侯 楠

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西 永濟(jì) 044500）

作為推動高質(zhì)量發(fā)展中促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型，推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級的重要舉措，風(fēng)電已經(jīng)從作為補(bǔ)充能源進(jìn)入到替代能源的發(fā)展階段，裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大。風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，對風(fēng)電設(shè)備的可靠性和制造成本提出了更高的要求。作為關(guān)鍵部件的發(fā)電機(jī)，在整機(jī)造價中的占比較大，為實(shí)現(xiàn)降本增效發(fā)展要求，風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子以鋁繞組替代銅繞組成為一種技術(shù)趨勢。本文針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組鋁基線圈焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，制定滿足鋁基線圈釬焊的工藝方法，完成對繞組并頭搭接的焊接，并通過多種檢測項(xiàng)點(diǎn)綜合驗(yàn)證了鋁基線圈釬焊的可行性。

1 鋁基釬焊技術(shù)分析

釬焊是一種與熔化焊不同的固相連接方法，其中釬料的熔點(diǎn)低于母材的熔點(diǎn)，加熱溫度低于母材固相線而高于釬料液相線，因此釬焊時母材不熔化[1]。釬料受熱熔化后，液態(tài)釬料在母材表面及縫隙潤濕、鋪展，與母材相互溶解、擴(kuò)散，從而實(shí)現(xiàn)部件間的連接。鋁基金屬材料的可焊性較差，在空氣中極易氧化生成致密的高熔點(diǎn)氧化膜[2]。采用釬焊方式對鋁基金屬材料進(jìn)行焊接，由于焊接溫度較低，母材金相組織不發(fā)生液相變化，不易產(chǎn)生過燒、過熱組織，且構(gòu)件變形較小。

電阻焊通過上、下電極對焊接工件施加壓力，利用電流在工件結(jié)合處產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行加熱。焊接時，電極對搭接部位進(jìn)行夾持以確保必要的接觸電阻，通電后電流流過母材產(chǎn)生熱量使釬料到達(dá)熔融狀態(tài)[3]。因此，結(jié)合工藝一致性要求，焊接方式選用電阻釬焊，接頭形式為搭接接頭。

2 焊接材料

鋁繞組云母繞包薄膜熔敷鋁扁線所用鋁基材牌號為1A60，規(guī)格為5mmx12mm。鋅的熔點(diǎn)和電極電位與鋁的特性相近，且鋁與鋅的互溶度較大，釬料熔化時鋅可快速向鋁基體晶間滲透[4]，因此焊料選用鋅鋁藥芯焊絲。鋅鋁藥芯釬料由鋅鋁合金外皮包裹一定比例的粉狀釬劑制成，用于鋁基同種金屬材料或異種金屬材料的焊接。鋅鋁合金外皮以鋅為基體，加入少量鋁、銀、銅等元素以改善釬料性能，合金外皮可避免釬劑與熱源直接接觸而揮發(fā)。釬劑在加熱過程中可去除母材及釬料表面的氧化物、油污、雜質(zhì)，并增加釬料的潤濕性和毛細(xì)流動性。鋅鋁藥芯焊絲的釬焊溫度區(qū)間約為420℃～480℃，低于鋁母材的熔點(diǎn)660℃。

3 焊接工藝

焊接前檢查確認(rèn)焊接設(shè)備狀態(tài)良好，根據(jù)鋁扁線規(guī)格確定并頭搭接長度應(yīng)大于25mm，寬度方向錯開距離應(yīng)小于1mm。根據(jù)焊接材料及搭接尺寸調(diào)整焊絲填充，使其盡可能覆蓋搭接面，同時保證待焊接位置及焊料的清潔度。設(shè)定好焊接參數(shù)后，開始焊接。焊接時因鋁材受熱不變色，須根據(jù)接頭的加熱情況和釬料的熔化狀態(tài)，調(diào)整焊鉗電流，要求焊料融化至晶瑩透亮狀，充分填充焊接接頭各母材間的縫隙，當(dāng)邊緣吸附形成坡口時停止加熱。過程中用焊條將聚集的焊料引流至空缺部位，保證焊縫圓滑過渡。加熱過程中，焊鉗須保持加壓狀態(tài)，并在停止加熱后保壓一段時間，待焊料完全固化后方可松開。焊接部位自然冷卻至室溫后，焊縫周圍可能附著白色釬劑遺留粉末，影響外觀質(zhì)量且殘留的釬劑具有一定的腐蝕性，因此須打磨清理焊縫，清除表面釬劑。

4 焊樣試驗(yàn)與結(jié)果

為保證鋁繞組的力學(xué)性能、金相組織及電性能滿足設(shè)計(jì)要求，按照上述焊接工藝完成試驗(yàn)樣件制備后，進(jìn)行下列試驗(yàn)對焊接質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)證。

4.1 釬縫外觀評定

外觀評定前，清除待檢測釬縫處的釬劑殘?jiān)?、氧化物、油污等，采用目視方法進(jìn)行檢驗(yàn)釬縫表面連續(xù)致密，釬角過渡圓滑，無氣孔、夾雜、裂紋、疏松等缺陷。

4.2 拉伸試驗(yàn)

為測定焊接接頭抗拉強(qiáng)度，觀察斷裂位置和斷口形貌，參照GB/T 11363-2008《釬焊接頭強(qiáng)度試驗(yàn)方法》，采用SANS 拉力試驗(yàn)機(jī)對焊接樣件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖1 拉伸試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接樣件斷裂位置均在熱影響或非熱影響區(qū)；試驗(yàn)負(fù)荷位移曲線顯示，焊接樣件的拉伸強(qiáng)度高于鋁基母材的抗拉強(qiáng)度（55MPa），符合要求。

表1 拉伸試驗(yàn)

4.3 通電溫升試驗(yàn)

變速恒壓混合勵磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特性、損耗分布、散熱條件復(fù)雜，不同運(yùn)行工況下的電機(jī)內(nèi)部溫升分布不同，為保整個機(jī)組的運(yùn)行性能和運(yùn)行效率，需要對發(fā)電機(jī)的溫度場和流體場進(jìn)行分析[5]，將電機(jī)溫升應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)。繞組溫升對整機(jī)溫升具有較大影響，因此需對繞組并頭搭接進(jìn)行通電溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)時，將焊接樣件置于參照電機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下溫度分布設(shè)定的恒溫環(huán)境中，并通以符合電機(jī)設(shè)計(jì)要求的試驗(yàn)電流，以模擬風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況，分別記錄焊接接頭處及遠(yuǎn)端鋁扁線母材采樣點(diǎn)的溫度曲線（每半小時記錄一次溫度）。通電溫升試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時，焊接接頭處溫度低于遠(yuǎn)端鋁扁線母材采樣點(diǎn)處溫度，符合要求。

圖2 通電溫升試驗(yàn)溫度曲線

4.4 直流電阻檢測

參照GB/T 4074.5《繞組線試驗(yàn)方法：電性能》，采用微電阻測量儀測量等長焊接樣件及鋁扁線母材的直流電阻，并折算為20℃時的直流電阻。直流電阻檢測結(jié)果顯示，焊接樣件連接處的電阻小于同等長度鋁扁線母材的直流電阻，符合要求。

表2 直流電阻檢測

4.5 超聲波探傷試驗(yàn)

超聲波探傷利用超聲波具有良好的方向性和穿透性，在被檢測工件介質(zhì)中定向傳播，而在不同介質(zhì)的臨界面處發(fā)生反射、折射和波形變換的特性[6]，對金屬材料的內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測。

參照GB/T 11345《焊縫無損檢測超聲波檢測技術(shù)、檢測等級和評定》對焊接樣件進(jìn)行超聲波探傷，利用超聲檢測儀，將波形顯示在示波器上，采用縱波直探頭檢測方法對焊接樣件間隙、氣孔、夾雜、未熔合等缺陷程度進(jìn)行評價，。釬焊面平均缺陷占比約為12.68%，符合要求。

4.6 金相組織分析

對焊接接頭斷面進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果顯示焊縫處無明顯裂紋、氣孔，焊料熔化均勻，焊縫填充完全，釬料與母材擴(kuò)散充，分母材無過熱現(xiàn)象，符合要求。

5 結(jié)論與展望

本文對風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子繞組鋁基線圈焊接技術(shù)進(jìn)行了研究，根據(jù)母材焊接特性，制定了滿足鋁基線圈電阻釬焊工藝方法，并對焊接接頭的物理性能及電性能進(jìn)行分析驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明符合產(chǎn)品性能要求，證明該焊接工藝具有一定的可行性。若推廣應(yīng)用，將極大地降低風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)制造成本，提升企業(yè)競爭力。

后續(xù)可采用鹽霧試驗(yàn)和電化學(xué)方法對焊接部位的耐腐蝕性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析，并采用振動模態(tài)試驗(yàn)對焊接接頭的疲勞失效形式進(jìn)行研究。同時可對藥芯釬料進(jìn)行改進(jìn)提升，如形態(tài)改善，防止釬料的滑動，改善焊料的鋪展性；改性提升，加入改性元素，改善潤濕性和耐腐蝕性，提高焊縫的強(qiáng)度、低溫沖擊韌性及抗裂性等。