CN109183022A - 一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置。采用Fe基非晶合金，其组成，以原子百分含量计：Fe：75‑85％，Si：1‑4％，Cr：1.5‑3.5％，Co：10‑15％，Ni：2‑4％，P：1‑3％，B：2‑5％。将该非晶体系按照配比熔炼后，制成薄带，采用配备冷却系统的球磨机，将该非晶合金薄带制成非晶粉末，利用冷喷设备进行冷喷焊。该发明利用Fe非晶合金体系并提出新的制粉方法(球磨冷却法)，利用冷喷焊技术，将硅钢片连接在一起。该连接方法不会使硅钢片受热变形，对硅钢片的磁性没有太大的影响，同时保证一定的连接强度。该发明不产生热、光和烧损后产生的气体，非常环保且配合自动装置易于实现自动化焊接。

Description

一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置
技术领域
本发明专利涉及电机转子/定子所用硅钢片焊接技术领域，具体涉及一种无损磁性焊接新方法及装置。
背景技术
制造电机、变压器等机电设备必不可少的是硅钢材料，硅钢片的产量与国家发电量的增加成正比。当前世界各主要工业国硅钢产量约为钢的总产量的2％左右。叠装硅钢片铁心一般都采用扣片或片间榫接的方法进行连接，但是随着硅钢片铁心要求的性能越来越高，铁心的体积也越来越大，形状也越来越复杂。扣片或片间榫接的方法不能完全满足现有工况，于是以氩气作为保护气体的钨极氩弧焊成为硅钢片铁心制造过程中一种较为普遍的一种工艺方法，该方法具有劳动生产率高，焊缝品质好，易于自动连续生产等一系列优点，正在许多场合取代传统的扣片和片间榫接等方法。但是钨极氩弧焊接方法，是将硅钢片边缘熔融在一起，势必会破坏片层之间的绝缘性能，同时也破坏硅钢片的涂层，降低铁心的磁性能，增大铁损。
由于硅钢片铁心制造技术的原因，特别是硅钢片叠装焊接成型工艺的缺陷，造成因铁损或磁损而耗散大量的电能，据统计，日本每年损耗的电能折合成石油，相当于1400万桶，而我国因此而损耗的电能约占总发电量的5％。因制备工艺而带来的铁损和磁损每年给社会和企业带来极其沉重而又持续不断的经济负担。
本专利既能实现降低铁损及磁性能，又能防止表面涂层绝缘性破坏和弯曲破坏，同时避免了传统TIG(钨极氩弧焊)由于热源造成的变形。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有叠装硅钢片焊接制备工艺的缺陷，本发明提供了一种Fe基非晶合金、制备非晶粉末的方法，以及利用冷喷涂技术对叠装硅钢片进行连接。通过本发明提供的工艺和技术，可以避免硅钢片的磁性损耗，做到无损磁性连接，同时避免了因传统焊接带来的变形，增强了叠装硅钢片的整体强度。
为解决传统叠装硅钢片焊接的技术问题，本发明提供的技术方案是：
一种冷喷涂用Fe基非晶合金，该非晶合金的组成为，以原子百分含量计包括：Fe：75-85％，Si：1-4％，Cr：1.5-3.5％，Co：10-15％，Ni：2-4％，P：1-3％，B：2-5％。将该上述非晶体系制备成薄带，然后采用配备冷却系统的球磨机，将该非晶合金薄带制备成非晶粉末，利用冷喷设备对叠装硅钢片进行冷喷焊。
合金熔炼及薄带制备：对上述设计的合金成分，选取原材料为高纯铁(99.9％)，多晶硅，高纯锆合金、钴合金、镍合金，硼元素和高纯红磷，因为P元素在熔炼过程中会大量的挥发，所以P按FeP的的形式加入，利用电弧熔炼炉反复熔炼成均匀的母合金。非晶合金薄带的制备采用熔体快淬的方法，将熔融状态下的合金金属液喷射在高速旋转的铜轮上，制备厚度在30-70um、宽度在2mm左右的非晶条带。具体为：将熔炼均匀的母合金放入尖嘴石英管中，利用机械泵和扩散泵抽气直至炉腔内气压为3.0×10-3Pa为止，打开充气阀充入高纯氩作为保护性气体，直至储气阀内的压强达到0.02MPa，并且当铜轮表面线速度达到30m/s时，打开铜轮冷却水开关，打开加热电源，增大加热电流直至母合金达到熔融状态，打开与石英管连接的储气阀开关，利用石英管内外压力差将熔融金属液喷射到高速旋转的铜轮表面，从而甩出非晶条带。
粉末制备：将上述Fe基非晶薄带破碎成1mm左右的碎片，再将该碎片置于球磨机中进行球磨，球磨罐体内抽真空，球磨时间为6-8h，球磨机转速500-700转/分，球磨罐体外，利用液氮进行冷却，球磨时间过半后，加入酒精进行湿磨，球磨结束后，取出烘干制粉，干燥时间为8-12h。
硅钢片叠装：采用人工进行叠装，利用定位螺栓进行定位和紧固，将待冷喷焊部位对齐。
冷喷焊：冷喷涂装置利用高压气体携带上述Fe基非晶合金粉末颗粒从冷喷涂装置进入喷枪，产生超音速流，使上述Fe基非晶合金粉末颗粒在完全固态下撞击叠装硅钢片待连接处，产生纯塑性变形，从而使Fe基非晶合金粉末颗粒沉积于硅钢片边缘处。由于叠装硅钢片整体结构简单，限制少，使得利用冷喷涂工艺实现的非晶合金涂层与硅钢片基体结合力大，且将冷喷涂工艺应用于叠装硅钢片上，使硅钢片侧缘连接处表面直接形成非晶合金涂层，工艺简单，经济环保。
有益效果：
(1)该Fe基非晶合金组成有三个以上的组元，各个组元的原子半径的尺寸差大于12％，组元元素之间有较大负混合热。该非晶合金成分靠近深共晶点，通过熔体快淬处理，能够较容易的制备非晶，确保合金的玻璃形成能力；
(2)球磨机可以将破碎后的非晶薄带制备成符合要求的非晶粉末，冷却装置可以避免在球磨过程中温度的上升而引起的晶化现象；
(3)叠装硅钢片冷喷涂焊接由于没有热量产生，所以不会使硅钢片受热产生变形，同时由于连接深度浅，所以对硅钢片的磁性没有影响，同时还能保证一定的连接强度。该发明不产生热、光和烧损后产生的气体，因此非常环保，且配合自动装置易于实现自动化焊接。
(4)本发明专利工艺简单，易于实现，配合机器人自动焊接设备可以实现自动喷焊形成合金涂层，具有一定的实用价值。
(5)本发明所提供的叠装硅钢片冷喷涂焊接工艺可操作性强，可重复性强，能够在电机行业大力推广。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置，合金元素按质量百分比为，Fe：75％，Si：2％，Cr：2％，Co：14％，Ni：2％，P：1％，B：4％。
将上述配比元素进行电弧熔炼，P按FeP的的形式加入，之后将熔融状态下的合金金属液喷射在高速旋转的铜轮上，制备厚度在40um、宽度在2mm左右的非晶条带。具体为：将熔炼均匀的母合金放入尖嘴石英管中，利用机械泵和扩散泵抽气直至炉腔内气压为3.0×10-3Pa为止，打开充气阀充入高纯氩最为保护性气体，直至储气阀内的压强达到0.02MPa，并且当铜轮表面线速度达到30m/s时，打开铜轮冷却水开关，打开加热电源，增大加热电流直至母合金达到熔融状态，打开与石英管连接的储气阀开关，利用石英管内外压力差将熔融金属液喷射到高速旋转的铜轮表面，从而甩出非晶条带。将上述制备的薄带破碎成1mm左右的碎片，再将该碎片置于球磨机中进行球磨，球磨罐体内抽真空，球磨时间为6h，球磨机转速600转/分，球磨罐体外，利用液氮进行冷却，球磨时间过半后，加入酒精进行湿磨，球磨结束后，取出烘干制粉，干燥时间为8h。
冷喷涂装置利用高压气体携带上述制备的合金粉末颗粒从冷喷涂装置进入喷枪，产生超音速流，使合金粉末颗粒在完全固态下撞击叠装硅钢片待连接处，产生纯塑性变形，从而使合金粉末颗粒沉积于硅钢片边缘处，形成可靠的连接。
实施例2
一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置，合金元素按质量百分比为，Fe：78％，Si：3％，Cr：2％，Co：12％，Ni：2％，P：1％，B：2％。
将上述配比元素进行电弧熔炼，P按FeP的的形式加入，之后将熔融状态下的合金金属液喷射在高速旋转的铜轮上，制备厚度在40um、宽度在2mm左右的非晶条带。具体为：将熔炼均匀的母合金放入尖嘴石英管中，利用机械泵和扩散泵抽气直至炉腔内气压为3.0×10-3Pa为止，打开充气阀充入高纯氩最为保护性气体，直至储气阀内的压强达到0.02MPa，并且当铜轮表面线速度达到30m/s时，打开铜轮冷却水开关，打开加热电源，增大加热电流直至母合金达到熔融状态，打开与石英管连接的储气阀开关，利用石英管内外压力差将熔融金属液喷射到高速旋转的铜轮表面，从而甩出非晶条带。将上述制备的薄带破碎成1mm左右的碎片，再将该碎片置于球磨机中进行球磨，球磨罐体内抽真空，球磨时间为8h，球磨机转速700转/分，球磨罐体外，利用液氮进行冷却，球磨时间过半后，加入酒精进行湿磨，球磨结束后，取出烘干制粉，干燥时间为8h。
冷喷涂装置利用高压气体携带上述制备的合金粉末颗粒从冷喷涂装置进入喷枪，产生超音速流，使合金粉末颗粒在完全固态下撞击叠装硅钢片待连接处，产生纯塑性变形，从而使合金粉末颗粒沉积于硅钢片边缘处，形成可靠的连接。
实施例3
一种硅钢片无损磁性焊接方法及装置，合金元素按质量百分比为，Fe：80％，Si：2％，Cr：2％，Co：11％，Ni：2％，P：1％，B：2％。
将上述配比元素进行电弧熔炼，P按FeP的的形式加入，之后将熔融状态下的合金金属液喷射在高速旋转的铜轮上，制备厚度在40um、宽度在2mm左右的非晶条带。具体为：将熔炼均匀的母合金放入尖嘴石英管中，利用机械泵和扩散泵抽气直至炉腔内气压为3.0×10-3Pa为止，打开充气阀充入高纯氩最为保护性气体，直至储气阀内的压强达到0.02MPa，并且当铜轮表面线速度达到30m/s时，打开铜轮冷却水开关，打开加热电源，增大加热电流直至母合金达到熔融状态，打开与石英管连接的储气阀开关，利用石英管内外压力差将熔融金属液喷射到高速旋转的铜轮表面，从而甩出非晶条带。将上述制备的薄带破碎成1mm左右的碎片，再将该碎片置于球磨机中进行球磨，球磨罐体内抽真空，球磨时间为6h，球磨机转速700转/分，球磨罐体外，利用液氮进行冷却，球磨时间过半后，加入酒精进行湿磨，球磨结束后，取出烘干制粉，干燥时间为8h。
冷喷涂装置利用高压气体携带上述制备的合金粉末颗粒从冷喷涂装置进入喷枪，产生超音速流，使合金粉末颗粒在完全固态下撞击叠装硅钢片待连接处，产生纯塑性变形，从而使合金粉末颗粒沉积于硅钢片边缘处，形成可靠的连接。

Claims (9)

1.一种硅钢片无损磁性非晶冷喷焊接方法及装置，其特征在于：采用Fe基非晶合金，该非晶合金的组成为，以原子百分含量计包括，Fe：75-85％，Si：1-4％，Cr：1.5-3.5％，Co：10-15％，Ni：2-4％，P：1-3％，B：2-5％。将该非晶体系制备成薄带，然后采用配备冷却系统的球磨机，将该非晶粉末薄带制备成非晶粉末，利用冷喷设备进行冷喷焊。
2.权利要求1所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：该方法包括以下步骤：将配好的原材料用砂纸去除氧化皮，放到装有无水乙醇的烧杯里，利用超声波清洗器进行超声清洗，然后用电吹风吹干。其中硼元素以硼铁的形式加入，磷元素以磷铁的形式加入，由于磷元素会产生烧损，根据其烧损量，多加10wt％磷铁。将上述配比好的合金进行熔炼，然后使熔融金属喷到移动的冷却板上，使之急速冷却，获得厚度在100um以内的Fe基非晶薄带。
3.权利要求1所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)将Fe基非晶薄带破碎成1mm左右的碎片；
2)将该碎片置于球磨机中进行球磨，球磨罐体内抽真空；球磨时间为6-8h，球磨机转速500-700转/分；
3)球磨罐体外，利用液氮进行冷却；
4)球磨时间过半后，加入酒精进行湿磨；
5)球磨结束后，取出烘干制粉；
6)干燥箱温度设定100-120℃，干燥时间为8-12h。
4.权利要求1所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：所述的金属粉末为Fe基非晶合金粉末。
5.权利要求1所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)将已经制备好的Fe基非晶粉末放入冷喷设备的粉末腔体中；
2)使用纯氩气高压气体；
3)将冷喷枪及其辅助夹具安装到硅钢片待喷焊起始位置；
4)利用纯氩气高压气体，将Fe基非晶粉末从粉末腔体中带出，该非晶粉末以极高的速度撞击硅钢片待连接部位，并产生一定的塑性变形，从而使硅钢片可靠的连接在一起。
6.根据权利要求5所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：高压气体为纯氩气，压强在2-4MP。
7.根据权利要求5所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：所述Fe基非晶合金粉末颗粒的直径为5-50um。
8.根据权利要求5所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：所述冷喷嘴与硅钢片待连接部位的垂直距离为6-10mm。
9.根据权利要求5所述的冷喷焊接硅钢片，其特征在于：所述纯氩气高压气体所形成的气流为超音速气流，该气流能够使非晶合金粉末在常温下通过撞击能够发生较大的塑性变形。
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