铝绕组线圈焊接技术研究

2021-08-01侯楠

中国金属通报 2021年3期

侯楠

（中车永济电机有限公司，山西永济 044500）

作为推动高质量发展中促进经济社会发展全面绿色转型，推进能源结构转型升级的重要举措，风电已经从作为补充能源进入到替代能源的发展阶段，装机规模不断扩大。风电产业的持续发展，对风电设备的可靠性和制造成本提出了更高的要求。作为关键部件的发电机，在整机造价中的占比较大，为实现降本增效发展要求，风力发电机定子以铝绕组替代铜绕组成为一种技术趋势。本文针对风力发电机定子绕组铝基线圈焊接技术进行了研究，制定满足铝基线圈钎焊的工艺方法，完成对绕组并头搭接的焊接，并通过多种检测项点综合验证了铝基线圈钎焊的可行性。

1 铝基钎焊技术分析

钎焊是一种与熔化焊不同的固相连接方法，其中钎料的熔点低于母材的熔点，加热温度低于母材固相线而高于钎料液相线，因此钎焊时母材不熔化[1]。钎料受热熔化后，液态钎料在母材表面及缝隙润湿、铺展，与母材相互溶解、扩散，从而实现部件间的连接。铝基金属材料的可焊性较差，在空气中极易氧化生成致密的高熔点氧化膜[2]。采用钎焊方式对铝基金属材料进行焊接，由于焊接温度较低，母材金相组织不发生液相变化，不易产生过烧、过热组织，且构件变形较小。

电阻焊通过上、下电极对焊接工件施加压力，利用电流在工件结合处产生的电阻热进行加热。焊接时，电极对搭接部位进行夹持以确保必要的接触电阻，通电后电流流过母材产生热量使钎料到达熔融状态[3]。因此，结合工艺一致性要求，焊接方式选用电阻钎焊，接头形式为搭接接头。

2 焊接材料

铝绕组云母绕包薄膜熔敷铝扁线所用铝基材牌号为1A60，规格为5mmx12mm。锌的熔点和电极电位与铝的特性相近，且铝与锌的互溶度较大，钎料熔化时锌可快速向铝基体晶间渗透[4]，因此焊料选用锌铝药芯焊丝。锌铝药芯钎料由锌铝合金外皮包裹一定比例的粉状钎剂制成，用于铝基同种金属材料或异种金属材料的焊接。锌铝合金外皮以锌为基体，加入少量铝、银、铜等元素以改善钎料性能，合金外皮可避免钎剂与热源直接接触而挥发。钎剂在加热过程中可去除母材及钎料表面的氧化物、油污、杂质，并增加钎料的润湿性和毛细流动性。锌铝药芯焊丝的钎焊温度区间约为420℃～480℃，低于铝母材的熔点660℃。

3 焊接工艺

焊接前检查确认焊接设备状态良好，根据铝扁线规格确定并头搭接长度应大于25mm，宽度方向错开距离应小于1mm。根据焊接材料及搭接尺寸调整焊丝填充，使其尽可能覆盖搭接面，同时保证待焊接位置及焊料的清洁度。设定好焊接参数后，开始焊接。焊接时因铝材受热不变色，须根据接头的加热情况和钎料的熔化状态，调整焊钳电流，要求焊料融化至晶莹透亮状，充分填充焊接接头各母材间的缝隙，当边缘吸附形成坡口时停止加热。过程中用焊条将聚集的焊料引流至空缺部位，保证焊缝圆滑过渡。加热过程中，焊钳须保持加压状态，并在停止加热后保压一段时间，待焊料完全固化后方可松开。焊接部位自然冷却至室温后，焊缝周围可能附着白色钎剂遗留粉末，影响外观质量且残留的钎剂具有一定的腐蚀性，因此须打磨清理焊缝，清除表面钎剂。

4 焊样试验与结果

为保证铝绕组的力学性能、金相组织及电性能满足设计要求，按照上述焊接工艺完成试验样件制备后，进行下列试验对焊接质量进行验证。

4.1 钎缝外观评定

外观评定前，清除待检测钎缝处的钎剂残渣、氧化物、油污等，采用目视方法进行检验钎缝表面连续致密，钎角过渡圆滑，无气孔、夹杂、裂纹、疏松等缺陷。

4.2 拉伸试验

为测定焊接接头抗拉强度，观察断裂位置和断口形貌，参照GB/T 11363-2008《钎焊接头强度试验方法》，采用SANS 拉力试验机对焊接样件进行拉伸试验。

图1 拉伸试验

拉伸试验结果显示，焊接样件断裂位置均在热影响或非热影响区；试验负荷位移曲线显示，焊接样件的拉伸强度高于铝基母材的抗拉强度（55MPa），符合要求。

表1 拉伸试验

4.3 通电温升试验

变速恒压混合励磁风力发电机的结构特性、损耗分布、散热条件复杂，不同运行工况下的电机内部温升分布不同，为保整个机组的运行性能和运行效率，需要对发电机的温度场和流体场进行分析[5]，将电机温升应控制在一定范围内。绕组温升对整机温升具有较大影响，因此需对绕组并头搭接进行通电温升试验。试验时，将焊接样件置于参照电机实际运行状态下温度分布设定的恒温环境中，并通以符合电机设计要求的试验电流，以模拟风力发电机实际运行工况，分别记录焊接接头处及远端铝扁线母材采样点的温度曲线（每半小时记录一次温度）。通电温升试验结果显示，当达到热稳定状态时，焊接接头处温度低于远端铝扁线母材采样点处温度，符合要求。