CN117583721A - 铜线掺杂高导电率材料的处理方法、装置及改性铜线 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法、装置及改性铜线，处理方法包括以下步骤：S1，利用加热源对铜线表面加热，使铜线表面的局部位置熔融并形成凹坑；S2，向凹坑注入高导电率材料，使得高导电率材料与凹坑中熔融的铜材料混合，以填充凹坑；S3，冷却固化凹坑中熔融的铜材料，以使得高导电率材料掺杂到铜线中。本方案便于在铜线表面形成一体的复合结构，并且能够显著提高铜导线的耐久性和稳定性。

Description

铜线掺杂高导电率材料的处理方法、装置及改性铜线

技术领域

本发明涉及激光加工技术领域，具体地涉及一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法、装置及改性铜线。

背景技术

铜具有优异的导电性能，铜线代替铝线作为目前新能源汽车用电机主要使用的绕组材料。如圆线定子，扁线定子等所使用的绕组均采用铜线。

目前铜线在电机上使用是仍然存在着电损率高等问题，在铜表面镀银通常是增加铜线电导率的方法。但是传统的镀银方式涂覆存在着银层厚度有限，工艺复杂，表面平整度低的问题；并且该银层与铜线表面之间的附着力不足，容易在弯折后发生分层和脱落的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服或至少减轻上述现有技术存在的不足，提供一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法、装置及改性铜线。

第一方面，本发明提供一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法，包括以下步骤：

S1，利用加热源对铜线表面加热，使铜线表面的局部位置熔融并形成凹坑；

S2，向凹坑注入高导电率材料，使得高导电率材料与凹坑中熔融的铜材料混合，以填充凹坑；

S3，冷却固化凹坑中熔融的铜材料，以使得高导电率材料掺杂到铜线中。

在至少一个实施方式中，S1中，在惰性气体保护下，利用加热源对铜线表面加热；和/或，S2中，利用惰性气体的气流将高导电率材料注入凹坑。

在至少一个实施方式中，S2中，利用至少一对喷射器向凹坑发射高导电率材料，成对的两个喷射器对称设置于加热源沿铜线周向的两侧。

在至少一个实施方式中，加热源朝向铜线的入射方向垂直于铜线的中心线，喷射器的喷射方向与加热源入射方向的夹角为15°-75°。

在至少一个实施方式中，加热源为激光发射器，激光发射器和喷射器在铜线表面的入射点邻接，铜线能够沿自身长度方向移动。

在至少一个实施方式中，S1和S2中，利用喷射器向凹坑发射高导电率材料，喷射器和加热源位置固定，铜线能够沿长度方向移动，通过调节铜线的移动速度来调节铜线表面凹坑的数量和/或深度。

在至少一个实施方式中，当铜线的横截面为圆形时，在铜线沿长度方向移动的过程中同步旋转铜线。或者，在铜线沿长度方向移动的过程中铜线不旋转，喷射器和加热源同步绕铜线的中心线转动。

当铜线的横截面为方形时，在铜线的四个侧面分别加热以形成的凹坑。

在至少一个实施方式中，S1和S2中，铜线设于保温环境中，该保温环境的温度被设置为:能够避免铜线表面凹坑在设定时间内不会冷却至脱离熔融状态。

在至少一个实施方式中，在S2和S3之间还包括S20，对铜线表面进行平整处理，将高导电率材料凸出于凹坑的材料去除，以使得铜线表面为光滑表面。

第二方面，本发明提供一种铜线掺杂高导电率材料的加工装置，用于实现第一方面的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，包括加热源、喷射器和牵引设备。加热源用于加热铜线表面，并在铜线表面局部位置形成凹坑。喷射器用于向凹坑注入高导电率材料。牵引设备用于驱动铜线沿长度方向移动。

第三方面，本发明提供一种改性铜线，通过第一方面的铜线掺杂高导电率材料的处理方法制作而成，该改性铜线包括铜线本体，铜线本体的表面具有多个凹坑，凹坑中填充有高导电率材料。

以上一个或多个技术方案的有益效果在于：

（1）本方案中利用加热源在铜线表面形成熔融状态的凹坑，在凹坑处于熔融状态的情况下注入高导电率材料，使得高导电率材料能够于凹坑内熔融的铜材料充分混合，最后将熔融的铜材料和高导电率同步冷却和固化。首先，这种设置方式中高导电率材料掺杂于铜线表层，能够充分利用电流的集肤效应，使得铜线导电性能的提高更加明显。其次，凹坑中熔融状态的铜材料能够将高导电率材料物理熔结掺杂到铜导线的表层内部，形成一体结构，可以显著提升导线的耐久性和稳定性，避免弯折过程中发生分层和脱落。

（2）本方案中，S1在惰性气体的保护下利用加热源对铜线表面加热；

和/或，S2中，利用惰性气体的气流将高导电率材料注入凹坑。这种设置方式采用惰性气体可以防止铜线在熔融时发生氧化。

（3）本方案中，至少利用至少一对喷射器向凹坑发射高导电率材料，成对的两个喷射器对称设于加热源沿铜线周向的两侧。这种设置方式使得成对的喷射器处喷射的气流量相同，两股高导电率材料能够相互碰撞以降低动能，进而将高导电率材料沉积于凹坑中，不会因为动能过大而飞溅出凹坑。

（4）本方案中，加热源朝向铜线的入射方向垂直于铜线的中心线，喷射器的喷射方向与加热源入射方向的夹角为15°-75°。上述夹角范围不会因为夹角过小，而导致高导电率材料在气流的作用下从凹坑内溢出；也不会因为夹角过大，而导致部分高导电率材无法进入到凹坑。

（5）本方案中，激光发射器和喷射器在铜线表面的入射点邻接，铜线能够沿自身长度方向移动。当激光发射器刚在铜线表面加热形成凹坑后，凹坑还没冷却就立即将高导电率材料注入到凹坑内。这种设置方式能够避免铜线熔融后发生冷却，高导电率材料不易与凹槽中的铜材料掺杂的问题。并且不会出现冷却速率的差异导致的高导电率材料在各个凹坑内填充量不一致的问题，能够使得掺杂导电材料的铜线各个部位电导率相同。

（6）本方案中，喷射器和加热源位置固定，铜线能够沿长度方向移动，通过调节铜线的移动速度来调节铜线表面凹坑的数量和/或深度。这种设置方式中，加热源和喷射器的工作参数可以恒定不变，通过调节铜线的移动速度就能够加工出不同参数的凹坑，不会因为加热源本身的参数范围极值，而无法加工出所需的铜线的问题。

（7）本方案中，当铜线的横截面为圆形时，在铜线沿长度方向移动的过程中同步旋转铜线；或者，在铜线沿长度方向移动的过程中铜线不旋转，喷射器和加热源同步绕铜线的中心线转动。这种设置方式便于在铜线表面形成螺旋状的凹坑，并且填充于凹坑中的高导电率材料同样为螺旋状结构，以便于增加高导电率材料在铜线表面掺杂的均匀程度。

当铜线的横截面为方形时，该铜线为扁线结构，在铜线的四个侧面分别加热以形成的凹坑；这种设置方式便于增加高导电率材料在铜线表面掺杂的均匀性，提高铜线的导电效果。

（8）本方案中，在对铜线和高导电率材料进行同步冷却固化之前，对铜线的表面进行平整处理，这种设置方式能够使铜线表面光滑，避免凹坑部位在掺杂高导电率材料后高度高于其余部位，使得导线粗糙度变大的问题。

附图说明

图1是本发明实施例中铜线掺杂高导电率材料的处理方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中铜线掺杂高导电率材料的加工装置的轴测示意图；

图3是本发明实施例中铜线掺杂高导电率材料的加工装置的侧视示意图；

图4是本发明实施例中铜线表面凹坑连续设置的示意图；

图5是本发明实施例中铜线表面凹坑分散设置的示意图；

图6是本发明实施例中改性铜线的其中一种结构示意图；

图7是本发明实施例中改性铜线的另外一种结构示意图；

图8是本发明实施例中改性铜线的另外一种结构示意图。

附图标记列表：10、铜线；20、凹坑；30、高导电率材料；40、加热源；50、喷射器；60、套筒；70、安装座。

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的范围。

如图1-图7所示，本实施例提供一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法，包括以下步骤：

S1，利用加热源40对铜线10表面加热，使铜线10表面的局部位置熔融并形成凹坑20。

S2，向凹坑20注入高导电率材料30，使得高导电率材料30与凹坑20中熔融的铜材料混合，以填充凹坑20。

S3，冷却固化凹坑20中熔融的铜材料，以使得高导电率材料30掺杂到铜线10中。

具体地，加热源40可以采用激光发射器，或者是焊接头等能够在较短时间内将铜线10表面熔融的器件。本实施例中，高导电率材料30是银、石墨烯或者碳纳米管等导电率高于铜的材料。当高导电率材料为银时，其能够以固态粉末或者液态的形式注入凹坑。当高导电率材料为石墨烯或者碳纳米管时，其能够以固态粉末的形式注入凹坑。

如图4所示，本实施例中，加热源40在铜线10表面形成沿铜线10长度方向连续不断的凹坑20，该凹坑20可以看做连续不断的凹槽。当凹坑20沿铜线10表面连续不断时，凹坑20内的高导电率材料沿铜线10的长度方向不会断开，进而能够保证电流沿高导电率材料30流动的过程中不会发生导电率突变的问题，提高导线的导电效果，降低电损耗。

如图5所示，另外一些实施例中，加热源40在铜线10表面形成的凹坑20为离散分布的多个凹坑20。多个凹坑20独立的分布在铜线10的外表面，相邻凹坑20中的高导电率材料会被铜线10阻隔，会造成铜线10表面导电率的间歇性升降。但是在凹坑20分散布置的情况下，单个凹坑20中高导电率材料的脱落不会影响其余凹坑中高导电率材料的导电，便于增加高导电率材料掺杂至铜线时的稳定性。

本实施例中，该凹坑20沿垂直铜线10长度方向的截面为圆形、方形或者梯形等不同形状，由本领域技术人员自行设置即可。

具体地，上述铜线10表面局部位置因为加热源40的加热而形成熔融状态的凹坑20，凹坑20内存在熔融的铜材料。此时高导电率材料流向凹坑并落入熔融的铜材料中，二者实现混合。因此，当凹坑20中熔融的铜材料冷却降温之后，该部分铜材料和高导电率材料30同步固化。

本实施例中，S1中，在惰性气体保护下，利用加热源40对铜线10表面加热；和/或，S2中，利用惰性气体的气流将高导电率材料30注入凹坑20。惰性气体可以为氮气或者氩气等，采用惰性气体防止铜线10在熔融时发生氧化。具体的，在S1中，如果在惰性气体环境下加热铜线10表面，此时熔融状态的凹坑20处没有氧气，进而不会发生氧化。在S2中，高导电率材料30注入的时间距离凹坑20的形成时间间隔较短，当凹坑20位置熔融材料刚要氧化时，就能够利用射向凹坑20的惰性气体将氧气排出，避免铜线10在凹坑20位置氧化。

本实施例中，S2中，利用至少一对喷射器50向凹坑20发射高导电率材料30，成对的两个喷射器50对称设置于加热源40沿铜线10周向的两侧。参见图2和图3，本实施例中的喷射器50数量为两个，加热源40的数量为单个。另外一些实施例中，该加热源40的数量为多个，每个加热源40处配置两个喷射器50即可。这种设置方式中的多个加热源40同时在铜线10周向的不同位置形成凹坑20，并同步利用喷射器50注入高导电率材料30，便于提高凹坑20成型以及高导电率材料掺杂复合的效率。

本实施例中，加热源40朝向铜线10的入射方向垂直于铜线10的中心线，喷射器50的喷射方向与加热源40入射方向的夹角为15°-75°。参见图3，加热源40的入射线为L2，喷射器50的喷射方向为L1，此时L1和L2的夹角α为15度-75度。具体的，二者的夹角α可以为15度、50度或者75度等，由本领域技术人员自行设置即可。

本实施例中，加热源40为激光发射器，激光发射器的聚焦位置和喷射器50在铜线10表面的入射点邻接，铜线10能够沿自身长度方向移动。此时，在铜线10沿自身长度方向移动的情况下，铜线10外表面刚通过加热源40形成的凹坑20能够立即移动到邻接的喷射器50的入射点，以注入高导电率材料30。这种设置方式能够避免凹坑20在注入高导电率材料30前冷却固化。优选的，激光发射器的聚焦位置和喷射器50在空间中可以邻接设置，以降低二者入射点邻接的难度。

作为一种具体的加工参数，本实施例中凹坑20深度是0.1mm，激光发射器的发射端与铜线10表面的距离为5mm，激光发射器的功率为200W。另外一些实施例中，该凹坑20深度还可以为0.015或0.2mm，激光发射器与铜线10表面的距离为4mm或6mm,该激光发射器的功率为180w或220w。

本实施例中，S1和S2中利用喷射器50向凹坑20发射高导电率材料30，喷射器50和加热源40位置固定，铜线10能够沿长度方向移动，通过调节铜线10的移动速度来调节铜线10表面凹坑20的数量和/或深度。具体的，激光发射器（激光头）的参数可以恒定不变，相当于激光一直在点射或者线扫描。这样不会因为激光发射器本身的参数范围限制，导致无法加工出所需的铜线10。同时这种方式也提升了加工效率，一组激光发射器与喷射装置就可以应对不同参数的铜线10加工需求。其中，激光发射器的脉冲频率为5kHz-50kHz，铜线10的走行速度为0.1m/min-50m/min。

本实施例中，当铜线10的横截面为圆形时，在铜线10沿长度方向移动的过程中同步旋转铜线10。或者，在铜线10沿长度方向移动的过程中铜线10不旋转，喷射器50和加热源40同步绕铜线10的中心线转动。此时凹坑20在圆铜线10上是一条螺旋线，在铜线沿垂直自身长度方向的任意一个横截面上都具有凹坑20的一段，并且各段大小相同。凹坑内掺杂有高导电率材料，铜线10经过加工后各处的电导率也更加的均匀。如果铜线或者加热源等不旋转，则铜线圆周方向上各位置的电导率存在着较大差异，不利于铜线10在电机上的应用。

本实施例中，S1和S2中铜线10设于保温环境中，该保温环境的温度被设置为:能够避免铜线10表面凹坑20在设定时间内冷却至脱离熔融状态。具体地，该保温环境可以由保温的套筒60形成，铜线10穿过该保温套筒60。加热源40以及喷射器50设置于该套筒60中，以使得套筒60的侧壁可以阻碍加热源40以及凹坑20处的热量分散，避免凹坑20冷却速度过快。另外一些实施方式中，该套筒60的内圈环绕布置有加热电阻丝，该加热电阻丝环绕待注入高导电率材料30的凹坑20。采用保温环境可以保证铜线10激光熔融位置的铜材料在注入高导电率材料30前是处于熔融的状态，不会发生冷却导致导电材料掺杂到铜线10的各凹坑20内的量不均匀的情况。具体的，上述的保温的套筒60可以采用硅酸铝或者岩棉等材质。

另外一些实施例中，若铜线10的横截面为方形，例如铜线为扁线，则在扁线的四个面上均进行激光熔融处理。熔融处理过程优选是同步处理，可以点扫描，也可以线扫描，并且4个激光头处于同一横截面上。这样可以保证铜线10在横截面上的各个面电导率一致。凹坑20的深度或者熔融处理的铜线10表层深度可为0.01mm-2mm。

本实施例中，在S2和S3之间还包括S20，对铜线10表面进行平整处理，将高导电率材料30凸出于凹坑20的材料去除，以使得铜线10表面为光滑表面。

具体地，S20中，平整处理的过程将包覆高导电率材料30的表层铜溶液进行平整，使铜线10表面光滑。可选地，平整处理采用模具或者辊压方式来实现，模具内表面的形状与铜线10的外周面形状相同。通过模具的挤压可以使得铜线10表面变得平整。辊压则通过两组压辊的间距控制扁铜线10的外形尺寸，使铜线10表面变得光滑平整，并使高导电率材料30均匀分布于铜线10表层。

本实施例还提供一种铜线掺杂高导电率材料的加工装置，用于实现上述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，包括加热源40、喷射器50、支撑结构和牵引设备。加热源40用于加热铜线10表面，并在铜线10表面局部位置形成凹坑20。喷射器50用于向凹坑20注入高导电率材料30。支撑结构用于实现加热源40和喷射器50的支撑。牵引设备用于驱动铜线10沿长度方向移动。

参见图2-图3，此处的支撑结构为横截面为圆形的套筒60，套筒60通过安装座70支撑。该套筒60的侧壁面具有多个贯穿自身的安装孔，利用安装孔可以安装喷射器50以及激光发射器等加热源40。具体的，该激光发射器的一端处于套筒60的外部，以连接电源线，另一端插入套筒60的内腔，以向铜线10发射激光。喷射器50具有喷射嘴的一端设于套筒60的内腔，以向凹坑20发射高导电率材料30。喷射器50中远离喷射嘴的一端设于套筒60的外部，以接收高导电率材料。

具体地，喷射器50与储存有液态高导电率材料的高温反应釜连通，该高温反应釜与高压气源连通，高压气源将高温反应釜中的液体挤压至喷射器50。该喷射器50还与惰性气体连通，惰性气体在喷射器50中与液态高导电率材料30混合。

具体的，此处的牵引设备可以为卷筒或者牵引辊，由本领域技术人员自行设置即可。

本实施例还提供一种改性铜线，通过上述铜线掺杂高导电率材料的处理方法制作而成，该改性铜线10包括铜线本体，铜线本体的表面具有多个凹坑20，凹坑20中填充有高导电率材料30。

参见图6，作为一种具体的结构形式，铜线本体的横截面为圆形，该铜线本体沿周向具有多条凹坑20，凹坑20中填充有长条状的高导电率材料30的填充块。参见图7，另外一种具体的结构形式中，铜线10表面具有螺旋环绕的凹坑20，此时高导电率材料30同样螺旋环绕在铜线10的外部。此处改性铜线10还可以采用其他结构形式的凹坑20与高导电率材料30的组合，由本领域技术人员自行设置即可。

参见图8，另外一种具体的结构形式中，铜线的横截面为方形，且铜线呈扁线状，铜线的每个侧面均设置连续的凹坑，凹坑中熔结有铜材料和高导电率材料的混合物。

当然，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员在本发明的教导下可以对本发明的上述实施方式做出各种组合和变型，而不脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，利用加热源对铜线表面加热，使铜线表面的局部位置熔融并形成凹坑；

S2，向凹坑注入高导电率材料，使得高导电率材料与凹坑中熔融的铜材料混合，以填充凹坑；

S3，冷却固化凹坑中熔融的铜材料，以使得高导电率材料掺杂到铜线中。

2.根据权利要求1所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，S1中，在惰性气体保护下，利用加热源对铜线表面加热；

和/或，S2中，利用惰性气体的气流将高导电率材料注入凹坑。

3.根据权利要求1所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，S2中，利用至少一对喷射器向凹坑发射高导电率材料，成对的两个喷射器对称设置于加热源沿铜线周向的两侧。

4.根据权利要求3所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，所述加热源朝向铜线的入射方向垂直于铜线的中心线，所述喷射器的喷射方向与加热源入射方向的夹角为15°-75°。

5.根据权利要求3所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，所述加热源为激光发射器，所述激光发射器和喷射器在铜线表面的入射点邻接，所述铜线能够沿自身长度方向移动。

6.根据权利要求1所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，S1和S2中，利用喷射器向凹坑发射高导电率材料，喷射器和加热源位置固定，所述铜线能够沿长度方向移动，通过调节铜线的移动速度来调节铜线表面凹坑的数量和/或深度。

7.根据权利要求6所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，

当铜线的横截面为圆形时，在铜线沿长度方向移动的过程中同步旋转铜线，或者，在铜线沿长度方向移动的过程中铜线不旋转，喷射器和加热源同步绕铜线的中心线转动；

当铜线的横截面为方形时，在铜线的四个侧面分别加热以形成的凹坑。

8.根据权利要求1所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，在S2和S3之间还包括：

S20，对铜线表面进行平整处理，将高导电率材料凸出于凹坑的材料去除，以使得铜线表面为光滑表面。

9.一种铜线掺杂高导电率材料的加工装置，用于实现权利要求1-8中任意一项所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法，其特征在于，包括：

加热源，用于加热铜线表面，并在铜线表面局部位置形成凹坑；

喷射器，用于向凹坑注入高导电率材料；

牵引设备，用于驱动铜线沿长度方向移动。

10.一种改性铜线，通过权利要求1-8中任意一项所述的铜线掺杂高导电率材料的处理方法制作而成，其特征在于，包括铜线本体，所述铜线本体的表面具有多个凹坑，所述凹坑中填充有高导电率材料。