鎳鋁青銅電機(jī)轉(zhuǎn)子的攪拌摩擦焊接

雷 雯，陳楊科

鎳鋁青銅電機(jī)轉(zhuǎn)子的攪拌摩擦焊接

雷 雯，陳楊科

（海裝駐湘潭地區(qū)軍事代表室，湖南湘潭 411101）

由鎳鋁青銅ZCuAl9NiFe4Mn2制作的內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套、上蓋板和下蓋板，磁軛和磁鋼組成了在海水中工作的電機(jī)轉(zhuǎn)子。為了對(duì)磁極進(jìn)行保護(hù)，需要在完成充磁的強(qiáng)磁性條件下采用焊接的方式將內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套、上蓋板和下蓋板焊為一體，且焊縫能承受1.5 MPa的氣壓。本文從攪拌頭設(shè)計(jì)，焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，焊縫性能等方面摸索焊接電機(jī)轉(zhuǎn)子所需要的工藝參數(shù)；同時(shí)解決了焊接電機(jī)轉(zhuǎn)子所需要的全部關(guān)鍵技術(shù)問題；電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接后通過各種檢測(cè)，確認(rèn)合格。本電機(jī)轉(zhuǎn)子的成功焊接為強(qiáng)磁場(chǎng)條件下銅合金的焊接提供了實(shí)用的工藝方法。

鎳鋁青銅 電機(jī)轉(zhuǎn)子 強(qiáng)磁場(chǎng) 攪拌摩擦焊

0 引言

銅合金的焊接有釬焊、TIG焊、MIG焊、電子束焊、激光焊和攪拌摩擦焊等多種方法[1]。近年來隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，銅的攪拌摩擦焊越來越多的被應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)[2]。特別是攪拌摩擦焊過程中焊縫不帶電，所以可以被應(yīng)用于強(qiáng)磁場(chǎng)條件下進(jìn)行焊接。由于銅的熔點(diǎn)相對(duì)較高，特別是部分銅合金的硬度大、強(qiáng)度高，攪拌摩擦焊銅合金對(duì)攪拌針的設(shè)計(jì)是一個(gè)很大的考驗(yàn)[3]。

湘電動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的一款水下電機(jī)中，電機(jī)轉(zhuǎn)子由內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套、上蓋板、下蓋板、磁軛和磁鋼組成，具體如圖1所示。其中內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套、上蓋板和下蓋板采用鎳鋁青銅制造，且磁鋼已完成充磁具有強(qiáng)磁性。由于電機(jī)的工作環(huán)境為水下，所以要求對(duì)磁鋼進(jìn)行保護(hù)，從而要求采用焊接的方式將內(nèi)護(hù)套、外護(hù)套、上蓋板和下蓋板連為一體，并要求焊縫能承受1.5 MPa的氣壓。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的內(nèi)部有帶強(qiáng)磁性的磁鋼，所以一般帶電的焊接方法如TIG、MIG和電子束焊都不能完成轉(zhuǎn)子的焊接。因磁鋼在高溫下有失磁的風(fēng)險(xiǎn)，感應(yīng)釬焊或火焰釬焊無法完成本轉(zhuǎn)子的焊接。通過調(diào)研，選擇與轉(zhuǎn)子帶磁性關(guān)系不大且焊接溫度相對(duì)較低的攪拌摩擦焊進(jìn)行研究。

1-外護(hù)套；2-下蓋板；3-磁軛；4-磁鋼；5-上蓋板；6-內(nèi)護(hù)套

轉(zhuǎn)子用鎳鋁青銅的牌號(hào)為ZCuAl9NiFe4Mn2，抗拉強(qiáng)度在640 MPa左右，材質(zhì)較硬，需要比焊接紫銅更高的溫度才能將其軟化并焊接好。本文從攪拌頭設(shè)計(jì)，焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)，焊縫性能等方面摸索焊接電機(jī)轉(zhuǎn)子所需要的工藝參數(shù)；同時(shí)理清了電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接工藝步驟中需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題；電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接后的著色檢查和氣壓試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 ZCuAl9NiFe4Mn2材料性能介紹

本電機(jī)使用牌號(hào)為ZCuAl9NiFe4Mn2，通過精密鑄造而成，抗拉強(qiáng)度在640MPa左右。其材料的化學(xué)成分如表1所示：

表1 ZCuAl9NiFe4Mn2的化學(xué)成分（wt％）

據(jù)資料記載 鎳鋁青銅ZCuAl9NiFe4Mn2于1945年開始被用于制造船用螺旋槳，它以優(yōu)異的綜合性能已經(jīng)成為世界上最常用的螺旋將首選材料。

1.2 攪拌頭設(shè)計(jì)

本攪拌頭采用熔點(diǎn)達(dá)2850℃的鎢合金制造，其在高溫下的高強(qiáng)高韌性使得其可以焊接銅合金、鈦合金和不銹鋼等熔點(diǎn)較高的金屬。圖2是為電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接而設(shè)計(jì)的攪拌頭[4]。

在圖2中，其軸肩直徑為ф14 mm，攪拌針的針長(zhǎng)為2.5 mm（如圖5所示），為右旋螺旋結(jié)構(gòu)，針尖底部直徑為ф2 mm，頂部直徑為ф5 mm。焊接傾角設(shè)置為2.5°。

1.3 焊接工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

焊接工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)不僅與攪拌頭的結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與母材的材質(zhì)、板厚、長(zhǎng)度和寬度有關(guān)，與焊接過程中是否噴水冷卻有關(guān)，設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮上述因素。圖3所示的板材厚度和寬度與電機(jī)轉(zhuǎn)子的上蓋板厚度和寬度均一致，分別是7 mm和18 mm，圓弧的直徑與上蓋板的直徑也一致。

圖2 攪拌頭外形

圖3 鎳鋁青銅的焊接工藝參數(shù)調(diào)試

1.4 焊縫的性能檢測(cè)及電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量檢測(cè)

鎳鋁青銅在試板上攪拌摩擦焊后需要測(cè)試焊縫的有效深度；檢查焊縫是否致密無缺陷。并且需要測(cè)試焊縫的抗拉強(qiáng)度，作為比較也需要測(cè)試母材的抗拉強(qiáng)度。

電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接需要設(shè)計(jì)焊接工裝并檢測(cè)工裝的有效性，經(jīng)過關(guān)鍵工序進(jìn)行處理，焊接過程中對(duì)攪拌針噴水冷卻，焊接后對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊縫進(jìn)行著色探傷、磁性能檢測(cè)和1.5 MPa的氣壓試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊縫寬度測(cè)量及焊縫金相檢查

圖4為焊接終了時(shí)拔出攪拌針時(shí)留下的匙孔，在圖中，其焊縫最大寬度為14 mm。將焊縫進(jìn)行剖面金相檢查，焊縫組織致密，焊縫的有效深度為2.8 mm（具體如圖5和圖6所示）。由于本電機(jī)轉(zhuǎn)子外護(hù)套最后的成形尺寸中壁厚為2 mm，所以2.8 mm的有效焊接深度可以滿足焊縫不是整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)的要求，即焊接深度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2 焊接工藝參數(shù)

根據(jù)初選一組焊接工藝參數(shù)且一次改變一個(gè)參數(shù)的原則，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了多組不同的工藝參數(shù)并進(jìn)行焊縫的表面質(zhì)量對(duì)比。從多組焊接工藝參數(shù)中實(shí)驗(yàn)選定轉(zhuǎn)速1800 r/min和行走速度120 mm/min，焊接過程噴水冷卻的工藝參數(shù)為后續(xù)試驗(yàn)的工藝參數(shù)[5]。本工藝參數(shù)條件下的焊接表面質(zhì)量如圖7所示，圖中所示的焊縫平滑，成形美觀。后續(xù)產(chǎn)品的焊接采用此工藝參數(shù)。

圖4 攪拌孔的最大直徑為5 mm

圖5 上半部分焊縫宏觀金相

圖6 上半部分焊縫宏觀金相

2.3 焊縫的抗拉強(qiáng)度

經(jīng)測(cè)試母材鎳鋁青銅的抗拉強(qiáng)度和焊縫的抗拉強(qiáng)度，母材的抗拉強(qiáng)度為638 MPa，焊縫的抗拉強(qiáng)度為631 MPa。焊接后母材的抗拉強(qiáng)度下降5％，滿足產(chǎn)品對(duì)焊縫抗拉強(qiáng)度的要求。

2.4 關(guān)鍵工序的技術(shù)處理

2.4.1外護(hù)套側(cè)焊縫上攪拌孔的處理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，外護(hù)套的厚度為15 mm，焊接后將外護(hù)套的厚度加工至2 mm。攪拌頭針尖的根部直徑為ф5 mm，攪拌頭軸肩的直徑為ф14 mm。

圖7 1800 r/min，120 mm/min參數(shù)條件下焊縫實(shí)物

如果在完成焊接在向外護(hù)套的外側(cè)引出攪拌針時(shí)，攪拌頭的軸肩外側(cè)與外護(hù)套的外圓重合，則攪拌孔的凹坑距離焊縫中心的距離為15-14/2-5/2=5.5（mm），根據(jù)后續(xù)的機(jī)加工要求，攪拌摩擦焊后外護(hù)套的壁厚要求加工為2 mm，所以焊接并機(jī)加工后此位置的攪拌孔將被完全去除，不會(huì)影響機(jī)加工后的外形尺寸。也就是外護(hù)套厚度為15mm可以滿足焊接后對(duì)攪拌孔的機(jī)加工去除要求。為此，我們將在焊接外護(hù)套層焊縫時(shí)的尾孔設(shè)計(jì)在外護(hù)套的中心，以便機(jī)加工時(shí)可以完全去除。

2.4.2內(nèi)護(hù)套側(cè)焊縫上攪拌孔的處理

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，內(nèi)護(hù)套的壁厚為7 mm，攪拌頭根部針尖的直徑為ф5 mm，攪拌頭軸肩的直徑為ф14 mm。由于結(jié)構(gòu)受限，需要考慮將攪拌孔留在焊縫中心還是留在蓋板的中心。

通過對(duì)塞焊點(diǎn)的焊縫質(zhì)量檢查，認(rèn)為塞焊銷沒有與蓋板形成充分的冶金結(jié)合[6]，具體如圖8和圖9所示。如果留在焊縫的中心將導(dǎo)致攪拌孔下面的有效焊縫深度只有0.3 mm，將嚴(yán)重影響耐氣壓的能力。

圖8 拋光后的塞焊點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了塞焊對(duì)提高攪拌孔處的焊縫有效厚度沒有明顯的幫助，只對(duì)提高焊縫的表面質(zhì)量有好處。為此，我們將焊接尾孔引入蓋板中心，從而避開焊縫尾孔處有效焊縫深度較小的問題。圖10和圖11為電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，焊縫尾孔引入蓋板中心后，焊縫底部凸出量小于0.1 mm，焊接變形非常小。轉(zhuǎn)子焊接時(shí)將內(nèi)圈焊縫的尾孔引入蓋板中心對(duì)轉(zhuǎn)子的焊接質(zhì)量無負(fù)作用。

圖9 塞焊點(diǎn)紅色區(qū)域放大（50倍）

圖10 焊接尾孔引入蓋板中心

圖11 焊縫底部凸出量小

2.5 焊接工裝設(shè)計(jì)

圖12為電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接工裝實(shí)物，其設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：

1）外護(hù)套、內(nèi)護(hù)套和蓋板與膠木板貼合，電機(jī)轉(zhuǎn)子中心圓筒部分離地，膠木板受力以增加焊接過程中的穩(wěn)定性，同時(shí)有助于防止外護(hù)套在焊接過程中下墜；

2）焊接工裝除膠木板以外都采用不導(dǎo)磁的304不銹鋼材料制作；

3）轉(zhuǎn)子的內(nèi)護(hù)套采用不銹鋼環(huán)形板支撐以防止焊接過程中焊縫下塌變形，外護(hù)套采用304不銹鋼墊片和螺栓固定，共有12組墊片，24個(gè)螺栓。

2.6 電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接及焊后檢查

2.6.1電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接的冷卻措施

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子的單條焊縫長(zhǎng)度2000 mm，為了保護(hù)攪拌頭在焊接過程中不發(fā)生變形，電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接過程中攪拌頭采用噴水冷卻[7]。為了防止焊接一段時(shí)間后電機(jī)轉(zhuǎn)子的整體溫度上升，采取外護(hù)套用濕毛巾淋水在緊跟攪拌頭后面的外壁上多頻次的敷擦以達(dá)到盡可能快的散熱的方法以保證焊接過程中的溫度平穩(wěn)性。圖13所示是采用手動(dòng)噴水的方法冷卻攪拌并頭，采用手工用濕毛巾淋水在緊跟攪拌頭后面的外壁上多頻次的敷擦方法促進(jìn)外護(hù)套散熱。

圖12 焊接工裝實(shí)物

圖13 對(duì)攪拌頭及外護(hù)套進(jìn)行冷卻實(shí)物

2.6.2電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接后著色探傷

在完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接后，為了達(dá)到著色探傷需要的粗糙度不大于3.2的要求，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊后進(jìn)行了車削加工，加工去除的厚度為0.2 mm。探傷結(jié)果顯示，焊縫質(zhì)量滿足GB/T47013.5的Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。此擦傷結(jié)果顯示攪拌摩擦焊縫的表面質(zhì)量?jī)?yōu)良，滿足產(chǎn)品對(duì)焊縫表面質(zhì)量的要求。

2.6.3焊接后的磁場(chǎng)檢測(cè)

為了檢測(cè)攪拌摩擦焊產(chǎn)生的熱量是否會(huì)對(duì)磁鋼的磁性有負(fù)作用，電機(jī)轉(zhuǎn)子攪拌摩擦焊后對(duì)其磁場(chǎng)進(jìn)行了檢測(cè)，具體如圖14所示。檢測(cè)結(jié)果顯示，焊接前和焊接后的磁場(chǎng)沒有變化，焊接產(chǎn)生的高溫沒有對(duì)磁鋼的磁性產(chǎn)生影響。滿足產(chǎn)品對(duì)磁鋼磁性能的要求。

圖14 焊后磁場(chǎng)檢測(cè)實(shí)物

2.6.4氣壓檢測(cè)

焊接后的電機(jī)轉(zhuǎn)子經(jīng)過1.5 MPa的氣壓，保壓60 min無泄漏，如圖15所示。

圖15 電機(jī)轉(zhuǎn)子焊后試氣壓實(shí)物

產(chǎn)品在焊接后的氣壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本轉(zhuǎn)子在后續(xù)的灌膠工序及產(chǎn)品在深海中的密封性能可以滿足設(shè)計(jì)要求，即焊縫質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

通過分析和試驗(yàn)，最終完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的攪拌摩擦焊，得出如下結(jié)論：

1）在設(shè)定工藝參數(shù)條件下，鎳鋁青銅試板的攪拌摩擦焊縫宏觀金相質(zhì)量?jī)?yōu)良，焊縫的抗拉強(qiáng)度比母材下降5％左右；

2）鎳鋁青銅在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下可以完成攪拌摩擦焊；

3）通過設(shè)計(jì)合適的攪拌頭及焊接工裝，將匙孔引入特定的位置后可以完成符合產(chǎn)品技術(shù)要求的鎳鋁青銅電機(jī)轉(zhuǎn)子的焊接。

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Friction Stir Welding of Rotor of Ni-Al Bronze Motor

Lei Wen, Chen Yangke

（Naval Representatives Office in Hunan, Xiangtan 411100, Hunan, China）

The inner sheath, outer sheath, upper cover plate and lower cover plate, yoke and magnetic steel made of nickel aluminum bronze ZCuAlNiFeMn constitute the motor rotor working in sea water. In order to protect the magnetic pole, it is necessary to weld the inner sheath, outer sheath, upper cover plate and lower cover plate as a whole under the condition of strong magnetic after magnetization, and the welding seam can withstand 1.5MPa air pressure. In this paper, from the design of stirring needle, welding process parameters design, weld performance and other aspects to explore the required process parameters for welding motor rotor; At the same time, all the key technical problems needed to weld the motor rotor are solved; After welding, the motor rotor passed various tests and was confirmed to be qualified. The successful welding of the motor rotor provides a practical process for the welding of copper alloy under the condition of strong magnetic field.

TG441.8

A

1003-4862（2021）10-0028-05

2021-09-08

雷雯（1980-），男，本科。研究方向：電氣工程。E-mail: xemcjiexi@126.com