电动机转子端环相控阵超声探伤实验

连 军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)



电动机转子端环相控阵超声探伤实验

连 军

(佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002)

通过对平底孔铜试块及转子端环钎焊接头的相控阵超声波检测实验，验证了此探伤方法的可靠性，尤其是对未钎合的判定更有优越性，对改进钎焊工艺、提高焊接质量有很大帮助。

相控阵超声波；转子端环；导条；钎焊接头；气孔；未钎合

0 引言

有一类异步电动机转子笼型绕组由端环与导条钎焊连接，其焊接质量对绕组的机械强度、导电性能影响很大，因此转子端不钎焊工艺的主要目标是控制钎焊接头的缺陷。无损检测是控制和调整钎焊工艺的重要辅助手段。

笼型绕组钎焊接头用射线进行探伤难度相当大，同时射线技术对于体积型缺陷比较敏感，而对未钎合这种面积型缺陷很不敏感，所以射线方法很难检测到未钎合这类缺陷，而超声方法对面积型缺陷很敏感，因而对未钎合类缺陷比较敏感。超声波探伤接收的是反射波，且容易较厚工件进行探伤，因此适合于这种端环与导条焊接结构的探伤。但用普通的超声波难以检测缺陷的形状及缺陷的类型，对钎着率的检查也无能为力。相控阵超声波探伤是无损检测行业的新兴技术，在钎缝检查方面在国内的应用也刚刚开始，本文介绍相控阵超声波探伤技术在端环钎焊接头的检测实验。

1 端环钎焊缺陷原因分析

异步电动机转子端环与导条焊接的主要问题是气孔及未钎合，端环与导条常见的结构如图1所示。二者材料多为铜及铜合金，端环厚度可以达到100mm以上， 端环加工环槽与多根多条装配成T型接头，钎料熔化后填充到端环环形槽中以及端环与导条的间隙中。熔化的钎料在导条与端环间隙的浸润速度不相同，同时钎料从缝隙四周向内部浸润，气体不易排出形成夹气，由于钎焊温度梯度小，气体难以短时排尽。另一方面钎剂粘度大，也不易短时排出，从而易形成气孔。未钎合是由于导条与端环的装配间隙不均匀、温度差别、表面有氧化物等原因影响钎料浸润，从而致局部有未钎合现象，因此容易产生缺陷的位置是导条与端环对接的钎缝，在工程生产中有的厂家要求钎着率达到70%以上，有的厂家要求85%以上。

图1 端环与导条钎焊结构示意图

2 常规超声波探伤与相控阵超声波探伤比较

2.1 常规超声波检测的缺点

常用的超声波检测探头发射的是单束波，探查目标是一个点，其扫描轨迹是一条线，检测示意图见图2(a)所示。检查时探头进行来回栅格式扫查，从而导致检出率低、检出结果受人为影响大、不能可靠反映出缺陷整体特征，因此其检测结果有很大的局限性。

图2 超声波检测示意图

2.2 相控阵超声波检测的优点

相控阵超声波检测探头集成多个晶片，能发射多束波，探查目标是一条线，其扫描轨迹是一个面，检测示意图见图2(b)所示。可以实时彩色成像，便于缺陷判读，容易检出各种走向、不同位置的缺陷，缺陷检出率高，定量、定位精度高，检测结果受人为因素影响小。

3 模拟试块的相控阵超声波检测

3.1 模拟试块的制作

钎焊缺陷的型式多样，有的连成不规则形状，有的分散，有的由很多小缺陷密集分布某一区域，为试验相控阵超声波的探伤和效果，模拟端环与导条焊接时的气孔或未钎合缺陷，设计模拟试块，试块的材质为紫铜，厚度95mm，两个相邻平面上钻各种直径的平底孔，按试验端环环槽深度设定孔深8mm,考虑到钎焊的特点，可以认为3mm以内的缺陷可以忽略，最大的缺陷应不超过导条厚度的一半，因此模拟样块孔的直径最小选择为3mm,最大为8mm,孔的深度与产品端环环槽深度相同，各种小孔单个分布或按不同孔距成簇分布，两个相对的平面不钻孔，作为超声波探头接触面，设计两个试块，其中一块加工四个单孔，另一块加工6组成簇孔， 用10组孔验证相控阵超声检测能力分别见图3、图4。

图3 单个孔模拟试块

图4 成簇孔模拟试块

3.2 模拟试块的相控阵超声波检测

用某型号相控阵超声波探伤仪，选用64晶片低频相控阵探头，与模拟试块钻孔相对的平面耦合，从一端平移至另一端，对10组模拟缺陷分别扫查，检测数据见表1。下面是其中3组孔图像，φ3单孔检测图像见图5所示。6×φ3多孔(孔距20mm)检测图象见图6所示。 16×φ5多孔(孔距8mm) 检测图象见图7所示。

图5 φ3单孔检测图像

图6 6×φ3多孔检测图像

图7 16×φ5多孔检测图像

通过测试结果可以看出，相控阵探头直观地检出了所有模拟缺陷的外形，并能显示缺陷的大小和深度，图像清晰易读，另外试验探头尺寸较大，检测速度快。如果对探头延迟及系统增益进一步校正，则缺陷的定量测试会更加精确，这种效果是普通超声波探伤无法达到的。

4 实际焊接件相控阵探伤

准备一个厚度87mm紫铜端环及若干根导条，为制作假缺陷，导条端部未清理，按图1所示方式装配好，并在钎料槽中预置颗粒状BAg45CuZn钎料及QJ102钎剂，端环与导条用感应加热的方法整体一次焊成，为探伤研究方便，端环外圆加工出一个台阶，使端环槽里的钎料露出，并切割出一段端环，端环上保留2根导条，见图8所示。选取5个典型位置A、B、C、D、E作为探伤目标，见图9。5个位置的材料及厚度见表2。超声波束选用扇形扫描方式方法(s-扫描)，图10为声束模拟图。各位置探测后，沿T型钎接头横截面分层铣削，每铣削5mm对钎焊接头观察，由于未钎合难以用肉眼察觉，需用渗透检验的方法探查，将渗透检出的缺陷与相控阵超声波的检测结果对照，从而验证相控阵探伤的准确性。

图8 实际焊接件尺寸图

图9 实际焊接件探测位置图

图10 声束模拟图

4.1 位置A、C检测

位置A是端环母材，无钎料及导条。超声测量结果厚度为85.16mm，接近87mm的实测值，见图11。可见底波信号强度较高，已经高于100%满屏。位置C与位置A一样，为端环母材位置，无钎料，无导条。超声测量结果厚度为68.35mm，接近实测值70mm。

图11 位置A相控阵检测图像

4.2 位置B检测

位置B是端环母材与钎料的复合层，无导条，此位置的端环环槽由钎料熔化后浸润填充形成。超声测量结果厚度为86.99mm，接近87mm的实测值。图像的颜色比A位置浅，底波信号强度低于上面的纯铜A位置，这是因为在纯铜与钎料之间的界面会有信号衰减，而且由于纯铜基底与钎焊料之间的材料声速非常接近，所以无明显界面反射，仅反映为信号变弱。如果此处之前的位置有明显回波，表明有脱焊缺陷,见图12。从此也可以看出钎料与环槽表面的钎焊质量易于保证。

图12 位置B相控阵检测图像

4.3 位置D检测

位置D为端环与导条钎焊区域，要求钎料与端环环槽、导条侧面及端面浸润良好，按前面的分析，导条与端环之间的钎缝易出现未钎合。此位置扫描图像见图13。

图13 位置D相控阵检测图像

从图像观察，导条根部图像很浅，有较弱的底面信号，说明此处缺陷很小，两边为钎料填充区域的表面回波。超声测量显示，导条根部信号与钎料填充区域表面回波的高度差为8.82mm，接近实测值7mm，导条厚度(包含融合面)测量值为11.70mm，接近实测值12mm。对位置D钎焊接头横截面进行渗透检测见图14，可以看到导条根部、侧面、端环环槽面没有明显的缺陷显示，可以证明这种探伤方法是可靠的。

图14 位置D截面着色检测

4.4 位置E检测

位置E与位置D的情况类似，为端环与导条钎焊区域，扫描图像见图15。在位置E发现导条根部图像颜色较深，明显比D点颜色深，说明E点的回波信号高于位置D的根部回波信号。由此判断，位置E导条根部缺陷较为严重。对位置E钎焊接头横截面进行渗透检测见图16。可以看到导条根部有明显的缺陷显示。

图15 位置E阵检测图像

图16 位置E截面渗透检测

在位置D或E的地方左右移动一点距离，可以看到钎料表面区域底波依然可见，但导条根部缺陷信号很弱，因为导条根部缺陷通常平行于表面，如果入射声波与缺陷层不垂直，则接收不到来自缺陷层的回波。而且因为可以看到导条两侧的钎焊区域底波，说明声束已经穿过导条的侧壁，也间接说明侧壁焊接的良好的，从图16着色检查也可以看出，导条与钎料的侧面钎焊面没有缺陷。

5 结语

通过对平底孔试块及实际工件探测试验，可以看出相控阵超声波探伤技术适合于电机转子端环钎焊，其优点主要体现在以下几个方面。

(1)能够准确定位端环钎缝中缺陷的大小及深度，并能直观显示缺陷的形状，且能通过图像颜色的深浅判断缺陷的程度。

(2)探头尺寸大，扫描范围大，端环的端面为圆环平面，因此检测速度快，效率高，且不易产生漏检。

(3)相控阵技术结合低频探头，探测深度大，特别适合于各种电动机紫铜端环的探伤。

如果进一步校正测量参数，检测精度会更加精确，这些优点有助于帮助技术人员、操作者及时掌握端环钎焊情况，并及时调整工艺保障措施，特别是在要求控制钎着率的场合，相控阵超声波探测技术能发挥更大的优势。

[1] 曲淑琴，成奇.铜排与端环钎焊的超声波检测[J].上海大中型电机，2001，(3)：46-48.

[2] 钟志民,梅德松. 超声相控阵技术的发展及应用[J]. 无损检测NDT . 2002,24(2): 69-72.

[3] 徐波，史文卿. 转子铜条与端环的焊接[J].大电机技术，2005，(1)：28-31.

[4] 中国机械工程学会焊接学会. 焊接手册[M].北京：机械工业出版社,2007.

[5] 刘长福，张彦新. 超声波相控阵技术原理及特点[J].河北电力技术,2008,27(3):29-31.

Phases Array Ultrasonic Inspection Experiment of Motor Rotor End Ring

LianJun

(Jiamusi Electric Machine Co ., Ltd ., Jiamusi 154002, China )

Based on phases array ultrasonic inspection experiments of the copper check block with flat bottom hole and the soldering joint of rotor end ring, reliability of the crack detection method was verified. It has superiority to judge well soldering quality, and can provide a great help to improve soldering technology and quality.

Phases array ultrasonic；rotor end ring；bar；soldering joint； air hole；unwelded

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.15

TM306

B

1008-7281(2016)06-0046-005

连军 男 1970年生；毕业于佳木斯大学(原佳木斯工学院)，现从事电机钎焊、熔化焊接工艺工作.

2016-02-25