某型電機繞組線圈外接頭的一種原位焊接技術

陳立志

（海軍上海保障基地修船處，上海 200083）

0 引言

一般情況下，電機勵磁繞組線圈的并頭焊接方法有火焰氣焊、中頻感應釬焊和電阻釬焊等多種焊接方法，在現場電機沒有解體大修的情況下，這幾種焊接方法都難以滿足現場維修的條件[1]。比如：中頻感應釬焊的現有焊接設備有水冷系統，體積比較大，沒辦法將設備放進艇內；電阻焊時，因勵磁繞組線圈已繞制成形并固定，無法將焊料預先加到焊接接頭內；火焰氣焊因加熱面積比較大，對線圈周圍的絕緣燒損比較嚴重。

根據現場查看，確定該勵磁繞組線圈的焊接采用的釬料為Sn基釬料。由于Sn基釬料的熔點(220℃左右)比較低，可以采用鉻鐵加熱而達到Sn基釬料的釬焊溫度，從而可以進行線圈的焊接。

根據目前艇上的實際情況，電機定子的周圍空間只能容納一個人操作，且只能在艇內進行修復。為此需針對實際情況制定了該勵磁繞組線圈的焊接工藝。

1 焊接工藝方案分析

圖1所示為電機勵磁繞組線圈結構示意圖，經現場勘查，發現繞組線圈為純銅線圈且為兩根并繞，所用的焊料為Sn基焊料。繞組線圈并頭處的Sn基焊縫有開裂和脫落現象。

根據圖1的結構及產品上的實際情況，我們設計了圖2所示的焊接修補方案。即通過將電鉻鐵經處理后直接放在繞組線圈的焊縫處，通過電鉻鐵的電阻熱加熱將原來的焊縫熔化，并加入新的焊料，形成新的焊縫。

1.1 焊料選擇

紫銅錫焊的常用 Sn基釬料有 Sn95Sb5、Sn-Ag-Cu和Sn-Cu，這三種焊料的性能參數如表1 所示[2]：

這三種釬料與紫銅的釬焊性都比較好，但是Sn-Cu的屈服強度較小，延伸率較低；Sn95Sb5的熔點相對偏高；Sn-Ag-Cu相對于上述兩種釬料有較好的延伸率及抗拉強度，電阻率與其它兩種釬料的電阻率相當。綜上比較，我們選定Sn-Ag-Cu作為本電機勵磁繞組線圈的修復用焊料。

圖1 繞組線圈焊接示意圖

本次Sn-Ag-Cu焊料的配套焊劑為含有Sn-Ag-Cu焊料的膏狀焊料。

圖2 繞組線圈原位補焊示意圖

表1 錫基釬料性能參數

1.2 焊接工藝的關鍵點分析

因為現場的情況復雜性，操作空間有限，電機勵磁繞組線圈上都涂有絕緣漆且線圈固定的很牢靠不能掰動。根據實際情況，本焊接工藝的制定考慮了以下問題：現場清除掉定子線圈上的油漆和油污等；為防止焊縫處的熱量傳導燒損線圈上的絕緣，在焊接時將線圈上離焊縫10 mm左右的地方覆蓋上一層濕的石棉紙和適形氈；因為現場的操作空間較小，原有焊縫為錫焊，所以將電鉻鐵經機加工開缺后預熱繞組線圈并錫焊；停止加熱后及時修飾釬縫以減少焊后清理的難度[3]。

1.3 焊后檢測分析

根據釬焊的標準GB/T20422-2006，釬焊的釬著率在85%以上為合格[4]。

因破壞性實驗不可能在產品上進行，所以只能以試件的檢測結果來代表產品的檢測結果，并在產品焊接時按實驗時的工藝參數進行焊接。

2 實驗驗證

2.1 模擬勵磁繞組線圈釬著率實驗

圖1為現場測量定子線圈的尺寸后根據現有的線圈材料設計的釬著率實驗示意圖。具體的釬著率實驗工藝如下：如圖1所示將需要釬焊的搭接處用砂布拋光以去除氧化物；用鉻鐵加熱圖2所示的試件；加入釬劑清除加熱過程中產生的氧化物；將釬料通過搭接處加入接合面內；觀察搭接處的接合線是否全部都滲滿釬料，如果滲滿釬料，則停止加熱；冷卻后，沿著尺寸20方向將接合面按每條5 mm的方法切成4條（尺寸為5×4×10）。

通過肉眼查看滲透率：

其中：A：滲透率；d：缺陷長度；L：焊縫總長度。

如果滲透率在85%以上則為合格，定子線圈的修復工藝可行。

2.2 模擬勵磁繞組線圈并頭錫焊工藝實驗

根據圖1的結構及產品上的實際情況，我們設計了圖3所示的焊接實驗，這個焊接實驗有如下三個關鍵點：

A.由于并頭套的尺寸較小且只有兩個面才有加熱的空間，所以我們設計了圖2所示的電鉻鐵結構，為此需要對電鉻鐵的加熱部分進行機加工；

B.由于線圈周圍被并頭套完全圍住，所以只能從圖2所示的線圈與并頭套的接觸處加焊料并涂膏狀焊料；

C. 在線圈及并頭套離焊接區10 mm的地方覆蓋上一層濕的石棉紙；

根據電機上的實際情況，將普通的鉻鐵的加熱頭加工出一個臺階，具體見圖3所示：

圖3 實驗用線圈并頭錫焊圖

根據圖2所示的實驗方法，設計圖3所示的實驗用線圈并頭錫焊圖。

圖4 實驗用線圈錫焊后照片

如圖4所示，我們共按圖3的焊接方式錫焊了3組試件。

圖5(1)-(4)為圖4所示的1號試件的切面圖。

從圖4可以看出，離焊縫10 mm以外的線圈及并頭套都沒有絕緣燒損現象。

從圖5(1)至圖5(4)所示可以看出，從線圈的端部到下部12 mm處的位置，錫焊的釬著率都在95%以上。在端部以下17 mm的地方，其錫焊的釬著率也在85%以上，完全符合釬焊的行業標準。焊縫處的導電面積遠遠大于繞組線圈的截面積。

圖5 1號線圈沿端面銑加工的照片

從解剖實驗的結果中發現，1號線圈和2號線圈的實驗結果類似。

為了證明銑加工觀察釬著率的準確性，我們將3號線圈的錫焊處切成了3片，從結果來看，其切面的釬著率在90%左右，符合試件合格的釬焊標準GB/T20422-2006。

圖6 3號線圈沿端面鋸加工后的照片

2.3 結論

從上述的實驗情況來看，產品線圈并頭的錫焊從焊料、焊劑、線圈的冷卻方式、釬著率、操作的可行性等方面都是可行的。本焊接工藝及方法完全可以滿足產品線圈的錫焊。

3 焊后的處理

通過現場對繞組銅線的解剖發現銅線為雙絲繞包線，其外層用云母帶半疊包一層其絕緣為F級。

A.繞組焊接后鉗修焊縫周圍以保證焊接面光滑平整，防止尖角和放電等。

B.在不移動和改變主繞組的原有結構的情況下，采用先用JZ-11密封膠對焊接面進行密封處理，再粘一層5440-1云母帶在半干時粘一層ET-100玻璃絲帶保證焊接點表面的絕緣性能。(JZ-11膠為H級耐溫)

C.最后需在焊接區域用H31-32防霉漆刷。

4 原位修復結果及結論

通過采用上述焊接工藝方法，我們對某電機繞組線圈并頭進行了原位焊接。處理后其焊接點的焊縫成形外觀，焊后對繞組線圈并頭處進行了絕緣處理。通過近10天的電機滿功率運行，焊接處沒有脫焊，電機的絕緣性能滿足使用要求。某電機繞組線圈并頭的原位焊接取得成功。

[1]中國機械工程學會. 焊接手冊(第 2卷, 材料的焊接)[M]. 北京： 機械工業出版社, 2001.

[2]黃德彬. 有色金屬材料手冊[M], 北京： 化學工業出版社, 2005.

[3]周振豐. 焊接冶金學(金屬焊接性)[M], 北京： 化學工業出版社, 2003.

[4]中華人民共和國電力行業標準. 焊接工藝評定規程[M]. 北京： 中華人民共和國發展與改革委員會,2004.

[5]陳裕川. 各種焊接工藝設計分析全套資料匯編[M],北京： 機械工業出版社, 2010.