磁懸浮列車用直線電機(jī)純鋁焊接技術(shù)探討

文／南車株洲電機(jī)有限公司 趙忠勝 申亮 張梅玲／

1 概述

直線電機(jī)是磁懸浮列車的關(guān)鍵部件之一，其特性直接決定了列車的運(yùn)行性能。由于電機(jī)裝在車體上，為減輕重量，增加列車承載能力，必要時(shí)需要采用鋁導(dǎo)線，而鋁導(dǎo)線電機(jī)的制造工藝要比銅導(dǎo)線電機(jī)復(fù)雜得多[1]。鋁導(dǎo)線的焊接難點(diǎn)主要在于其本身具有較強(qiáng)的氧化能力、較大的熱導(dǎo)率和比熱容，焊接時(shí)容易產(chǎn)生未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等缺陷。焊接時(shí)一般采用氣體保護(hù)，純鋁氣體保護(hù)焊的主要方法有：TIG焊、MIG焊、鎢極脈沖氬弧焊、熔化極脈沖氬弧焊等。同時(shí)焊絲的牌號與直徑、焊接電流、保護(hù)氣體流量等對焊接質(zhì)量均有不同程度的影響。直線電機(jī)繞組選用純鋁導(dǎo)線，其線圈并頭的質(zhì)量不僅直接影響到電機(jī)的電氣特性，同時(shí)還影響到其可靠性，而這些都取決于純鋁繞組的焊接質(zhì)量。因此，對直線電機(jī)純鋁的焊接性能進(jìn)行分析，并通過焊接工藝驗(yàn)證得到最優(yōu)化的焊接參數(shù)顯得十分重要。

2 純鋁的焊接工藝特性分析

2.1 純鋁的焊接特點(diǎn)

純鋁具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能，和低碳鋼相比，它的膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、熔化潛熱和熱容量都大，熔點(diǎn)為657℃，ρ=2.72g/cm3，A1100的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1與表2[2]。

純鋁焊接有如下特點(diǎn)：1）氧化能力強(qiáng)：鋁在空氣中極易與氧結(jié)合生成致密而結(jié)實(shí)的Al2O3薄膜，厚度約0.1um，熔點(diǎn)達(dá)2050℃，ρ=3.85g/cm3，對內(nèi)部能起到保護(hù)作用，這也是鋁具有耐腐蝕性的重要原因。因此，為了保證焊接質(zhì)量，焊前必須嚴(yán)格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接過程中再氧化。2）導(dǎo)熱性和導(dǎo)電高：盡管純鋁的熔點(diǎn)遠(yuǎn)比鋼低，但其導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性約為低碳鋼的5倍，在焊接過程中大量的熱能被迅速傳導(dǎo)到母材內(nèi)部，為了獲得高質(zhì)量的焊接接頭，必須采用能量集中、功率大的熱源，有時(shí)需要采用預(yù)熱等工藝措施，才能實(shí)現(xiàn)熔焊過程。3）熱裂紋傾向高：鋁的線膨脹系數(shù)約為低碳鋼的2倍。在實(shí)際焊接現(xiàn)場中防止這類裂紋的措施主要是改進(jìn)接頭設(shè)計(jì)，選擇合理的焊接工藝參數(shù)和焊接順序，采用適應(yīng)母材特點(diǎn)的焊接填充材料等。4）容易形成氣孔：焊接接頭中的氣孔是純鋁焊接時(shí)極易產(chǎn)生的缺陷。為了防止氣孔的產(chǎn)生，焊前必須嚴(yán)格限制所使用的焊接材料的含水量，使用前要進(jìn)行干燥處理。5）純鋁在高溫時(shí)的強(qiáng)度和塑性低：純鋁在高溫下的強(qiáng)度及塑性很低，以致不能支撐住焊接熔池的液體金屬，從而造成焊縫成形不良，容易形成塌陷或燒穿等缺陷。6）焊縫強(qiáng)度低：焊接時(shí)由于熱影響區(qū)受熱而發(fā)生軟化，會導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度下降。7）無色澤變化：鋁及鋁合金焊接時(shí)由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)時(shí)，表面顏色無明顯變化，因此在焊接過程中給操作者帶來不少困難。

2.2 純鋁的焊接方法

純鋁可用的焊接方法很多，在工業(yè)生產(chǎn)中，鋁常用的焊接方法有氣焊、TIG焊、MIG焊、等離子弧焊、焊條電弧焊、電阻點(diǎn)焊和縫焊等[3]。其中，手工鎢極氬弧焊（TIG焊）具有熱量集中，電弧穩(wěn)定，焊縫成型美觀、組織致密，接頭強(qiáng)度和塑性高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)氬弧焊是明弧，又無焊渣，可進(jìn)行全位置焊接。無論接頭的空間位置如何，都可以清楚地觀察焊接熔池并順利進(jìn)行焊接，這對于安裝條件下的電機(jī)導(dǎo)體的焊接更為適合。

2.3 純鋁的焊接檢驗(yàn)

焊接完成后的純鋁產(chǎn)品，需要進(jìn)行焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)。焊縫的質(zhì)量取決于焊接時(shí)所用的焊絲、氣體、接頭的裝配質(zhì)量、坡口清理、施工條件、焊工操作水平的高低和選用的焊接規(guī)范等因素。為保證焊接質(zhì)量，必須嚴(yán)格檢查焊接結(jié)構(gòu)制造過程中的各個(gè)環(huán)節(jié)，及時(shí)防治各種缺陷的產(chǎn)生。焊縫的檢驗(yàn)方法很多，一般常用的有：外觀檢驗(yàn)、X射線探傷、超聲波探傷、接頭機(jī)械性能試驗(yàn)、滲漏試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、腐蝕試驗(yàn)和硬度試驗(yàn)等[4]。

表1 純鋁的化學(xué)成分

表2 純鋁的力學(xué)性能

2.4 純鋁的焊接缺陷

純鋁的TIG焊的焊接質(zhì)量與焊前準(zhǔn)備情況、保護(hù)氣體純度、焊接參數(shù)、電極材料以及操作者的熟練程度等因素有關(guān)。其常見缺陷有未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等[4]。

1）產(chǎn)生未焊透的原因：①焊接電流太小，弧長過長，焊接速度過快；②間隙過小，鈍邊過大，坡口角度過??；③表面和層間存在氧化物沒有清除；④焊槍和焊絲傾角不正確。2）產(chǎn)生氣孔的主要原因：①母材或焊絲上有油、污、銹、垢等污物；②保護(hù)氣體純度低，氣體保護(hù)效果差；③氣路不潔凈；④焊接參數(shù)選擇不當(dāng)；⑤焊接過程熔池保護(hù)不良，電弧不穩(wěn)定或電弧太長。3）產(chǎn)生裂紋的原因：①結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，焊縫過于集中，造成焊接接頭拘束應(yīng)力過大；②熔池過大、過熱、合金元素?zé)龘p較多；③收弧過快、焊絲抽回過快、導(dǎo)致弧坑處沒有填滿；④焊接材料選擇不當(dāng)。4）產(chǎn)生咬邊原因：①焊接電流過大，焊接電壓過高；②焊接速度過快，填絲太少；③操作技術(shù)不熟練，焊槍擺動(dòng)不均勻。5）產(chǎn)生焊縫夾鎢的原因：①焊接時(shí)采用接觸引?。虎阪u極末端形狀與焊接參數(shù)選擇不合理，使端頭燒損；③填充焊絲與鎢極發(fā)生了接觸；④鎢極伸出長度過長。

3 直線電機(jī)繞組線圈純鋁焊接工藝實(shí)踐

3.1 焊前清理及準(zhǔn)備工作

密封完好的焊絲一般不需要清洗，可直接使用。對于受污染的焊絲焊前則需進(jìn)行清洗。具體清洗步驟如下：先將焊絲放入溫度為40～60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%～10%的NaOH溶液中侵蝕，保持5min后取出，用冷水沖洗2min；再置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的稀HNO3溶液中進(jìn)行光化處理，以中和余堿，避免堿液繼續(xù)腐蝕；再用流動(dòng)的冷水沖洗2min。清理工作完成后，焊絲置于150～200℃的烘箱中烘焙0.5h，然后保存在100℃的烘箱內(nèi)隨用隨取[5]。

3.2 焊接接頭形式

直線電機(jī)的直線齒距一般為8mm～12mm，并頭端端部間隙較小，為保證裝配尺寸，將傳統(tǒng)并頭方式改為“ ”型，保證搭接長度為20mm～25mm。焊接前用大力鉗夾緊，并在端部加墊蘸水的脫脂棉，防止燒損線圈絕緣。

3.3 焊接參數(shù)的選擇

1）保護(hù)氣體：在進(jìn)行純鋁TIG焊接時(shí)，必須采用純度在99.8%以上的氬氣作為保護(hù)氣體。2）氬氣流量：對于厚度在2.5～5mm的焊件，可選用以下參數(shù)：鎢極直徑2.4mm，噴嘴直徑9.5mm，相應(yīng)的氬氣流量8～12L/min[5]。3）焊接電流：為了保證產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，在正式焊接前必須進(jìn)行焊接驗(yàn)證，以此來確定最佳的焊接參數(shù)。4）填充材料：純鋁焊接時(shí)可采用牌號為S301的純鋁焊絲，它具有極好的抗腐蝕性能，很高的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能，以及極好的可加工性能，廣泛用于鐵路機(jī)車、電力、化學(xué)、食品等行業(yè)，其化學(xué)成分及性能見表3。5）焊絲直徑：焊絲的直徑可以根據(jù)焊接電流的大小來確定，兩者之間關(guān)系見表4。

綜合來看，可選定直徑為1.6mm的S301純鋁焊絲進(jìn)行TIG焊。

表3 S301純鋁焊絲的成分及性能

表4 焊接電流與焊絲直徑間的關(guān)系

4 結(jié)論與建議

通過對磁懸浮列車用直線電機(jī)純鋁焊接工藝的探討，針對純鋁TIG焊常見的未焊透、氣孔、裂紋、咬邊和夾鎢等缺陷，在以后焊接過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）焊前認(rèn)真清理焊絲、焊件，清理后及時(shí)焊接，防止再次污染，避免出現(xiàn)未焊透的現(xiàn)象。2）選擇合適的氣體流量，更新送氣管路以保證氬氣的純度；焊接現(xiàn)場設(shè)擋風(fēng)裝置，減少空氣流動(dòng)，防止出現(xiàn)氣孔。3）正確設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)，合理布置焊縫，使焊縫盡量避開應(yīng)力集中處，選擇合適的焊接順序；加入引弧板或采用電流衰減裝置，填滿弧坑，防止出現(xiàn)裂紋。4）降低焊接電流與電弧長度，保持?jǐn)[幅均勻，適當(dāng)增加送絲速度或降低焊接速度，防止出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象。5）適當(dāng)減小鎢極伸出長度，降低焊接電流或加大鎢極直徑，防止出現(xiàn)夾鎢。

[1]郭淑英.磁懸浮列車用直線電機(jī)的研制[J].2002年全國直線電機(jī)學(xué)術(shù)年會,2002.01.

[2]黃旺福,黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].長沙:湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2004.

[3]周萬盛,姚君山.鋁及鋁合金的焊接[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4]中國機(jī)械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.第2版 焊接手冊[M]第3卷 焊接結(jié)構(gòu).北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[5]王宗杰等.熔焊方法及設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.