鉻鋯銅在高速大直徑鼠籠轉子中的應用

錢飛翼， 王 浩， 王國森

（中電電機股份有限公司，江蘇無錫 214100）

0 引言

在電機行業，低速電機均使用紫銅作為導條和端環。但由于紫銅機械強度較低，無法直接應用到高轉速鼠籠轉子上。從王常春編寫的《關于高速大容量籠型異步電機轉子端部強度的探討》[1]一文中可以了解到：提高鼠籠轉子端部的機械強度，最有效的方法是通過端環外圓增加無磁鋼護環實現。無磁鋼護環材料及加工費均很高，此方案在原有紫銅端環成本基礎上，又增加了無磁鋼的材料制造及加工成本。因此在高速鼠籠轉子上，尋找一種能夠代替端環和無磁鋼護環組合的銅合金具有重要的現實意義。

1 材料的選擇

大部分高強度、高導電率銅合金的軟化溫度在400 ℃左右，只有彌散銅和鉻鋯銅的軟化溫度相對較高，能達到600 ℃以上。但Al2O3彌散強化銅在提高軟化溫度的同時，高溫下Al2O3顆粒與基體之間的界面結合強度也相對減弱，導致內應力加大，裂紋源增多[2]。所以優先嘗試采用鉻鋯銅作為高速鼠籠轉子端部端環和導條的一體式替代材料。

2 高溫和保溫時間對鉻鋯銅性能的影響

本研究中，我司與鉻鋯銅供應商共同準備了一批樣塊，樣塊各項初始性能：最低抗拉強度470 MPa，最低屈服強度372 MPa，最低硬度HB131，最高電阻率0.0231 μΩ·m。鉻鋯銅在經歷不同溫度和保溫時間退火后，對應的性能見表1。

表1 經歷不同溫度和保溫時間退火后鉻鋯銅機械性能及電性能

從表1 中可以看出，鉻鋯銅加熱溫度低于700 ℃時，機械性能和電阻率相對穩定，但是隨著時間的延長，機械性能有略微降低的趨勢。當加熱溫度為800 ℃時，機械性能有明顯下降，電阻率也明顯升高，但是屈服強度依然明顯高于退火態的紫銅。當加熱溫度為900 ℃時，機械性能接近軟態紫銅的性能，電阻率也明顯增大。

3 銀焊料

常見銀釬料參數見表2[3]。從表2 可見，BAg40CuZnCdNi 的液相線溫度最低，為605℃。根據以往產品焊接經驗，銀釬料的焊接溫度應高于其液相線溫度100 ℃左右，故BAg40CuZnCdNi 的焊接溫度預計在705 ℃左右。其次BAg40CuZnCdNi的抗拉強度也大于經過700 ℃退火后鉻鋯銅的拉伸強度。所以理論上，鉻鋯銅使用BAg40CuZnCdNi銀釬料焊接，更容易保證較好的焊接效果。

表2 常見銀釬料參數

4 樣品件工藝驗證

4.1 樣品轉子工藝驗證方案確定

結合表1 和表2 的數據，初步確立工藝驗證方案：①鉻鋯銅端環和導條的初始機械性能：抗拉強度≥370 MPa，屈服強度≥300 MPa，斷裂伸長率≥10%，硬度HB≥120，電阻率≤0.0233 μΩ·m；②鉻鋯銅端環和導條焊接后的硬度HB≥80；③考慮到鉻鋯銅高溫退火后的性能變化，并結合焊接過程中溫度控制偏差和加熱時間有充足余量，故焊接溫度控制在700 ℃～710 ℃，保溫時間控制在10 min 以內；④銀釬料使用BAg40CuZnCdNi；⑤選用進口中頻焊接設備，通過紅外線測溫儀控制焊接溫度。

4.2 樣品件制造

小型樣塊焊接時，溫度很難準確控制，故未做小型樣塊，直接制造樣品端部端環鼠籠轉子。樣品端部端環鼠籠轉子的相關參數：①導條尺寸：長1290 mm×寬60 mm×厚12 mm，數量為82 件/臺；②端部端環尺寸：端環外圓直徑948 mm×端環內圓直徑655 mm×端環厚度53 mm；③端環導液槽尺寸：槽外圓直徑930.5 mm×槽內圓直徑808 mm×槽深6 mm；④轉子為無護環結構。轉子額定轉速為1494轉/分，端環外圓額定線速度為74.16 m/s。

4.3 轉子樣品焊接過程

轉子樣品焊接過程：①放置端部端環，并使用酒精清理端環導液槽和導條；②在導液槽中放置助焊劑；③將帶導條轉子鐵芯軸向立起，放置于中頻焊機焊接平臺上；④調整端部端環與導條的相對位置，并使導條末端全部落在端部端環的導液槽內；⑤在位于端部端環導液槽內的導條之間空缺處，放置適量的銀釬料和助焊劑；⑥調整中頻焊機的輸出功率和溫度曲線；⑦采用分段對稱中頻焊接端部端環（因端環太大）；⑧待端環冷卻后，清理端環并檢測端環硬度。生產過程見圖1。焊縫噴砂后的表觀見圖2。

圖1 生產過程

圖2 焊縫噴砂后的表觀

4.4 樣品轉子檢測

檢測結果如下：①端部端環噴砂，去除氧化層后表面焊縫飽滿，無缺陷；②端環車加工后，端環表面硬度見表3；③超速前和1.2 倍超速后端部端環外圓相關尺寸對比（見表4）；④超速后，目測和著色探傷均無開裂等異常情況（見圖3）。

圖3 焊縫著色探傷照片

表3 端環車加工后端環和導條硬度HB檢測結果

表4 端部端環超速檢測結果

5 結論

（1）上述檢測數據表明，將鉻鋯銅焊接溫度控制在700 ℃～710 ℃，保溫時間控制在10 min 以內，是合理的，且時間越短越好。如果因端環直徑太大，必須使用扇形感應器進行分段焊接，在710 ℃焊接的保溫總時間也應控制在10 min 以內，且時間越短越好。

（2）使用BAg40CuZnCdNi 焊料，能夠滿足鉻鋯銅的焊接要求。

（3）根據產品實際測算，使用鉻鋯銅做端環的方案比使用紫銅配護環（無磁鋼端箍）的方案，節約成本約36.4%。