大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電纜火焰釬焊與電阻釬焊對(duì)比工藝研究

陳厚豪 車三宏 王傳洋 曹翰清 曹 玉

（1、中車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲412000 2、蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,江蘇 蘇州215000）

目前, 主要應(yīng)用于銅導(dǎo)體電纜焊接的有火焰釬焊、電阻釬焊等工藝。國(guó)內(nèi)的主流電機(jī)廠的并頭與并頭間、并頭與端環(huán)間、端環(huán)與端環(huán)間的焊接工藝主要以電阻釬焊為主[2], 而大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電纜焊接與并頭焊接不同,其電纜的根數(shù)少,焊接面更大,與此同時(shí),電纜焊接的焊接質(zhì)量也是整個(gè)電機(jī)定子制造過程中的關(guān)鍵控制項(xiàng)點(diǎn)。電纜焊接指的是電纜壓接接線端子后、接線端子與端環(huán)接線銅板之間的焊接,此焊接接頭的目的是將電能從端環(huán)傳遞至電纜上。本文對(duì)火焰釬焊與電阻釬焊兩種焊接方式工藝進(jìn)行了對(duì)比,對(duì)各類大型直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電纜焊接具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。

兩種焊接方式均存在各自的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn),具體如下:

火焰釬焊工藝優(yōu)勢(shì): (1)設(shè)備簡(jiǎn)單,功率小,設(shè)備成本低;(2)初始投資低,易損件少,維護(hù)簡(jiǎn)單;(3)對(duì)母材的物理化學(xué)性能無明顯不利影響;(4) 加熱溫度低, 引起的變形和應(yīng)力小,易保證焊件的尺寸精度;(5)靈活性大,可適用于多機(jī)型、多功能的焊接。

電阻釬焊工藝優(yōu)勢(shì):(1)焊接效率高,單個(gè)樣件焊接時(shí)間短, 花費(fèi)時(shí)間短;(2) 加熱時(shí)間短,熱量集中,熱影響區(qū)小,變形和應(yīng)力也小;(3)操作簡(jiǎn)單,員工易上手操作,可改善勞動(dòng)條件;(4)焊接熱影響區(qū)小, 焊接不易損傷絕緣層, 不形成質(zhì)量隱患;(5)生產(chǎn)率高,無噪音以及有害氣體;(6)不需要太多焊絲、焊條等填充金屬,以及氧-乙炔等焊接材料,成本低。[3]

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1 焊接設(shè)備

表1 試驗(yàn)材料表

表2 試驗(yàn)樣件編號(hào)及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)表

火焰焊接使用氧- 乙炔氣體進(jìn)行焊接, 電阻釬焊使用QS-80TW 焊機(jī)并配套定制焊槍進(jìn)行焊接。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見表1。

1.3 電阻釬焊(使用HL204、焊片)

先在接線端子與接線銅板之間放置一片0.3mm 厚的焊片,然后用電阻焊機(jī)的焊槍加持進(jìn)行焊接, 使用φ1.5mm HL204焊絲補(bǔ)充。DT-150 編號(hào)為A11、A12、A13、A41、A42、A43,焊接兩組共6 件,一組(3 件)用于直流電阻、拉伸試驗(yàn),一組(3 件)用于外觀檢測(cè)、宏觀金相、微觀金相。使用同樣的方法焊接DT-185、DT-240 樣件,DT-185 編 號(hào) 為A21、A22、A23、A51、A52、A53,DT-240 編 號(hào) 為A31、A32、A33、A61、A62、A63。火焰釬焊焊接樣件共18 件。

1.4 火焰釬焊(使用HL303、助焊劑)

焊接前,使用擰干的脫脂棉對(duì)樣件不焊接的另一側(cè)進(jìn)行防護(hù),防止過熱。接線銅板與接線端子搭接前, 在接線銅板上使用火焰進(jìn)行預(yù)熱、鋪焊, 然后將接線銅板與接線端子搭接, 再使用φ4mm 的 HL303 焊絲將三邊填充焊料。DT-150 編號(hào)為B11、B12、B13,焊接兩組共6 件,一組(3 件)用于外觀檢測(cè)、宏觀金相、微觀金相,一組(3 件)用于直流電阻、拉伸試驗(yàn)。使用同樣的方法焊接DT-185、DT-240 樣件,DT-185編號(hào)為B21、B22、B23, DT-240 編 號(hào) 為B31、B32、B33?；鹧驸F焊焊接樣件共18 件。

其中用于宏觀金相和微觀金相的樣件使用硫酸銅鹽酸水溶液腐蝕5～10 秒。試驗(yàn)方法每組試樣含三個(gè)平行試樣。試樣的接頭形式均為搭接。模擬試樣的結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品上的結(jié)構(gòu)一致,樣件排序及試驗(yàn)內(nèi)容對(duì)應(yīng)見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直流電阻

取制作的試樣進(jìn)行直流電阻檢測(cè),檢測(cè)數(shù)據(jù)見表3。樣件的長(zhǎng)度均取200mm,對(duì)比火焰釬焊和電阻釬焊的數(shù)據(jù)可知,由于導(dǎo)體焊接的樣件不一致,一端為接線端子,一端為接線銅板,無法取用相同長(zhǎng)度的導(dǎo)體對(duì)比直流電阻的差異性, 但兩種焊接工藝各樣件類型的直流電阻相互對(duì)比均無明顯差異,判定合格。

2.2 拉伸試驗(yàn)

樣件按照《GB/T14315-2008 電力電纜導(dǎo)體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》[4]要求進(jìn)行拉伸試樣,負(fù)荷施加速率不超過10N/S·mm2,并在張力60×A 拉力負(fù)荷下(A 為對(duì)應(yīng)標(biāo)稱橫截面面 積,DT-150、DT-185、DT-240 拉 力 分 別 為9000N、11100N、14400N),樣件無滑動(dòng),焊接位置在壓接部件無斷裂或拔出,無變形等缺陷。所有樣件均滿足試驗(yàn)要求。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

圖1 電纜壓接損傷位置圖

再通過拉力值上升,將樣件拉斷或拔出,記錄此時(shí)拉力值。再通過對(duì)比兩個(gè)焊接方式,發(fā)現(xiàn)最大拉力值交替上升,兩種焊接方式的最大拉力值相仿, 因此證明兩種焊接方式的抗拉強(qiáng)度水平基本一致。其中,所有樣件斷裂位置均為電纜壓接位置,焊接位置強(qiáng)度均大于電纜壓接位置(見圖1)。

表3 直流電阻及長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)表

表4 樣件標(biāo)準(zhǔn)拉力下拉伸試驗(yàn)和最大拉力值

圖2 拉力值對(duì)比圖

2.3 外觀檢測(cè)及宏觀金相檢測(cè)

外觀檢測(cè):接頭外觀檢查評(píng)定方法:參照《JB/T6966-1993 釬焊外觀質(zhì)量評(píng)定方法》[5], 觀察接頭釬料填充是否飽滿, 焊縫是否存在焊瘤、開裂、密集氣孔等缺陷, 是否有釬料流失, 以上都滿足要求則為外觀檢測(cè)合格。經(jīng)檢查, 各試樣表面無裂紋、無氣孔, 焊縫成形良好(見圖3),接頭外觀檢查合格。

切開后檢測(cè):宏觀金相檢測(cè)接頭宏觀金相評(píng)定方法:將接頭沿厚度方向切開, 觀察焊縫截面成形情況, 焊縫填充飽滿且無裂紋、夾雜、密集氣孔等缺陷為宏觀金相檢測(cè)合格,圖4 為典型焊接切開后焊縫截面情況。

表5 焊縫總長(zhǎng)、焊縫空隙、焊縫空隙與總長(zhǎng)之比以及平均值數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

圖3 焊接后樣件

圖4 典型切開后焊縫截面情況

2.4 微觀檢測(cè)

放置在顯微鏡下放大100X,焊縫總長(zhǎng)、焊縫空隙、焊縫空隙與總長(zhǎng)之比以及平均值數(shù)據(jù)見表5。參考《ISO 18279-2003 釬焊缺陷》[6]中填充缺陷要求,在不影響工件和不破壞表面的情況下,B 級(jí)要求80%及以上的區(qū)域應(yīng)該填充滿焊料金屬,C 級(jí)要求70%及以上的區(qū)域應(yīng)該填充滿焊料金屬。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示,在不考慮切割時(shí)破壞焊接區(qū)域的前提下, 火焰釬焊與電阻釬焊均滿足至少C 級(jí)要求,除1 件焊接樣件符合C 級(jí)要求外,均滿足我司要求的B 級(jí)焊接要求(共分為B、C、D 三個(gè)等級(jí))。

3 試驗(yàn)結(jié)論

通過直流電阻、拉伸試驗(yàn)、外觀檢測(cè)、宏觀金相、微觀金相等多個(gè)試驗(yàn)的對(duì)比分析, 發(fā)現(xiàn)兩種焊接方式均可用于直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子電纜的焊接,且可靠性與穩(wěn)定性相當(dāng)。

但從實(shí)際應(yīng)用角度來說,火焰釬焊設(shè)備簡(jiǎn)單、初始投資低、易損件少、靈活性大的特點(diǎn)對(duì)新產(chǎn)品或小訂單產(chǎn)品會(huì)更合適。而對(duì)于大批量、產(chǎn)品單一的電纜焊接來說,電阻釬焊的成本低、焊接效率高、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)會(huì)更加明顯突出。但具體的實(shí)際使用情況仍要根據(jù)公司工況進(jìn)行選擇。