磁懸浮列車用直線電機純鋁焊接技術探討

文／南車株洲電機有限公司 趙忠勝 申亮 張梅玲／

1 概述

直線電機是磁懸浮列車的關鍵部件之一，其特性直接決定了列車的運行性能。由于電機裝在車體上，為減輕重量，增加列車承載能力，必要時需要采用鋁導線，而鋁導線電機的制造工藝要比銅導線電機復雜得多[1]。鋁導線的焊接難點主要在于其本身具有較強的氧化能力、較大的熱導率和比熱容，焊接時容易產生未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等缺陷。焊接時一般采用氣體保護，純鋁氣體保護焊的主要方法有：TIG焊、MIG焊、鎢極脈沖氬弧焊、熔化極脈沖氬弧焊等。同時焊絲的牌號與直徑、焊接電流、保護氣體流量等對焊接質量均有不同程度的影響。直線電機繞組選用純鋁導線，其線圈并頭的質量不僅直接影響到電機的電氣特性，同時還影響到其可靠性，而這些都取決于純鋁繞組的焊接質量。因此，對直線電機純鋁的焊接性能進行分析，并通過焊接工藝驗證得到最優化的焊接參數顯得十分重要。

2 純鋁的焊接工藝特性分析

2.1 純鋁的焊接特點

純鋁具有獨特的物理化學性能，和低碳鋼相比，它的膨脹系數、導熱系數、熔化潛熱和熱容量都大，熔點為657℃，ρ=2.72g/cm3，A1100的化學成分及力學性能見表1與表2[2]。

純鋁焊接有如下特點：1）氧化能力強：鋁在空氣中極易與氧結合生成致密而結實的Al2O3薄膜，厚度約0.1um，熔點達2050℃，ρ=3.85g/cm3，對內部能起到保護作用，這也是鋁具有耐腐蝕性的重要原因。因此，為了保證焊接質量，焊前必須嚴格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再氧化。2）導熱性和導電高：盡管純鋁的熔點遠比鋼低，但其導熱性和導電性約為低碳鋼的5倍，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導到母材內部，為了獲得高質量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時需要采用預熱等工藝措施，才能實現熔焊過程。3）熱裂紋傾向高：鋁的線膨脹系數約為低碳鋼的2倍。在實際焊接現場中防止這類裂紋的措施主要是改進接頭設計，選擇合理的焊接工藝參數和焊接順序，采用適應母材特點的焊接填充材料等。4）容易形成氣孔：焊接接頭中的氣孔是純鋁焊接時極易產生的缺陷。為了防止氣孔的產生，焊前必須嚴格限制所使用的焊接材料的含水量，使用前要進行干燥處理。5）純鋁在高溫時的強度和塑性低：純鋁在高溫下的強度及塑性很低，以致不能支撐住焊接熔池的液體金屬，從而造成焊縫成形不良，容易形成塌陷或燒穿等缺陷。6）焊縫強度低：焊接時由于熱影響區受熱而發生軟化，會導致焊縫強度下降。7）無色澤變化：鋁及鋁合金焊接時由固態轉為液態時，表面顏色無明顯變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難。

2.2 純鋁的焊接方法

純鋁可用的焊接方法很多，在工業生產中，鋁常用的焊接方法有氣焊、TIG焊、MIG焊、等離子弧焊、焊條電弧焊、電阻點焊和縫焊等[3]。其中，手工鎢極氬弧焊（TIG焊）具有熱量集中，電弧穩定，焊縫成型美觀、組織致密，接頭強度和塑性高等優點。同時氬弧焊是明弧，又無焊渣，可進行全位置焊接。無論接頭的空間位置如何，都可以清楚地觀察焊接熔池并順利進行焊接，這對于安裝條件下的電機導體的焊接更為適合。

2.3 純鋁的焊接檢驗

焊接完成后的純鋁產品，需要進行焊縫質量檢驗。焊縫的質量取決于焊接時所用的焊絲、氣體、接頭的裝配質量、坡口清理、施工條件、焊工操作水平的高低和選用的焊接規范等因素。為保證焊接質量，必須嚴格檢查焊接結構制造過程中的各個環節，及時防治各種缺陷的產生。焊縫的檢驗方法很多，一般常用的有：外觀檢驗、X射線探傷、超聲波探傷、接頭機械性能試驗、滲漏試驗、金相檢驗、腐蝕試驗和硬度試驗等[4]。

表1 純鋁的化學成分

表2 純鋁的力學性能

2.4 純鋁的焊接缺陷

純鋁的TIG焊的焊接質量與焊前準備情況、保護氣體純度、焊接參數、電極材料以及操作者的熟練程度等因素有關。其常見缺陷有未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等[4]。

1）產生未焊透的原因：①焊接電流太小，弧長過長，焊接速度過快；②間隙過小，鈍邊過大，坡口角度過小；③表面和層間存在氧化物沒有清除；④焊槍和焊絲傾角不正確。2）產生氣孔的主要原因：①母材或焊絲上有油、污、銹、垢等污物；②保護氣體純度低，氣體保護效果差；③氣路不潔凈；④焊接參數選擇不當；⑤焊接過程熔池保護不良，電弧不穩定或電弧太長。3）產生裂紋的原因：①結構設計不合理，焊縫過于集中，造成焊接接頭拘束應力過大；②熔池過大、過熱、合金元素燒損較多；③收弧過快、焊絲抽回過快、導致弧坑處沒有填滿；④焊接材料選擇不當。4）產生咬邊原因：①焊接電流過大，焊接電壓過高；②焊接速度過快，填絲太少；③操作技術不熟練，焊槍擺動不均勻。5）產生焊縫夾鎢的原因：①焊接時采用接觸引弧；②鎢極末端形狀與焊接參數選擇不合理，使端頭燒損；③填充焊絲與鎢極發生了接觸；④鎢極伸出長度過長。

3 直線電機繞組線圈純鋁焊接工藝實踐

3.1 焊前清理及準備工作

密封完好的焊絲一般不需要清洗，可直接使用。對于受污染的焊絲焊前則需進行清洗。具體清洗步驟如下：先將焊絲放入溫度為40～60℃、質量分數為8%～10%的NaOH溶液中侵蝕，保持5min后取出，用冷水沖洗2min；再置于質量分數為3%的稀HNO3溶液中進行光化處理，以中和余堿，避免堿液繼續腐蝕；再用流動的冷水沖洗2min。清理工作完成后，焊絲置于150～200℃的烘箱中烘焙0.5h，然后保存在100℃的烘箱內隨用隨取[5]。

3.2 焊接接頭形式

直線電機的直線齒距一般為8mm～12mm，并頭端端部間隙較小，為保證裝配尺寸，將傳統并頭方式改為“ ”型，保證搭接長度為20mm～25mm。焊接前用大力鉗夾緊，并在端部加墊蘸水的脫脂棉，防止燒損線圈絕緣。

3.3 焊接參數的選擇

1）保護氣體：在進行純鋁TIG焊接時，必須采用純度在99.8%以上的氬氣作為保護氣體。2）氬氣流量：對于厚度在2.5～5mm的焊件，可選用以下參數：鎢極直徑2.4mm，噴嘴直徑9.5mm，相應的氬氣流量8～12L/min[5]。3）焊接電流：為了保證產品的焊接質量，在正式焊接前必須進行焊接驗證，以此來確定最佳的焊接參數。4）填充材料：純鋁焊接時可采用牌號為S301的純鋁焊絲，它具有極好的抗腐蝕性能，很高的導熱與導電性能，以及極好的可加工性能，廣泛用于鐵路機車、電力、化學、食品等行業，其化學成分及性能見表3。5）焊絲直徑：焊絲的直徑可以根據焊接電流的大小來確定，兩者之間關系見表4。

綜合來看，可選定直徑為1.6mm的S301純鋁焊絲進行TIG焊。

表3 S301純鋁焊絲的成分及性能

表4 焊接電流與焊絲直徑間的關系

4 結論與建議

通過對磁懸浮列車用直線電機純鋁焊接工藝的探討，針對純鋁TIG焊常見的未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等缺陷，在以后焊接過程中應注意以下幾點：1）焊前認真清理焊絲、焊件，清理后及時焊接，防止再次污染，避免出現未焊透的現象。2）選擇合適的氣體流量，更新送氣管路以保證氬氣的純度；焊接現場設擋風裝置，減少空氣流動，防止出現氣孔。3）正確設計焊接結構，合理布置焊縫，使焊縫盡量避開應力集中處，選擇合適的焊接順序；加入引弧板或采用電流衰減裝置，填滿弧坑，防止出現裂紋。4）降低焊接電流與電弧長度，保持擺幅均勻，適當增加送絲速度或降低焊接速度，防止出現咬邊現象。5）適當減小鎢極伸出長度，降低焊接電流或加大鎢極直徑，防止出現夾鎢。

[1]郭淑英.磁懸浮列車用直線電機的研制[J].2002年全國直線電機學術年會,2002.01.

[2]黃旺福,黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙:湖南科學技術出版社,2004.

[3]周萬盛,姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京:機械工業出版社,2006.

[4]中國機械工程學會焊接學會編.第2版 焊接手冊[M]第3卷 焊接結構.北京：機械工業出版社,2001.

[5]王宗杰等.熔焊方法及設備[M].北京:機械工業出版社,2006.