付魯賓, 申　東, 劉曉艷

(1. 東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽　618000；2. 四川省長城安全事務(wù)有限公司，四川德陽　618000)

釬焊技術(shù)在線圈制造中的應(yīng)用

付魯賓1, 申東1, 劉曉艷2

(1. 東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽618000；2. 四川省長城安全事務(wù)有限公司，四川德陽618000)

摘要：線圈是大中型電機(jī)的心臟部件，釬焊技術(shù)在線圈制造中起到至關(guān)重要的作用。文章從釬焊技術(shù)的原理和特點(diǎn)入手，并結(jié)合線圈具體結(jié)構(gòu)件和接頭簡單闡述了線圈制造過程中常用的釬焊方法、釬焊要點(diǎn)、常用釬料和釬劑，以及釬縫檢測(cè)手段。為工藝設(shè)計(jì)人員提供一定的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：線圈制造; 釬焊;電機(jī);檢測(cè)

0引言

大型水電、火電、核電、燃機(jī)等成套設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造能力是一個(gè)國家重大裝備制造業(yè)水平的綜合體現(xiàn)。隨著機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的日新月異，制造難度越來越大，而對(duì)制造技術(shù)的要求卻越來越高。釬焊技術(shù)這門傳統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展至今已在國民經(jīng)濟(jì)的各領(lǐng)域獲得日益廣泛的應(yīng)用，如航空航天、原子能、儀表儀器、制冷暖通等領(lǐng)域。而線圈制造是大型電機(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。在線圈制造中釬焊技術(shù)主要應(yīng)用在定子、轉(zhuǎn)子線圈等構(gòu)件的連接，母材多為純銅和銅合金。

1釬焊原理和特點(diǎn)

釬焊是采用比母材熔化溫度低的釬料，在低于母材熔點(diǎn)、高于釬料熔點(diǎn)的溫度下，利用液體釬料在母材表面潤濕、鋪展、毛細(xì)流動(dòng)，與母材相互熔解與擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件連接的一種焊接方法[1-2]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)將使用釬料液相線溫度在450℃以上的釬焊稱作硬釬焊，在450℃以下稱為軟釬焊。為保證得到優(yōu)良的接頭，釬焊前釬接部位必須經(jīng)徹底清理，去除油脂、氧化皮等影響釬焊質(zhì)量的雜質(zhì)。只要所選用的釬料、釬劑和釬焊方法得當(dāng)，便可使接頭無需機(jī)械加工而又“天衣無縫”。

釬焊技術(shù)特點(diǎn)主要為：1)能實(shí)現(xiàn)精密裝配，焊后變形小，能保證結(jié)構(gòu)尺寸；2)加熱溫度下，對(duì)母材金屬組織影響??；3)形狀特殊，截面尺寸差異大的部件也可實(shí)現(xiàn)釬接。但是釬焊接頭強(qiáng)度一般稍低，特別是耐熱性能差；對(duì)于異質(zhì)母材容易產(chǎn)生接頭和母材之間不同程度的電化學(xué)腐蝕。

2釬焊要點(diǎn)

釬焊要點(diǎn)即釬焊的核心技術(shù)要素，一般而言影響釬焊質(zhì)量的主要變素包括：1)釬縫間隙的選擇；2)釬料的選擇；3)釬焊溫度的控制；4)釬焊部位清潔度的控制。它們之間相互影響，又相互依存。

2.1接頭的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)釬焊接頭時(shí)，首要考慮的是接頭的功能和接頭的機(jī)械強(qiáng)度；其次還要考慮如何保證組合件的尺寸精度，零件的裝配定位，釬料的放置和接頭的間隙等。常見的釬接接頭形式主要有搭接、對(duì)接和鑲接，以及它們之間相互的組合形式。接頭間隙的大小在很大程度上影響釬縫的致密性和接頭強(qiáng)度，最佳間隙一般控制在0.05～0.15 mm[2]，對(duì)于額外添加釬劑的情況比無需添加的情況設(shè)計(jì)間隙大0.03～0.05 mm。另外對(duì)于膨脹系數(shù)差別大的異種母材，接頭設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到膨脹導(dǎo)致接頭間隙的變化，釬焊時(shí)考慮裝卡定位[3]。

2.2常用釬料和釬劑的選擇

釬接母材很大程度上決定著釬料的選擇，其次還要考慮經(jīng)濟(jì)性能和適應(yīng)性能。由于電機(jī)“心臟”的線圈材質(zhì)主要是純銅和銅合金，常用的硬釬焊釬料為：BCu80AgP、BAg45CuZn和BAg50CuZnCd。第一種釬料為自釬劑釬料，釬接時(shí)無需額外添加釬劑；而后兩種釬料，需額外添加釬劑才能實(shí)現(xiàn)釬接。常用的軟釬焊釬料為S-Sn60PbAA、S-Sn63PbAA、Sn96.5Ag3.5。軟釬焊時(shí)一般都需要添加釬劑才能使用釬接，常用的軟釬劑有天然松香和錫焊膏。釬劑的主要作用是防止母材表面氧化，去除母材和釬料表面的氧化物，同時(shí)還起到減少表面張力和促進(jìn)釬料流動(dòng)性的作用。

2.3工藝參數(shù)

釬焊過程中主要的工藝參數(shù)有釬焊溫度、加熱時(shí)間以及保溫時(shí)間。釬焊溫度主要取決于所選擇的釬料，釬焊溫度通常高于釬料液相線溫度25～50℃，以保證液態(tài)釬料充分填充釬縫，并和母材發(fā)生相互作用。加熱時(shí)間主要是指從開始加熱升溫到釬料開始熔化的時(shí)間段，一般控制在1～1.5 min為宜[4]；保溫時(shí)間是指預(yù)置釬料熔化的時(shí)間段，主要由工件大小，及釬料與母材相互作用的劇烈程度而決定，大件的保溫時(shí)間應(yīng)長些，釬料與母材作用強(qiáng)烈的應(yīng)短些，一般控制在10～30 s。

2.4釬焊部位清潔度的控制

釬焊部位的清理主要用鋼絲刷或者砂紙，去除表面的氧化皮；然后用酒精或丙酮清洗，去除油污等。對(duì)于批量生產(chǎn)的部件也常采用酸洗的方式，但是需要大量的清水沖洗。清洗干凈的釬焊面必須戴潔凈的白紗手套才能觸摸，而且12 h內(nèi)完成釬焊，否則需要重新清洗。

3釬焊技術(shù)的應(yīng)用

釬焊技術(shù)在線圈制造過程中應(yīng)用廣泛而且關(guān)鍵，如水內(nèi)冷汽發(fā)定子線圈水電接頭的連接，半匝式轉(zhuǎn)子線圈的組合連接，以及條形定子線圈引線端部的封焊等。釬焊方法多樣，接頭形式多變，目前以較為先進(jìn)的中頻感應(yīng)釬焊為主，火焰釬焊和電阻釬焊為輔，而且每種方式所發(fā)揮的作用一時(shí)還難以完全取代。

3.1火焰釬焊

火焰釬焊利用可燃?xì)怏w燃燒產(chǎn)生的火焰進(jìn)行加熱的釬焊方法，可燃?xì)怏w的選擇性多樣。在本分廠主要是采用氧-天燃?xì)庋?、?乙炔焰進(jìn)行加熱釬焊的。主要用于水發(fā)條形線圈引線端部的封焊，300 MW汽發(fā)定子線圈水電接頭的封焊，如圖1所示。轉(zhuǎn)子線圈引出線的組焊等，如圖2所示。火焰釬焊的優(yōu)點(diǎn)是靈活性高，特別適宜返修和補(bǔ)焊，以及單件和形狀復(fù)雜工件的釬焊；缺點(diǎn)是對(duì)操作者技能依賴程度高，而且釬焊質(zhì)量穩(wěn)定性差。

圖1　定子線棒水電接頭的封焊

圖2　轉(zhuǎn)子引出線火焰釬焊

3.2電阻釬焊

電阻釬焊又稱接觸釬焊，是依靠電流通過釬焊處電阻產(chǎn)生的熱量來加熱和熔化釬料的。電阻釬焊分直接加熱和間接加熱，我公司采用的是間接加熱的方式。由于電阻焊機(jī)鉗口自帶一定的壓力，相當(dāng)于一個(gè)自帶的定位工裝，因此該釬焊方式特別適用于定位要求較高的接頭的釬接，而且釬焊效率高，質(zhì)量穩(wěn)定。電阻釬焊應(yīng)用最多的是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的組焊(如圖3所示)，轉(zhuǎn)子引出線，極間連接線等復(fù)雜結(jié)構(gòu)件接頭的連接釬焊。汽發(fā)轉(zhuǎn)子線圈組焊接頭主要是“Ω”接頭和搭接接頭。它們的釬焊要點(diǎn)稍有差別，“Ω”接頭需要確保對(duì)接間隙，以不超過0.2 mm為宜，而且要求沖模沖出的“Ω”接頭塌邊小或者無塌邊，目的是減少后續(xù)線圈滾弧成型或者轉(zhuǎn)子線圈下線中對(duì)釬縫的影響，一般而言，釬縫處釬料堆積越厚，接頭抗剪性能越低。采用搭接接頭的轉(zhuǎn)子線圈主要是汽發(fā)350 MW機(jī)型，釬焊時(shí)特別要注意將對(duì)接處填補(bǔ)平整圓潤，目的是增大橫截面的導(dǎo)電面積，同時(shí)增大抗拉力。對(duì)于轉(zhuǎn)子線圈釬焊接頭而言，在機(jī)組工作時(shí)是受力部件，對(duì)釬焊質(zhì)量要求非常高，而且接頭全部采用無損檢測(cè)又費(fèi)時(shí)費(fèi)力，因此外觀質(zhì)量檢查就很關(guān)鍵，必須做到接頭無裂紋，而且氣孔和缺料現(xiàn)象不得出現(xiàn)在釬縫的轉(zhuǎn)角處。

圖3　汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈組焊

3.3感應(yīng)釬焊

感應(yīng)釬焊是靠感應(yīng)器使接頭內(nèi)部產(chǎn)生的感應(yīng)電能來實(shí)現(xiàn)加熱的。由于熱量由工件自身產(chǎn)生，因此加熱迅速，工件表面氧化少，并可防止母材晶粒長大和再結(jié)晶的產(chǎn)生。近年來，感應(yīng)釬焊應(yīng)用越來越廣泛。

在感應(yīng)釬焊中，感應(yīng)器設(shè)計(jì)和制做的優(yōu)劣是影響釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素。大部分釬焊結(jié)構(gòu)件的連接都是通過感應(yīng)加熱來實(shí)現(xiàn)的，特別是重點(diǎn)產(chǎn)品或者有特殊要求的核心部件。如超臨界、超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)定子線棒水電接頭的封焊(見圖4)，水發(fā)機(jī)組帶有并頭塊結(jié)構(gòu)的定子線圈引線端部封焊，水輪發(fā)電機(jī)組磁極線圈自動(dòng)組焊(見圖5)，核電轉(zhuǎn)子線圈的組焊等都實(shí)現(xiàn)了中頻感應(yīng)釬焊。有密封要求的汽發(fā)定子線圈水電接頭的封焊是難點(diǎn)也是重點(diǎn)，必須確保水接頭焊后前面不堵空心孔，后面每根股線之間不滲漏，釬焊重點(diǎn)在于每層股線之間釬料預(yù)置量適當(dāng)，而且預(yù)置位置距離股線端頭控制要合適，經(jīng)多次驗(yàn)證約15 mm為最佳，同時(shí)加熱時(shí)間可控，確保接頭受熱均勻。水發(fā)定子線圈引線端部封焊的重點(diǎn)在于有效控制線圈升高和節(jié)距，以線圈膠化模為基礎(chǔ)，根據(jù)理論值在端部封焊夾具上劃線，并以此進(jìn)行焊后熱態(tài)校型。不同尺寸規(guī)格的磁極線圈自動(dòng)組焊之前均要進(jìn)行彎曲和拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)，以及對(duì)接面釬焊結(jié)合率檢測(cè)以確定最佳加熱工藝參數(shù)。一般而言，必須做到彎曲90°無裂紋，抗拉強(qiáng)度不低于196 MPa(T2退火狀態(tài)下抗拉強(qiáng)度)，對(duì)接面釬焊結(jié)合率不低于80%(射線探傷)。將滿足以上性能要求的工藝參數(shù)輸入釬焊自動(dòng)控制系統(tǒng)，完成線圈的自動(dòng)組焊。

圖4　水內(nèi)冷定子線圈電接頭封焊

圖5　磁極線圈自動(dòng)組焊

4釬縫質(zhì)量檢測(cè)

釬縫在整個(gè)釬焊構(gòu)件中屬于較薄弱的部位。為了保證釬焊結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量和運(yùn)行安全，一般都要對(duì)釬縫進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)方法分無損檢測(cè)和破壞性檢測(cè)，在線圈結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)過程中廣泛采用的是無損檢測(cè)。常用的無損檢測(cè)方式有釬縫外觀質(zhì)量檢查、液體滲透檢查、密封性檢查、射線探傷和超聲波探傷等。破壞性檢測(cè)方式主要用于釬焊工藝評(píng)定試驗(yàn)件和釬焊工培訓(xùn)考試件，常用的破壞性檢測(cè)方式主要有釬焊接頭切片、拉伸、彎曲、剪切、剝離等。在分廠應(yīng)用最多的無損檢測(cè)手段是外觀質(zhì)量檢測(cè)，除了外觀檢測(cè)對(duì)于機(jī)組工作時(shí)承力部件的轉(zhuǎn)子線圈還采用抽檢的方式進(jìn)行射線和液體滲透檢查；對(duì)于有密封要求的釬縫進(jìn)行密封性檢查，有特殊要求的還要進(jìn)行超聲波檢查。水發(fā)磁極線圈組焊前一般都先進(jìn)行釬焊接頭的破壞性檢測(cè)，確定滿足性能的工藝參數(shù)，然后進(jìn)行自動(dòng)釬焊。原則上講，檢查僅僅是手段，釬焊質(zhì)量的優(yōu)劣取決于工藝過程控制和操作者對(duì)釬焊要點(diǎn)的理解和把握[3]。

5結(jié)語

經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，目前本公司所采用的釬焊工藝和釬焊方法能夠滿足產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度的需要，但是隨著業(yè)主對(duì)機(jī)組質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)釬焊工藝和方法也會(huì)提出更高的要求。為適應(yīng)這種變化，我們將嚴(yán)格控制釬焊工藝流程，在完善現(xiàn)有釬焊工藝和方法的基礎(chǔ)上，根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，創(chuàng)新應(yīng)用更加有效的釬焊工藝和釬焊方法，結(jié)合線圈制造新工藝，穩(wěn)步提升線圈的制造水平。

參考文獻(xiàn)

[1]趙越.釬焊技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[3]陳錫芳.水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行檢測(cè)與維修[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[4]薛松柏.釬焊技術(shù)問答[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

作者簡介：

付魯賓，1982年生，男，工程師，2007年畢業(yè)于西安交通大學(xué)材料加工專業(yè)，現(xiàn)從事釬焊技術(shù)新工藝的研究和開發(fā)工作。