某型電機繞組線圈外接頭的一種原位焊接技術(shù)

陳立志

（海軍上海保障基地修船處，上海 200083）

0 引言

一般情況下，電機勵磁繞組線圈的并頭焊接方法有火焰氣焊、中頻感應釬焊和電阻釬焊等多種焊接方法，在現(xiàn)場電機沒有解體大修的情況下，這幾種焊接方法都難以滿足現(xiàn)場維修的條件[1]。比如：中頻感應釬焊的現(xiàn)有焊接設備有水冷系統(tǒng)，體積比較大，沒辦法將設備放進艇內(nèi)；電阻焊時，因勵磁繞組線圈已繞制成形并固定，無法將焊料預先加到焊接接頭內(nèi)；火焰氣焊因加熱面積比較大，對線圈周圍的絕緣燒損比較嚴重。

根據(jù)現(xiàn)場查看，確定該勵磁繞組線圈的焊接采用的釬料為Sn基釬料。由于Sn基釬料的熔點(220℃左右)比較低，可以采用鉻鐵加熱而達到Sn基釬料的釬焊溫度，從而可以進行線圈的焊接。

根據(jù)目前艇上的實際情況，電機定子的周圍空間只能容納一個人操作，且只能在艇內(nèi)進行修復。為此需針對實際情況制定了該勵磁繞組線圈的焊接工藝。

1 焊接工藝方案分析

圖1所示為電機勵磁繞組線圈結(jié)構(gòu)示意圖，經(jīng)現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)繞組線圈為純銅線圈且為兩根并繞，所用的焊料為Sn基焊料。繞組線圈并頭處的Sn基焊縫有開裂和脫落現(xiàn)象。

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品上的實際情況，我們設計了圖2所示的焊接修補方案。即通過將電鉻鐵經(jīng)處理后直接放在繞組線圈的焊縫處，通過電鉻鐵的電阻熱加熱將原來的焊縫熔化，并加入新的焊料，形成新的焊縫。

1.1 焊料選擇

紫銅錫焊的常用 Sn基釬料有 Sn95Sb5、Sn-Ag-Cu和Sn-Cu，這三種焊料的性能參數(shù)如表1 所示[2]：

這三種釬料與紫銅的釬焊性都比較好，但是Sn-Cu的屈服強度較小，延伸率較低；Sn95Sb5的熔點相對偏高；Sn-Ag-Cu相對于上述兩種釬料有較好的延伸率及抗拉強度，電阻率與其它兩種釬料的電阻率相當。綜上比較，我們選定Sn-Ag-Cu作為本電機勵磁繞組線圈的修復用焊料。

圖1 繞組線圈焊接示意圖

本次Sn-Ag-Cu焊料的配套焊劑為含有Sn-Ag-Cu焊料的膏狀焊料。

圖2 繞組線圈原位補焊示意圖

表1 錫基釬料性能參數(shù)

1.2 焊接工藝的關(guān)鍵點分析

因為現(xiàn)場的情況復雜性，操作空間有限，電機勵磁繞組線圈上都涂有絕緣漆且線圈固定的很牢靠不能掰動。根據(jù)實際情況，本焊接工藝的制定考慮了以下問題：現(xiàn)場清除掉定子線圈上的油漆和油污等；為防止焊縫處的熱量傳導燒損線圈上的絕緣，在焊接時將線圈上離焊縫10 mm左右的地方覆蓋上一層濕的石棉紙和適形氈；因為現(xiàn)場的操作空間較小，原有焊縫為錫焊，所以將電鉻鐵經(jīng)機加工開缺后預熱繞組線圈并錫焊；停止加熱后及時修飾釬縫以減少焊后清理的難度[3]。

1.3 焊后檢測分析

根據(jù)釬焊的標準GB/T20422-2006，釬焊的釬著率在85%以上為合格[4]。

因破壞性實驗不可能在產(chǎn)品上進行，所以只能以試件的檢測結(jié)果來代表產(chǎn)品的檢測結(jié)果，并在產(chǎn)品焊接時按實驗時的工藝參數(shù)進行焊接。

2 實驗驗證

2.1 模擬勵磁繞組線圈釬著率實驗

圖1為現(xiàn)場測量定子線圈的尺寸后根據(jù)現(xiàn)有的線圈材料設計的釬著率實驗示意圖。具體的釬著率實驗工藝如下：如圖1所示將需要釬焊的搭接處用砂布拋光以去除氧化物；用鉻鐵加熱圖2所示的試件；加入釬劑清除加熱過程中產(chǎn)生的氧化物；將釬料通過搭接處加入接合面內(nèi)；觀察搭接處的接合線是否全部都滲滿釬料，如果滲滿釬料，則停止加熱；冷卻后，沿著尺寸20方向?qū)⒔雍厦姘疵織l5 mm的方法切成4條（尺寸為5×4×10）。

通過肉眼查看滲透率：

其中：A：滲透率；d：缺陷長度；L：焊縫總長度。

如果滲透率在85%以上則為合格，定子線圈的修復工藝可行。

2.2 模擬勵磁繞組線圈并頭錫焊工藝實驗

根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品上的實際情況，我們設計了圖3所示的焊接實驗，這個焊接實驗有如下三個關(guān)鍵點：

A.由于并頭套的尺寸較小且只有兩個面才有加熱的空間，所以我們設計了圖2所示的電鉻鐵結(jié)構(gòu)，為此需要對電鉻鐵的加熱部分進行機加工；

B.由于線圈周圍被并頭套完全圍住，所以只能從圖2所示的線圈與并頭套的接觸處加焊料并涂膏狀焊料；

C. 在線圈及并頭套離焊接區(qū)10 mm的地方覆蓋上一層濕的石棉紙；

根據(jù)電機上的實際情況，將普通的鉻鐵的加熱頭加工出一個臺階，具體見圖3所示：

圖3 實驗用線圈并頭錫焊圖

根據(jù)圖2所示的實驗方法，設計圖3所示的實驗用線圈并頭錫焊圖。

圖4 實驗用線圈錫焊后照片

如圖4所示，我們共按圖3的焊接方式錫焊了3組試件。

圖5(1)-(4)為圖4所示的1號試件的切面圖。

從圖4可以看出，離焊縫10 mm以外的線圈及并頭套都沒有絕緣燒損現(xiàn)象。

從圖5(1)至圖5(4)所示可以看出，從線圈的端部到下部12 mm處的位置，錫焊的釬著率都在95%以上。在端部以下17 mm的地方，其錫焊的釬著率也在85%以上，完全符合釬焊的行業(yè)標準。焊縫處的導電面積遠遠大于繞組線圈的截面積。

圖5 1號線圈沿端面銑加工的照片

從解剖實驗的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，1號線圈和2號線圈的實驗結(jié)果類似。

為了證明銑加工觀察釬著率的準確性，我們將3號線圈的錫焊處切成了3片，從結(jié)果來看，其切面的釬著率在90%左右，符合試件合格的釬焊標準GB/T20422-2006。

圖6 3號線圈沿端面鋸加工后的照片

2.3 結(jié)論

從上述的實驗情況來看，產(chǎn)品線圈并頭的錫焊從焊料、焊劑、線圈的冷卻方式、釬著率、操作的可行性等方面都是可行的。本焊接工藝及方法完全可以滿足產(chǎn)品線圈的錫焊。

3 焊后的處理

通過現(xiàn)場對繞組銅線的解剖發(fā)現(xiàn)銅線為雙絲繞包線，其外層用云母帶半疊包一層其絕緣為F級。

A.繞組焊接后鉗修焊縫周圍以保證焊接面光滑平整，防止尖角和放電等。

B.在不移動和改變主繞組的原有結(jié)構(gòu)的情況下，采用先用JZ-11密封膠對焊接面進行密封處理，再粘一層5440-1云母帶在半干時粘一層ET-100玻璃絲帶保證焊接點表面的絕緣性能。(JZ-11膠為H級耐溫)

C.最后需在焊接區(qū)域用H31-32防霉漆刷。

4 原位修復結(jié)果及結(jié)論

通過采用上述焊接工藝方法，我們對某電機繞組線圈并頭進行了原位焊接。處理后其焊接點的焊縫成形外觀，焊后對繞組線圈并頭處進行了絕緣處理。通過近10天的電機滿功率運行，焊接處沒有脫焊，電機的絕緣性能滿足使用要求。某電機繞組線圈并頭的原位焊接取得成功。

[1]中國機械工程學會. 焊接手冊(第 2卷, 材料的焊接)[M]. 北京： 機械工業(yè)出版社, 2001.

[2]黃德彬. 有色金屬材料手冊[M], 北京： 化學工業(yè)出版社, 2005.

[3]周振豐. 焊接冶金學(金屬焊接性)[M], 北京： 化學工業(yè)出版社, 2003.

[4]中華人民共和國電力行業(yè)標準. 焊接工藝評定規(guī)程[M]. 北京： 中華人民共和國發(fā)展與改革委員會,2004.

[5]陳裕川. 各種焊接工藝設計分析全套資料匯編[M],北京： 機械工業(yè)出版社, 2010.