際公開第２００６／１１７４２５号には、アルミニウム支持バーの端部に銀部材を取り付けて電流取得部を得る方法が開示されている。この方法の目的は、銀部材とアルミニウムとの間の共晶反応の生成にある。下側のアルミニウム面に銀部材を取り付けることは困難である。アルミニウムバーは工程ごとに加熱しなければならず、加熱後に銀部材をそこに取り付ける前に酸化物層をそこから除去しなければならない。酸化物層の除去、すなわち清掃は例えば研磨により行なわれる。酸化反応を制御すべく、還元性環境下で加熱を実行することが得策であり、その環境の作成には当然ながら周囲の空気内で加熱を実行できる場合に比し格別な構成が不可欠となる。支持バーの加熱温度についての許容範囲も小さく、そのことが加熱に高度熟練作業者が必要とされる理由となっている。加えて、銀部材は接合を生み出すべく所定の圧力にて被加熱アルミニウム面に押圧しなければならない。得策としては、押圧をスポット状態様にて行ない、周期的に反復する。全体的に見て、その作業は高度熟練作業者を必要とし、大量の時間を要する。

本発明の一つの目的は、先行技術の上述の問題を取り除き、少なくとも実質的にそれらを軽減し、支持バーの製造と、該支持バーへの電流取得部の形成とを、簡単、迅速、且つ廉価に行うことができる方法を提供することにある。

本発明に係る方法は、
ａ）アルミニウム表面を有する支持バーの第１の端部を加熱し、アルミニウム表面の温度が酸素に対する親和性の高い物質を含む半田の融点を超える温度となった後に、その半田を加熱されたアルミニウム表面に供給し、それによって該表面頂部において所望範囲の表面領域に亘って半田を融解状態にて拡げ、融解状態の半田を表面に配設する工程と、
ｂ）アルミニウムと融解された半田との間のアルミニウム酸化物層を機械的処置により破壊させ、アルミニウム酸化物層から酸素を放出させ、この酸素を酸素に対し高い親和性を有する半田物質と反応させ、該物質と共に、融解された半田の表面に酸化物層を形成させる工程と、
ｃ）前記表面領域の上に存在する半田の頂部に、銀もしくは銀基合金からなる電流取得部を配設し、半田を固化させ、前記電流取得部を固化された半田の所定場所に取り付ける工程と、を含むことを特徴とするものである。

酸素に対する親和性、すなわち酸素との反応性が高い前記物質は、その酸素に対する親和性が、酸素に対するアルミニウムの親和性よりも高くなければならない。

好ましくは、亜鉛を母材とする半田を用い、それによって好ましくは亜鉛含有量を８５〜９８重量％とし、半田のアルミニウム含有量を１〜１０重量％とする。半田は、好ましくは０．１〜６重量％の銅を含む。銅を銀で置き換えることは、可能である。

好ましくは、酸素に対し高い親和性を有する前記物質はマグネシウムであり、何故ならマグネシウムが酸素と反応すると、大量の熱が発生し、これによりアルミニウムが融解し、それによって半田とアルミニウムとの間に緊密で強固な結合が形成され、該結合部は非常に高い導電性も有する。形成されるマグネシウム酸化物は、半田の表面へ上昇する。

本発明になる方法の好適な実施形態は、添付請求項２〜請求項１１に開示されている。

本発明に係る方法の最も重要な利点は、高導電性の接触面と電流取得部とを簡単かつ迅速な態様にて支持バーに設けることができるようにする点にある。本方法は、特別な技能を一切伴うことなく誰もがそれを首尾よく遂行できるようにするのに十分なほど単純かつ容易である。本方法は、極めて経済的に実施することができる。

本発明に係る支持バーは、電流取得部と支持バーとの間に、亜鉛を母材とする半田が、電流取得部を支持バーに取り付けるように配設される点に特徴がある。好ましくは、前記合金が前記アルミニウム内で融解される。

好ましくは、電流取得部は肉厚が０．４〜２．２ｍｍの銀部材または銀合金部材である。

本発明に係る支持バーの好適な実施形態は、添付請求項１３〜１５に開示されている。

本発明に係る支持バーの最も重要な利点は、その使用環境における導電性と強度が非常に優れていて、同時にそれが実現するのに廉価である点にある。

下記において、例示によりかつ添付図面を参照し、本発明をより詳細に説明することにする。

先行技術の支持バーを示す。 支持バーの端部に電流取得部を配設する方法を示す。 支持バーの端部に電流取得部を配設する方法を示す。 支持バーの端部に電流取得部を配設する方法を示す。 完成した支持バーを示す。 電流取得部を配設する代替方法を示す。 バスバーの頂部に配置された支持バーを示す。

図１は、先行技術の支持バー１’を示す。アルミニウムからなる支持バーの第１の端部２’に、銅からなる接点部材３’が配設されている。該接点部材３’は、アルミニウム支持バー１’に摩擦溶接により取り付けられている。接点部材３’は、支持バー内に切り込み４’を形成している。図１の支持バー１’を亜鉛電解液内で使用するときは、アルミニウム陰極板（図示せず）を支持バー（陰極バー）に取り付け、電解浴槽（図示せず）の縁部に配設されたバスバーの頂部に支持バーの接点部材３’が配置されるように（図７の部分８参照）、前記陰極板を支持バーによって支持しながら電解浴槽内へ降下させ、かくしてバスバーを切り込み４’内に据え、支持バーの第２の端部を絶縁体（図示せず）の頂部に据える。接点部材３’は、支持バーの電流取得部を構成する。角形断面を有するバスバーに対する接点部材３’の接触は、２本の配線で構成される。

図２〜図４は、図５に示す本発明に係る支持バー１の製法、あるいはその電流取得部３の製法を示すものである。

図２は、電流取得部を欠くことから予備成形体（あるいはブランク）の状態と言ってもよいアルミニウム支持バー１を示すものである。前記予備成形体の第１の端部２には切り込み４が配設されており、予備成形体の切り込みの両傾斜面５ａ，５ｂに、小型の高導電性銀プレート６ａ，６ｂ、または銀基合金からなる小型の高導電性プレートを取り付けることにより、前記切り込み内に電流取得部が配設される。なお、前記プレートは、部材あるいはシートとも呼べるものである。プレートは図２では支持バー１とは別個であるが、図５では所定場所に取り付けてある。プレート６ａ，６ｂの肉厚は、好ましくは０．４〜２．２ｍｍであり、より好ましくは０．５〜２ｍｍである。

図３中、参照符号７は下記に用途を説明しようとしている半田ワイヤを示す。

半田ワイヤ７は、８５〜９８重量％の亜鉛と、１〜１０重量％のアルミニウムと、０．１〜６重量％の銅とを含有する亜鉛基合金である。加えて、半田ワイヤは少量のマンガンとマグネシウムを含有している。該半田としては、Ｔｅｃｈｎｏ Ｗｅｌｄ Ｌｔｄ社（英国郵便番号ＯＸ１８ ２ＮＰのオックスフォードシャー州アストン市ウェストエンド、アストンワークス通り）が市販する半田を用いることができる。この半田は、ロッド（Ｔｅｃｈｎｏ−Ｗｅｌｄロッドと呼ばれる）として販売されている。半田に含まれる銅は、銀で置き換えることもできる。Ｔｅｃｈｎｏ Ｗｅｌｄ社の製品に対する代替例として、Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（米国郵便番号７７０５６−３０１７のテキサス州ヒューストン市１６００ポストオーク通り１３３０番地）が商品名ＨＴＳ−２０００の名前で製造市販するワイヤ形状の製品が入手可能であり、それによれば特定の製品向けに提供される用法の指示に従わねばならない。この種のワイヤの亜鉛含有量はおよそ８０重量％であり、アルミニウム含有量はおよそ１６重量％であり、銅含有量はおよそ３重量％である。加えて、このワイヤは少量のマグネシウムを含有しており、このマグネシウムの含有量は例えばおよそ０．２重量％とされる。恐らく、好適な亜鉛含有量は８０〜９０重量％であり、アルミニウム含有量は１〜２０重量％である。

図２に示すように、前記プレート６ａ，６ｂは、先ず支持バー１（図２では依然として予備成形体）の第１の端部を４５０℃の温度に加熱して切り込み４に取り付けるものである。支持バーはアルミニウムからなり、アルミニウムは周囲の酸素と即反応するため、切り込み４の箇所を含め支持バーの表面はアルミニウム酸化物となる。アルミニウム酸化物に他の金属を取り付けることが非常に困難であることは、熟知されている。それでも、本発明に係る方法によれば、支持バー１の切り込みから酸化物を除去しなくてもよい。加熱温度は厳密ではなく、好ましくは３７０〜５５０℃の範囲内にあるが、３００〜６００℃の範囲内とすることもできる。温度範囲が２６０〜６２０℃の範囲外にある場合、所望の成果が全く達成されないことが予想され得る。極めて高い温度まで加熱すると、アルミニウムバーが融解するおそれがある（アルミニウムの融点はほぼ６６０℃である）。加熱温度は、端部２の表面温度の計測に従うことが好ましい。しかしながら、支持バーの被加熱端２の表面での半田ワイヤ７の挙動が既知であるときは、温度を計測する必要はなく、まして要求されることはない。好ましくは、加熱はガス火炎（プロパンやブタンやアセチレン火炎）により行なわれ、その場合、過度に局所的な加熱が生じないようにトーチ管１０は移動され続ける。電気誘導あるいは電気抵抗により加熱を行なうこともまた、可能である。しかしながら、誘導加熱の欠点はアルミニウムがやや素早く融解する点にある。片や、電気抵抗による加熱は緩慢である。しかしながら、いわゆる基本的加熱を提供するのに誘導加熱や抵抗加熱を用いることができる。基本的加熱の目的は、製造量が大であるときに支持バーの製造を高速化する予熱を提供することにあり、電気により作動温度まで予熱済みの支持バーを火炎を用いて加熱すると、時間は殆どかからない。製造されたばかりの支持バーに対し電流取得部を取り付けた後、既に予熱されている次の支持バーに電流取得部を設ける工程に進む。

定期的に、半田ワイヤ７は、被加熱面に対向配置され、下側の材料に固着したかどうかが点検される。下側の材料により加熱されることで、ワイヤを融解させるのに十分な高温に温度が上昇した後、融解された半田は、該半田を前記傾斜面５ａ，５ｂの全体に亘って若干移動させることで、該傾斜面５ａ，５ｂ上に拡がる。半田７は下側の材料により加熱して融解させるものであり、トーチ管１０により半田を加熱すべきでないことに留意されたい。

この後、融解金属面をステンレス鋼あるいは真鍮からなるブラシを用いてブラッシングする。ブラッシングは、極めて短い簡単な処置である。一般には、２〜３秒のブラッシングで十分である。ブラッシングすると、半田下側のアルミニウム酸化物層が破壊されて、アルミニウムと酸素とに変化する。半田に含まれるマンガンは、恐らくはアルミニウム酸化物層の破壊を促進し得る。マグネシウムは酸素との反応性が高いため、ブラッシング時に放出される酸素は半田に含まれるマグネシウムと反応する。マグネシウムはアルミニウムよりも早く酸素と反応し、これにより、マグネシウムがアルミニウムから酸素を奪うと言える。アルミニウムの外部に酸素を追い出すのに、これは重要である。マグネシウムが酸素と反応すると、発熱反応が起き、これにより熱が放出される。この放熱のお陰で、温度は局所的にアルミニウムの融点を超えて上昇し、そのことが原因で半田は下側のアルミニウム面に対し非常に良く固着される。マグネシウム酸化物の密度は、半田の密度に比べ極めて低く、かくしてマグネシウム酸化物は半田表面に上昇し、半田と下側のアルミニウムとの間に極めて優れた接合が形成される結果に至る。好ましくは、半田は少なくとも０．０１重量％のマグネシウムを含み、マグネシウムの好適な量は例えば０．０５〜０．３重量％である。マグネシウムに代え、酸素に対するアルミニウムの親和性よりも酸素に対する親和性が高く、半田表面まで上昇させるべく半田の密度を下回る密度の酸化物を酸素と共に形成する他の何らかの物質を使用しうる。前述のブラッシングに代え、表面擦過等の他の何らかの機械的処置を用いることができる。半田が依然として融解状態にある間に、該半田の頂部に銀部材６ａ，６ｂが配置され、これにより、銀部材６ａ，６ｂは直ちに融解半田に係合するようになり、半田が固化するとそこに強固に取り付けられ、図５に示すように、銀部材が所定場所に配置される。半田が固化した後には、強固な高導電性接合が形成される。銀部材６ａ，６ｂは、アルミニウム上に配設された半田の頂部に配置される前に、予め半田でコーティングされるようにしてもよい。

銀部材の代りに銀合金からなる部材を用いた場合、銀合金は好ましくは少量の銅を含有する。銅含有量は例えば５重量％であり、例えば１〜１０重量％の範囲で変えることができる。銅のお陰で、部材６ａ，６ｂの機械強度は、部材が純銀からなると仮定した場合よりも高いものとなる。他方で、部材６ａ，６ｂ内の銅は、接触面及び電流取得部の耐腐食性及び導電性を若干減少させる。

本発明を例示により上記に説明してきたが、それ故に本発明の細部が添付特許請求の範囲に含まれる多くの方法で実施できることに留意されたい。かくして、銀あるいは銀合金からなる部材を使用する必要はないが、それらに代えて半田の頂部に銀もしくは銀合金を溶射することで電流取得部を配設することが可能であり、その場合に半田は溶射前に残留固化させられる。この溶射は、図６に示してある。このような場合、銀部材あるいは銀合金部材に代え、溶射により配設される電流取得部がかくして最頂部に設けられる。溶射では、例えばガス燃焼に基づく技法を用いることができる。高速酸素燃料溶射では、コーティング材料（銀もしくは銀基合金）は搬送ガスにより粉末形状にて溶射銃９へ給送される。コーティング材料は溶射銃の燃焼室内で融解し、コーティングは融解状態にてコーティングのターゲットに向け導かれる。通常の火炎溶射では、燃焼ガスと酸素の混合気が、それが燃焼する際に、当初粉末あるいはワイヤ形状のコーティング材料を融解する。融解材料は、被加圧空気によりそのターゲットに対し吹き付けられる。溶射は本願明細書ではより詳細に説明はしないが、それはこの方法がそれ自体当分野では熟知されているからである。銀もしくは銀合金からなる部材の使用に比べた溶射の欠点は、最終結果が良好であるように溶射を行なうことが極めて困難である点にある。溶射の利点は、実際にどんな構造形状を有するコーティング部材に対してもそれを使用できる点にある。

１：支持バー、２：支持バーの第１の端部、４：切り込み、５ａ，５ｂ：傾斜面、６ａ，６ｂ：電流取得部、７：半田、８：バスバー、９：溶射銃、１０：トーチ管。

Claims (14)

1. 電解浴槽に接続して用いられるバスバー（８）に対して、銀あるいは銀基合金からなり高導電性接触面を有する電流取得部（６ａ，６ｂ）を介して支持され、電解法に用いられるアルミニウム支持バー（１）の第１の端部（２）の表面上に、前記電流取得部を配設する方法であって、
   ａ）アルミニウム表面を有する支持バー（１）の第１の端部（２）を加熱し、前記アルミニウム表面の温度が、酸素に対するアルミニウムの親和性に比べて酸素に対する親和性が高い物質を含み且つ亜鉛基合金からなる半田（７）の融点を超える温度となった後に、該半田（７）を前記の加熱されたアルミニウム表面に供給し、これにより、該表面の頂部において所望範囲の表面領域に亘って前記半田（７）を融解状態で拡げることで、前記表面に融解状態の半田を配設する工程と、
   ｂ）前記アルミニウムと前記融解された半田との間のアルミニウム酸化物層を機械的処置により破壊することで、該アルミニウム酸化物層から酸素を放出させ、これにより、この酸素を、前記半田（７）の前記物質と反応させ、且つ、この物質と共に、前記融解された半田の表面に酸化物層を形成させる工程と、
   ｃ）前記表面領域の上に存在する半田（７）の頂部に、銀もしくは銀基合金からなる電流取得部（６ａ，６ｂ）を配設し、前記半田を固化させ、前記電流取得部を前記固化した半田の所定場所に取り付ける工程と、
   を含む、方法。
2. 前記半田として、亜鉛含有量が８５〜９８重量％であり、アルミニウム含有量が１〜１０重量％である半田（７）を用いる、請求項１に記載の方法。
3. 亜鉛含有量が８０〜９８重量％であり、アルミニウム含有量が１〜２０重量％であり、銅含有量が０．１〜６重量％である半田（７）を用いる、請求項１に記載の方法。
4. 前記物質がマグネシウムである半田（７）を用いる、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. マンガンを含む半田（７）を使用する、請求項２から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記ａ工程において、アルミニウム面を有する前記支持バー（１）の第１の端部（２）を温度３７０〜５５０℃まで加熱する、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記アルミニウムと前記半田（７）との間に形成された酸化物層をブラッシングにより破壊する、請求項１に記載の方法。
8. 前記半田が融解状態にあるときに、前記半田（７）により処理された前記表面領域の頂部に前記電流取得部（６ａ，６ｂ）をもたらす、請求項１に記載の方法。
9. 前記電流取得部（６ａ，６ｂ）として、０．４〜２．２ｍｍの肉厚を有する銀部材あるいは銀合金部材を用いる、請求項８に記載の方法。
10. 前記半田（７）で処理された前記表面領域の頂部に前記電流取得部を溶射によりもたらす工程を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
11. 電解法に用いられ、銀もしくは銀基合金からなり高導電性接触面を有する電流取得部（６ａ，６ｂ）を備えた第１の端部（２）を有し、電解浴槽に接続して用いられるバスバー（８）に対して前記電流取得部を介して支持されるアルミニウム支持バー（１）であって、
    前記電流取得部（６ａ，６ｂ）と前記支持バー（１）との間に、亜鉛基合金からなる半田（７）と、酸素に対するアルミニウムの親和性に比べて酸素に対する親和性が高い物質の酸化物層とが設けられ、前記半田が、前記支持バーに前記電流取得部（６ａ，６ｂ）を取り付けるように配設された、支持バー。
12. 前記半田の亜鉛含有量が８０〜９８重量％であり、アルミニウム含有量が１〜２０重量％である、請求項１１に記載の支持バー。
13. 前記物質はマグネシウムである、請求項１２に記載の支持バー。
14. 前記電流取得部（６ａ，６ｂ）は、０．４〜２．２ｍｍの肉厚を有する銀部材あるいは銀合金部材である、請求項１１に記載の支持バー。

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