发电机连接片脱落原因分析及解决方案

2019-08-22张蕊莉魏雨谷

船电技术 2019年8期

张蕊莉，魏雨谷

发电机连接片脱落原因分析及解决方案

张蕊莉，魏雨谷

（中船重工电机科技股份有限公司，山西太原 030027）

大电流发电机的定子绕组一般采用导电环引出的方法，而导电环的焊接脱落则会引发发电机灾难性故障。本文通过分析导电环上连接片脱落的原因，从操作者校形作用力大小、焊接面粗糙度、清洁度、焊接温度及时间、连接片结构等因素着手，对易造成圆环和连接片脱落，逐一分析、试验和验证，最终确定了连接片脱落的主要原因，并提出了解决办法，保证了导电环的焊接质量。

发电机导电环连接片焊接

0 引言

大电流发电机的定子绕组一般采用导电环（见图1，导电环由圆环上焊接连接片构成）引出的设计方法，发电机所有的功率均是通过导电环上的连接片输出，因此导电环的圆环和连接片的焊接质量直接决定了整台发电机运行的安全和可靠性，一旦两者脱落，就会严重影响发电机的正常使用及人员安全。笔者根据多年的工艺实践、试验模拟和实物对比，认为造成圆环和连接片脱落的原因有两个方面：1）是操作者校形作用力大，使连接片从圆环上脱落，汇流排在装配过程中可能会由于装配尺寸不合适而进行现场校形，在校形过程中由于作用力会使圆环和连接片的焊接处出现弯曲正应力与剪切应力，此力可能会造成连接片脱落。2）是圆环和连接片焊接处存在焊接质量问题，影响焊接质量的因素很多，如焊接表面清洁度、焊接间隙、焊接温度及时间等。

图1 导电环示意图

2 原因分析及试验验证

2.1 操作者校形作用力过大

1）理论设计分析

导电环的圆环和连接片采用钎焊焊接而成，其结构如图2所示，圆环和连接片的材料为TMR软铜母线，连接片尺寸为：12.5 mm×80 mm，焊料为HL307，经查资料知：HL307的抗拉强度b=353 MPa，而钎焊焊缝的抗拉强度σb≈200～250 MPa，一般取抗剪强≈0.5b，焊接面积按式（1）计算：

=12.5×80=1000 mm2（1）

图2 导电环结构和外力作用图

如果在焊接面位置处直接作用一拉力或剪切力，则在两零件焊接完好的情况下，连接片从焊缝处断裂的拉力按式（2）计算：

拉==200 MPa×1000 mm2=200 kN （2）

剪切力按式（3）计算：

剪==100 MPa×1000 mm2=100 kN （3）

如果在引出排顶端作用一力F，要使连接片脱落，则力F最小按弯曲拉伸正应力为式（4）计算，按弯曲剪切应力为式（5）计算：

拉/W （4）

3剪/2=（5）

式中：=/6，=80 mm，=12.5 mm。

由公式（4）计算拉=1314 N，由公式（5）计算剪=67 kN，因拉≤剪，所以至少需大于1314 N时，连接片才会被拉断。

2）普通人校形力验证

将两根12.5×30的铜母线样件按正常工艺进行焊接后，固定在虎钳上，用力矩扳手进行扳断试验，以确定普通人全力施加力矩时是否可以将连接片从圆环焊接处扳断，试验值见表1。

表1 普通人全力施加力矩校形验证

从表1可以看出：普通人全力施加的力最大为 286 N，在力矩扳手力臂为350 mm，样件截面积为12.5×30的情况下，均未影响焊缝。而引出排的长度仅为317 mm，实际焊接截面积为12.5×80，且普通人的全力远远小于理论计算值，所以在焊缝良好的情况下，操作者在校形过程中的力不会使连接片脱落。

2.2 导电环的圆环和连接片焊接处存在焊接质量问题

圆环和连接片焊接时采用钎焊的方法，其焊接质量受两者的结构设计、工艺方法、焊接面粗糙度、焊接面清洁度、焊接温度及保持时间、焊接面间隙偏大或偏小、焊料强度不够、焊接人员操作技术不熟练等多种因素影响，以下就几种主要因素进行分析：

因素一：焊接面粗糙度问题

经查相关资料：钎焊焊接面粗糙度一般要求为MRR Ra3.2～12.5之间，但对不同母材、不同焊料的粗糙度要求又稍有不同，为了找到铜与铜之间钎焊更合适的粗糙度要求，制作了5组不同粗糙度的样件，用焊接工装控制其焊接面间隙在0.1 mm左右做了一系列的相关试验，试验结果见表2。

观察样件的断裂截面，发现MRR Ra1.6与MRR Ra12.5的断裂截面上均有部分区域无焊料残留痕迹，说明粗糙度过大或过小不利于钎料在母材的间隙中润湿、毛细流动、填充和铺展，焊接质量可能会存在缺陷。但根据表2中数据，取表中最小拉伸应力83.9 MPa，计算实际 12.5×80的截面所能承受的拉力为83900 N，剪切力为41950 N，弯曲拉伸力为551 N，均大于普通人全力施加的力，不会被拉断。

因素二：焊接面清洁度问题

制作了2组不同污染物的样件，做了一系列的相关试验，试验结果见表3。

观察样件的断裂截面，发现其断裂截面上均只在焊接表面的边沿部分有焊料残留痕迹，其余区域均无焊料残留，说明焊接面表面不清洁会影响焊接质量。根据表3中数据知，在最小拉伸应力78.5 MPa时，12.5×80的截面所能承受的拉力为78500 N，剪切力为39250 N，弯曲拉伸力为516 N，均大于普通人全力施加的力，不会被拉断。

因素三：焊接面间隙偏大或偏小

根据钎焊标准要求及业内专家咨询情况，两焊接面粗糙度在MRR Ra6.3左右、间隙在0.03～0.13 mm之间，钎焊的润湿性会最好，焊接强度最高。为了验证此间隙的焊接性能，制作了不同间隙的几组试样进行试验。制作样件时，粗糙度控制在MRR Ra6.3左右，用焊接工装保证不同组样件焊接面间隙分别0.02 mm、0.1 mm、0.5 mm，焊接完成冷却后进行拉伸试验，试验数据见表4。

表2 不同粗糙度的焊接强度（焊接截面积12.5×20 mm2，抗拉强度200 MPa）

表3 有油污的焊接强度（焊接截面积12.5×20 mm2，抗拉强度200 MPa）

表 4 不同间隙的焊接强度（焊接截面积12.5×20 mm2，抗拉强度200 MPa）

根据表4中数据知，在最小拉伸应力83 MPa 时，12.5×80的截面所能承受的拉力为83000 N，剪切力为41500 N，弯曲拉伸力为546 N，均大于普通人全力施加的力，不会被拉断。

因素四：两焊接面发生位移，造成虚焊

圆环与连接片焊接夹紧工装仅对两者在径向进行了固定，而在切向及上下没有限位，且圆环和连接片在开始阶段钎焊时，由于焊料未固化，操作者在长时间焊接过程中，极易碰触两零件导致其发生错位、移动，造成虚焊，且导电环焊接结构为圆环与连接片弧面接触焊接（见图1），圆环为铜母线直接卷圆制成，在焊接时，可能存在圆环外圆与连接片焊接弧面之间的焊接间隙不一致，致使焊接间隙部分区域偏小、部分区域偏大，无法确保焊接面内部的质量，致使连接片脱落。

3 解决措施及优化设计

3.1 原因分析

圆环与连接片为钎焊焊接，钎焊时钎料融化为液态而母材保持固态，液态钎料在母材的间隙中或表面上润湿、毛细流动、填充、铺展、与母材相互作用（溶解、扩散或产生金属间化合物），冷却凝固形成牢固接头，从而将母材连接在一起。钎焊前，必须将两焊接零件固定，以保证焊接零件在焊接及焊料固化过程中相互位置不变。

3.2 防脱落优化设计

3.2.1 重新设计焊接定位工装

采取多方向固定焊接工件的方法，避免圆环和连接片在焊接过程中发生位移。

3.2.2 优化焊接件结构

为了提高制造和检测工艺性，更好的保证焊接间隙，圆环卷制完成后，在其连接片焊接处进行机加，使连接片与圆环焊接面为平面接触，并增加焊接面粗糙度要求为MRR Ra3.2～MRR Ra6.3、平面度要求为0.03，这样可以更好的保证两者之间的焊接间隙,平面接触也方便对零件进行检测。同时，增加两焊接件的表面清洁度要求（用109#平布蘸无水乙醇擦拭零件表面去除脏污），明确焊接面之间间隙为0.05～0.10 mm。