CN103697942B - 鼠笼转子感应钎焊工艺测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，包括：一、装配应力测试：在转子装配过程中，测试端环和导条感应焊接处的残余应力；二、硬度测试：测试布氏硬度在焊接接头周围四个点位置上的读数变化；三、拉力测试：测试焊接接头强度；四、焊缝失效分析测试：分析鼠笼转子感应焊接的质量，满足低于焊接处的合金焊接失效的比例。经过本发明所述鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，可以达到对感应钎焊的有效验证，杜绝那些焊接后的转子因为接头装配应力大、接头硬度低、接头强度不够、接头焊缝有效面积或者有效长度不够等而造成转子变形，影响鼠笼式高速旋转电机使用寿命的情况发生。

Description

鼠笼转子感应钎焊工艺测试方法

技术领域

本发明涉及一种鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，属于铜合金感应钎焊工艺验证技术领域。

背景技术

较大功率交流牵引电机是指额定功率为300KW-2000KW的交流牵引电机，较大功率交流牵引电机的鼠笼转子是电机的心脏，其焊接接头的性能关系到机车牵引电机的牵引性能。6000马力HXN5内燃机车是从美国GE公司技术引进产品，在引进鼠笼转子焊接制造技术时，引进的是手工火焰钎焊技术，对工人操作技术要求很高，不容易掌握，更不容易控制焊接质量，浪费大量的人财物。

为此，尝试采用感应钎焊技术。可是，感应钎焊工艺如何制定，工艺制定后如何验证其工艺性，这是两大难点。

通过分析，首先考虑到产品焊接接头本身装配不当、焊后消除应力不当，将会引起较大的残余应力存在；同时考虑到该转子处于电机内部高速旋转的特点，转子产生离心力；在电机加载牵引力的作用下，转子产生温度升高，这些问题对转子提出了较高的质量要求，尤其是焊接接头质量的好坏直接影响产品质量。

因此，急需提出一种鼠笼转子感应钎焊工艺的验证方法，以实现对鼠笼转子焊接质量的验证。

发明内容

本发明的目的在于：为了验证内燃机车交流牵引电机鼠笼转子铜合金（CuCr1与CuCr1Zr）感应钎焊工艺，提供一种鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，对鼠笼转子进行装配应力测试、拉力测试、硬度测试以及焊缝失效测试等破坏性工艺验证，解决目前对感应钎焊工艺无法进行验证的技术问题，从而能有效的解决上述现有技术中存在的问题。

本发明目的通过下述技术方案来实现：一种鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，交流牵引电机鼠笼转子主要由CuCr1材料制成的导条、CuCr1Zr材料制成的端环以及硅钢片制成的冲片组成，数根导条装配于冲片上后，再通过感应钎焊工艺在导条两端分别焊接端环，该感应钎焊接头处的工艺验证包括如下测试方法：

一、装配应力测试：在转子装配过程中，测试端环和导条感应焊接处的残余应力；

1）、在端环和导条的焊接接头上安装两个应变片，一个横向安装在靠近焊缝2.5-3.0mm处的端环内测，一个纵向安装在离端环30-35mm处的导条外侧；

2）、位于导条外侧处的安装点用单数标记，位于端环内侧的安装点用双数标记，将安装点连接到应变仪上，并将应变仪清零；

3）、将转子从离端部150mm处切开，取下冲片，记录此时应变仪上导条的应变值；

4）、将端环沿直径对称切开，记录此时应变仪上端环的应变值；

二、硬度测试：测试布氏硬度在焊接接头周围四个点位置上的读数变化；

1）获取布氏硬度的四个点位，分别为：位于迈过焊缝5mm导条本体上的一个点位，以及位于焊缝截面处，三个导条棱角线的中部的三个点位；

2）用布氏硬度测试仪对四个点位进行测试，并且记录该四个点位的布氏硬度；

三、拉力测试：测试焊接接头强度；

1）、取样大小以不破坏焊缝接头，及拉伸试验机空间高度为准；在离焊缝5mm以外、空间高度为75mm以上的焊接接头上取样；

2）、取样后，在拉伸试验机上对焊接接头进行拉伸试验，直至样件失效，记录此时拉力大小和失效的位置；

3）、查看失效位置为转子导条或者焊接接头处；

四、焊缝失效分析测试：分析鼠笼转子感应焊接的质量，满足低于焊接处的合金焊接失效的比例；

1）、沿着鼠笼转子的径向剖切导条端环焊接接头，再进行抛光、腐蚀处理；

2）、测量并记录此时焊接材料的失效百分比：焊缝失效=焊缝失效长度÷焊缝总长度×100%。

作为一种优选方式，经过上述装配应力、硬度、拉力和焊缝失效分析测试后，满足以下要求即合格：

装配应力：满足导条所测的应变力小于690μE；端环所测的应变力小于852μE；

硬度测试：满足样件四个位置的布氏硬度大于58.5；

拉力测试：满足平均拉力大于57.8KN，最小拉力大于53.3KN，焊接接头失效小于拉力测试样件的1%；

失效分析：满足所有数据点的数据在焊接材料的20%以下。

与现有技术相比，本发明的有益效果：经过本发明所述鼠笼转子感应钎焊工艺验证方法，可以达到对感应钎焊的有效验证，杜绝焊接后的转子因为接头装配应力大、接头硬度低、接头强度不够、接头焊缝有效面积或者有效长度不够等造成的转子变形，提高鼠笼式高速旋转电机的使用寿命。

附图说明

图1是电机转子的示意图；

图2是导条及导条上贴片位置的示意图。

图中：电机转子-1，导条-2，贴片-3。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征之一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。

实施例1：

本钎焊工艺验证方案的目的是为了验证内燃机车交流牵引电机鼠笼转子铜合金CuCr1与CuCr1Zr感应钎焊工艺。焊接后的转子不能因为接头装配应力大、接头硬度低、接头强度不够、接头焊缝有效面积或者有效长度不够等而造成转子变形，影响鼠笼式高速旋转（最大转速：600转/分钟以上）电机使用寿命的目的。

本发明适用范围：适用于铁路内燃机车较大功率（额定功率：300KW-2000KW）交流牵引电机鼠笼转子铜合金（CuCr1与CuCr1Zr）感应钎焊接头的工艺验证。

所述交流牵引电机鼠笼转子主要由CuCr1材料制成的导条、CuCr1Zr材料制成的端环以及硅钢片制成的冲片组成，数根导条装配于冲片上后，再通过感应钎焊工艺在导条两端分别焊接端环。

验证方案：

最少对感应钎焊试制3个鼠笼转子进行产品破坏性验证，以满足大批量生产质量稳定的可靠性需要，按照价值工程原则，做3台产品破坏性感应钎焊工艺验证，工艺验证产品数量比例约为千分之1以上。

采用对称取样6个点，每台转子的样件通过4项测试，4项测试分别是装配应力测试、硬度测试、拉力测试、焊缝失效分析测试。

测试项目的确定：该鼠笼转子产品在较大功率（500KW以上）交流牵引电机中旋转最大转速约为600转/分钟以上，会使转子产生离心应变；电机带负荷旋转中转子温升将从0℃上升到180℃左右，会使转子产生温升应变；导条端环装配并采用感应钎焊后，会使转子因装配焊接残余应力而产生应变；转子如果这些应变较大会严重影响电机应用的可靠性及寿命。

为分析电机转子运转时焊接残余应变、温度应变和离心力应变在总体应变中所占的比例，建立了如图1、2所示的模型。由于电机转子的结构是轴对称的，只需建1/4的模型，如图1所示的电机转子1，如图2所示的，在导条2上贴上贴片3，在对称面上设置轴对称约束即可。

通过建模后，对模型分析的情况如下：

1）、由离心力产生的应变和位移。

转子转动时导条存在离心力，导条在离心力的作用下便有形变。导条是轴对称分布的，导条作用于转子冲片叠层的离心力也是轴对称分布的，转子冲片叠层受到轴对称的离心力后其轴线位置不发生位移。导条和冲片叠层在装配过程中是间隙配合，其径向间隙为0.368mm。

在不考虑转子冲片叠层对导条约束的情况下，转子以额定转速670转/分钟转动时，导条发生位移。导条最大位移0.722mm大于转子冲片和导条的径向间隙0.368mm。在实际工况下，转子冲片叠层将导条与发生径向接触；若冲片叠层发生弹性变形，冲片叠层对导条的约束力使导条最大位移仅略大于冲片和导条的径向间隙。

转子在额定转速下的位移：在转子转速478转/分钟时，模拟得到导条位移，其最大位移是0.368mm，这也是导条的最大径向自由位移。这时导条测点的应变值可以认为是由转动离心力引起的最大应变值，可以查得测点的轴向应变为18μE。若转速增加，冲片约束开始发生作用，导条测点的轴向应变应该基本不变。

若导条两端的应变均为负值，因为焊接残余应变一般为正，这样离心应变对焊接残余应变有一定的抵消作用。

2）、温度应变。

电机转子在无约束状态，从环境温度0℃缓慢升温到180℃时，转子的应变很小，可以忽略不计。在实际情况下，若导条和端环焊接后残余变形很小，导条在冲片叠层的槽中可以自由伸缩时，温度应变是非常小的，可以忽略。值得说明的是，若是导条或端环的自由伸缩受到约束，会产生较大的温度应变。

3）、等效焊接残余应变。

在端环两端施加相等的拉力，使导条测点的轴向应变与测试规定的最大应变值690μE相等。通过一系列试算，在端环两端施加27MPa拉力时，导条测点的轴向应变为694μE。这样便可用27MPa的拉力时导条的状态类比焊接残余应力。在此基础上，便可进行不同温度应变、离心力应变工况的组合。

4）、焊接残余应变、温度应变和离心应变的组合。

电机转子在无约束状态，从环境温度0℃缓慢升温到180℃，并且在端环两端环施加27MPa拉力时，转子的应变场与仅施加27MPa拉力时的相同，说明在自由状态下，温度应变可以忽略。

电机转子在无约束状态，从环境温度0℃缓慢升温到180℃，转速为478转/分钟，并且在端环两端环施加27MPa拉力时，测点的轴向应变为712μE。其值为在端环两端环施加27MPa拉力时的轴向应变694μE和转子以转速478转/分钟转动时的轴向应变为18μE之和。

结论：由以上的分析结果可以得到以下结论:焊接残余应变力在转子正常工作情况下，测点的焊接残余应变比温度应变和离心应变大得多，焊接残余应变是总应变的主要组成部分。

转子端环轴向固定，温度从0℃缓慢加热到180℃时的轴向应变时，最大的正负应变均发生在导条和端环的焊接处附件，最大正应变为1057μE，最大负应变达到-8367μE，可见如果导条不能自由伸缩，将导致很大的温度应变应力。

由此分析：焊接接头首先要保证装配应力不能大，还要防止温度应力偏大时焊接接头有足够的强度和硬度支撑，同时防止转子离心应力偏大时焊缝不能失效，为此，制定了每个转子的样件通过每项测试的规范标准，见表1。

表1

说明：在制定该规范标准时，借鉴模拟转子焊接残余应变、温度应变和离心力应变分析，结合产品破坏性验证的大量数据进行优选确定。

为了满足上述转子样件的测试规范标准，该感应钎焊接头处的工艺验证包括如下测试方法：

一、装配应力测试：装配应力测试用来证明在转子装配过程中的端环和导条感应焊接的残余应力。必须证实在感应焊接过程中不会产生超出使用范围的多余的残余应力，在应变测试仪上完成测试。

1）、在端环和导条的焊接接头上安装两个应变片，一个横向安装在靠近焊缝2.5-3.0mm处的端环内测，一个纵向安装在离端环30-35mm处的导条外侧。

2）、位于导条外侧处的安装点用单数如1、3、5、7…标记，位于端环内侧的安装点用双数如2、4、6、8…标记，将安装点连接到应变仪上，并将应变仪清零。

3）、将转子从离端部150mm处切开，取下冲片，记录此时应变仪上导条的应变值；其具体应变值详见表格二。

4）、将端环沿直径对称切开，记录此时应变仪上端环的应变值，详见表格二。

通过应变仪对安装点上数据的采集和收集，然后在应变仪上显示对应安装点的数字，对数字进行分析和记录。

二、硬度测试：测试布氏硬度在焊接接头周围四个点位置上的读数变化；

1）获取布氏硬度的四个点位，分别为：位于迈过焊缝5mm导条本体上的一个点位，以及位于焊缝截面处，三个导条棱角线的中部的三个点位；

2）用布氏硬度测试仪对四个点位进行测试，并且记录该四个点位的布氏硬度。

通过布氏硬度测试仪对四个点位上数据的采集和收集，然后在布氏硬度测试仪上显示对应安装点的数字，对数字进行分析和记录。

三、拉力测试：测试焊接接头强度；

1）、取样大小以不破坏焊缝接头，及拉伸试验机空间高度为准；在离焊缝5mm以外、空间高度为75mm以上的焊接接头上取样；

2）、取样后，在拉伸试验机上对焊接接头进行拉伸试验，直至样件失效，记录此时拉力大小和失效的位置；

3）、查看失效位置为转子导条或者焊接接头处。

四、焊缝失效分析测试：分析鼠笼转子感应焊接的质量，满足低于焊接处的合金焊接失效的比例；

1）、沿着鼠笼转子的径向剖切导条端环焊接接头，再进行抛光、腐蚀处理；

2）、测量并记录此时焊接材料的失效百分比：焊缝失效=焊缝失效长度÷焊缝总长度×100%。

经过实施例1中对电机转子导条端环感应钎焊工艺进行实际测试，得出工艺验证结果如表二所示：

表二：

经过上述装配应力、硬度、拉力和焊缝失效分析测试后，满足以下要求，属于合格产品：

装配应力：满足导条所测的应变力小于690μE；端环所测的应变力小于852μE；

硬度测试：满足样件四个位置的布氏硬度大于58.5；

拉力测试：满足平均拉力大于57.8KN，最小拉力大于53.3KN，焊接接头失效小于拉力测试样件的1%；

失效分析：满足所有数据点的数据在焊接材料的20%以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种鼠笼转子感应钎焊工艺测试方法，交流牵引电机鼠笼转子主要由CuCr1材料制成的导条、CuCr1Zr材料制成的端环以及硅钢片制成的冲片组成，数根导条装配于冲片上后，再通过感应钎焊工艺在导条两端分别焊接端环，其特征在于：感应钎焊接头处的工艺验证包括如下测试方法：

一、装配应力测试：在转子装配过程中，测试端环和导条感应焊接处的残余应力；

1)、在端环和导条的焊接接头上安装两个应变片，一个横向安装在靠近焊缝2.5-3.0mm处的端环内测，一个纵向安装在离端环30-35mm处的导条外侧；

2)、位于导条外侧处的安装点用单数标记，位于端环内侧的安装点用双数标记，将安装点连接到应变仪上，并将应变仪清零；

3)、将转子从离端部150mm处切开，取下冲片，记录此时应变仪上导条的应变值；

4)、将端环沿直径对称切开，记录此时应变仪上端环的应变值；

二、硬度测试：测试布氏硬度在焊接接头周围四个点位置上的读数变化；

1)获取布氏硬度的四个点位，分别为：位于迈过焊缝5mm导条本体上的一个点位，以及位于焊缝截面处，三个导条棱角线的中部的三个点位；

2)用布氏硬度测试仪对四个点位进行测试，并且记录该四个点位的布氏硬度；

三、拉力测试：测试焊接接头强度；

1)、取样大小以不破坏焊缝接头，及拉伸试验机空间高度为准；在离焊缝5mm以外、空间高度为75mm以上的焊接接头上取样；

2)、取样后，在拉伸试验机上对焊接接头进行拉伸试验，直至样件失效，记录此时拉力大小和失效的位置；

3)、查看失效位置是位于转子导条处还是位于焊接接头处；

四、焊缝失效分析测试：分析鼠笼转子感应焊接的质量，满足低于焊接处的合金焊接失效的比例；

1)、沿着鼠笼转子的径向剖切导条端环焊接接头，再进行抛光、腐蚀处理；

2)、测量并记录此时焊接材料的失效百分比：焊缝失效＝焊缝失效长度÷焊缝总长度×100％。

2.如权利要求1所述的鼠笼转子感应钎焊工艺测试方法，其特征在于：经过上述装配应力、硬度、拉力和焊缝失效分析测试后，同时满足以下要求即合格：

装配应力：满足导条所测的应变力小于690μE；端环所测的应变力小于852μE；

硬度测试：满足样件四个位置的布氏硬度大于58.5；

拉力测试：满足平均拉力大于57.8KN，最小拉力大于53.3KN，焊接接头失效小于拉力测试样件的1％；

焊缝失效分析：所有焊缝失效分析数据点的焊缝失效数据满足在20％以下。