超声冲击法去应力在超导电机转子中的应用

　　研制的100 kW超导电动机为转子超导,电机主要由常规三相定子和超导转子、液氖传输装置、冷却系统、磁流体旋转密封装置等组成。转子内部通液氖,从而使转子上的超导磁极在-243°C的低温状态下实现高温超导(相对于绝对零度-274°C)。转子在轴向由多段不同材质部件组成,存有低温介质的密封式导电装置,结构极其特殊(如图1)。

　　超导转子由内转子和外转子(圆筒)2部分套装构成。其外转子是外径5572mm、长1700mm、厚7 mm的1Cr18Ni9Ti不锈钢圆筒。其内转子在轴向由2个1Cr18Ni9Ti不锈钢端轴、轴向冷缩补偿装置、2个力矩管、液氖容器等多段不同材料的零部件组合、螺栓拼装而成;而在液氖容器上又装有超导磁极。其中,气隙管与液氖容器焊后在内转子内部形成一个密闭的液氖蒸发、回收环节。内转子套装外转子形成整体转子后,需将内、外转子两端法兰接口焊接,以在内、外转子之间形成另一个密闭空间。内、外转子两端的焊接采用钨极氩弧焊(TIG),52mm焊丝H1Cr18Ni9Ti,用500 A钨极氩弧焊机施焊。整个转子焊接在竖立状态下进行。装配成型后的整个转子总长2436mm,转子两端轴承档的同轴度高达50.02mm。内转子和外转子(圆筒)焊接后,再对其外转子(圆筒)的外圆进行精车,以保证电机总装后,转子外径与定子内径的气隙均匀;同时对内转子两端的轴承位进行精车,以保证焊接后的整个转子的同轴度。

　　整个转子在焊后、车前,需对其焊缝进行焊接应力消除,以减免因焊接应力残存而造成的整个转子焊后精车变形,严重影响转子的同轴度,以致电机总装后无法正常运转。

　　常规的焊后去应力方式有3种:自然时效、振动时效、热时效。经分析：

　　1)因该电机的试制工期极短,所以无法采用长时间的自然时效进行焊后去应力。

　　2)转子已装配,且结构特殊、轴向由多段组装而成,内部各段采用螺栓、螺母联接;同时转子内部的超导磁极也不能承受如此大的振动。即整个转子装配、焊接后若采用振动时效去应力,将使整个转子失效,所以不可行。

　　3)常规的热时效加热工件退火以消除应力的办法,因加热的高温将对内转子上已装配的超导磁极(低温工作)产生破坏,也不可行。

　　因此,以上3种常规消除应力的办法,对该特殊结构的转子均不能使用。而若转子的焊接应力无法消除,将直接影响到下工序转子精车后因焊接应力释放而变形。

　　超声冲击法是常规消除应力法以外的另一种消除应力法。超声冲击法的原理:用大于20 kHz(超声频率)的高频能量直接冲击在试件焊缝区的表面。输入的超声冲击能量可表述成