陳厚豪 車三宏 王傳洋 曹翰清 曹 玉

（1、中車株洲電機有限公司，湖南 株洲412000 2、蘇州大學 機電工程學院,江蘇 蘇州215000）

目前, 主要應用于銅導體電纜焊接的有火焰釬焊、電阻釬焊等工藝。國內的主流電機廠的并頭與并頭間、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], 而大型直驅永磁風力發(fā)電機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,電纜焊接的焊接質量也是整個電機定子制造過程中的關鍵控制項點。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。本文對火焰釬焊與電阻釬焊兩種焊接方式工藝進行了對比,對各類大型直驅永磁風力發(fā)電機定子電纜焊接具有一定的參考價值和實際應用意義。

兩種焊接方式均存在各自的優(yōu)勢和優(yōu)點,具體如下:

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

電阻釬焊工藝優(yōu)勢:(1)焊接效率高,單個樣件焊接時間短, 花費時間短;(2) 加熱時間短,熱量集中,熱影響區(qū)小,變形和應力也小;(3)操作簡單,員工易上手操作,可改善勞動條件;(4)焊接熱影響區(qū)小, 焊接不易損傷絕緣層, 不形成質量隱患;(5)生產率高,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 試驗材料、設備及方法

1.1 焊接設備

表1 試驗材料表

表2 試驗樣件編號及實驗內容對應表

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

1.2 實驗材料

試驗材料見表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,然后用電阻焊機的焊槍加持進行焊接, 使用φ1.5mm HL204焊絲補充。DT-150 編號為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,一組(3 件)用于外觀檢測、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 為A21、A22、A23、A51、A52、A53,DT-240 編 號 為A31、A32、A33、A61、A62、A63?；鹧驸F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樣件不焊接的另一側進行防護,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行預熱、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 編號為B11、B12、B13,焊接兩組共6 件,一組(3 件)用于外觀檢測、宏觀金相、微觀金相,一組(3 件)用于直流電阻、拉伸試驗。使用同樣的方法焊接DT-185、DT-240 樣件,DT-185編號為B21、B22、B23, DT-240 編 號 為B31、B32、B33。火焰釬焊焊接樣件共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。試驗方法每組試樣含三個平行試樣。試樣的接頭形式均為搭接。模擬試樣的結構與產品上的結構一致,樣件排序及試驗內容對應見表2。

2 試驗結果與分析

2.1 直流電阻

取制作的試樣進行直流電阻檢測,檢測數(shù)據見表3。樣件的長度均取200mm,對比火焰釬焊和電阻釬焊的數(shù)據可知,由于導體焊接的樣件不一致,一端為接線端子,一端為接線銅板,無法取用相同長度的導體對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比均無明顯差異,判定合格。

2.2 拉伸試驗

樣件按照《GB/T14315-2008 電力電纜導體用壓接型銅、鋁接線端子和連接管》[4]要求進行拉伸試樣,負荷施加速率不超過10N/S·mm2,并在張力60×A 拉力負荷下(A 為對應標稱橫截面面 積,DT-150、DT-185、DT-240 拉 力 分 別 為9000N、11100N、14400N),樣件無滑動,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要求。檢測數(shù)據見表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,記錄此時拉力值。再通過對比兩個焊接方式,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,焊接位置強度均大于電纜壓接位置(見圖1)。

表3 直流電阻及長度對應表

表4 樣件標準拉力下拉伸試驗和最大拉力值

圖2 拉力值對比圖

2.3 外觀檢測及宏觀金相檢測

外觀檢測:接頭外觀檢查評定方法:參照《JB/T6966-1993 釬焊外觀質量評定方法》[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合格。經檢查, 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:宏觀金相檢測接頭宏觀金相評定方法: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合格,圖4 為典型焊接切開后焊縫截面情況。

表5 焊縫總長、焊縫空隙、焊縫空隙與總長之比以及平均值數(shù)據統(tǒng)計表

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

放置在顯微鏡下放大100X,焊縫總長、焊縫空隙、焊縫空隙與總長之比以及平均值數(shù)據見表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 級要求80%及以上的區(qū)域應該填充滿焊料金屬,C 級要求70%及以上的區(qū)域應該填充滿焊料金屬。根據試驗結果顯示,在不考慮切割時破壞焊接區(qū)域的前提下, 火焰釬焊與電阻釬焊均滿足至少C 級要求,除1 件焊接樣件符合C 級要求外,均滿足我司要求的B 級焊接要求(共分為B、C、D 三個等級)。

3 試驗結論

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

但從實際應用角度來說,火焰釬焊設備簡單、初始投資低、易損件少、靈活性大的特點對新產品或小訂單產品會更合適。而對于大批量、產品單一的電纜焊接來說,電阻釬焊的成本低、焊接效率高、操作簡單等優(yōu)勢會更加明顯突出。但具體的實際使用情況仍要根據公司工況進行選擇。