CN111185658B - 一种氧化铝铜与钢的焊接方法及其应用 - Google Patents

一种氧化铝铜与钢的焊接方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氧化铝铜与钢的焊接方法及其应用，涉及粉末冶金技术领域。该焊接方法包括：将填充有实心钢芯和氧化铝铜粉的模具进行冷等静压成型，随后取出冷压坯；将冷压坯装入包套内，进行热等静压成型，随后去除包套；其中，所述氧化铝铜粉至少与所述实心钢芯的一个端面接触。该焊接方法能够实现氧化铝铜与实心钢体的焊接，同时可获得高强度的耐高温焊接界面，工艺稳定性好，焊接界面缺陷少，焊接质量可靠性高，制备获得的焊件可以广泛应用于高速电机转子中。

Description

一种氧化铝铜与钢的焊接方法及其应用
技术领域
本发明涉及粉末冶金技术领域，具体而言，涉及一种氧化铝铜与钢的焊接方法及其应用。
背景技术
Al2O3弥散强化铜合金中的强化相Al2O3粒子以纳米级尺寸均匀弥散分布于铜基体内，在接近铜基体熔点的高温下也不会溶解或粗化，因而该合金兼具高强高导电性能、良好的抗高温软化能力以及优异的高温稳定性，是一种优异的电工材料。
高速电机具有转速高、功率密度大、可靠性高、体积小，噪声低，效能高、维护成本低和便于实现直驱等优点，在高端装备、国防、环保、能源等领域应用前景十分广阔。
在高速电机运转过程中，转子中始终存在着铜损、铁损和风磨耗等各种损耗，并转化成热量产生在电机转子部件上，最终导致转子温度上升。随着转子速度提高，转子温升相应加剧。同时，在高速旋转时，转子部件承受着巨大的离心力。这对转子的强度和耐高温性能提出了很高的要求。带铜屏蔽层或导条(统称铜导条)的实心钢转子具有较高的强度，而且铜导条能够为电流提供通路可以有效减小一部分涡流，在高速电机中被广泛使用。纯铜在温度较高的情况下会发生软化现象，因此在高速电机的设计中，主要采用铜合金作为转子导条材料。导条的选择，要综合考虑机械强度和转子铜耗，在保证机械强度的情况下，应选择电导率较大的铜合金。根据计算模拟，当转子速度达到60000转/分钟时，转子的温升接近200℃，产生的轴向离心力约为200MPa。这对导条材料的高温强度和耐高温性能提出了很高的要求。Al2O3弥散强化铜合金是一种理想的高速电机转子导条备选材料。但是，由于氧化铝粒子的阻碍作用，氧化铝弥散强化铜和实心钢体(40CrNiMoA)之间很难形成高强度、耐高温的结合界面，其在高速电机转子中的应用也受到了制约。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氧化铝铜与钢的焊接方法，其能够实现氧化铝铜与实心钢体的焊接，同时可获得高强度的耐高温焊接界面，工艺稳定性好，焊接界面缺陷少，焊接质量可靠性高。
本发明的目的在于提供一种氧化铝铜与钢的焊接方法在高速电机中的应用，使得氧化铝铜在高速电机转子中的应用得到发展。
本发明的目的在于提供一种带有铜导条的实心钢转子，其可以广泛应用于高速电机转子中。
本发明是这样实现的：
第一方面，实施例提供一种氧化铝铜与钢的焊接方法，其包括：
将填充有实心钢芯和氧化铝铜粉的模具进行冷等静压成型，随后取出冷压坯；
将所述冷压坯装入包套内，进行热等静压成型，随后去除所述包套；
其中，所述氧化铝铜粉至少与所述实心钢芯的一个端面接触。
在可选的实施方式中，所述氧化铝铜粉与所述实心钢芯的两个端面接触；
优选地，所述氧化铝铜粉还与所述实心钢芯的圆周面接触。
在可选的实施方式中，所述实心钢芯和所述氧化铝铜粉填充于所述模具的方法包括：
将所述实心钢芯置于所述模具的正中心，然后填充所述氧化铝铜粉并振实；
或者；
将氧化铝铜粉填充至模具中至一定厚度，随后将实心钢芯装入模具中，继续用所述氧化铝铜粉填充所述模具与所述实心钢芯之间的间隙并填满所述模具。
在可选的实施方式中，于180～200MPa的压强进行所述冷等静压成型5～6分钟。
在可选的实施方式中，于150～180MPa的压强下，在900～950℃保温2～3小时以进行所述热等静压成型。
在可选的实施方式中，在进行所述热等静压成型之前，将装有所述冷压坯的所述包套经真空热脱气密封。
在可选的实施方式中，在将所述实心钢芯装入所述模具中之前，先对所述实心钢芯的表面进行除锈和粗糙化处理；
优选地，所述除锈和粗糙化处理包括采用80～100目砂轮打磨所述实心钢芯表面，去除厚度为0.3～0.5mm。
在可选的实施方式中，在进行所述除锈和粗糙化处理后，还包括将所述实心钢芯进行清洗并于80～90℃干燥；
优选地，采用真空烘干的方式进行干燥。
在可选的实施方式中，所述氧化铝铜粉的粒径为10～74微米。
在可选的实施方式中，所述氧化铝铜粉中氧化铝的质量含量占所述氧化铝铜粉的0.3％～0.5％。
第二方面，实施例提供一种如根据前述实施方式任一项所述的氧化铝铜与钢的焊接方法在高速电机中的应用。
第三方面，实施例提供一种带有铜导条的实心钢转子，其是采用如前述实施方式任一项所述的氧化铝铜与钢的焊接方法制备而成。
本发明具有以下有益效果：本申请通过利用氧化铝铜粉与实心钢芯进行装配，在利用热等静压使氧化铝铜粉固结的同时，实现了与钢材的焊接。与使用氧化铝铜块材与钢芯直接扩散焊接或钎焊相比，本发明不仅可以获得高强度的耐高温焊接界面，而且工艺稳定性好，焊接界面缺陷少，焊接质量可靠性高。而且使用氧化铝铜粉具有更高的灵活性，可以方便地实现氧化铝铜与钢体之间各种不规则曲面如凹槽、盲孔等的焊接，材料利用率高。本发明解决了氧化铝铜与钢材的高强度焊接问题，可以用于制备高强度、耐高温的带铜屏蔽层或导条的高速电机实心钢转子及其他相关应用。
此外，本申请实施例提供了氧化铝铜与钢的焊接方法在高速电机中的应用，尤其是，由氧化铝铜与钢的焊接方法制备而成的带有铜导条的实心钢转子在高速电机中的应用，其极大的扩展了氧化铝铜粉和实心钢芯的焊接材料的应用领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的拉伸试验的实物图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
本申请提供了一种氧化铝铜与钢的焊接方法，其包括如下步骤：
S1、原料填充步骤。
将实心钢芯和氧化铝铜粉填充于模具内。
其中，将实心钢芯和氧化铝铜粉填充至模具的方法有多种，只要能够实现将氧化铝铜粉与实心钢芯的至少一个端面接触即可。
具体到本实施例中，实心钢芯为圆柱形，氧化铝铜粉与实心钢芯的两个端面接触；优选地，氧化铝铜粉还与实心钢芯的圆周面接触。在将氧化铝铜粉和实心钢芯填充于模具时，可以采用，将实心钢芯置于模具的正中心，然后填充氧化铝铜粉并振实的方法，也可以采用，将氧化铝铜粉填充至模具中至一定厚度，随后将实心钢芯装入模具中，继续用氧化铝铜粉填充模具与实心钢芯之间的间隙并填满模具。
具体来说，本申请中的模具为橡胶模具，且其形状大致为空心圆筒状，其内径略大于实心钢芯的外径，在填充原料时，本申请中优选，先氧化铝铜粉填充至模具中至一定厚度(约为15-25mm)，随后将实心钢芯装入橡胶模具的正中心，继续用氧化铝铜粉将橡胶模具填满，使得氧化铝铜粉充分填充于模具与实心钢芯之间的间隙以及橡胶模具的顶部，此时氧化铝铜粉完全将实心钢芯进行包裹，此时，氧化铝铜粉不仅仅与实心钢芯的两个端面接触，同时还与实心钢芯的圆周面接触。应理解，在本申请的其他实施方式中，也可以直接将实心钢芯置于橡胶模具内(此时橡胶模具的内径约等于实心钢芯的外径，实心钢芯通过橡胶模具的形变而置于橡胶模具内)，随后填充氧化铝铜粉，此时可实现氧化铝铜粉仅与实心钢芯的一个端面接触，而实心钢芯的圆周面只有少量的漏至实心钢芯和橡胶磨具间隙中的部分氧化铝铜粉接触。
优选地，在将实心钢芯装入模具中之前，先对实心钢芯的表面进行除锈和粗糙化处理；具体到本实施例中，除锈和粗糙化处理包括采用80～100目砂轮打磨实心钢芯表面，去除厚度为0.3～0.5mm。将实心钢芯进行清洗并于80～90℃干燥；优选地，采用真空烘干的方式进行干燥。除锈和粗糙化处理能够将实心钢芯表面的氧化物去除，保证实心钢芯与氧化铝铜粉的焊接质量。
进一步地，本申请所采用的氧化铝铜粉的粒径为10～74微米。本申请中的氧化铝铜粉的粒径小，使得氧化铝铜粉可以方便地实现对实心钢芯表面进行充分的填充，使得氧化铝铜粉和实心钢芯的焊接界面缺陷少。该粒径下的氧化铝铜粉的热稳定性极佳，在加热时能保持其原有的粒径和颗粒间距，使得最终获得的产品性能更佳。
氧化铝铜粉中氧化铝的质量含量占氧化铝铜粉的0.3％～0.5％。本申请中选用氧化铝含量为0.3％～0.5％的氧化铝铜粉作为原料，经发明人研究发现，氧化铝含量在上述范围内，更适合用于与钢材的焊接。
S2、冷等静压成型。
将填充后的模具于180～200MPa的压强进行冷等静压成型5～6分钟，随后取出冷压坯。
S3、热等静压成型。
将冷压坯装入包套内，经真空热脱气密封，于150～180MPa的压强下，在900～950℃保温2～3小时以进行热等静压成型，随后去除包套。
本申请中通过将冷等静压和热等静压成型相结合，使得粉末状的氧化铝铜粉和实心钢芯成型，为后续的热等静压提供冷压坯，随后进行的热等静压用于对氧化铝铜粉和实心钢芯进行烧结，使得氧化铝铜粉致密化，最终成型为焊件。
然后再依据不同的生产需求，加工为不同的形状、结构或尺寸，以满足不同应用领域的需求。
本申请通过热等静压技术，在使氧化铝铜粉固结的同时，实现了与钢材的焊接。与使用氧化铝弥散强化铜块材与钢芯直接扩散焊接或钎焊相比，本发明不仅可以获得高强度的耐高温焊接界面，而且工艺稳定性好，焊接界面缺陷少，焊接质量可靠性高。而且使用氧化铝弥散强化铜粉具有更高的灵活性，可以方便地实现氧化铝弥散强化铜与钢体之间各种不规则曲面如凹槽、盲孔等的焊接，材料利用率高。本发明解决了氧化铝铜与钢材的高强度焊接问题，可以用于制备高强度、耐高温的带铜屏蔽层或导条的高速电机实心钢转子及其他相关应用。本申请中，通过将氧化铝铜粉填充于实心钢芯的外表面，可以形成外层为铜，内部为钢的结构。而针对实心钢芯的端面也填充有氧化铝铜粉，还可以进一步将产品加工成一端为铜，一端为钢的结构。针对不同的应用领域，可以选择将本申请中的焊件加工成不同的结构，由此可以看出，本申请极大的扩展了氧化铝铜粉和实心钢芯的焊接材料的应用领域。
此外，本申请实施例还提供了一种氧化铝铜与钢的焊接方法在高速电机中的应用，尤其是，由氧化铝铜与钢的焊接方法制备而成的带有铜导条的实心钢转子在高速电机中的应用，其极大的扩展了氧化铝铜粉和实心钢芯的焊接材料的应用领域。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
以80目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将粒径≤74微米的氧化铝质量含量为0.3％的氧化铝铜粉填充至橡胶模具中20mm，随后将处理好的实心钢芯装入橡胶模具正中，用氧化铝铜粉填满橡胶模具并振实，然后将密封好的橡胶模具放入冷等静压机中，在180MPa的压强下保压5分钟；将冷等静压后的坯料装入钢制包套中，经真空热脱气密封，然后放入热等静压炉内，在150MPa的压强下，在900℃保温3小时；机加工去除钢制包套，加工成如图1所示的标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
实施例2
以100目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将粒径≤74微米的氧化铝质量含量为0.5％的氧化铝铜粉填充至橡胶模具中20mm，随后将处理好的实心钢芯装入橡胶模具正中，用氧化铝铜粉填满橡胶模具并振实，然后将密封好的橡胶模具放入冷等静压机中，在180MPa的压强下保压5分钟；将冷等静压后的坯料装入钢制包套中，经真空热脱气密封，然后放入热等静压炉内，在180MPa的压强下，在950℃保温3小时；机加工去除钢制包套，加工成标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
对比例1
以100目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将氧化铝质量含量为0.5％的氧化铝铜棒料加工成与40CrNiMoA钢芯尺寸相同的圆柱；将40CrNiMoA钢芯与氧化铝铜端面对端面装入钢制包套中，经真空脱气密封，然后放入热等静压炉内，在180MPa的压强下，在950℃保温3小时；机加工去除钢制包套，加工成标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
对比例2
以100目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将氧化铝质量含量为0.5％的氧化铝铜棒料加工成与40CrNiMoA钢芯尺寸相同的圆柱；将40CrNiMoA钢芯与氧化铝弥散强化铜之间加入2mm厚的钎焊片(质量百分比含量为77％Ag，20％Cu，3％Ni)装入钢制包套中，在经真空脱气密封，然后放入热等静压炉内，在180MPa的压强下，在850℃保温30分钟；机加工去除钢制包套，加工成标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
对比例3
以100目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将氧化铝质量含量为0.3％的氧化铝铜棒料加工成与40CrNiMoA钢芯尺寸相同的圆柱；将40CrNiMoA钢芯与氧化铝弥散强化铜之间加入2mm厚的钎焊片(质量百分比含量为77％Ag，20％Cu，3％Ni)装入钢制包套中，在经真空脱气密封，然后放入热等静压炉内，在180MPa的压强下，在850℃保温30分钟；机加工去除钢制包套，加工成标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
对比例4
以80目砂轮打磨40CrNiMoA钢芯表面，去除厚度0.3mm，用去离子水清洗，放入80℃真空干燥箱烘干；将粒径≤74微米的氧化铝质量含量为1.1％的氧化铝铜粉填充至橡胶模具中20mm，随后将处理好的实心钢芯装入橡胶模具正中，用氧化铝铜粉填满橡胶模具并振实，然后将密封好的橡胶模具放入冷等静压机中，在180MPa的压强下保压5分钟；将冷等静压后的坯料装入钢制包套中，经真空热脱气密封，然后放入热等静压炉内，在150MPa的压强下，在900℃保温3小时；机加工去除钢制包套，加工成标准拉伸试样。氧化铝铜端的导电率、硬度以及氧化铝铜与钢芯的在200℃的界面强度见表1。
由于本申请中实施例1-2中的氧化铝铜粉和实心钢芯均实现的是两端和圆周面全接触的形式，为了与对比例1-4更好的对比，在将实施例1-2的焊件加工成图1所示的结构，并且需要将实心钢芯圆周表面的氧化铝铜粉完全去除，保证实心钢芯只有一个端面与氧化铝铜粉接触。同样的，对比例1-4也按照图1所示的结构进行加工，保证实施例1-2和对比例1-4的结构相同，以提升检测准确性。
表1.实施例1-2以及对比例1-4的焊接产品性能检测
Figure BDA0002366026510000101
从上表可以看出，本申请实施例提供的氧化铝铜与钢的焊接方法加工成型的焊件的导电率和硬度与现有焊接方法相差不大，但界面结合强度明显高于对比例1-4，这充分证明，本申请实施例的结合界面性能更佳。
综上所述，本申请通过热等静压技术，在使氧化铝铜粉固结的同时，实现了与钢材的焊接。与使用氧化铝弥散强化铜块材与钢芯直接扩散焊接或钎焊相比，本发明不仅可以获得高强度的耐高温焊接界面，而且工艺稳定性好，焊接界面缺陷少，焊接质量可靠性高。而且使用氧化铝弥散强化铜粉具有更高的灵活性，可以方便地实现氧化铝弥散强化铜与钢体之间各种不规则曲面如凹槽、盲孔等的焊接，材料利用率高。本发明解决了氧化铝铜与钢材的高强度焊接问题，可以用于制备高强度、耐高温的带铜屏蔽层或导条的高速电机实心钢转子及其他相关应用。本申请中，通过将氧化铝铜粉完全包裹实心钢芯，经热等静压焊接完成后的产品，可以加工成不同的结构，以实现扩展氧化铝铜粉和实心钢芯的焊接材料的应用领域。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种氧化铝铜与钢的焊接方法，其特征在于，其包括：
将填充有实心钢芯和氧化铝铜粉的模具进行冷等静压成型，随后取出冷压坯；
将所述冷压坯装入包套内，进行热等静压成型，随后去除所述包套；
其中，所述氧化铝铜粉至少与所述实心钢芯的一个端面接触；所述氧化铝铜粉还与所述实心钢芯的圆周面接触；
所述氧化铝铜粉的粒径为10~74微米；所述氧化铝铜粉中氧化铝的质量含量占所述氧化铝铜粉的0.3%~0.5%。
2.根据权利要求1所述的氧化铝铜与钢的焊接方法，其特征在于，将所述实心钢芯和所述氧化铝铜粉填充于所述模具的方法包括：
将所述实心钢芯置于所述模具的正中心，然后填充所述氧化铝铜粉并振实；
或者；
将所述氧化铝铜粉填充至所述模具中至一定厚度，随后将所述实心钢芯装入模具中，继续用所述氧化铝铜粉填充所述模具与所述实心钢芯之间的间隙并填满所述模具。
3.根据权利要求1所述的氧化铝铜与钢的焊接方法，其特征在于，于180~200MPa的压强进行所述冷等静压成型5~6分钟。
4.根据权利要求1所述的氧化铝铜与钢的焊接方法，其特征在于，于150~180MPa的压强下，在900~950℃保温2~3小时以进行所述热等静压成型；
在进行所述热等静压成型之前，将装有所述冷压坯的所述包套经真空热脱气密封。
5.根据权利要求1所述的氧化铝铜与钢的焊接方法，其特征在于，在将所述实心钢芯装入所述模具中之前，先对所述实心钢芯的表面进行除锈和粗糙化处理；
所述除锈和粗糙化处理包括采用80~100目砂轮打磨所述实心钢芯表面，去除厚度为0.3~0.5mm；在进行所述除锈和粗糙化处理后，还包括将所述实心钢芯进行清洗并于80~90℃采用真空烘干的方式进行干燥。
6.一种如根据权利要求1~5任一项所述的氧化铝铜与钢的焊接方法在高速电机中的应用。
7.一种带有铜导条的实心钢转子，其特征在于，其是采用如权利要求1~5任一项所述的氧化铝铜与钢的焊接方法制备而成。
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