發(fā)電機(jī)連接片脫落原因分析及解決方案

張蕊莉，魏雨谷

發(fā)電機(jī)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(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027）

大電流發(fā)電機(jī)的定子繞組一般采用導(dǎo)電環(huán)引出的方法，而導(dǎo)電環(huán)的焊接脫落則會(huì)引發(fā)發(fā)電機(jī)災(zāi)難性故障。本文通過分析導(dǎo)電環(huán)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(shí)間、連接片結(jié)構(gòu)等因素著手，對(duì)易造成圓環(huán)和連接片脫落，逐一分析、試驗(yàn)和驗(yàn)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(dǎo)電環(huán)的焊接質(zhì)量。

發(fā)電機(jī) 導(dǎo)電環(huán) 連接片 焊接

0 引言

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(jì)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(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的安全和可靠性，一旦兩者脫落，就會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常使用及人員安全。筆者根據(jù)多年的工藝實(shí)踐、試驗(yàn)?zāi)M和實(shí)物對(duì)比，認(rèn)為造成圓環(huán)和連接片脫落的原因有兩個(gè)方面：1）是操作者校形作用力大，使連接片從圓環(huán)上脫落，匯流排在裝配過程中可能會(huì)由于裝配尺寸不合適而進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校形，在校形過程中由于作用力會(huì)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(huì)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，影響焊接質(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(shí)間等。

圖1 導(dǎo)電環(huán)示意圖

2 原因分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 操作者校形作用力過大

1）理論設(shè)計(jì)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2所示，圓環(huán)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(jīng)查資料知：HL307的抗拉強(qiáng)度b=353 MPa，而釬焊焊縫的抗拉強(qiáng)度σb≈200～250 MPa，一般取抗剪強(qiáng)≈0.5b，焊接面積按式（1）計(jì)算：

=12.5×80=1000 mm2（1）

圖2 導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)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(jì)算：

拉==200 MPa×1000 mm2=200 kN （2）

剪切力按式（3）計(jì)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(yīng)力為式（4）計(jì)算，按彎曲剪切應(yīng)力為式（5）計(jì)算：

拉/W （4）

3剪/2=（5）

式中：=/6，=80 mm，=12.5 mm。

由公式（4）計(jì)算拉=1314 N，由公式（5）計(jì)算剪=67 kN，因拉≤剪，所以至少需大于1314 N時(shí)，連接片才會(huì)被拉斷。

2）普通人校形力驗(yàn)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(yàn)，以確定普通人全力施加力矩時(shí)是否可以將連接片從圓環(huán)焊接處扳斷，試驗(yàn)值見表1。

表1 普通人全力施加力矩校形驗(yàn)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(shí)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(jì)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(huì)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)和連接片焊接時(shí)采用釬焊的方法，其焊接質(zhì)量受兩者的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工藝方法、焊接面粗糙度、焊接面清潔度、焊接溫度及保持時(shí)間、焊接面間隙偏大或偏小、焊料強(qiáng)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(duì)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(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

觀察樣件的斷裂截面，發(fā)現(xiàn)MRR Ra1.6與MRR Ra12.5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(dòng)、填充和鋪展，焊接質(zhì)量可能會(huì)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83.9 MPa，計(jì)算實(shí)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(huì)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(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

觀察樣件的斷裂截面，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(huì)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78.5 MPa時(shí)，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(huì)被拉斷。

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0.03～0.13 mm之間，釬焊的潤濕性會(huì)最好，焊接強(qiáng)度最高。為了驗(yàn)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(yàn)。制作樣件時(shí)，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(jìn)行拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

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

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

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

根據(jù)表4中數(shù)據(jù)知，在最小拉伸應(yīng)力83 MPa 時(shí)，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(huì)被拉斷。

因素四：兩焊接面發(fā)生位移，造成虛焊

圓環(huán)與連接片焊接夾緊工裝僅對(duì)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(shí)，由于焊料未固化，操作者在長時(shí)間焊接過程中，極易碰觸兩零件導(dǎo)致其發(fā)生錯(cuò)位、移動(dòng)，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(shí)，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。

3 解決措施及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 原因分析

圓環(huán)與連接片為釬焊焊接，釬焊時(shí)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(dòng)、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(jì)

3.2.1 重新設(shè)計(jì)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。

3.2.2 優(yōu)化焊接件結(jié)構(gòu)

為了提高制造和檢測(cè)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，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(duì)零件進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，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(jié)論

通過對(duì)連接片脫落故障的分析、驗(yàn)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(yùn)行提供了保障。

[1] 許實(shí)章. 電機(jī)學(xué)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[2] 陳世坤. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1982.

[3] 胡之光. 電機(jī)電磁場(chǎng)的分析與計(jì)算[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)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(jī)工藝及設(shè)計(jì)。E-mail：420261983@qq.com