連 軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

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電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)相控陣超聲探傷實(shí)驗(yàn)

連 軍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

通過(guò)對(duì)平底孔銅試塊及轉(zhuǎn)子端環(huán)釬焊接頭的相控陣超聲波檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了此探傷方法的可靠性，尤其是對(duì)未釬合的判定更有優(yōu)越性，對(duì)改進(jìn)釬焊工藝、提高焊接質(zhì)量有很大幫助。

相控陣超聲波；轉(zhuǎn)子端環(huán)；導(dǎo)條；釬焊接頭；氣孔；未釬合

0 引言

有一類異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子籠型繞組由端環(huán)與導(dǎo)條釬焊連接，其焊接質(zhì)量對(duì)繞組的機(jī)械強(qiáng)度、導(dǎo)電性能影響很大，因此轉(zhuǎn)子端不釬焊工藝的主要目標(biāo)是控制釬焊接頭的缺陷。無(wú)損檢測(cè)是控制和調(diào)整釬焊工藝的重要輔助手段。

籠型繞組釬焊接頭用射線進(jìn)行探傷難度相當(dāng)大，同時(shí)射線技術(shù)對(duì)于體積型缺陷比較敏感，而對(duì)未釬合這種面積型缺陷很不敏感，所以射線方法很難檢測(cè)到未釬合這類缺陷，而超聲方法對(duì)面積型缺陷很敏感，因而對(duì)未釬合類缺陷比較敏感。超聲波探傷接收的是反射波，且容易較厚工件進(jìn)行探傷，因此適合于這種端環(huán)與導(dǎo)條焊接結(jié)構(gòu)的探傷。但用普通的超聲波難以檢測(cè)缺陷的形狀及缺陷的類型，對(duì)釬著率的檢查也無(wú)能為力。相控陣超聲波探傷是無(wú)損檢測(cè)行業(yè)的新興技術(shù)，在釬縫檢查方面在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也剛剛開(kāi)始，本文介紹相控陣超聲波探傷技術(shù)在端環(huán)釬焊接頭的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。

1 端環(huán)釬焊缺陷原因分析

異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條焊接的主要問(wèn)題是氣孔及未釬合，端環(huán)與導(dǎo)條常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。二者材料多為銅及銅合金，端環(huán)厚度可以達(dá)到100mm以上， 端環(huán)加工環(huán)槽與多根多條裝配成T型接頭，釬料熔化后填充到端環(huán)環(huán)形槽中以及端環(huán)與導(dǎo)條的間隙中。熔化的釬料在導(dǎo)條與端環(huán)間隙的浸潤(rùn)速度不相同，同時(shí)釬料從縫隙四周向內(nèi)部浸潤(rùn)，氣體不易排出形成夾氣，由于釬焊溫度梯度小，氣體難以短時(shí)排盡。另一方面釬劑粘度大，也不易短時(shí)排出，從而易形成氣孔。未釬合是由于導(dǎo)條與端環(huán)的裝配間隙不均勻、溫度差別、表面有氧化物等原因影響釬料浸潤(rùn)，從而致局部有未釬合現(xiàn)象，因此容易產(chǎn)生缺陷的位置是導(dǎo)條與端環(huán)對(duì)接的釬縫，在工程生產(chǎn)中有的廠家要求釬著率達(dá)到70%以上，有的廠家要求85%以上。

圖1 端環(huán)與導(dǎo)條釬焊結(jié)構(gòu)示意圖

2 常規(guī)超聲波探傷與相控陣超聲波探傷比較

2.1 常規(guī)超聲波檢測(cè)的缺點(diǎn)

常用的超聲波檢測(cè)探頭發(fā)射的是單束波，探查目標(biāo)是一個(gè)點(diǎn)，其掃描軌跡是一條線，檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖2(a)所示。檢查時(shí)探頭進(jìn)行來(lái)回柵格式掃查，從而導(dǎo)致檢出率低、檢出結(jié)果受人為影響大、不能可靠反映出缺陷整體特征，因此其檢測(cè)結(jié)果有很大的局限性。

圖2 超聲波檢測(cè)示意圖

2.2 相控陣超聲波檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)

相控陣超聲波檢測(cè)探頭集成多個(gè)晶片，能發(fā)射多束波，探查目標(biāo)是一條線，其掃描軌跡是一個(gè)面，檢測(cè)示意圖見(jiàn)圖2(b)所示。可以實(shí)時(shí)彩色成像，便于缺陷判讀，容易檢出各種走向、不同位置的缺陷，缺陷檢出率高，定量、定位精度高，檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響小。

3 模擬試塊的相控陣超聲波檢測(cè)

3.1 模擬試塊的制作

釬焊缺陷的型式多樣，有的連成不規(guī)則形狀，有的分散，有的由很多小缺陷密集分布某一區(qū)域，為試驗(yàn)相控陣超聲波的探傷和效果，模擬端環(huán)與導(dǎo)條焊接時(shí)的氣孔或未釬合缺陷，設(shè)計(jì)模擬試塊，試塊的材質(zhì)為紫銅，厚度95mm，兩個(gè)相鄰平面上鉆各種直徑的平底孔，按試驗(yàn)端環(huán)環(huán)槽深度設(shè)定孔深8mm,考慮到釬焊的特點(diǎn)，可以認(rèn)為3mm以內(nèi)的缺陷可以忽略，最大的缺陷應(yīng)不超過(guò)導(dǎo)條厚度的一半，因此模擬樣塊孔的直徑最小選擇為3mm,最大為8mm,孔的深度與產(chǎn)品端環(huán)環(huán)槽深度相同，各種小孔單個(gè)分布或按不同孔距成簇分布，兩個(gè)相對(duì)的平面不鉆孔，作為超聲波探頭接觸面，設(shè)計(jì)兩個(gè)試塊，其中一塊加工四個(gè)單孔，另一塊加工6組成簇孔， 用10組孔驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)能力分別見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 單個(gè)孔模擬試塊

圖4 成簇孔模擬試塊

3.2 模擬試塊的相控陣超聲波檢測(cè)

用某型號(hào)相控陣超聲波探傷儀，選用64晶片低頻相控陣探頭，與模擬試塊鉆孔相對(duì)的平面耦合，從一端平移至另一端，對(duì)10組模擬缺陷分別掃查，檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。下面是其中3組孔圖像，φ3單孔檢測(cè)圖像見(jiàn)圖5所示。6×φ3多孔(孔距20mm)檢測(cè)圖象見(jiàn)圖6所示。 16×φ5多孔(孔距8mm) 檢測(cè)圖象見(jiàn)圖7所示。

圖5 φ3單孔檢測(cè)圖像

圖6 6×φ3多孔檢測(cè)圖像

圖7 16×φ5多孔檢測(cè)圖像

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，相控陣探頭直觀地檢出了所有模擬缺陷的外形，并能顯示缺陷的大小和深度，圖像清晰易讀，另外試驗(yàn)探頭尺寸較大，檢測(cè)速度快。如果對(duì)探頭延遲及系統(tǒng)增益進(jìn)一步校正，則缺陷的定量測(cè)試會(huì)更加精確，這種效果是普通超聲波探傷無(wú)法達(dá)到的。

4 實(shí)際焊接件相控陣探傷

準(zhǔn)備一個(gè)厚度87mm紫銅端環(huán)及若干根導(dǎo)條，為制作假缺陷，導(dǎo)條端部未清理，按圖1所示方式裝配好，并在釬料槽中預(yù)置顆粒狀BAg45CuZn釬料及QJ102釬劑，端環(huán)與導(dǎo)條用感應(yīng)加熱的方法整體一次焊成，為探傷研究方便，端環(huán)外圓加工出一個(gè)臺(tái)階，使端環(huán)槽里的釬料露出，并切割出一段端環(huán)，端環(huán)上保留2根導(dǎo)條，見(jiàn)圖8所示。選取5個(gè)典型位置A、B、C、D、E作為探傷目標(biāo)，見(jiàn)圖9。5個(gè)位置的材料及厚度見(jiàn)表2。超聲波束選用扇形掃描方式方法(s-掃描)，圖10為聲束模擬圖。各位置探測(cè)后，沿T型釬接頭橫截面分層銑削，每銑削5mm對(duì)釬焊接頭觀察，由于未釬合難以用肉眼察覺(jué)，需用滲透檢驗(yàn)的方法探查，將滲透檢出的缺陷與相控陣超聲波的檢測(cè)結(jié)果對(duì)照，從而驗(yàn)證相控陣探傷的準(zhǔn)確性。

圖8 實(shí)際焊接件尺寸圖

圖9 實(shí)際焊接件探測(cè)位置圖

圖10 聲束模擬圖

4.1 位置A、C檢測(cè)

位置A是端環(huán)母材，無(wú)釬料及導(dǎo)條。超聲測(cè)量結(jié)果厚度為85.16mm，接近87mm的實(shí)測(cè)值，見(jiàn)圖11?？梢?jiàn)底波信號(hào)強(qiáng)度較高，已經(jīng)高于100%滿屏。位置C與位置A一樣，為端環(huán)母材位置，無(wú)釬料，無(wú)導(dǎo)條。超聲測(cè)量結(jié)果厚度為68.35mm，接近實(shí)測(cè)值70mm。

圖11 位置A相控陣檢測(cè)圖像

4.2 位置B檢測(cè)

位置B是端環(huán)母材與釬料的復(fù)合層，無(wú)導(dǎo)條，此位置的端環(huán)環(huán)槽由釬料熔化后浸潤(rùn)填充形成。超聲測(cè)量結(jié)果厚度為86.99mm，接近87mm的實(shí)測(cè)值。圖像的顏色比A位置淺，底波信號(hào)強(qiáng)度低于上面的純銅A位置，這是因?yàn)樵诩冦~與釬料之間的界面會(huì)有信號(hào)衰減，而且由于純銅基底與釬焊料之間的材料聲速非常接近，所以無(wú)明顯界面反射，僅反映為信號(hào)變?nèi)?。如果此處之前的位置有明顯回波，表明有脫焊缺陷,見(jiàn)圖12。從此也可以看出釬料與環(huán)槽表面的釬焊質(zhì)量易于保證。

圖12 位置B相控陣檢測(cè)圖像

4.3 位置D檢測(cè)

位置D為端環(huán)與導(dǎo)條釬焊區(qū)域，要求釬料與端環(huán)環(huán)槽、導(dǎo)條側(cè)面及端面浸潤(rùn)良好，按前面的分析，導(dǎo)條與端環(huán)之間的釬縫易出現(xiàn)未釬合。此位置掃描圖像見(jiàn)圖13。

圖13 位置D相控陣檢測(cè)圖像

從圖像觀察，導(dǎo)條根部圖像很淺，有較弱的底面信號(hào)，說(shuō)明此處缺陷很小，兩邊為釬料填充區(qū)域的表面回波。超聲測(cè)量顯示，導(dǎo)條根部信號(hào)與釬料填充區(qū)域表面回波的高度差為8.82mm，接近實(shí)測(cè)值7mm，導(dǎo)條厚度(包含融合面)測(cè)量值為11.70mm，接近實(shí)測(cè)值12mm。對(duì)位置D釬焊接頭橫截面進(jìn)行滲透檢測(cè)見(jiàn)圖14，可以看到導(dǎo)條根部、側(cè)面、端環(huán)環(huán)槽面沒(méi)有明顯的缺陷顯示，可以證明這種探傷方法是可靠的。

圖14 位置D截面著色檢測(cè)

4.4 位置E檢測(cè)

位置E與位置D的情況類似，為端環(huán)與導(dǎo)條釬焊區(qū)域，掃描圖像見(jiàn)圖15。在位置E發(fā)現(xiàn)導(dǎo)條根部圖像顏色較深，明顯比D點(diǎn)顏色深，說(shuō)明E點(diǎn)的回波信號(hào)高于位置D的根部回波信號(hào)。由此判斷，位置E導(dǎo)條根部缺陷較為嚴(yán)重。對(duì)位置E釬焊接頭橫截面進(jìn)行滲透檢測(cè)見(jiàn)圖16?？梢钥吹綄?dǎo)條根部有明顯的缺陷顯示。

圖15 位置E陣檢測(cè)圖像

圖16 位置E截面滲透檢測(cè)

在位置D或E的地方左右移動(dòng)一點(diǎn)距離，可以看到釬料表面區(qū)域底波依然可見(jiàn)，但導(dǎo)條根部缺陷信號(hào)很弱，因?yàn)閷?dǎo)條根部缺陷通常平行于表面，如果入射聲波與缺陷層不垂直，則接收不到來(lái)自缺陷層的回波。而且因?yàn)榭梢钥吹綄?dǎo)條兩側(cè)的釬焊區(qū)域底波，說(shuō)明聲束已經(jīng)穿過(guò)導(dǎo)條的側(cè)壁，也間接說(shuō)明側(cè)壁焊接的良好的，從圖16著色檢查也可以看出，導(dǎo)條與釬料的側(cè)面釬焊面沒(méi)有缺陷。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)平底孔試塊及實(shí)際工件探測(cè)試驗(yàn)，可以看出相控陣超聲波探傷技術(shù)適合于電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)釬焊，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)能夠準(zhǔn)確定位端環(huán)釬縫中缺陷的大小及深度，并能直觀顯示缺陷的形狀，且能通過(guò)圖像顏色的深淺判斷缺陷的程度。

(2)探頭尺寸大，掃描范圍大，端環(huán)的端面為圓環(huán)平面，因此檢測(cè)速度快，效率高，且不易產(chǎn)生漏檢。

(3)相控陣技術(shù)結(jié)合低頻探頭，探測(cè)深度大，特別適合于各種電動(dòng)機(jī)紫銅端環(huán)的探傷。

如果進(jìn)一步校正測(cè)量參數(shù)，檢測(cè)精度會(huì)更加精確，這些優(yōu)點(diǎn)有助于幫助技術(shù)人員、操作者及時(shí)掌握端環(huán)釬焊情況，并及時(shí)調(diào)整工藝保障措施，特別是在要求控制釬著率的場(chǎng)合，相控陣超聲波探測(cè)技術(shù)能發(fā)揮更大的優(yōu)勢(shì)。

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Phases Array Ultrasonic Inspection Experiment of Motor Rotor End Ring

LianJun

(Jiamusi Electric Machine Co ., Ltd ., Jiamusi 154002, China )

Based on phases array ultrasonic inspection experiments of the copper check block with flat bottom hole and the soldering joint of rotor end ring, reliability of the crack detection method was verified. It has superiority to judge well soldering quality, and can provide a great help to improve soldering technology and quality.

Phases array ultrasonic；rotor end ring；bar；soldering joint； air hole；unwelded

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.15

TM306

B

1008-7281(2016)06-0046-005

連軍 男 1970年生；畢業(yè)于佳木斯大學(xué)(原佳木斯工學(xué)院)，現(xiàn)從事電機(jī)釬焊、熔化焊接工藝工作.

2016-02-25