錢飛翼， 王 浩， 王國森

（中電電機(jī)股份有限公司，江蘇無錫 214100）

0 引言

在電機(jī)行業(yè)，低速電機(jī)均使用紫銅作為導(dǎo)條和端環(huán)。但由于紫銅機(jī)械強(qiáng)度較低，無法直接應(yīng)用到高轉(zhuǎn)速鼠籠轉(zhuǎn)子上。從王常春編寫的《關(guān)于高速大容量籠型異步電機(jī)轉(zhuǎn)子端部強(qiáng)度的探討》[1]一文中可以了解到：提高鼠籠轉(zhuǎn)子端部的機(jī)械強(qiáng)度，最有效的方法是通過端環(huán)外圓增加無磁鋼護(hù)環(huán)實現(xiàn)。無磁鋼護(hù)環(huán)材料及加工費(fèi)均很高，此方案在原有紫銅端環(huán)成本基礎(chǔ)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(zhuǎn)子上，尋找一種能夠代替端環(huán)和無磁鋼護(hù)環(huán)組合的銅合金具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料的選擇

大部分高強(qiáng)度、高導(dǎo)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(dá)到600 ℃以上。但Al2O3彌散強(qiáng)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(jié)合強(qiáng)度也相對減弱，導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力加大，裂紋源增多[2]。所以優(yōu)先嘗試采用鉻鋯銅作為高速鼠籠轉(zhuǎn)子端部端環(huán)和導(dǎo)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(yīng)商共同準(zhǔn)備了一批樣塊，樣塊各項初始性能：最低抗拉強(qiáng)度470 MPa，最低屈服強(qiáng)度372 MPa，最低硬度HB131，最高電阻率0.0231 μΩ·m。鉻鋯銅在經(jīng)歷不同溫度和保溫時間退火后，對應(yīng)的性能見表1。

表1 經(jīng)歷不同溫度和保溫時間退火后鉻鋯銅機(jī)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(jī)械性能和電阻率相對穩(wěn)定，但是隨著時間的延長，機(jī)械性能有略微降低的趨勢。當(dāng)加熱溫度為800 ℃時，機(jī)械性能有明顯下降，電阻率也明顯升高，但是屈服強(qiáng)度依然明顯高于退火態(tài)的紫銅。當(dāng)加熱溫度為900 ℃時，機(jī)械性能接近軟態(tài)紫銅的性能，電阻率也明顯增大。

3 銀焊料

常見銀釬料參數(shù)見表2[3]。從表2 可見，BAg40CuZnCdNi 的液相線溫度最低，為605℃。根據(jù)以往產(chǎn)品焊接經(jīng)驗，銀釬料的焊接溫度應(yīng)高于其液相線溫度100 ℃左右，故BAg40CuZnCdNi 的焊接溫度預(yù)計在705 ℃左右。其次BAg40CuZnCdNi的抗拉強(qiáng)度也大于經(jīng)過700 ℃退火后鉻鋯銅的拉伸強(qiáng)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(shù)

4 樣品件工藝驗證

4.1 樣品轉(zhuǎn)子工藝驗證方案確定

結(jié)合表1 和表2 的數(shù)據(jù)，初步確立工藝驗證方案：①鉻鋯銅端環(huán)和導(dǎo)條的初始機(jī)械性能：抗拉強(qiáng)度≥370 MPa，屈服強(qiáng)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(huán)和導(dǎo)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(jié)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(nèi)；④銀釬料使用BAg40CuZnCdNi；⑤選用進(jìn)口中頻焊接設(shè)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(zhǔn)確控制，故未做小型樣塊，直接制造樣品端部端環(huán)鼠籠轉(zhuǎn)子。樣品端部端環(huán)鼠籠轉(zhuǎn)子的相關(guān)參數(shù)：①導(dǎo)條尺寸：長1290 mm×寬60 mm×厚12 mm，數(shù)量為82 件/臺；②端部端環(huán)尺寸：端環(huán)外圓直徑948 mm×端環(huán)內(nèi)圓直徑655 mm×端環(huán)厚度53 mm；③端環(huán)導(dǎo)液槽尺寸：槽外圓直徑930.5 mm×槽內(nèi)圓直徑808 mm×槽深6 mm；④轉(zhuǎn)子為無護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1494轉(zhuǎn)/分，端環(huán)外圓額定線速度為74.16 m/s。

4.3 轉(zhuǎn)子樣品焊接過程

轉(zhuǎn)子樣品焊接過程：①放置端部端環(huán)，并使用酒精清理端環(huán)導(dǎo)液槽和導(dǎo)條；②在導(dǎo)液槽中放置助焊劑；③將帶導(dǎo)條轉(zhuǎn)子鐵芯軸向立起，放置于中頻焊機(jī)焊接平臺上；④調(diào)整端部端環(huán)與導(dǎo)條的相對位置，并使導(dǎo)條末端全部落在端部端環(huán)的導(dǎo)液槽內(nèi)；⑤在位于端部端環(huán)導(dǎo)液槽內(nèi)的導(dǎo)條之間空缺處，放置適量的銀釬料和助焊劑；⑥調(diào)整中頻焊機(jī)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(huán)（因端環(huán)太大）；⑧待端環(huán)冷卻后，清理端環(huán)并檢測端環(huán)硬度。生產(chǎn)過程見圖1。焊縫噴砂后的表觀見圖2。

圖1 生產(chǎn)過程

圖2 焊縫噴砂后的表觀

4.4 樣品轉(zhuǎn)子檢測

檢測結(jié)果如下：①端部端環(huán)噴砂，去除氧化層后表面焊縫飽滿，無缺陷；②端環(huán)車加工后，端環(huán)表面硬度見表3；③超速前和1.2 倍超速后端部端環(huán)外圓相關(guān)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(huán)車加工后端環(huán)和導(dǎo)條硬度HB檢測結(jié)果

表4 端部端環(huán)超速檢測結(jié)果

5 結(jié)論

（1）上述檢測數(shù)據(jù)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(nèi)，是合理的，且時間越短越好。如果因端環(huán)直徑太大，必須使用扇形感應(yīng)器進(jìn)行分段焊接，在710 ℃焊接的保溫總時間也應(yīng)控制在10 min 以內(nèi)，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(jù)產(chǎn)品實際測算，使用鉻鋯銅做端環(huán)的方案比使用紫銅配護(hù)環(huán)（無磁鋼端箍）的方案，節(jié)約成本約36.4%。