20Mn23A1无磁钢变压器油箱开裂分析

连杰，张心保

1.太原钢铁（集团）有限公司先进不锈钢材料国家重点实验室 山西太原 030003

2.山西太钢不锈钢股份有限公司技术中心 山西太原 030003

1 序言

高压及大容量变压器油箱多数是箱式结构，并且整个箱体材质多采用20Mn23A1无磁钢，当变压器运行时，变压器的油箱也随之运作，并且在油箱内部会产生相应的磁场。为了能够防止磁场的产生，很多变压器选择在箱体内部焊接一层铜板，从而将内部磁场进行减弱与屏蔽[1]，防止发生局部过热现象。国内某知名变压器厂生产的一台大型变压器，使用了山西太钢不锈钢股份有限公司（以下简称太钢）生产的20Mn23A1无磁钢板材制作油箱。变压器在安装注油时，发现油箱壁有一处漏油，进一步检查发现20Mn23A1无磁钢板上有一处裂纹，变压器油就是从该裂纹处泄漏的。变压器厂怀疑20Mn23A1无磁钢板的制造存在质量问题，遂向太钢提出申请，请求协助解决。

2 20 Mn23A1无磁钢开裂基本情况

（1）开裂油箱壁的结构情况 经了解，开裂油箱外壁材料采用的是10mm厚的20Mn23A1无磁钢，为了达到屏蔽变压器漏磁场的目的，在无磁钢的内壁上又贴合焊接一层T2铜板。无磁钢与铜板的连接方法采用熔化极氩弧焊工艺（MIG），焊接材料使用HS201铜焊丝。无磁钢与铜板的焊接，采用了两种焊缝方式连接。铜板间及与无磁钢的连接，采用I形坡口，两块铜板之间留一定的间隙，施工时，同时把两块铜板及铜板与无磁钢三者之间焊接成一体；另外，由于变压器油箱壁面积大，为保证无磁钢与铜板间实现紧密贴合，需在铜板上均匀开孔，采用塞焊的方式与无磁钢进行焊接。其结构如图1所示[2]。

图1 变压器油箱的结构形式

（2）无磁钢开裂处的形态 变压器油箱壁开裂处为20Mn23A1无磁钢板中心区域，有一长一短十字交叉两条裂纹，长裂纹约25mm，短裂纹约8mm，裂纹最宽处约0.8mm，裂纹背后有铜板塞焊缝，但开裂处钢板表面侧未进行任何加工。变压器厂技术人员认为，该厂20Mn23A1无磁钢与T2铜板的焊接加工方式和工艺，已经使用多年，其工艺是非常成熟的，之前从未发生过此类问题。另外，虽然开裂处背后有塞焊缝，此产品有上千处焊点，如果焊接工艺有问题，不应该只有一处发生问题，且无磁钢厚度达10mm，焊接不应该有这么严重的影响，因此重点怀疑无磁钢的板材制造有质量问题。20Mn23A1无磁钢油箱开裂处情况如图2所示。

图2 油箱裂纹形态

3 无磁钢板开裂原因分析

3.1 20Mn23A1无磁钢制造质量导致开裂分析

假如20Mn23A1无磁钢板材存在质量问题，最大的可能性就是在无磁钢冶炼完成后的浇注制坯工序，因某种偶然因素，钢坯产生宏观夹渣缺陷，其缺陷正好处于焊接区域时，焊接应力和缺陷两者相互作用，共同造成变压器油箱壁产生开裂。

3.2 焊接因素导致开裂分析

（1）20Mn23Al无磁钢焊接性分析 20Mn23Al无磁钢为奥氏体高锰钢，合金含量（质量分数）大于25%，该钢种的主要合金元素是Mn、Al，无磁钢中Mn是奥氏体形成元素，但是Fe-Mn合金的奥氏体不稳定，当Mn含量较高时，可能会发生马氏体相变，使钢材的冷脆性增加。20Mn23Al无磁钢中wAl=1.5%～2.5%，铝的化学活泼性较强，极易形成铝的氧化物，其熔点较高，焊接时易产生大量蜂窝状氢气孔。20Mn23Al的化学成分见表1。

20Mn23A1是无磁钢，其焊接时要求焊缝也要具有无磁性，要求焊缝组织为单一的奥氏体组织，不应有δ组织出现，但单相奥氏体组织容易产生热裂纹。20Mn23Al无磁钢为奥氏体高锰钢，线膨胀系数大，热导率仅有碳素钢的1/3，焊接时会产生较大的焊接变形及焊接应力[3]。焊接变形会影响结构的使用，而焊接应力则是造成焊接开裂的重要因素之一。

表1 20Mn23Al的化学成分（质量分数） （%）

（2）T2铜板的焊接性分析 通常评价一种合金的焊接性是根据其化学成分、热物理特性和物理化学特性，T2铜的化学成分见表2。与碳素钢相比，铜的焊接性较差主要有以下几个方面的因素。

1）铜的导热系数是普通碳素钢的7～11倍，焊接时大部分热量被母材传导散失，焊接区难以达到熔化温度，造成纯铜焊接时母材不易熔合、不易焊透和表面成形较差的外观缺陷。

2）铜能与其中的杂质分别生成Cu+Bi、Cu+Pb以及Cu2O+Cu等低熔点共晶，它们在结晶过程中都分布在枝晶间或晶界处，使铜或铜合金具有明显的热脆性。

3）焊缝处于凝固过程的固-液阶段，热影响区处于易熔共晶液化状态下都容易因焊接应力造成热裂纹。

4）熔化焊焊接纯铜时，气孔出现的倾向比碳素钢要严重的多，所形成的气孔几乎分布在焊缝的各个部位[4]。

表2 T2的化学成分（质量分数） （%）

（3）20Mn23A1无磁钢与T2铜板异种材料的焊接性分析 20Mn23A1无磁钢属于铁基高合金钢，T2铜板是属于有色金属，两者间的化学成分及物理性能差异巨大，20Mn23A1的熔点约1420℃，纯铜的熔点为1083℃；20Mn23A1的导热系数约为碳素钢的1/4，而铜的导热系数为碳素钢的7～11倍，二者之间的线膨胀系数、力学性能等差异都比较大，这些问题的存在，对焊接是不利的。但铁与铜在高温时的原子半径、晶体晶格类型、晶格常数以及原子的外层电子数等比较接近，这对原子间扩散、钢与铜及铜合金焊接来说，是较为有利的因素。图3所示为Fe-Cu合金状态二元相图，Fe与Cu在液态时无限互溶，固态时有限互溶，不形成金属间化合物；当铁向铜扩散时，形成有限溶解的ε固溶体[5]。

铜-钢焊接时存在的主要问题如下：

1）难熔合及易变形。由于铜在不同温度时的导热系数比普通碳素钢大7～11倍，焊接电弧热量从铜板母材基体上散失，因此铜板基体难以达到熔化温度，而熔化后的焊丝与母材因温度悬殊而造成未熔合。又因铜的线膨胀系数及收缩率比铁大一倍以上，因此焊接时在无拘束条件下易变形[5]，而拘束力大时，焊缝又容易撕裂。

图3 Fe-Cu二元相图

2）接头性能下降。在焊接过程中的热作用之下，晶粒严重长大，杂质和合金元素的渗入，有用合金元素的氧化，各种脆性的低熔共晶体出现于晶界，或产生脆性相，使接头的塑韧性、导电性、耐蚀性等显著下降。

3）焊缝易产生热裂纹。由于铜与钢会形成低熔点共晶，以及线膨胀系数相差较大，焊缝容易产生热裂纹和晶界偏析（即低熔点共晶合金或是铜的偏析），焊接时在较大的焊接应力状态下，易出现宏观裂纹。

4）铜渗透裂纹。铜与20Mn23Al焊接时，由于铜的润湿性好，焊接参数及工艺选择不合理时，液态铜会加速向异种钢的热影响区晶界渗透，产生渗透裂纹。为防止渗透裂纹产生，需要合理地选择焊接参数，选用小的焊接热输入量[6]。

4 模拟焊接试验

20Mn23A1无磁钢在出厂时，均进行严格的检验，假如发生铸坯夹渣，在之后的轧制过程中，夹渣会随轧制形成与板面平行的片状缺陷，在焊接时，片状缺陷会阻碍焊接热传导，同时也有阻断裂纹延伸的功效，发生问题的无磁钢裂纹，为贯穿板厚的裂纹，因此材料缺陷的嫌疑较小。针对20Mn23A1无磁钢与T2铜板焊接产生开裂事件，我们进行了模拟焊接试验，旨在研究何种焊接状态时，无磁钢会产生裂纹。

4.1 常规焊接工艺试验

为验证焊接工艺是否能造成无磁钢开裂，进行了模拟焊接试验。模拟焊接试板（见图4）的结构形式尽量与发生问题油箱结构形式相同，铜板与无磁钢塞焊缝尺寸，也与现场情况相当。焊接方法采用了MIG焊工艺，使用HS201铜焊丝填充，纯氩气作为保护气体。使用了强弱两种工艺，进行了两组试板的对比焊接，具体的试验用焊接参数见表3。焊后经检验，1#工艺无磁钢、铜板及所有焊缝均未出现开裂现象；2#工艺焊接的无磁钢和铜板也没有裂纹，但最后焊接的一条角焊缝有开裂现象。分析其开裂原因，可能是因焊接参数加大，导致焊接残余应力增加，焊缝的强度低于残余应力而开裂。2#试板虽然母材未发生开裂，但说明焊接参数大，对焊接开裂有促进作用，因此不能为单纯提高施工效率，盲目提高焊接参数，应当采取铜板预热措施，减小铜板滞后熔化现象，以避免使用超强的焊接参数，使工件造成焊接缺陷。

图4 模拟焊接试板

表3 模拟试板焊接参数

4.2 铜焊丝堆焊工艺试验

常规焊接试板，20Mn23A1无磁钢母材未发生开裂，但通过该试验，可以发现焊接参数大对焊接质量不利，因此又采用非常规焊接工艺，进行了焊接试验。试验采用20Mn23A1无磁钢板表面堆焊HS201铜焊丝的方式，焊接参数也再次进行了增加，让焊接热输入更大，焊接区域焊接应力更强，具体焊接参数见表4。在无磁钢表面采用纵横两个焊接方向，共堆焊了两层HS201铜焊缝，在堆焊试验处，HS201铜焊丝堆焊层及无磁钢背面均出现裂纹，进一步验证了焊接工艺不仅可以导致无磁钢开裂，而且怀疑20Mn23A1无磁钢母材的开裂与铜焊材的收缩率大这一特性有关。铜焊丝堆焊试验试板如图5所示。

表4 铜焊丝堆焊参数

图5 非常规焊接工艺堆焊试板

4.3 结构钢焊丝堆焊对比试验

通过在20Mn23A1无磁钢表面堆焊HS201铜焊丝试验，20Mn23A1无磁钢板材开裂，怀疑铜渗透是导致无磁钢开裂的原因之一，因此为了验证使用铜焊丝是否会造成无磁钢开裂，使用结构钢焊材，在无磁钢上进行了对比试验。焊接参数基本参照铜焊丝堆焊工艺，焊接参数见表5。焊接形式与铜焊丝堆焊相同，焊后堆焊试板正反面均未发现有开裂现象（见图6），可以侧面证明，仅焊接残余应力，不足以导致形成无磁钢发生开裂。无磁钢的开裂是铜在焊接高温状态下向无磁钢侧产生渗透，是铜的渗透造成无磁钢产生裂纹。

表5 结构钢焊丝堆焊参数

图6 结构钢焊丝堆焊试板

4.4 模拟焊接开裂试板的检验

（1）金相检验 为了进一步验证20Mn23A1无磁钢的开裂是否为铜渗透裂纹，对焊接开裂试板进行了金相检验，以寻找证据。在HS201铜焊丝堆焊开裂试板区域制取了金相试样，试样经过抛光腐蚀，使用光学显微镜对试样进行了观察。HS201铜焊丝堆焊区为典型的焊态组织，组织形态较均匀，差异较小。在无磁钢侧，基体组织为典型的奥氏体组织，母材未发现异常；在奥氏体母材区域，与焊缝垂直方向，形成一个漏斗状形态异常区域，一直向母材方向延伸，异常区域颜色与焊缝一致，在漏斗缝隙两侧，无磁钢的晶粒明显长大，晶界轮廓清晰，组织疏松，大部分区域有沿晶开裂倾向；在缝隙远端，可见的类似焊缝物质逐渐减少；在缝隙前端奥氏体母材区域，也有明显的沿晶开裂现象，说明裂纹有延伸扩展倾向。从金相图片中可以初步判定（见图7），开裂试板有铜渗透裂纹嫌疑。

（2）电镜检验 使用电子显微镜对无磁钢与铜焊丝堆焊的试件进行了进一步观察，在无磁钢侧晶界有明显的疑似沿晶界铜渗透现象。为验证晶界物性质，使用能谱进行了鉴别，结果显示，晶界铜含量（质量分数）达2.93%（见图8），证实了之前的怀疑，为此次无磁钢铜渗透裂纹的定性，提供了直接证据。

图7 金相图片

图8 电镜及能谱检验

5 变压器油箱开裂处解剖分析

通过对变压器油箱使用材料的焊接性分析，结合油箱开裂形态及结构特点，通过模拟试验，多方证据指向变压器油箱的开裂原因可能为异种材料焊接而引起的铜渗透裂纹。经过与变压器厂协商，对变压器油箱开裂处进行了取样，委托国内某权威科研院进行了解剖分析。检验结果表明，在裂纹断口区域，未发现无磁钢板制造缺陷；进一步采用多种检验方法分析，情况与太钢做的模拟开裂试板的情况基本相同，证明了此次无磁钢的开裂，就是因焊接操作不当，无磁钢焊接热影响区发生严重的铜渗透，在焊接残余拉应力的影响下，两者共同作用下造成了无磁钢的开裂，无磁钢的开裂与板材制造质量无关。

6 结论与建议

通过对20Mn23A1无磁钢-T2铜两种材料及异种材料间的焊接性分析，以及针对上述两种材料的模拟焊接，在常规焊接工艺条件下，20Mn23A1无磁钢-T2铜异种材料添加HS201铜焊丝的施工工艺是能满足工程应用的，不会发生渗透裂纹。但在超强焊接参数条件时，首先是铜润湿性能好，会向奥氏体无磁钢晶界产生严重的铜渗透现象；其次是焊接高温状态时，无磁钢及T2铜产生比较大的膨胀应力，焊接接头热影响区的压应力已经远超过它们的屈服极限，焊接接头热影响区产生压缩，焊接接头在之后的冷却过程中，无磁钢的结晶温度高于T2铜，固态的无磁钢晶界生成铜的液态膜，焊接接头内金属全部凝固后，焊接接头区域的压应力转变为拉应力，焊接接头无磁钢内的铜渗透区域不足以承受焊接接头区域的拉应力，从而形成铜渗透裂纹。

为避免在20Mn23A1无磁钢-T2铜异种钢的焊接生产中产生铜渗透裂纹，建议焊接前，T2铜预热300℃，减少铜板在焊接时因铜板的导热性能好、热容量大而产生滞后熔化现象，以避免使用大电流，减小铜的渗透概率，避免产生渗透裂纹；使用合理的焊接顺序，尽量采用多层多道焊接方法，以减小焊接接头的残余应力，减小产生裂纹概率；在保证焊接接头熔合良好的前提下，尽可能采用小的焊接参数。