發(fā)電機(jī)連接片脫落原因及解決措施

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027)

1 發(fā)電機(jī)連接片脫落原因

大電流發(fā)電機(jī)的定子繞組一般采用導(dǎo)電環(huán)(見圖1，導(dǎo)電環(huán)由圓環(huán)上焊接連接片構(gòu)成)引出的設(shè)計方法，發(fā)電機(jī)所有的功率均是通過導(dǎo)電環(huán)上的連接片輸出，因此導(dǎo)電環(huán)的圓環(huán)和連接片的焊接質(zhì)量直接決定了整臺發(fā)電機(jī)運行的安全和可靠性，一旦兩者脫落(見圖2)，就會嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常使用及人員安全。根據(jù)多年的工藝實踐、試驗?zāi)M和實物對比，認(rèn)為造成圓環(huán)和連接片脫落的原因有兩個方面：(1)是操作者校形作用力大，使連接片從圓環(huán)上脫落(見圖3)，匯流排在裝配過程中可能會由于裝配尺寸不合適而進(jìn)行現(xiàn)場校形，在校形過程中由于作用力會使圓環(huán)和連接片的焊接處出現(xiàn)彎曲正應(yīng)力與剪切應(yīng)力，此力可能會造成連接片脫落。(2)是圓環(huán)和連接片焊接處存在焊接質(zhì)量問題，影響釬焊質(zhì)量的因素很多，如焊接表面清潔度、焊接間隙、焊接溫度及時間等。

圖1導(dǎo)電環(huán)示意圖

圖2連接片脫落實物

圖3連接片脫落示意圖

2 原因分析及試驗驗證

2.1 校形作用力過大

(1)理論設(shè)計分析

導(dǎo)電環(huán)的圓環(huán)和連接片采用釬焊焊接而成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4爆接示意圖

圓環(huán)和連接片的的材料為TMR軟銅母線，連接片尺寸為：12.5mm×80mm，焊料為HL307，經(jīng)查資料知：HL307的抗拉強度σb=353MPa， 而釬焊焊縫的抗拉強度σb≈200～250MPa，一般取抗剪強τ≈0.5σb，焊接面積按式(1)計算

S=12.5×80=1000mm2

(1)

如果在焊接面位置處直接作用一拉力或剪切力，則在兩零件焊接完好的情況下，連接片從焊縫處斷裂的拉力按式(2)計算

F拉=P×S=200MPa×1000mm2=200kN

(2)

剪切力按式(3)計算

F剪=P×S=100MPa×1000mm2=100kN

(3)

如果在引出排頂端作用一力F，要使連接片脫落，則力F最小按彎曲拉伸正應(yīng)力為式(4)計算，按彎曲剪切應(yīng)力為式(5)計算

σb=F拉×L/W

(4)

3F剪/2bh=τ

(5)

式中，W=b×h/6，b=80mm，h=12.5mm。

由式(4)計算F拉=1314N，由式(5)計算F剪=67kN，因F拉≤F剪，所以F至少需大于1314N時，連接片才會被拉斷。

(2)普通人校形力驗證

將兩根12.5×30的銅母線樣件按正常工藝進(jìn)行焊接后，固定在虎鉗上，用力矩扳手進(jìn)行扳斷試驗，以確定普通人全力施加力矩時是否可以將連接片從圓環(huán)焊接處扳斷，試驗值見表1。

表1 普通人校形力試驗數(shù)值

結(jié)論：普通人全力施加的力最大為 286N，在力矩扳手力臂為350mm，樣件截面積為12.5×30的情況下，均未影響焊縫。而引出排的長度僅為317mm，實際焊接截面積為12.5×80，且普通人的全力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論計算值，所以在焊縫良好的情況下，操作者在校形過程中的力不會使連接片脫落。

2.2 導(dǎo)電環(huán)的圓環(huán)和連接片焊接處存在焊接質(zhì)量問題

圓環(huán)和連接片的焊接質(zhì)量受兩者的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝方法、焊接面粗糙度、焊接面清潔度、焊接溫度及保持時間、焊接面間隙偏大或偏小、焊料強度不夠、焊接人員操作技術(shù)不熟練等多種因素影響，以下就幾種主要因素進(jìn)行分析。

因素一：焊接面粗糙度問題

經(jīng)查相關(guān)資料：釬焊焊接面粗糙度一般要求為MRR Ra3.2～12.5之間，但對不同母材、不同焊料的粗糙度要求又稍有不同，為了找到銅與銅之間釬焊更合適的粗糙度要求，制作了5組不同粗糙度的樣件，用焊接工裝控制其焊接面間隙在0.1mm左右做了一系列的相關(guān)試驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 不同粗糙度的焊接強度

圖5MRRRa1.6

圖6MRRRa3.2

圖7MRRRa6.3

圖8MRRRa12.5

圖9MRRRa25

觀察圖5、圖6、圖7、圖8、圖9斷裂截面，發(fā)現(xiàn)圖5 MRR Ra1.6與圖9 MRR Ra25的斷裂截面上均有部分區(qū)域無焊料殘留痕跡，說明粗糙度過大或過小不利于釬料在母材的間隙中潤濕、毛細(xì)流動、填充和鋪展，焊接質(zhì)量可能會存在缺陷。

但根據(jù)表2中數(shù)據(jù)，取表中最小拉伸應(yīng)力83.9MPa，計算實際 12.5×80的截面所能承受的拉力為83900N，剪切力為41950N，彎曲拉伸力為551N，均大于普通人全力施加的力，不會被拉斷。

結(jié)論：焊接面粗糙度為MRR Ra3.2～6.3 時，焊接強度最大，過大或過小均會使焊接強度降低，焊接面粗糙度問題不是連接片脫落的故障原因。

因素二：焊接面清潔度問題

制作了2組不同污染物的樣件，做了一系列的相關(guān)試驗，試驗結(jié)果見表3。

表3 有油污的焊接強度

圖10斷裂截面

圖11斷裂截面

觀察圖10、圖11斷裂截面，發(fā)現(xiàn)其斷裂截面上均只在焊接表面的邊沿部分有焊料殘留痕跡，其余區(qū)域均無焊料殘留，說明焊接面表面不清潔會影響焊接質(zhì)量。根據(jù)表3中數(shù)據(jù)知，在最小拉伸應(yīng)力78.5MPa時，12.5×80的截面所能承受的拉力為78500N，剪切力為39250N，彎曲拉伸力為516N，均大于普通人全力施加的力，不會被拉斷。

結(jié)論：焊接面清潔度問題不是連接片脫落的故障原因。

因素三：焊接面間隙偏大或偏小

根據(jù)釬焊標(biāo)準(zhǔn)要求及業(yè)內(nèi)專家咨詢情況，兩焊接面粗糙度在MRR Ra6.3左右、間隙在0.03mm～0.13mm之間，釬焊的潤濕性會最好，焊接強度最高。為了驗證此間隙的焊接性能， 制作了不同間隙的幾組試樣進(jìn)行試驗。制作樣件時，粗糙度控制在MRR Ra6.3左右，用焊接工裝保證不同組樣件焊接面間隙分別0.02mm、0.1mm、0.5mm，焊接完成冷卻后進(jìn)行拉伸試驗，試驗數(shù)據(jù)見表4。

表 4 同間隙的焊接強度

圖12斷裂截面

圖13斷裂截面

觀察圖12、圖13斷裂截面，發(fā)現(xiàn)其斷裂截面上均只在焊接表面的邊沿部分有焊料殘留痕跡，其余區(qū)域均無焊料殘留，說明焊接面表面不清潔會影響焊接質(zhì)量。

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)知，在最小拉伸應(yīng)力78.5MPa時，12.5×80的截面所能承受的拉力為78500N，剪切力為39250N，彎曲拉伸力為516N，均大于普通人全力施加的力，雖然與故障連接片實際斷面比較相似，但不會被拉斷。

結(jié)論：焊接面清潔度問題不是連接片脫落的故障原因。

因素四：焊料強度不夠

隨機(jī)抽取3根HL307 焊料進(jìn)行拉伸試驗，其數(shù)據(jù)見表5。

表5 HL307 焊料試驗數(shù)據(jù)

結(jié)論：焊料強度不夠不是連接片脫落的故障原因。

因素五：兩焊接面發(fā)生位移，造成虛焊。

圓環(huán)與連接片焊接夾緊工裝(如圖14)僅對兩者在徑向進(jìn)行了固定， 而在切向及上下沒有限位，且圓環(huán)和連接片在開始階段釬焊時，由于焊料未固化，操作者在長時間焊接過程中，極易碰觸兩零件導(dǎo)致其發(fā)生錯位、移動，造成虛焊，且導(dǎo)電環(huán)焊接結(jié)構(gòu)為圓環(huán)與連接片弧面接觸焊接(見圖1)，圓環(huán)為銅母線直接卷圓制成，在焊接時，可能存在圓環(huán)外圓與連接片焊接弧面之間的焊接間隙不一致，致使焊接間隙部分區(qū)域偏小、部分區(qū)域偏大，無法確保焊接面內(nèi)部的質(zhì)量，致使連接片脫落。

圖14連接片脫落

結(jié)論：兩焊接面發(fā)生位移，造成虛焊是連接片脫落的故障原因之一。

其它因素：供應(yīng)商、檢測方法、檢測工具、焊接人員熟練程度等原因逐一分析、排除，均不是連接片脫落的故障原因。

3 解決措施及優(yōu)化設(shè)計

3.1 原因分析

圓環(huán)與連接片為釬焊焊接，釬焊時釬料融化為液態(tài)而母材保持固態(tài)，液態(tài)釬料在母材的間隙中或表面上潤濕、毛細(xì)流動、填充、鋪展、與母材相互作用(溶解、擴(kuò)散或產(chǎn)生金屬間化合物)，冷卻凝固形成牢固接頭，從而將母材連接在一起。釬焊前，必須將兩焊接零件固定，以保證焊接零件在焊接及焊料固化過程中相互位置不變。

3.2 防脫落優(yōu)化設(shè)計

3.2.1 重新設(shè)計焊接定位工裝

采取多方向固定焊接工件的方法，避免圓環(huán)和連接片在焊接過程中發(fā)生位移(見圖15)。

圖15焊接工裝

3.2.2 優(yōu)化焊接件結(jié)構(gòu)

為了提高制造和檢測工藝性，更好的保證焊接間隙，圓環(huán)卷制完成后，在其連接片焊接處進(jìn)行機(jī)加，使連接片與圓環(huán)焊接面為平面接觸(見圖16)。

圖16平面接觸

并增加焊接面粗糙度要求為MRR Ra3.2～MRR Ra6.3、平面度要求為0.03，這樣可以更好的保證兩者之間的焊接間隙,平面接觸也方便對零件進(jìn)行檢測。同時，增加兩焊接件的表面清潔度要求(用109#平布蘸無水乙醇擦拭零件表面去除臟污)，明確焊接面之間間隙為0.05mm～0.10mm。

4 結(jié)語

通過對連接片脫落故障的分析、驗證和優(yōu)化方案的制定，提高了導(dǎo)電環(huán)焊接的可靠性，為整套發(fā)電機(jī)組的安全運行提供了保障。