磁悬浮列车用直线电机纯铝焊接技术探讨

文／南车株洲电机有限公司 赵忠胜 申亮 张梅玲／

1 概述

直线电机是磁悬浮列车的关键部件之一，其特性直接决定了列车的运行性能。由于电机装在车体上，为减轻重量，增加列车承载能力，必要时需要采用铝导线，而铝导线电机的制造工艺要比铜导线电机复杂得多[1]。铝导线的焊接难点主要在于其本身具有较强的氧化能力、较大的热导率和比热容，焊接时容易产生未焊透、气孔、裂纹、咬边和夹钨等缺陷。焊接时一般采用气体保护，纯铝气体保护焊的主要方法有：TIG焊、MIG焊、钨极脉冲氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊等。同时焊丝的牌号与直径、焊接电流、保护气体流量等对焊接质量均有不同程度的影响。直线电机绕组选用纯铝导线，其线圈并头的质量不仅直接影响到电机的电气特性，同时还影响到其可靠性，而这些都取决于纯铝绕组的焊接质量。因此，对直线电机纯铝的焊接性能进行分析，并通过焊接工艺验证得到最优化的焊接参数显得十分重要。

2 纯铝的焊接工艺特性分析

2.1 纯铝的焊接特点

纯铝具有独特的物理化学性能，和低碳钢相比，它的膨胀系数、导热系数、熔化潜热和热容量都大，熔点为657℃，ρ=2.72g/cm3，A1100的化学成分及力学性能见表1与表2[2]。

纯铝焊接有如下特点：1）氧化能力强：铝在空气中极易与氧结合生成致密而结实的Al2O3薄膜，厚度约0.1um，熔点达2050℃，ρ=3.85g/cm3，对内部能起到保护作用，这也是铝具有耐腐蚀性的重要原因。因此，为了保证焊接质量，焊前必须严格清理焊件表面的氧化物，并防止在焊接过程中再氧化。2）导热性和导电高：尽管纯铝的熔点远比钢低，但其导热性和导电性约为低碳钢的5倍，在焊接过程中大量的热能被迅速传导到母材内部，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，有时需要采用预热等工艺措施，才能实现熔焊过程。3）热裂纹倾向高：铝的线膨胀系数约为低碳钢的2倍。在实际焊接现场中防止这类裂纹的措施主要是改进接头设计，选择合理的焊接工艺参数和焊接顺序，采用适应母材特点的焊接填充材料等。4）容易形成气孔：焊接接头中的气孔是纯铝焊接时极易产生的缺陷。为了防止气孔的产生，焊前必须严格限制所使用的焊接材料的含水量，使用前要进行干燥处理。5）纯铝在高温时的强度和塑性低：纯铝在高温下的强度及塑性很低，以致不能支撑住焊接熔池的液体金属，从而造成焊缝成形不良，容易形成塌陷或烧穿等缺陷。6）焊缝强度低：焊接时由于热影响区受热而发生软化，会导致焊缝强度下降。7）无色泽变化：铝及铝合金焊接时由固态转为液态时，表面颜色无明显变化，因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。

2.2 纯铝的焊接方法

纯铝可用的焊接方法很多，在工业生产中，铝常用的焊接方法有气焊、TIG焊、MIG焊、等离子弧焊、焊条电弧焊、电阻点焊和缝焊等[3]。其中，手工钨极氩弧焊（TIG焊）具有热量集中，电弧稳定，焊缝成型美观、组织致密，接头强度和塑性高等优点。同时氩弧焊是明弧，又无焊渣，可进行全位置焊接。无论接头的空间位置如何，都可以清楚地观察焊接熔池并顺利进行焊接，这对于安装条件下的电机导体的焊接更为适合。

2.3 纯铝的焊接检验

焊接完成后的纯铝产品，需要进行焊缝质量检验。焊缝的质量取决于焊接时所用的焊丝、气体、接头的装配质量、坡口清理、施工条件、焊工操作水平的高低和选用的焊接规范等因素。为保证焊接质量，必须严格检查焊接结构制造过程中的各个环节，及时防治各种缺陷的产生。焊缝的检验方法很多，一般常用的有：外观检验、X射线探伤、超声波探伤、接头机械性能试验、渗漏试验、金相检验、腐蚀试验和硬度试验等[4]。

表1 纯铝的化学成分

表2 纯铝的力学性能

2.4 纯铝的焊接缺陷

纯铝的TIG焊的焊接质量与焊前准备情况、保护气体纯度、焊接参数、电极材料以及操作者的熟练程度等因素有关。其常见缺陷有未焊透、气孔、裂纹、咬边和夹钨等[4]。

1）产生未焊透的原因：①焊接电流太小，弧长过长，焊接速度过快；②间隙过小，钝边过大，坡口角度过小；③表面和层间存在氧化物没有清除；④焊枪和焊丝倾角不正确。2）产生气孔的主要原因：①母材或焊丝上有油、污、锈、垢等污物；②保护气体纯度低，气体保护效果差；③气路不洁净；④焊接参数选择不当；⑤焊接过程熔池保护不良，电弧不稳定或电弧太长。3）产生裂纹的原因：①结构设计不合理，焊缝过于集中，造成焊接接头拘束应力过大；②熔池过大、过热、合金元素烧损较多；③收弧过快、焊丝抽回过快、导致弧坑处没有填满；④焊接材料选择不当。4）产生咬边原因：①焊接电流过大，焊接电压过高；②焊接速度过快，填丝太少；③操作技术不熟练，焊枪摆动不均匀。5）产生焊缝夹钨的原因：①焊接时采用接触引弧；②钨极末端形状与焊接参数选择不合理，使端头烧损；③填充焊丝与钨极发生了接触；④钨极伸出长度过长。

3 直线电机绕组线圈纯铝焊接工艺实践

3.1 焊前清理及准备工作

密封完好的焊丝一般不需要清洗，可直接使用。对于受污染的焊丝焊前则需进行清洗。具体清洗步骤如下：先将焊丝放入温度为40～60℃、质量分数为8%～10%的NaOH溶液中侵蚀，保持5min后取出，用冷水冲洗2min；再置于质量分数为3%的稀HNO3溶液中进行光化处理，以中和余碱，避免碱液继续腐蚀；再用流动的冷水冲洗2min。清理工作完成后，焊丝置于150～200℃的烘箱中烘焙0.5h，然后保存在100℃的烘箱内随用随取[5]。

3.2 焊接接头形式

直线电机的直线齿距一般为8mm～12mm，并头端端部间隙较小，为保证装配尺寸，将传统并头方式改为“ ”型，保证搭接长度为20mm～25mm。焊接前用大力钳夹紧，并在端部加垫蘸水的脱脂棉，防止烧损线圈绝缘。

3.3 焊接参数的选择

1）保护气体：在进行纯铝TIG焊接时，必须采用纯度在99.8%以上的氩气作为保护气体。2）氩气流量：对于厚度在2.5～5mm的焊件，可选用以下参数：钨极直径2.4mm，喷嘴直径9.5mm，相应的氩气流量8～12L/min[5]。3）焊接电流：为了保证产品的焊接质量，在正式焊接前必须进行焊接验证，以此来确定最佳的焊接参数。4）填充材料：纯铝焊接时可采用牌号为S301的纯铝焊丝，它具有极好的抗腐蚀性能，很高的导热与导电性能，以及极好的可加工性能，广泛用于铁路机车、电力、化学、食品等行业，其化学成分及性能见表3。5）焊丝直径：焊丝的直径可以根据焊接电流的大小来确定，两者之间关系见表4。

综合来看，可选定直径为1.6mm的S301纯铝焊丝进行TIG焊。

表3 S301纯铝焊丝的成分及性能

表4 焊接电流与焊丝直径间的关系

4 结论与建议

通过对磁悬浮列车用直线电机纯铝焊接工艺的探讨，针对纯铝TIG焊常见的未焊透、气孔、裂纹、咬边和夹钨等缺陷，在以后焊接过程中应注意以下几点：1）焊前认真清理焊丝、焊件，清理后及时焊接，防止再次污染，避免出现未焊透的现象。2）选择合适的气体流量，更新送气管路以保证氩气的纯度；焊接现场设挡风装置，减少空气流动，防止出现气孔。3）正确设计焊接结构，合理布置焊缝，使焊缝尽量避开应力集中处，选择合适的焊接顺序；加入引弧板或采用电流衰减装置，填满弧坑，防止出现裂纹。4）降低焊接电流与电弧长度，保持摆幅均匀，适当增加送丝速度或降低焊接速度，防止出现咬边现象。5）适当减小钨极伸出长度，降低焊接电流或加大钨极直径，防止出现夹钨。

[1]郭淑英.磁悬浮列车用直线电机的研制[J].2002年全国直线电机学术年会,2002.01.

[2]黄旺福,黄金刚.铝及铝合金焊接指南[M].长沙:湖南科学技术出版社,2004.

[3]周万盛,姚君山.铝及铝合金的焊接[M].北京:机械工业出版社,2006.

[4]中国机械工程学会焊接学会编.第2版 焊接手册[M]第3卷 焊接结构.北京：机械工业出版社,2001.

[5]王宗杰等.熔焊方法及设备[M].北京:机械工业出版社,2006.