發電機連接片脫落原因分析及解決方案

張蕊莉，魏雨谷

發電機連接片脫落原因分析及解決方案

張蕊莉，魏雨谷

（中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027）

大電流發電機的定子繞組一般采用導電環引出的方法，而導電環的焊接脫落則會引發發電機災難性故障。本文通過分析導電環上連接片脫落的原因，從操作者校形作用力大小、焊接面粗糙度、清潔度、焊接溫度及時間、連接片結構等因素著手，對易造成圓環和連接片脫落，逐一分析、試驗和驗證，最終確定了連接片脫落的主要原因，并提出了解決辦法，保證了導電環的焊接質量。

發電機 導電環 連接片 焊接

0 引言

大電流發電機的定子繞組一般采用導電環（見圖1，導電環由圓環上焊接連接片構成）引出的設計方法，發電機所有的功率均是通過導電環上的連接片輸出，因此導電環的圓環和連接片的焊接質量直接決定了整臺發電機運行的安全和可靠性，一旦兩者脫落，就會嚴重影響發電機的正常使用及人員安全。筆者根據多年的工藝實踐、試驗模擬和實物對比，認為造成圓環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，使連接片從圓環上脫落，匯流排在裝配過程中可能會由于裝配尺寸不合適而進行現場校形，在校形過程中由于作用力會使圓環和連接片的焊接處出現彎曲正應力與剪切應力，此力可能會造成連接片脫落。2）是圓環和連接片焊接處存在焊接質量問題，影響焊接質量的因素很多，如焊接表面清潔度、焊接間隙、焊接溫度及時間等。

圖1 導電環示意圖

2 原因分析及試驗驗證

2.1 操作者校形作用力過大

1）理論設計分析

導電環的圓環和連接片采用釬焊焊接而成，其結構如圖2所示，圓環和連接片的材料為TMR軟銅母線，連接片尺寸為：12.5 mm×80 mm，焊料為HL307，經查資料知：HL307的抗拉強度b=353 MPa，而釬焊焊縫的抗拉強度σb≈200～250 MPa，一般取抗剪強≈0.5b，焊接面積按式（1）計算：

=12.5×80=1000 mm2（1）

圖2 導電環結構和外力作用圖

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：

拉==200 MPa×1000 mm2=200 kN （2）

剪切力按式（3）計算：

剪==100 MPa×1000 mm2=100 kN （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力為式（4）計算，按彎曲剪切應力為式（5）計算：

拉/W （4）

3剪/2=（5）

式中：=/6，=80 mm，=12.5 mm。

由公式（4）計算拉=1314 N，由公式（5）計算剪=67 kN，因拉≤剪，所以至少需大于1314 N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行焊接后，固定在虎鉗上，用力矩扳手進行扳斷試驗，以確定普通人全力施加力矩時是否可以將連接片從圓環焊接處扳斷，試驗值見表1。

表1 普通人全力施加力矩校形驗證

從表1可以看出：普通人全力施加的力最大為 286 N，在力矩扳手力臂為350 mm，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317 mm，實際焊接截面積為12.5×80，且普通人的全力遠遠小于理論計算值，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 導電環的圓環和連接片焊接處存在焊接質量問題

圓環和連接片焊接時采用釬焊的方法，其焊接質量受兩者的結構設計、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、焊接人員操作技術不熟練等多種因素影響，以下就幾種主要因素進行分析：

因素一：焊接面粗糙度問題

經查相關資料：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0.1 mm左右做了一系列的相關試驗，試驗結果見表2。

觀察樣件的斷裂截面，發現MRR Ra1.6與MRR Ra12.5的斷裂截面上均有部分區域無焊料殘留痕跡，說明粗糙度過大或過小不利于釬料在母材的間隙中潤濕、毛細流動、填充和鋪展，焊接質量可能會存在缺陷。但根據表2中數據，取表中最小拉伸應力83.9 MPa，計算實際 12.5×80的截面所能承受的拉力為83900 N，剪切力為41950 N，彎曲拉伸力為551 N，均大于普通人全力施加的力，不會被拉斷。

因素二：焊接面清潔度問題

制作了2組不同污染物的樣件，做了一系列的相關試驗，試驗結果見表3。

觀察樣件的斷裂截面，發現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，其余區域均無焊料殘留，說明焊接面表面不清潔會影響焊接質量。根據表3中數據知，在最小拉伸應力78.5 MPa時，12.5×80的截面所能承受的拉力為78500 N，剪切力為39250 N，彎曲拉伸力為516 N，均大于普通人全力施加的力，不會被拉斷。

因素三：焊接面間隙偏大或偏小

根據釬焊標準要求及業內專家咨詢情況，兩焊接面粗糙度在MRR Ra6.3左右、間隙在0.03～0.13 mm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0.02 mm、0.1 mm、0.5 mm，焊接完成冷卻后進行拉伸試驗，試驗數據見表4。

表2 不同粗糙度的焊接強度（焊接截面積12.5×20 mm2，抗拉強度200 MPa）

表3 有油污的焊接強度（焊接截面積12.5×20 mm2，抗拉強度200 MPa）

表 4 不同間隙的焊接強度（焊接截面積12.5×20 mm2，抗拉強度200 MPa）

根據表4中數據知，在最小拉伸應力83 MPa 時，12.5×80的截面所能承受的拉力為83000 N，剪切力為41500 N，彎曲拉伸力為546 N，均大于普通人全力施加的力，不會被拉斷。

因素四：兩焊接面發生位移，造成虛焊

圓環與連接片焊接夾緊工裝僅對兩者在徑向進行了固定，而在切向及上下沒有限位，且圓環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，極易碰觸兩零件導致其發生錯位、移動，造成虛焊，且導電環焊接結構為圓環與連接片弧面接觸焊接（見圖1），圓環為銅母線直接卷圓制成，在焊接時，可能存在圓環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域偏小、部分區域偏大，無法確保焊接面內部的質量，致使連接片脫落。

3 解決措施及優化設計

3.1 原因分析

圓環與連接片為釬焊焊接，釬焊時釬料融化為液態而母材保持固態，液態釬料在母材的間隙中或表面上潤濕、毛細流動、填充、鋪展、與母材相互作用（溶解、擴散或產生金屬間化合物），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 防脫落優化設計

3.2.1 重新設計焊接定位工裝

采取多方向固定焊接工件的方法，避免圓環和連接片在焊接過程中發生位移。

3.2.2 優化焊接件結構

為了提高制造和檢測工藝性，更好的保證焊接間隙，圓環卷制完成后，在其連接片焊接處進行機加，使連接片與圓環焊接面為平面接觸，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0.05～0.10 mm。

4 結論

通過對連接片脫落故障的分析、驗證和優化方案的制定，提高了導電環焊接的可靠性，為整套發電機組的安全運行提供了保障。

[1] 許實章. 電機學[M]. 北京: 機械工業出版社，1985.

[2] 陳世坤. 電機設計[M]. 北京: 機械工業出版社, 1982.

[3] 胡之光. 電機電磁場的分析與計算[M]. 北京: 機械工業出版社, 1980.

Analysis of the Causes of Generator Connection Piece Falling off

Zhang Ruili, Wei Yugu

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology CO., Ltd, Taiyuan 030027, Shanxi, China）

TM351

A

1003-4862（2019）08-0044-03

2019-2-20

張蕊莉（1985-），女，工程師。研究方向：電機工藝及設計。E-mail：420261983@qq.com