CC BY
15
Машиностроение и машиноведение
Б01: 10.47581/2021/8МТТ/.6.38.11 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПАЙКИ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕМ МЕДНЫХ ПРОВОДОВ ПРЯМОУГОЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент
ni1949@mail.ru Карамышев Максим Юрьевич, студент Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
В данной статье рассмотрены результаты исследования влияния параметров режима пайки электросопротивлением высокотемпературным медно-фосфористым припоем МФ-1 на прочность соединений медных проводов прямоугольного сечения.
Ключевые слова: медный провод, пайка электросопротивлением, высокотемпературный припой, параметры режима, прочность соединения.
В ряде тепловозов вращение каждой колесной пары осуществляется тяговым электродвигателем типа ЭД-118, одним из основных элементов которого является якорь. В пазы сердечника якоря уложены секции петлевой обмотки из медного провода прямоугольного сечения. Каждая секция обмотки содержит 12 медных проводников из провода марки ПЭТВСД 1,7^6,3 мм, которые расположены в 4 ряда по 3 провода, как показано на рис. 1.
Рисунок 1 - Вид секции петлевой обмотки при сборке в якоре
электродвигателя ЭД-118
В процессе эксплуатации электродвигателя якорь находится под воздействием высоких температур, значительных вибрационных и механических нагрузок. Поэтому, примерно один раз в год тяговые электродвигатели вы-
катывают из-под локомотива, разбирают и осуществляют профилактические работы или производят требуемый текущий или капитальный ремонт.
Капитальный ремонт электродвигателей ЭД-118 предусматривает необходимость ремонта всех секций обмотки с полным обновлением изоляции витков. Снятие витков обмотки с якоря для замены изоляции возможно только после обрубки сварных соединений концов проводников с петушками коллектора. В результате такой операции витки обмотки укорачиваются и, соответственно, их электрическое сопротивление уменьшается. Двигатель после такого ремонта становится более скоростным, что приводит к снижению ресурса его работы. Последующие ремонты еще более усугубляют данную ситуацию. Замена при капитальном ремонте обмотки старого провода на новый сопровождается существенным увеличением стоимости ремонта.
Так как ресурс работы проводов определяется главным образом состоянием их изоляционных слоев, то возможным выходом из данной ситуации является неоднократное повторное использование проводов старой обмотки при капитальном ремонте с наращиванием их до необходимой длины с коллекторной стороны и с полной заменой старой изоляции.
Учитывая конструктивные особенности витков обмотки и условий их эксплуатации в составе якоря тягового электродвигателя, одним из основных требований к соединениям медных проводов прямоугольного сечения при наращивании их длины является равнопрочность соединения основному металлу.
Основными трудностями получения соединений деталей из меди различными способами сварки плавлением [1] являются большие тепло- и температуропроводность меди, создающие высокие градиенты температуры и скорости охлаждения. Это соответственно определяет малое время существования сварочной ванны, что требует применения повышенной погонной энергии или предварительного подогрева, нежелательно осложняющего технологический процесс сварки. Значительный коэффициент линейного расширения и его зависимость от температуры вызывают необходимость сварки при жестком закреплении кромок или по прихваткам. Малое время существования сварочной ванны в жидком состоянии ограничивает возможности ее металлургической обработки, что способствует повышению склонности швов к образованию пор и горячих трещин [2].
Медь, как металл, обладающий высокой пластичностью, хорошо сваривается всеми видами сварки механического и термомеханического класса, которые еще недавно относили к специальным способам сварки [3]. Однако, применительно к сварке рассматриваемых в данной статье медных проводов прямоугольного сечения, каждый из этих способов имеет определенные недостатки, касающиеся экономических и технологических факторов.
Применение для сварки медных проводов прямоугольного сечения контактной точечной сварки, являющейся одним из ведущих способов неразъ-
емного соединения деталей в различных отраслях техники, не гарантирует формирование высококачественного соединения [4,5]. Это обусловлено тем, что, из-за малого переходного электрического сопротивления и исключительно высокой теплопроводности меди, соединение формируется в твердой фазе даже при осуществлении процесса на контактных машинах большой мощности.
В отличие от процесса контактной сварки меди более эффективным является процесс пайки электросопротивлением, выполняемый на контактных машинах, относительно небольшой мощности [6]. При пайке, осуществляемой при температурах ниже температуры начала плавления паяемого материала, на его границе с жидким припоем устанавливается состояние локального равновесия, которое значительно труднее реализовать при сварке в твердой фазе [7]. Отмеченное позволяет обеспечивать высокую прочность и надежность паяных швов не только при статической нагрузке, но и в условиях действия вибрационных и знакопеременных нагрузок.
По степени трудности получения паяных соединений медь относится к группе металлов и сплавов, образующих при нагреве под пайку и в процессе пайки оксиды с невысокой свободной энергией образования и поэтому относительно легко удаляемые не только при флюсовой пайке низкотемпературными припоями, но и при пайке без флюса на воздухе высокотемпературными припоями, легированными фосфором. Последнее свойственно для условий достаточно быстрого нагрева, как раз характерного для способа пайки электросопротивлением.
Установлено [7], что при высокотемпературной пайке меди медно-фосфористыми припоями происходят реакции:
2СиР + 5 Си2 О—^2 О 5 + 12 Си; Р2О5 + 3 Си2О—2СизРО4.
При охлаждении протекает реакция
2СизРО4—Сиз(РО4)2 + 3Си.
Слабая связь меди с оксидом Си2О и разрушение последнего вследствие большой разницы их температурных коэффициентов расширения приводят к образованию пористости на их границе, в которую и проникает медно-фосфористый припой, активно взаимодействующий с оксидом и смачивающий медь. При пайке электросопротивлением обеспечивается равномерный и быстрый нагрев, интенсивное перемешивание расплава и поэтому равномерное распределение дисперсных частиц химических соединений, упрочняющих данный шов. Кроме того, приложенное давление, после расплавления припоя и активации соединяемых поверхностей приводит к выдавливанию избыточной жидкой фазы и предотвращению образования сплошных прослоек химических соединений по границе шва и, как следствие, также способствует повышению прочности соединения.
Целью данной работы являлась проверка принципиальной возможности формирования прочного нахлесточного соединения медных проводов прямоугольного сечения и исследование зависимости параметров процесса
нагрева на прочность соединения при высокотемпературной пайке электросопротивлением медно-фосфористым порошковым припоем МФ-1. Данный припой содержит (8,5...10) % фосфора и не более 0,4 % примесей (остальное медь) и имеет температуру полного расплавления 850 оС [8].
Исследование проводилось на технологических образцах - с одной стороны, из очищенного от изоляции медного провода, снятого с обмоток якоря электродвигателя ЭД-118, поставленного на капитальный ремонт, и, с другой стороны, аналогичного нового провода, не бывшего в эксплуатации. Длина проводов для технологических образцов выбиралась с учетом необходимости проведения прочностных испытаний соединений после пайки и для каждого провода составляла 40 мм. Величина нахлестки проводов в технологическом образце при пайке принималась равной 5,0 мм, что обеспечивало разрушение соединения по паяному шву образцов, имеющих прочность, близкую к прочности основного металла медного провода. Для обеспечения идентичности сборки технологических образцов использовалась специально разработанная технологическая оснастка.
Для подготовки поверхности меди перед пайкой кроме обычного способа механической очистки применяли обработку 5 %-ным раствором серной кислоты.
Процесс пайки осуществлялся на контактной точечной машине типа МТ-1220, снабженной контроллером контактной сварки ККС-01 [9], имеющим обратную связь по току, и комбинированными медными электродами с вольфрамовыми напайками в рабочей части. Изменение условий нагрева в процессе пайки, влияющих на прочность соединений, осуществлялось варьированием параметров импульса сварочного тока - его действующего (эффективного) значения и времени протекания. На каждом режиме выполнялась пайка трех образцов, которые затем подвергались механическим испытаниям на срез на разрывной машине типа РТ-250 М, которая обеспечивает приложение растягивающей нагрузки к образцу с погрешностью ±1,0 % при минимальной скорости нагружения 25 мм/мин. Наличие галтельных участков в паяном соединении технологических образцов приводит к тому, что оно работает при нагружении не только на срез, но и на растяжение в этих участках. Это снижает чувствительность принятого нами метода испытания к изменению параметров нагрева процесса пайки. По этой причине, несмотря на то, что образование галтельных участков увеличивает прочность паяных соединений технологических образцов, перед их испытанием галтельные участки удалялись механической обработкой.
Условия нагрева меняли варьированием времени протекания импульса вторичного тока от 0,1 с до 2,0 с при постоянной величине его действующего значения. Опыты повторялись для токов от 4 кА до 10 кА. В проведенных опытах усилие сжатия паяемых проводов не менялось, оно составляло 150 даН.
По результатам проведенных экспериментов построены зависимости (рис. 2), на которых каждая точка кривой представляет собой среднее по 3 образцам значение прочности паяного соединения.
280
А
240
X
(С
^ 200 сС
§ 160
ф *
<о ф
о о
-О
£ о о а: з-о
е-
80
40
/\2
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 Время нагрева I с —>
1.6 1,8 2,0
Рисунок 2 - Зависимость прочности соединения от времени нагрева при различных величинах вторичного тока: 1 - 1д1 = 4 кА; 2 - 1д2 = 6 кА; 3 - 1д3
= 8 кА; 4 - 1д4 = 10 кА
Анализ результатов испытаний технологических образцов медных проводов прямоугольного сечения подтвердил возможность получения прочного соединения при пайке электросопротивлением высокотемпературным припоем МФ-1. Как следует из полученных зависимостей (рис. 2), прочность паяного соединения растет, как при увеличении времени нагрева, так и при увеличении вторичного тока. При этом графики показывают, что, при величине нахлестки проводов в технологических образцах 5 мм, наибольшая прочность соединений достигается за время нагрева не более 2,0 с на токах от 6 до 10 кА. Следует отметить, что на больших токах время достижения наибольшей прочности сокращается, так, если для тока 6 кА оно составляет 2,0 с, то для тока 8 кА - 1,8 с, а для тока 10 кА, соответственно, - 1, 6 с.
По результатам проведенного исследования можно также отметить, что достаточно большое рассеивание полученных результатов механических испытаний образцов, полученных на идентичных режимах, можно объяснить нетехнологичностью при сборке порошкового припоя. Это обстоятельство возможно улучшить при условии использования припоя в другом агрегатном состоянии, например, в виде пасты или ленточной фольги.
Выводы
1. Установлена возможность получения прочного соединения медных проводов прямоугольного сечения при пайке электросопротивлением высокотемпературным припоем МФ-1.
2. Наибольшая прочность паяного соединения медных проводов прямоугольного сечения 1,7*6,3 мм достигается на токах от 6 до 10 кА за время нагрева не более 2,0 с. На больших токах время достижения наибольшей прочности сокращается - для тока 8 кА оно составляет 1,8 с, а для тока 10 кА, соответственно, 1, 6 с.
Список литературы
1. Оборудование и основы технологии сварки металлов плавлением и давлением: Учебное пособие / Под ред. Г.Г. Чернышова и Д.М. Шашина. - СПб.: Издательство «Лань», 2013. - 464 с.
2. Сварка и свариваемые материалы: В 3-х т. Т. 1. Свариваемость материалов. Справ. Изд. / Под ред. Э.Л. Макарова - М.: Металлургия, 1991. - 528 с.
3. Николаев Г. А., Ольшанский Н.А. Специальные методы сварки: Учебное пособие: Изд. 2-е, испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1975. - 232 с.
4. Технология и оборудование контактной сварки: Учебное пособие / Б.Д. Орлов, Ю.В. Дмитриев, А.А. Чакалев и др.; под общ. ред. Б.Д. Орлова. - М.: Машиностроение, 1975. - 536 с.
5. 5. Иванов Н.И. Некоторые закономерности пластической деформации медной проволоки при стыковой сварке сопротивлением Т-образных соединений / В сб.: Сла-вяновские чтения. Сварка-ХХ1 век: Сборник научных трудов. - Липецк: ЛЭГИ, 2004. -С. 326-334.
6. Лашко С.В., Лашко Н.Ф. Пайка металлов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988. - 376 с.
7. Петрунин И.Е, Маркова И.Ю., Екатова А.С. Металловедение пайки. - М.: Металлургия, 1976. - 264 с.
8. Краткий справочник паяльщика / И.Е. Петрунин, И.Ю. Маркова, Л.Л. Гржи-мальский и др.; Под общ. ред. И.Е. Петрунина. - М.: Машиностроение, 1991. - 224 с.
9. Гладков Э. А. Автоматизация сварочных процессов : учебник / Э. А. Гладков, В.Н. Бродягин, Р.А. Перковский. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. -421 с.
10. Контроль цикла сжатия при контактной автоматической сварке узлов радиодеталей/ Строев В.И., Дюдин В.Н., Иванов Н.И.// Сварочное производство. 1985. № 3. С. 26-27.
11. Исследование кинетики формирования Т-образных соединений малогабаритных деталей при контактной сварке с комбинированным механизмом осадки/ Иванов Н.И., Волков Б.В.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2012. № 2-3. С. 22-25.
12. Экспериментальная установка для контактной сварки технологических образцов межэлементных соединений аккумуляторных батарей/ Иванов Н.И., Борисов П.Ю.// Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 96-100.
13. Приближенная оценка теплового состояния деталей при стыковой сварке сопротивлением контактных узлов/ Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н.// Сварочное производство. 1986. № 7. С. 33-34.
14. Оценка качества сварки контактной арматуры резисторов в массовом производстве/ Строев В.И., Иванов Н.И., Дюдин В.Н.// Сварочное производство. 1981. № 2. С. 15-17.
15. Исследование особенностей формирования погрешности обработки при планетарном формообразовании отверстий длинных тонкостенных деталей/ Гречишников В.А., Куц В.В., Ванин И.В., Разумов М.С., Гречухин А.Н.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 1 (16). С. 11-15.
16. Сверление отверстий в напряженно-деформированном материале заготовки/ Куц В.В., Бышкин А.С., Разумов М.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2018. № 3 (18). С. 20-23.
17. Анализ конструкций планетарного редуктора с шевронным зацеплением/ Разумов М.С., Гридин Д.С., Воробьёва Е.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 2 (5). С. 160-165.
18. Методика определения числа зубьев и числа ступеней при проектировании гранной протяжки для обработки изделий с расстоянием между сторонами более 60 мм/ Кочергин В.С., Куц В.В., Разумов М.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2020. № 2 (29). С. 90-96.
Ivanov Nikolay Ivanovich, associate professor ni1949@mail.ru
Southwest state university, Kursk, Russia Karamyshev Maxim Yuryevich, student Southwest state university, Kursk, Russia
SOLDERING PROCESS RESEARCH RESISTANCE OF COPPER WIRES RECTANGULAR SECTION
Abstract. In this article results of research of influence of parameters of the mode of soldering by resistance high-temperature copper and phosphorous MF-1 solder on durability of connections of copper wires of rectangular section are considered.
Keywords: copper wire, soldering by resistance, high-temperature solder, mode parameters, connection durability.
