(江蘇中車(chē)電機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224100)

搭接長(zhǎng)度對(duì)電機(jī)定子并頭電阻釬焊接頭電氣及力學(xué)性能的影響

周迪生車(chē)三宏王杰李進(jìn)澤

(江蘇中車(chē)電機(jī)有限公司，江蘇 鹽城 224100)

大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭焊接工序?yàn)榘l(fā)電機(jī)制作過(guò)程中的重要工序，接頭的搭接長(zhǎng)度是并頭電阻釬焊工藝的重要參數(shù)之一，該搭接長(zhǎng)度對(duì)并頭的電氣和力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。制作不同搭接長(zhǎng)度(10 mm，15 mm，20 mm，25 mm)的焊接模擬試樣，對(duì)其進(jìn)行電氣和力學(xué)性能檢測(cè)，分析搭接長(zhǎng)度對(duì)釬焊接頭電氣和力學(xué)性能的影響，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中現(xiàn)有的20 mm搭接長(zhǎng)度的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，并頭搭接長(zhǎng)度為20 mm時(shí)，其導(dǎo)電能力略優(yōu)于母材的導(dǎo)電能力，溫升性能優(yōu)于母材的溫升性能，抗拉強(qiáng)度滿足抗拉要求，宏觀金相檢測(cè)合格。

大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并頭焊接電阻釬焊搭接長(zhǎng)度

0 序 言

大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子制作包括線圈制作、鐵心制作、嵌線、并頭焊接與包扎、浸漆、成品組裝與涂封六道工序，其中并頭焊接為重要工序，焊接時(shí)接頭的搭接長(zhǎng)度對(duì)并頭的電氣、力學(xué)性能產(chǎn)生直接影響。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭焊接使用的連接方式為搭接形式，焊接設(shè)備為電阻釬焊機(jī)[1]。為確保焊接接頭的電氣和力學(xué)性能滿足要求，并頭的設(shè)計(jì)搭接長(zhǎng)度設(shè)計(jì)要求為20 mm。文中通過(guò)導(dǎo)電性試驗(yàn)、通電溫升試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和宏觀金相試驗(yàn)對(duì)不同搭接長(zhǎng)度(10 mm，15 mm，20 mm，25 mm)的焊接模擬試樣進(jìn)行了檢測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，20 mm的并頭搭接長(zhǎng)度完全滿足電氣和力學(xué)性能要求。此次驗(yàn)證結(jié)果對(duì)各類大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭焊接具有一定的參考價(jià)值及實(shí)際意義，為并頭焊接搭接長(zhǎng)度的選取和工藝標(biāo)準(zhǔn)的制定提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的焊接母材為T(mén)1裸銅線，截面尺寸為3.35 mm×9 mm。試驗(yàn)所用的釬料為11 mm寬、0.3 mm厚的箔片和φ1.5 mm的焊絲，箔片和焊絲的牌號(hào)為HL204[2-3]。母材和釬料的化學(xué)成分分別見(jiàn)表1和表2。

表1 T1銅母材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 HL204釬料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)所用電阻釬焊機(jī)為定制的QS-80TW焊機(jī)。直流電阻檢測(cè)設(shè)備為雙臂電橋。通電溫升試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為大功率交流電源、高溫試驗(yàn)箱、數(shù)字采集器。拉伸試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為ETM104B型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。

1.3 試驗(yàn)方法

為滿足接頭強(qiáng)度要求，接頭搭接長(zhǎng)度至少為最薄母材厚度的3倍[4]，所以將四組試樣的搭接長(zhǎng)度分別定為10 mm(約為母材厚度的3倍)、15 mm(約為母材厚度的4.5倍)、20 mm(約為母材厚度的6倍)、25 mm(約為母材厚度的7.5倍)。

每組試樣內(nèi)含3個(gè)平行試樣。焊接時(shí)的工藝參數(shù)見(jiàn)表3。為了便于進(jìn)行通電溫升試驗(yàn)，每個(gè)試樣兩端各焊接一個(gè)電纜接頭。焊接完成對(duì)試樣分別進(jìn)行接頭外觀檢查、導(dǎo)電性試驗(yàn)、通電溫升試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)和宏觀金相試驗(yàn)。

表3 焊接工藝參數(shù)

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 接頭外觀形貌及宏觀金相

接頭外觀檢查評(píng)定參照J(rèn)B/T 6966—93《釬焊外觀質(zhì)量評(píng)定方法》，經(jīng)觀察可知，各工藝參數(shù)下試樣接頭釬料填充飽滿，焊縫不存在焊瘤、開(kāi)裂、密集氣孔等缺陷，無(wú)釬料流失，接頭外觀檢查滿足要求。

將接頭沿厚度方向切開(kāi)，觀察焊縫截面成形情況。各試樣的宏觀金相如圖1所示。因每組試樣的的宏觀金相基本一致，每組僅展示一個(gè)試樣的宏觀金相。經(jīng)觀察可知，各試樣的焊縫填充飽滿且無(wú)裂紋、夾雜、密集氣孔等缺陷，證明不同搭接長(zhǎng)度試樣的宏觀金相檢測(cè)結(jié)果均合格。

圖1 不同搭接長(zhǎng)度時(shí)接頭宏觀金相照片

2.2 接頭導(dǎo)電性能及通電溫升試驗(yàn)

直流電阻檢測(cè)參照GB/T 4074.5—1999《繞組線試驗(yàn)方法 第5部分：電性能》，使用雙臂電橋?qū)Ω髟嚇拥闹绷麟娮柽M(jìn)行檢測(cè)。

為使焊接接頭的直流電阻值在試樣測(cè)量時(shí)的顯示較明顯，選擇包括焊接接頭的300 mm長(zhǎng)度的距離進(jìn)行測(cè)量，如圖2所示。直流電阻檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

圖2 接頭導(dǎo)電性能測(cè)試示意圖

試樣編號(hào)搭接長(zhǎng)度δ/mm平均直流電阻R/μΩ110153.3215150.7320148.7425146.750(母材)149.3

從表4可以看出，隨著搭接長(zhǎng)度的增加，試樣的直流電阻值降低。當(dāng)搭接長(zhǎng)度約為20 mm時(shí)，焊接接頭的電阻比母材(沒(méi)有焊接接頭的試樣母材)的電阻小0.6 μΩ，此時(shí)焊接接頭的導(dǎo)電能力略優(yōu)于母材的導(dǎo)電能力。

通電溫升試驗(yàn)時(shí)，溫度傳感器的安放位置如圖3中A(母材)、B(焊接接頭中部)位置。將試樣放置在高溫試驗(yàn)箱中，高溫試驗(yàn)箱中溫度恒定在75 ℃。在試樣兩端施加90 A的交流電，待A，B位置處溫度穩(wěn)定后，記錄其溫度值。

圖3 溫度傳感器安裝位置示意圖

通電溫升試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。從表5可以看出，各試樣焊接接頭處的溫度均低于母材的溫度(有接頭試樣)，且隨著搭接長(zhǎng)度的增加，焊接接頭的溫度逐漸下降。產(chǎn)生上述母材與焊接接頭溫差的原因如下：①焊接接頭處(B處)為兩層裸銅線向外部散熱，散熱面積大，母材處(A處)為單層裸銅線向外部散熱，散熱面積??；②搭接長(zhǎng)度增加導(dǎo)致接頭電阻下降，接頭發(fā)熱量降低。

表5 通電溫升試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

當(dāng)搭接長(zhǎng)度約15 mm及以上時(shí)，焊接接頭的溫升值低于母材(沒(méi)有焊接接頭的試樣母材)的溫升值。

2.3 接頭拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)

對(duì)于紫銅搭接試樣，參考GB/T 11363—2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)合格的標(biāo)準(zhǔn)如下：若焊縫斷裂，為拉伸檢驗(yàn)不合格；若在熱影響區(qū)斷裂，強(qiáng)度值不低于母材退火狀態(tài)下規(guī)定最低值的95%， T1銅技術(shù)條件要求最低強(qiáng)度為210 MPa，因此試驗(yàn)強(qiáng)度值不低于199.5 MPa為拉伸性能檢驗(yàn)合格。

各試樣的抗拉強(qiáng)度如圖4所示，第一組至第五組試樣的抗拉強(qiáng)度值分別為230 MPa,231 MPa,231 MPa,232 MPa,231 MPa，各組試樣抗拉強(qiáng)度相當(dāng)。搭接長(zhǎng)度為25 mm時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度略高于其他試樣。各組試樣的抗拉強(qiáng)度均大于199.5 MPa，各試樣的拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果合格。

圖4 抗拉強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

各試樣拉伸檢測(cè)后的斷裂位置如圖5所示，第1至第4組試樣的斷裂位置均在熱影響區(qū)，斷裂位置至焊縫的距離約為3～5 mm。

圖5 拉伸檢測(cè)后斷裂位置

3 結(jié) 論

(1)搭接長(zhǎng)度為10～25 mm時(shí)，接頭焊縫填充飽滿且無(wú)裂紋、夾雜、密集氣孔等缺陷，宏觀金相滿足要求。

(2)隨著搭接長(zhǎng)度的增加，試樣的直流電阻值降低。當(dāng)搭接長(zhǎng)度為20 mm及以上時(shí)，焊接接頭的導(dǎo)電能力優(yōu)于母材的導(dǎo)電能力。

(3)搭接長(zhǎng)度為10～25 mm時(shí)，各試樣焊接接頭處的溫度均低于母材的溫度，且隨著搭接長(zhǎng)度的增加，焊接接頭的溫度逐漸下降。當(dāng)搭接長(zhǎng)度約15 mm及以上時(shí)，焊接接頭的溫升值低于母材(沒(méi)有焊接接頭的試樣母材)的溫升值。

(4)搭接長(zhǎng)度為10～25 mm時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度均滿足要求，且熱影響區(qū)斷裂位置至焊縫的距離約為3～5 mm。

(5)綜合考慮各試樣的外觀、導(dǎo)電性能、通電溫升性能、抗拉性能和接頭宏觀金相，搭接長(zhǎng)度為20 mm及以上時(shí)，焊接接頭的可以滿足其電氣和力學(xué)性能。

[1] 付魯賓. 釬焊技術(shù)在大型發(fā)電機(jī)制造中的應(yīng)用[J]. 東方電機(jī)，2009(3): 12-18.

[2] Datta A ，Rabinkin A，Bose D. Rappidly solidified copper-phosphorus base brazing foils[J]. Welding Journal，1984(10): 14.

[3] Sim R F，Willingham J A. Copper-phosphorus based (self-fluxing) brazing alloys used for joining copper and its alloys[J]. Founding Welding Production Journal，1987，27(7): 33-34.

[4] 張啟運(yùn)，莊鴻壽. 釬焊手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

TG454

2017-06-21

周迪生，1988年出生，碩士，工程師。主要從事兆瓦級(jí)直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)焊接研究工作，已發(fā)表論文4篇。