钎焊技术在线圈制造中的应用

付鲁宾, 申　东, 刘晓艳

(1. 东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳　618000；2. 四川省长城安全事务有限公司，四川德阳　618000)

钎焊技术在线圈制造中的应用

付鲁宾1, 申东1, 刘晓艳2

(1. 东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳618000；2. 四川省长城安全事务有限公司，四川德阳618000)

摘要：线圈是大中型电机的心脏部件，钎焊技术在线圈制造中起到至关重要的作用。文章从钎焊技术的原理和特点入手，并结合线圈具体结构件和接头简单阐述了线圈制造过程中常用的钎焊方法、钎焊要点、常用钎料和钎剂，以及钎缝检测手段。为工艺设计人员提供一定的参考和借鉴。

关键词：线圈制造; 钎焊;电机;检测

0引言

大型水电、火电、核电、燃机等成套设备的设计和制造能力是一个国家重大装备制造业水平的综合体现。随着机组单机容量的不断增大，产品结构的日新月异，制造难度越来越大，而对制造技术的要求却越来越高。钎焊技术这门传统技术，发展至今已在国民经济的各领域获得日益广泛的应用，如航空航天、原子能、仪表仪器、制冷暖通等领域。而线圈制造是大型电机制造中的关键技术之一。在线圈制造中钎焊技术主要应用在定子、转子线圈等构件的连接，母材多为纯铜和铜合金。

1钎焊原理和特点

钎焊是采用比母材熔化温度低的钎料，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液体钎料在母材表面润湿、铺展、毛细流动，与母材相互熔解与扩散而实现结构件连接的一种焊接方法[1-2]。根据国家标准将使用钎料液相线温度在450℃以上的钎焊称作硬钎焊，在450℃以下称为软钎焊。为保证得到优良的接头，钎焊前钎接部位必须经彻底清理，去除油脂、氧化皮等影响钎焊质量的杂质。只要所选用的钎料、钎剂和钎焊方法得当，便可使接头无需机械加工而又“天衣无缝”。

钎焊技术特点主要为：1)能实现精密装配，焊后变形小，能保证结构尺寸；2)加热温度下，对母材金属组织影响小；3)形状特殊，截面尺寸差异大的部件也可实现钎接。但是钎焊接头强度一般稍低，特别是耐热性能差；对于异质母材容易产生接头和母材之间不同程度的电化学腐蚀。

2钎焊要点

钎焊要点即钎焊的核心技术要素，一般而言影响钎焊质量的主要变素包括：1)钎缝间隙的选择；2)钎料的选择；3)钎焊温度的控制；4)钎焊部位清洁度的控制。它们之间相互影响，又相互依存。

2.1接头的设计

设计钎焊接头时，首要考虑的是接头的功能和接头的机械强度；其次还要考虑如何保证组合件的尺寸精度，零件的装配定位，钎料的放置和接头的间隙等。常见的钎接接头形式主要有搭接、对接和镶接，以及它们之间相互的组合形式。接头间隙的大小在很大程度上影响钎缝的致密性和接头强度，最佳间隙一般控制在0.05～0.15 mm[2]，对于额外添加钎剂的情况比无需添加的情况设计间隙大0.03～0.05 mm。另外对于膨胀系数差别大的异种母材，接头设计时要充分考虑到膨胀导致接头间隙的变化，钎焊时考虑装卡定位[3]。

2.2常用钎料和钎剂的选择

钎接母材很大程度上决定着钎料的选择，其次还要考虑经济性能和适应性能。由于电机“心脏”的线圈材质主要是纯铜和铜合金，常用的硬钎焊钎料为：BCu80AgP、BAg45CuZn和BAg50CuZnCd。第一种钎料为自钎剂钎料，钎接时无需额外添加钎剂；而后两种钎料，需额外添加钎剂才能实现钎接。常用的软钎焊钎料为S-Sn60PbAA、S-Sn63PbAA、Sn96.5Ag3.5。软钎焊时一般都需要添加钎剂才能使用钎接，常用的软钎剂有天然松香和锡焊膏。钎剂的主要作用是防止母材表面氧化，去除母材和钎料表面的氧化物，同时还起到减少表面张力和促进钎料流动性的作用。

2.3工艺参数

钎焊过程中主要的工艺参数有钎焊温度、加热时间以及保温时间。钎焊温度主要取决于所选择的钎料，钎焊温度通常高于钎料液相线温度25～50℃，以保证液态钎料充分填充钎缝，并和母材发生相互作用。加热时间主要是指从开始加热升温到钎料开始熔化的时间段，一般控制在1～1.5 min为宜[4]；保温时间是指预置钎料熔化的时间段，主要由工件大小，及钎料与母材相互作用的剧烈程度而决定，大件的保温时间应长些，钎料与母材作用强烈的应短些，一般控制在10～30 s。

2.4钎焊部位清洁度的控制

钎焊部位的清理主要用钢丝刷或者砂纸，去除表面的氧化皮；然后用酒精或丙酮清洗，去除油污等。对于批量生产的部件也常采用酸洗的方式，但是需要大量的清水冲洗。清洗干净的钎焊面必须戴洁净的白纱手套才能触摸，而且12 h内完成钎焊，否则需要重新清洗。

3钎焊技术的应用

钎焊技术在线圈制造过程中应用广泛而且关键，如水内冷汽发定子线圈水电接头的连接，半匝式转子线圈的组合连接，以及条形定子线圈引线端部的封焊等。钎焊方法多样，接头形式多变，目前以较为先进的中频感应钎焊为主，火焰钎焊和电阻钎焊为辅，而且每种方式所发挥的作用一时还难以完全取代。

3.1火焰钎焊

火焰钎焊利用可燃气体燃烧产生的火焰进行加热的钎焊方法，可燃气体的选择性多样。在本分厂主要是采用氧-天燃气焰、氧-乙炔焰进行加热钎焊的。主要用于水发条形线圈引线端部的封焊，300 MW汽发定子线圈水电接头的封焊，如图1所示。转子线圈引出线的组焊等，如图2所示。火焰钎焊的优点是灵活性高，特别适宜返修和补焊，以及单件和形状复杂工件的钎焊；缺点是对操作者技能依赖程度高，而且钎焊质量稳定性差。

图1　定子线棒水电接头的封焊

图2　转子引出线火焰钎焊

3.2电阻钎焊

电阻钎焊又称接触钎焊，是依靠电流通过钎焊处电阻产生的热量来加热和熔化钎料的。电阻钎焊分直接加热和间接加热，我公司采用的是间接加热的方式。由于电阻焊机钳口自带一定的压力，相当于一个自带的定位工装，因此该钎焊方式特别适用于定位要求较高的接头的钎接，而且钎焊效率高，质量稳定。电阻钎焊应用最多的是汽轮发电机转子线圈的组焊(如图3所示)，转子引出线，极间连接线等复杂结构件接头的连接钎焊。汽发转子线圈组焊接头主要是“Ω”接头和搭接接头。它们的钎焊要点稍有差别，“Ω”接头需要确保对接间隙，以不超过0.2 mm为宜，而且要求冲模冲出的“Ω”接头塌边小或者无塌边，目的是减少后续线圈滚弧成型或者转子线圈下线中对钎缝的影响，一般而言，钎缝处钎料堆积越厚，接头抗剪性能越低。采用搭接接头的转子线圈主要是汽发350 MW机型，钎焊时特别要注意将对接处填补平整圆润，目的是增大横截面的导电面积，同时增大抗拉力。对于转子线圈钎焊接头而言，在机组工作时是受力部件，对钎焊质量要求非常高，而且接头全部采用无损检测又费时费力，因此外观质量检查就很关键，必须做到接头无裂纹，而且气孔和缺料现象不得出现在钎缝的转角处。

图3　汽轮发电机转子线圈组焊

3.3感应钎焊

感应钎焊是靠感应器使接头内部产生的感应电能来实现加热的。由于热量由工件自身产生，因此加热迅速，工件表面氧化少，并可防止母材晶粒长大和再结晶的产生。近年来，感应钎焊应用越来越广泛。

在感应钎焊中，感应器设计和制做的优劣是影响钎焊质量的关键因素。大部分钎焊结构件的连接都是通过感应加热来实现的，特别是重点产品或者有特殊要求的核心部件。如超临界、超超临界汽轮发电机定子线棒水电接头的封焊(见图4)，水发机组带有并头块结构的定子线圈引线端部封焊，水轮发电机组磁极线圈自动组焊(见图5)，核电转子线圈的组焊等都实现了中频感应钎焊。有密封要求的汽发定子线圈水电接头的封焊是难点也是重点，必须确保水接头焊后前面不堵空心孔，后面每根股线之间不渗漏，钎焊重点在于每层股线之间钎料预置量适当，而且预置位置距离股线端头控制要合适，经多次验证约15 mm为最佳，同时加热时间可控，确保接头受热均匀。水发定子线圈引线端部封焊的重点在于有效控制线圈升高和节距，以线圈胶化模为基础，根据理论值在端部封焊夹具上划线，并以此进行焊后热态校型。不同尺寸规格的磁极线圈自动组焊之前均要进行弯曲和拉伸力学性能试验，以及对接面钎焊结合率检测以确定最佳加热工艺参数。一般而言，必须做到弯曲90°无裂纹，抗拉强度不低于196 MPa(T2退火状态下抗拉强度)，对接面钎焊结合率不低于80%(射线探伤)。将满足以上性能要求的工艺参数输入钎焊自动控制系统，完成线圈的自动组焊。

图4　水内冷定子线圈电接头封焊

图5　磁极线圈自动组焊

4钎缝质量检测

钎缝在整个钎焊构件中属于较薄弱的部位。为了保证钎焊结构件的质量和运行安全，一般都要对钎缝进行检测。检测方法分无损检测和破坏性检测，在线圈结构件生产过程中广泛采用的是无损检测。常用的无损检测方式有钎缝外观质量检查、液体渗透检查、密封性检查、射线探伤和超声波探伤等。破坏性检测方式主要用于钎焊工艺评定试验件和钎焊工培训考试件，常用的破坏性检测方式主要有钎焊接头切片、拉伸、弯曲、剪切、剥离等。在分厂应用最多的无损检测手段是外观质量检测，除了外观检测对于机组工作时承力部件的转子线圈还采用抽检的方式进行射线和液体渗透检查；对于有密封要求的钎缝进行密封性检查，有特殊要求的还要进行超声波检查。水发磁极线圈组焊前一般都先进行钎焊接头的破坏性检测，确定满足性能的工艺参数，然后进行自动钎焊。原则上讲，检查仅仅是手段，钎焊质量的优劣取决于工艺过程控制和操作者对钎焊要点的理解和把握[3]。

5结语

经过多年的积累和发展，目前本公司所采用的钎焊工艺和钎焊方法能够满足产品质量和生产进度的需要，但是随着业主对机组质量要求的不断提高，对钎焊工艺和方法也会提出更高的要求。为适应这种变化，我们将严格控制钎焊工艺流程，在完善现有钎焊工艺和方法的基础上，根据产品的结构特点，创新应用更加有效的钎焊工艺和钎焊方法，结合线圈制造新工艺，稳步提升线圈的制造水平。

参考文献

[1]赵越.钎焊技术及应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

[2]张启运，庄鸿寿.钎焊手册[M]. 北京：机械工业出版社，1999.

[3]陈锡芳.水轮发电机结构运行检测与维修[M].北京：中国水利水电出版社，2008.

[4]薛松柏.钎焊技术问答[M].北京：机械工业出版社，2007.

作者简介：

付鲁宾，1982年生，男，工程师，2007年毕业于西安交通大学材料加工专业，现从事钎焊技术新工艺的研究和开发工作。