電阻釬焊在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭中的應(yīng)用

王慶偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

電阻釬焊在永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭中的應(yīng)用

王慶偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子并頭過去主要采用火焰釬焊，生產(chǎn)效率低且質(zhì)量不可靠。為滿足永磁直驅(qū)電機(jī)批量化生產(chǎn)的需求，通過工藝試驗(yàn)開發(fā)了一種電阻釬焊工藝。試驗(yàn)表明，電阻釬焊接頭結(jié)合率優(yōu)良，在實(shí)際生產(chǎn)中投入使用，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量均得到大幅提高，降低了生產(chǎn)成本。

電阻釬焊；宏觀金相檢測；結(jié)合率；定子

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子要經(jīng)過裝壓、下線、VPI真空浸漆及絕緣耐壓試驗(yàn)等一系列復(fù)雜的制造工藝，其中下線后定子線圈的釬焊并頭是整個(gè)制造過程的關(guān)鍵工序，其焊接質(zhì)量的優(yōu)劣關(guān)系到電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行和使用壽命。

目前主要采用火焰釬焊進(jìn)行定子并頭，該方式存在以下問題：

(1)焊接效率低。全手工操作，每個(gè)接頭釬焊時(shí)間約80 s，勞動(dòng)強(qiáng)度大。

(2)焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，對焊工的操作技能要求較高。

(3)為防止氧-乙炔焰損傷線圈絕緣部分，焊前需使用濕的石棉布進(jìn)行保護(hù)，影響絕緣且增加后期烘焙時(shí)間。

公司生產(chǎn)的大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子體積大，并頭數(shù)量多，操作空間受限，采用傳統(tǒng)的火焰釬焊已經(jīng)無法滿足生產(chǎn)需求。電阻釬焊機(jī)體積小，移動(dòng)靈活。與火焰釬焊相比，電阻釬焊具有焊接效率高、釬焊溫度便于控制、接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。因此，為滿足批量化生產(chǎn)的需求，探索電阻釬焊在風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品的定子并頭中的應(yīng)用具有重要意義。

1 電阻釬焊設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 工作原理

釬焊是采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，將母材與釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，但低于母材熔點(diǎn)的溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙，并與母材相互擴(kuò)散而實(shí)現(xiàn)連接焊件的方法。按所用釬料的性質(zhì)，釬焊分為軟釬焊和硬釬焊，軟釬焊使用的釬料的熔點(diǎn)在450℃以下，硬釬焊使用的釬料的熔點(diǎn)在450℃以上。按加熱方法釬焊又分為火焰釬焊、電阻釬焊、感應(yīng)釬焊、爐中釬焊等。

電阻釬焊是將焊件放在通電的加熱板上，利用電阻熱進(jìn)行釬焊，釬焊電流不通過焊件，而是通過另外一塊石墨板，焊件置于該板上，全部靠該板的電阻熱傳導(dǎo)到焊件來實(shí)現(xiàn)釬焊。電阻釬焊最適用于采用箔狀釬料，釬焊面加熱到釬焊溫度后，再把絲狀釬料末端送到釬縫間隙旁，以填滿縫隙。

1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與國內(nèi)某公司合作定制的電阻釬焊裝置如圖1所示，型號(hào)QS-50TW，功率為55kVA。該電阻釬焊設(shè)備由焊接電源、循環(huán)水冷裝置、帶水冷電纜的專用氣動(dòng)焊槍、移動(dòng)小車、吊臂、平衡器等組成。焊接程序控制采用PC控制，控制器置于焊接電源中。由于采用移動(dòng)式焊接電源和便攜式焊槍，焊接可達(dá)性好。該設(shè)備的用途及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下：

1—焊接電源 2—循環(huán)水冷系統(tǒng) 3—移動(dòng)小車 4—可拆立柱 5—壓縮空氣氣管及控制電纜 6—水冷電纜 7—吊臂 8—滑輪組 9—平衡器 10—?dú)鈩?dòng)焊鉗圖1 電阻釬焊機(jī)結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of resistance brazing machine

(1)焊接電源及焊槍采用強(qiáng)制水冷，故設(shè)備體積小，重量輕，節(jié)約電能。焊鉗通過平衡器吊于吊臂端，焊接操作方便。

(2)焊機(jī)設(shè)有初調(diào)檔，能在電網(wǎng)變化的情況下適應(yīng)不同截面銅線的焊接。焊機(jī)具有故障報(bào)警及延時(shí)停機(jī)保護(hù)功能，特別適用于重要產(chǎn)品的焊接。

(3)焊機(jī)可實(shí)現(xiàn)脈沖焊接。由于采用PC控制，通電時(shí)間、休止時(shí)間、焊接電流等規(guī)范均可預(yù)置和精確控制，因此接頭焊接質(zhì)量可靠。

(4)焊機(jī)加熱時(shí)間短、熱量集中，使釬焊接頭的熱影響區(qū)小，不但不會(huì)損壞絕緣，還提高了釬料的浸潤性，使接頭光滑、美觀，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2 電阻釬焊工藝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

試驗(yàn)?zāi)覆臑榕c線圈引線相同的純銅扁線，規(guī)格為4 mm×16 mm，共6組；焊料為0.2銅基焊片BCu80AgP和?3 mm銅基焊絲BCu80AgP。

釬焊設(shè)備使用QS-50TW微電腦控制脈沖釬焊機(jī)。

2.2 釬焊接頭型式

釬焊接頭型式如圖2所示，焊前用銼刀、細(xì)砂紙和酒精等清除待焊區(qū)域的油污和氧化物，使之露出金屬光澤。引線搭接長度為30 mm，接頭處放置3～4片0.2銅基焊片BCu80AgP，焊片兩側(cè)寬于銅線2 mm。

圖2 釬焊接頭示意圖Figure 2 Schematic sketch of brazing joint

2.3 施焊過程及工藝參數(shù)

將釬焊機(jī)焊鉗放在準(zhǔn)備焊接的工作位置上，使鉗口碳精塊對準(zhǔn)并頭片的焊接部位，點(diǎn)動(dòng)開關(guān)開始焊接。當(dāng)焊接部位呈現(xiàn)橘紅色時(shí)，銀焊片開始熔化，用焊絲填補(bǔ)焊接部位的周邊焊縫，使其光滑飽滿，焊接結(jié)束后斷開電源。繼續(xù)讓鉗口保持夾緊狀態(tài)，待焊縫冷卻至500℃后松開鉗口。

電阻釬焊的工藝參數(shù)主要是焊接電流、焊接周期、休止周期，為驗(yàn)證釬焊接頭的結(jié)合質(zhì)量，擬采用的工藝參數(shù)如表1所示，每種工藝參數(shù)焊接兩個(gè)試件。

2.4 外觀檢查和宏觀金相檢測

將試樣為標(biāo)記1#～6#，對試樣進(jìn)行外觀檢查后解剖，將試樣斷面拋光后在顯微鏡下觀察釬焊縫結(jié)合情況及內(nèi)部質(zhì)量，見表2。

從表2可知，隨著焊接電流的增大，結(jié)合率越來越高。采用65 A電流時(shí)，結(jié)合率最低，金相檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)合面存在氣孔和未熔合，說明焊接電流偏??；當(dāng)焊接電流增大到80 A時(shí)，結(jié)合率最高，但母材表面存在輕微的壓變形，說明焊接電流偏大。

表1 電阻釬焊工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of resistance brazing

表2 宏觀金相檢測和外觀檢查結(jié)果Table 2 Macro metallographic detection and visual inspection results

綜上所述，采用焊接電流為72 A，焊接周期為30 s，休止周期為10 s的工藝參數(shù)時(shí)，釬焊縫結(jié)合率優(yōu)良，母材表面無壓痕，焊縫表面無裂紋、氣孔，焊縫成型良好，焊縫內(nèi)部無氣孔、未熔合。

3 電阻釬焊工藝應(yīng)用實(shí)踐

根據(jù)釬焊工藝試驗(yàn)，選擇經(jīng)評(píng)定合格的工藝參數(shù)，將電阻釬焊工藝推廣應(yīng)用在批量產(chǎn)品永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子并頭上，在實(shí)際生產(chǎn)中，該工藝具有高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)能、可靠的特點(diǎn)。

定子線圈引線電阻釬焊工藝流程如下：

定子下線→引線彎型→接頭整形→焊前準(zhǔn)備→開啟循環(huán)水冷裝置電源→預(yù)置焊接規(guī)范→接通電源→焊鉗焊接位置→按下“氣動(dòng)”按鈕→斷續(xù)加熱維持釬焊溫度→關(guān)閉電源→焊縫冷卻后松開鉗口→焊后處理→質(zhì)量檢查。

3.1 引線彎型及接頭整形

定子下線后利用彎型工具對引線進(jìn)行彎型及接頭整形，要求接頭排列整齊，且搭接間隙及錯(cuò)位控制在1 mm左右，同時(shí)保證間隙均勻，引線彎型圖如圖3所示，彎型及整形后的接頭如圖4所示。

圖3 引線彎型Figure 3 Leads bending shape

圖4 彎型及整形后的接頭Figure 4 Joints after bending and forming

(a)引出線電阻釬焊(b)已完成的釬焊接頭(c)焊后處理圖5 釬焊過程Figure 5 Brazing process

合格后，在引出線之間加墊3～4片0.2 mm銀焊片。

3.2 焊前準(zhǔn)備

在定子線圈及鐵心表面用白布和絕緣紙做好防護(hù)，避免將釬焊操作過程的銅屑及焊渣等掉入定子槽內(nèi)或線圈之間。使用銼刀將定子線圈引出線正反面的絕緣膠清理干凈，用0#砂紙去除表面氧化物，直至呈現(xiàn)金屬光澤。

3.3 釬焊過程

(1)開啟循環(huán)水冷裝置電源，水壓應(yīng)大于0.3 MPa。預(yù)置焊接電流為72 A，焊接周期為30 s，休止周期為10 s。

(2)手扶焊鉗使其置于定子線圈引出線需搭焊部位的中心處，按下焊鉗上的“氣動(dòng)”按鈕，焊鉗受壓夾緊兩端定子線圈引出線，使搭焊處引出線接觸良好，將“電源”開關(guān)置于接通位置進(jìn)行焊接操作。焊接區(qū)應(yīng)有目的反復(fù)接通和關(guān)閉電源，以便使熱量充分傳遞到接頭區(qū)。如果碳精塊燒損接觸面小于20 mm2或發(fā)生開裂必須更換。

(3)當(dāng)引出線呈橘紅色時(shí)，仔細(xì)檢查搭接處引出線間隙處焊料是否飽滿，若有缺陷應(yīng)及時(shí)添加焊料，用?3 mm的焊絲沿引出線間隙涂抹，直至缺陷處飽滿后停止加熱。

(4)停止加熱后，焊槍應(yīng)繼續(xù)保持氣壓，壓在被焊引出線上，待引出線溫度降到500℃(呈黑灰色)左右再移開。

(5)使用銼刀將釬焊接頭表面的氧化物清理干凈，注意防止異物落入線圈內(nèi)部。

(6)釬焊接頭外觀應(yīng)光滑飽滿，無未熔合，無裂紋，端面無過燒疏松物。對于缺陷超標(biāo)的接頭應(yīng)重新加熱至釬焊溫度，用焊絲進(jìn)行填補(bǔ)至焊縫飽滿并清理。釬焊過程見圖5。

3.4 電阻釬焊的優(yōu)點(diǎn)

(1)通過大量的電阻釬焊并頭的應(yīng)用實(shí)踐得出，每個(gè)引線接頭使用電阻釬焊完成的時(shí)間約為45 s，而使用傳統(tǒng)的火焰釬焊完成時(shí)間約為80 s，焊接效率增加近一倍，每臺(tái)定子引線并頭節(jié)約時(shí)間6 h。

(2)火焰釬焊質(zhì)量受操作工人技能的影響較大，釬焊溫度不易控制，大量釬焊接頭由于溫度過高而嚴(yán)重氧化，焊后處理周期長；采用電阻釬焊進(jìn)行定子引線并頭焊接，接頭外觀質(zhì)量好且內(nèi)部結(jié)合率高，焊后處理周期短，接頭質(zhì)量穩(wěn)定且使用壽命高。

(3)使用電阻釬焊能源消耗低且安全環(huán)保，減小了操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本。

4 結(jié)論

隨著工業(yè)制造向高端化、智能化的方向發(fā)展，傳統(tǒng)的手工作業(yè)已逐漸被淘汰。通過與專業(yè)焊接設(shè)備研發(fā)機(jī)構(gòu)合作定制電阻釬焊專機(jī)，在產(chǎn)品上正式應(yīng)用前進(jìn)行工藝驗(yàn)證，確定的工藝方案切實(shí)可行，最后逐步推廣使用電阻釬焊工藝進(jìn)行定子并頭。

通過電阻釬焊的工藝試驗(yàn)及應(yīng)用實(shí)踐可知：

(1)使用QS-50TW微電腦控制脈沖釬焊機(jī)，采用焊接電流為72 A，焊接周期為30 s，休止周期為10 s等工藝參數(shù)進(jìn)行工藝試驗(yàn)，釬焊縫結(jié)合率優(yōu)良，焊縫表面無裂紋、氣孔，焊縫成型良好，焊縫內(nèi)部無氣孔、未熔合現(xiàn)象。

(2)使用電阻釬焊進(jìn)行永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的定子并頭，操作方便，焊接效率提高近一倍，焊后處理周期短，接頭質(zhì)量穩(wěn)定可控，能源消耗低且安全環(huán)保，減輕操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了生產(chǎn)成本。

編輯 陳秀娟

Application of Resistance Brazing to Stator Joint of Permanent Magnetic Direct Drive Wind Generator

WangQingwei

Flame brazing was mainly carried out to wind generator stator joint at past, the method resulted in lower production efficiency and unreliable quality. To accomplish lot production of permanent magnetic direct drive generator, a kind of resistance brazing process has been developed by process tests, and the tests showed that binding rate of joint by resistance brazing was sound, furthermore both of production efficiency and products quality have been improved evidently to decrease production costs after put into practice.

resistance brazing; macro metallographic detection; binding rate; stator

2017—03—21

王慶偉(1983—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事壓力容器、風(fēng)電產(chǎn)品的焊接工藝和質(zhì)量控制相關(guān)工作。

TG454

B