試棒結(jié)構(gòu)及釬料包扎工藝對燒結(jié)質(zhì)量的影響

李再華，易幼平，賀地求

（1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭411101）

試棒結(jié)構(gòu)及釬料包扎工藝對燒結(jié)質(zhì)量的影響

李再華1，2，易幼平1，賀地求1

（1.中南大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南長沙410083；2.湘潭電機股份有限公司，湖南湘潭411101）

針對“燒結(jié)+釬焊”的電機轉(zhuǎn)子真空釬焊方式，通過肉眼觀察試棒燒結(jié)釬料后的釬料附著率及表面質(zhì)量對試棒的結(jié)構(gòu)及釬料包扎工藝分別進行實驗研究。在試棒燒結(jié)階段，設(shè)計適合于燒結(jié)的試棒結(jié)構(gòu)，通過實驗進行如下的設(shè)計及工藝方案改進：試棒設(shè)計頂針結(jié)構(gòu)，釬縫部位與裝夾部位一次加工成形，確保了釬縫部位與裝夾部位的同軸度，為后續(xù)試棒的釬料包扎工藝設(shè)計及改進提供基礎(chǔ)保障。設(shè)計6種釬料的綁扎方式，并實驗優(yōu)化對兩種方式進行進一步的改進設(shè)計；比較兩種釬料綁扎方式的優(yōu)缺點，確定“不銹鋼皮+不銹鋼絲”的綁扎方式；最后對這種綁扎方式做進一步的改進設(shè)計，獲得質(zhì)量優(yōu)良的燒結(jié)釬縫。本研究設(shè)計的試棒結(jié)構(gòu)及釬料包扎工藝為后續(xù)電機轉(zhuǎn)子的真空釬焊打下了堅實的基礎(chǔ)。

真空釬焊；試棒結(jié)構(gòu)；綁扎方式；燒結(jié)質(zhì)量

0 前言

通常采用氣體火焰釬焊或中高頻感應(yīng)釬焊方法焊接大型電機轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條與端環(huán)[1-3]。本研究選用抗拉強度達500 MPa的高強度CuCrZrRE作為導(dǎo)條和端環(huán)材料[4]，要求導(dǎo)條與端環(huán)之間釬縫的剪切強度大于100 MPa。由于CuCrZrRE生產(chǎn)工藝決定了其具有550℃退火軟化特性[5-6]，因此焊接溫度不能超過550℃。通過多方位調(diào)研及系列實驗，確定采用真空釬焊。

本研究研制了一種釬焊溫度低于550℃的金基釬料作為焊接材料[7]，采用全新的“燒結(jié)+釬焊”工藝方法完成了試驗。首先在試樣上全過程模擬轉(zhuǎn)子真空釬焊工藝，試樣真空釬焊的第一階段即試棒的燒結(jié)階段，如何將釬料熔敷到試棒的相關(guān)部位并得到符合設(shè)計要求的釬縫是重點內(nèi)容。比較并不斷改進各種包扎方法，最終通過試棒燒結(jié)后的機加工獲得優(yōu)良的釬縫外觀質(zhì)量來評判包扎方法的優(yōu)劣。

1 試樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 試樣的結(jié)構(gòu)及釬焊工藝

試樣結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)電機轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條與端環(huán)真空釬焊結(jié)構(gòu)設(shè)計而成，其中釬縫長度與電機轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條與端環(huán)釬縫的長度相等，試棒釬焊部位的直徑與電機轉(zhuǎn)子中導(dǎo)條的直徑相等。試樣真空釬焊工藝過程為：先將試棒加工為符合設(shè)計要求的圓棒，在待釬焊部位加工一個長25 mm的臺階，將片狀釬料包扎在臺階處，在VAB-380型真空爐中進行真空燒結(jié)；燒結(jié)后將臺階部位車加工至φ8.30 mm；將清洗干凈的試棒裝配入套中；在VAB-380型真空爐中進行真空釬焊，最終通過剪切強度實驗和釬縫的金相質(zhì)量觀察證實試樣真空釬焊工藝的正確性。

圖1 試樣的結(jié)構(gòu)示意

1.2 試棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計

第一次設(shè)計的試棒外形是根據(jù)圖1所示的試樣結(jié)構(gòu)模型而設(shè)計，如圖2所示。

試棒在釬料包扎并燒結(jié)后出現(xiàn)如圖3所示的問題，即釬料局部靠近端部位置沒有完全加工起，而未加工起釬料試棒的背面已加工出CrCrZrRE本體的紫紅色。說明小試棒加工過程中的中心線與試棒裝夾中心線未在一條直線上。

圖2 第一次的試棒結(jié)構(gòu)

圖3 試棒燒結(jié)并加工后

工藝過程分析發(fā)現(xiàn)，圖2所示的試棒燒結(jié)前采用普通車床加工成形，且尺寸φ9和φ8.22（φ8.40）是分兩次裝夾并加工而成，裝夾誤差導(dǎo)致試棒加工后存在同軸度誤差。圖3所示燒結(jié)試棒是在加工中心上進行，試棒的φ9部位在四爪卡盤上裝夾定位后，采用桿杠千分表在圖2所示的φ8部位打表，保證其在卡盤上的同軸度誤差在0.005 mm以內(nèi)為合格。由于燒結(jié)后試棒的機加工基準是φ8.4部位，而試棒的裝夾基準是φ9部位，同由兩者在成形過程中的兩次裝夾引起同軸度誤差，所以在加工過程中造成了部分釬料未被完全加工。

為解決上述問題，對圖2所示的試棒進行了第二次設(shè)計，結(jié)構(gòu)如圖4所示。在釬料部位尺寸20的左右兩端都設(shè)置尺寸φ8.40+0.01的校正定位臺階；在釬料部位尺寸φ8.40+0.01的端部打φ3的頂針孔，以便于數(shù)控車加工時各個部位一次加工成形；在試棒末端設(shè)計一個尺寸為φ8.8的臺階，車加工時，三爪卡盤夾住此部位，以保證兩處尺寸φ8.40+0.01與φ9同軸，最終在試棒燒結(jié)加工時以四爪卡盤夾住φ9部位后，尺寸φ8.40+0.01與φ9同軸。

圖4 第二次的試棒結(jié)構(gòu)

上述改進解決了加工過程中的試棒中心線與試棒裝夾位置中心線不在同一中心線上的問題，后續(xù)試棒在燒結(jié)后機加工過程中未出現(xiàn)圖3所示的問題。

2 試棒的釬料包扎工藝

2.1 第一輪釬料綁扎方式實驗

釬料厚度只有0.08 mm，且燒結(jié)并機加工后留下釬焊時的厚度僅有0.04 mm，因此釬料包扎的好壞將直接關(guān)系到燒結(jié)后能否將釬料的厚度加工到0.04 mm且釬縫部位全部有熔敷金屬，所以釬料的包扎是試樣釬焊的核心工序之一，有必要進行全面的研究與實驗。

試棒包扎組成示意如圖5所示。共設(shè)計出6種包扎方法，如表1所示。

圖5 包扎試棒組成示意

表1 試棒可選用的包扎方法

表1所述的釬料綁扎方法結(jié)果如下：

（1）釬料綁扎方式中方法①、方法④如圖6所示。

圖6 釬料的綁扎方式

在圖6中，1#和3#試棒為釬料外包扎一層0.08 mm的不銹鋼皮，不銹鋼皮外包扎一副half套，half套外用φ1的不銹鋼絲綁扎3圈。2#和4#試棒為釬料外包扎一層0.08 mm的不銹鋼皮，不銹鋼皮外采用φ1的不銹鋼絲綁扎5圈。

1#和3#試棒在包扎釬料時，一副half套的兩個半half的對接面有約0.2 mm的間隙，不銹鋼皮從間隙處凸出來鑲?cè)雰蓚€半half的對接面間隙中。這樣會導(dǎo)致試棒內(nèi)的釬料未被不銹鋼皮完整地包圍一圈，在不銹鋼皮從間隙凸出來處釬料與不銹鋼皮沒有貼合而形成空隙，熔化的釬料在此處形成堆積，導(dǎo)致試棒燒結(jié)后此處的釬料會厚于其他部位。2#和4#試棒在包扎釬料時，不銹鋼絲與不銹鋼皮相接觸的區(qū)域，不銹鋼皮明顯凹陷于其他沒有不銹鋼絲的區(qū)域。

（2）方法②中采用圖7所示的銅絲綁扎不銹鋼皮，由于銅絲較軟，綁到一定的扎數(shù)后銅絲很難打結(jié)固定，即使打好結(jié)后，由于綁扎時的預(yù)緊力作用，打結(jié)處會自動回彈松開；用不銹鋼絲進行打結(jié)也存在銅絲回彈的現(xiàn)象，導(dǎo)致包扎不緊，不適合本試棒的釬料包扎。

圖7 不銹鋼皮+銅絲包扎釬料

（3）方法③采用圖8所示的銅絲綁扎half套，由于銅絲較軟，同樣存在綁到一定的扎數(shù)后銅絲很難打結(jié)，打好結(jié)后，由于綁扎時的預(yù)緊力作用，打結(jié)處會自動回彈。不適合本試棒的釬料包扎。

圖8 不銹鋼皮+half套+銅絲包扎釬料

（4）方法⑤采用圖9所示的不銹鋼皮+half套+卡箍，由于half套固定在不銹鋼皮外后，需要采用不銹鋼絲進行預(yù)固定，才能將卡箍固定在half套上。該方法類似于方法④，但綁扎的效率和方便程度都更低。

圖9 不銹鋼皮+half套+卡箍包扎釬料

（5）方法⑥采用圖10所示的不銹鋼皮+卡箍，由于試棒直徑較小，僅約φ8.4，適合這種規(guī)格的卡箍寬度只有8 mm，全部采用卡箍包扎，需采用2個卡箍；因為不銹鋼皮包扎釬料后沒有定位固定，所以首先需要采用不銹鋼絲在釬料的兩端綁扎固定，然后中間用卡箍固定。由于卡箍的內(nèi)圓是疊搭結(jié)構(gòu)，因此卡箍內(nèi)圓直徑越小，圓度越差。采用這種卡箍包扎不銹鋼皮時，卡箍與不銹鋼皮只有部分貼合，會導(dǎo)致釬料熔化后由于不銹鋼皮的受力不均勻而產(chǎn)生釬料厚薄不均勻現(xiàn)象，該方法不適合本試棒的包扎。

從上述釬料的包扎方法及實際操作看，方法②、方法③、方法⑤、方法⑥都存在各自的缺點，不適合本項目釬料的包扎。方法①和方法④的釬料包扎方法制造出來的試棒從理論分析和表面質(zhì)量來看都明顯優(yōu)于另外4種包扎方法制造出來的試棒。

2.2 第二輪釬料綁扎方式實驗

圖10 不銹鋼皮+卡箍包扎釬料

由表1所述包扎方法實驗結(jié)果可知，重點選取不銹鋼皮+不銹鋼絲的包扎方法和不銹鋼皮+half套+不銹鋼絲包扎方法進行對比。并且根據(jù)經(jīng)驗，針對half套的加工精度及不銹鋼絲的預(yù)繞制成形方面進行了一些必要的改進。

（1）不銹鋼皮+half套+不銹鋼絲的綁扎方式。

采用half套包扎不銹鋼皮的釬料包扎方法時，在第一輪的包扎實驗時出現(xiàn)了half套的兩個半half的對接面有約0.5 mm的間隙，不銹鋼皮從間隙處凸出來鑲?cè)雰蓚€半half的對接面的間隙中的現(xiàn)象。為了解決這一問題，重新設(shè)計了half套的結(jié)構(gòu)，并嚴格規(guī)定了half套的公差尺寸。

工藝為采用1Cr18Ni9Ti的圓鋼車加工長24mm、內(nèi)徑φ8.560+0.01、外徑φ160+0.02的圓環(huán)，然后用慢走絲線切割從圓環(huán)的中心線將圓環(huán)切成兩個半環(huán)，最后用丙酮和酒精清理干凈half套。制作好的half套配上卡箍后的實物照片如圖11所示。

圖11 half套實物照片

（2）不銹鋼皮+不銹鋼絲的綁扎方式。

采用不銹鋼皮+不銹鋼絲的綁扎方式包扎釬料時，為了解決不銹鋼絲與不銹鋼皮接觸的區(qū)域，不銹鋼皮明顯凹陷于其他沒有不銹鋼絲區(qū)域的現(xiàn)象，重新設(shè)計了三圈結(jié)構(gòu)不銹鋼絲綁扎環(huán)，如圖12所示。制作方法為：將退火后φ1不銹鋼絲在直徑φ8.30+0.01mm的不銹鋼試棒上繞制3圈，將繞制3圈后的不銹鋼絲進行預(yù)打結(jié)。

在采用3圈結(jié)構(gòu)的不銹鋼絲綁扎環(huán)包扎釬料時，長度20 mm的釬料區(qū)域共綁扎5個如圖12所示的綁扎環(huán)，極大縮小了不銹鋼絲與不銹鋼皮貼合區(qū)域與沒有不銹鋼絲區(qū)域的高度差；同時釬料在采用不銹鋼皮貼緊后各個區(qū)域壓緊力度更均勻。

圖12 3圈結(jié)構(gòu)不銹鋼綁扎環(huán)

采用上述兩種釬料綁扎方式的試棒實物如圖13所示。

圖13 兩種綁扎方式的試棒實物

通過改進上述兩種釬料包扎方式的工藝，half套的對接面間隙處未出現(xiàn)不銹鋼皮凸出到對接面間隙中的現(xiàn)象；3圈結(jié)構(gòu)的不銹鋼絲綁扎環(huán)綁扎不銹鋼皮后，不銹鋼皮的表面更加平整。兩種綁扎方式的試棒燒結(jié)后表面質(zhì)量實物如圖14所示，表面質(zhì)量都很好。

圖14 兩種綁扎方式的試棒燒結(jié)后表面質(zhì)量

從兩種綁扎方式的操作方便性來說，當不銹鋼皮包裹住釬料后，不銹鋼皮需要采用不銹鋼絲固定或half套固定后才能松開雙手，這時采用不銹鋼絲固定不銹鋼皮更為簡單。Half套加工精度要求高，且切割后難以保證與試棒配合良好，由于在高溫下進行燒結(jié)，half套的外形尺寸會發(fā)生微小變化，重復(fù)使用性不好。根據(jù)上述實驗，可以確定不銹鋼皮+不銹鋼絲為可行的產(chǎn)品導(dǎo)條釬料綁扎工藝方法。

2.3 第三輪釬料綁扎方式實驗

在確定試棒的釬料綁扎方式定為不銹鋼皮+不銹鋼絲后，試棒釬料包扎時出現(xiàn)了一個問題，如圖15所示，附著在試棒上的釬料明顯厚薄不均。這是釬料在燒結(jié)熔化后受到不同程度的不均勻外力所致。

圖15 試棒包扎釬料后

根據(jù)上述判斷結(jié)果，在后續(xù)的釬料包扎中將5個不銹鋼綁扎環(huán)在試棒圓上平均分布，確定以試棒的圓心為圓心，相鄰2個不銹鋼綁扎環(huán)的夾角約為72°，可最大程度地均分釬料熔化后在不銹鋼皮上所受的外力。試棒的釬料包扎方式如圖16所示。

圖16 試棒包扎釬料后

試棒燒結(jié)后和機加工后的表面質(zhì)量如圖17、圖18所示，觀察發(fā)現(xiàn)釬料在試棒上附著均勻，沒有厚薄不均的現(xiàn)象。

3 結(jié)論

（1）包扎釬料前的試棒采用頂針結(jié)構(gòu)，一次加工成形，保證釬焊部位及裝夾部位的同軸度，提高燒結(jié)試棒加工后釬縫層厚度的均勻性。

圖17 試棒燒結(jié)后的表面質(zhì)量

圖18 燒結(jié)加工后的釬料表面質(zhì)量

（2）采用“不銹鋼皮+不銹鋼絲”的釬料綁扎方式，用5個3圈結(jié)構(gòu)的不銹鋼綁扎環(huán)72°綁扎釬料，獲得質(zhì)量優(yōu)良的燒結(jié)釬縫。

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Influence of the structure of the test rod and the brazing process on the sintering quality

LI Zaihua1，2，YI Youping1，HE Diqiu1
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；2.Xiangtan Electric Manufacturing Co.，Ltd.，Xiangtan 411101，China）

For the vacuum brazing mode of the electric motor rotor of"sintering+brazing"，the structure of the filler metal and the surface quality of the solder after the sintered filler metal of the test rod are observed by the naked eye，and the structure of the test rod and the dressing process of the filler are studied respectively.In the sintering stage of the test rod，a rod structure suitable for sintering is designed. The following design and process improvement are carried out：the thimble structure，the brazed joint and the clamping part，ensure the coaxiality between the joints and the clamping parts，and provide basic guarantee for the design and improvement of the solder dressing process for the subsequent test rod.Through the design of the binding mode of six kinds of solder，and the optimization of experiment for two ways to do further improvement design；by comparing the advantages and disadvantages of these two methods，the binding mode of" stainless steel skin+stainless steel wire"is determined.Finally，the design of this binding mode is further improved，and finally the quality of the sintered brazing seam is obtained.The structure of the test rod and the dressing technology of the filler metal have laid a solid foundation for the vacuum brazing of the follow-up motor rotor.

vacuum brazing；test rod structure；fixation method；sintering quality

TG425

A

1001－2303（2017）08－0065-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.12

2017-04-30；

2017-06-05

湖南省自然科學(xué)湘潭聯(lián)合基金（2015JJ5031）

李再華（1975—），男，高級工程師，博士，主要從事電機釬焊方面的研究工作。E-mail：Lizaihua75 @sina.com。

本文參考文獻引用格式：李再華，易幼平，賀地求.試棒結(jié)構(gòu)及釬料包扎工藝對燒結(jié)質(zhì)量的影響[J].電焊機，2017，47（08）：65-70.