大型電力變壓器油箱電屏蔽焊接工藝

張建民

摘要：高電壓、大容量變壓器油箱內(nèi)部為了屏蔽漏磁場，防止局部過熱需在油箱內(nèi)部焊接大量的銅板電屏蔽。變壓器油箱材料多采用Q235B，Q345B，20Mn23A1V，0Crl8Ni9等材料，電屏蔽為純銅材料。由于銅導(dǎo)熱快，且為異種金屬間焊接，因此焊接存在一定困難。為保證焊接質(zhì)量，對鋼及銅的焊接性進行了分析，確定了焊接方法、焊接材料、接頭形式及焊接規(guī)范，并對實際生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的問題及時進行總結(jié)，形成了一套成熟的焊接工藝。

關(guān)鍵詞：大型電力變壓器;油箱電屏蔽;埋弧自動焊：焊接工藝

一、前言

銅與鋼相比，造價高。如果使用普通鋼焊絲代替銅焊絲焊接，可大幅度降低焊接材料的成本，降低制造成本。埋弧自動焊工藝方法與上述工藝方法相比，具有很大優(yōu)勢。埋弧自動焊其設(shè)備熱容量大，焊絲承載電流大，可大幅度提高焊絲的熔敷效率而且傳遞給銅板母材的熱量高，銅板可焊接的溫度不需要預(yù)熱就可提升;同時通過埋弧焊焊劑將電弧覆蓋，不僅可降低熱量的散失，還使電弧處于隱蔽狀態(tài)，很好的保護了焊工的眼睛。埋弧自動焊，使用自動焊小車焊接，提高焊線質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。銅板屏蔽的焊接采用自動埋弧焊工藝方法，提高了生產(chǎn)效率，改進了焊線外觀成型;在變壓器設(shè)計損耗允許的情況下，采用碳鋼焊絲代替銅焊絲，可降低焊接成本。

二、銅屏蔽的埋弧焊的焊接材料及工藝

2.1 電屏蔽結(jié)構(gòu)

常用電屏蔽由銅板鋪設(shè)于油箱內(nèi)（外） 構(gòu)成。 根據(jù)楞次定律，屏蔽材料的高電導(dǎo)率所產(chǎn)生渦流的反磁場來阻止變壓器漏磁通進入屏蔽部位，從而減少了進入屏蔽部位的漏磁通， 達到降低變壓器的附加損耗的目的。

由于電屏蔽最大的特點是改變磁力線的彎曲方向，可使線圈端部磁力線彎曲程度減小， 從而使線圈橫向漏磁分量產(chǎn)生的渦流損耗減小， 但可能造成其他未加屏蔽的鋼結(jié)構(gòu)件中雜散損耗增加， 因此特大型變壓器中電屏蔽與磁屏蔽往往同時使用。 在油箱的垂直方向上將磁屏蔽布置在磁通比較集中的部位， 通過降低磁阻來引導(dǎo)磁通在磁屏蔽中通過， 在箱蓋及箱底的彎折處用電屏蔽來彎曲磁力線的方向， 使磁力線大部分都進入到油箱磁屏蔽中， 保護箱蓋、 箱沿等部位不會產(chǎn)生局部過熱。 當(dāng)采用磁屏蔽和電屏蔽組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)時， 應(yīng)特別注意電屏蔽與磁屏蔽間的結(jié)合部，通常將磁屏蔽搭在電屏蔽的上面。

電屏蔽一般采用厚 4～6 mm 銅板制作， 可由若干塊銅板拼接而成， 加工成與所屏蔽位置一致的形狀。 當(dāng)采用拼接方式制作時要根據(jù)漏磁場的分布情況選擇適當(dāng)?shù)慕涌p形式， 以免漏磁通集中通過接縫處的間隙而進入所屏蔽部位， 導(dǎo)致局部過熱。 電屏蔽通常采用焊接方式與屏蔽部位連成為一個整體， 焊接時電屏蔽板的四周與屏蔽部位間要滿焊， 不得留有縫隙， 并使屏蔽板要與屏蔽部位貼緊沒有懸空現(xiàn)象。 當(dāng)電屏蔽與屏蔽部位采用螺栓聯(lián)接時必須使用不導(dǎo)磁螺栓。

2.2焊接材料的選擇

傳統(tǒng)的銅板焊接基本都采用與母材相同材質(zhì)的焊絲，即鋁青銅焊絲，但銅焊絲與鋼焊絲相比成本較高，目前市面上鋁青銅焊絲78元/公斤左右，而碳鋼焊絲在8元/公斤左右，如果使用鋼焊絲，可以節(jié)約焊絲大約十倍的成本。另外，鋼焊絲與銅焊絲相比具有很好的韌性和強度、抗裂性好的特點。鋼焊絲與銅焊絲相比熔點低，在配以同一電源的情況下，焊接工藝性好，焊線成型好。

2.3焊接試件工藝方案

根據(jù)銅板屏蔽的結(jié)構(gòu)型式，擬定埋弧焊鋼焊絲、焊劑匹配工藝方案，并賦予工藝參數(shù)制作焊接試件。

焊接方法：填充材料焊絲H08MnA、填充材料焊劑SJ101、焊接電流（A）：542-547、焊接電壓（V）35-36、焊接速度（m/h）：23.

2.4焊接試件的性能檢測方案

（1）力學(xué)性能檢測。

采用拉伸試驗機檢測焊接試件的屈服強度、抗拉強度。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T2651-2008。

（2）顯微組織觀察。

用照相機對焊口宏觀形貌進行觀察與分析;用電子顯微鏡JSM-6301F型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡和SS-550掃描電鏡及蔡司顯微鏡觀察材料的顯微組織（采用標(biāo)準(zhǔn)GB-T13298-1991金屬顯微組織檢驗方法）。

（3）滲透檢測。

用滲透試驗方法（采用的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB4730-2005）對焊縫及臨近焊接接頭部位進行滲透。

三、試驗結(jié)果與分析

3.1H08MnA焊絲配合焊劑SJ101對4mm銅與鋼板箱壁的焊接

本次試驗采用H08MnA焊絲配合焊劑SJ101進行試驗，焊絲成分為：C0.10、Mn0.8-1.10、Si0.07、S0.030、P0.030、Cu0.20、Cr0.20、Ni0.30.

根據(jù)銅板屏蔽與油箱箱壁焊接結(jié)構(gòu)，采用4mm厚的銅板與鋼板進行搭接焊接。采用了如下的焊接工藝。由于鋼—銅本身物理性能上的差異，在焊縫位置容易出現(xiàn)裂紋，所采用的焊接方式是將焊縫設(shè)置在銅板上（偏置量為6-9mm），通過將銅板直接焊透，使其與鋼板融合到一起。這種焊接方式的焊縫沒有裂紋;同時，截斷焊縫后發(fā)現(xiàn)，銅板已被焊透，并與鋼板融合在一起。這是由于銅板直接焊透而焊接到鋼板上，其中不涉及鋼板與銅板對接所存在的物理性能差異問題，這種方法只有銅板與鋼板的結(jié)合處產(chǎn)生縱向的合力，其主要應(yīng)力不會對焊縫產(chǎn)生破壞，所以不會產(chǎn)生裂紋。優(yōu)化后的H08MnA焊絲配合焊劑SJ101銅與銅對焊焊接工藝參數(shù)，焊接電流400A、焊接電壓35V、焊接速度27m/h。

由此可見，本文中筆者采用的這種搭接焊接方式，既可以保焊縫質(zhì)量，又能保證焊透;同時，這種搭接焊接方法適于銅與鋼板的搭接焊接，且焊接效果較好。滲透探傷檢測結(jié)果為焊縫不滲漏。

3.2H08MnA焊絲配合焊劑SJ101對6mm銅板與箱壁的焊接

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)需要，同樣也對6mm的銅板與鋼板之間進行搭接焊接（圖4）。采用了4mm厚的焊接接頭方式。結(jié)果多次試驗，得到了優(yōu)化后的H08MnA焊絲配合焊劑SJ101銅與銅對焊焊接工藝參數(shù)，所采用的焊接參數(shù)為：焊接電流610A-620A，焊接電壓38V，焊接速度25m/h。

同樣結(jié)果，這種焊接獲得的焊縫形態(tài)和表面質(zhì)量較好，無裂紋，同時，焊縫截斷后可以觀察到銅板與鋼板實現(xiàn)了很好的熔合，無缺陷。此焊接工藝即可以保證焊縫表面的成型美觀，又能減少在實際生產(chǎn)中的焊后打磨工作量，同時也能夠保證焊縫的抗拉強度。滲透探傷檢測結(jié)果為焊縫不滲漏。焊縫在金相顯微鏡下的金相組織。其組織均勻，在金屬熔化后，由于電弧吹力的攪拌作用，銅和鐵均勻混合，形成（α+ε）的雙相組織。分別對4mm銅板與鋼板箱壁焊接試件、6mm銅板與鋼板箱壁焊接進行了抗拉強度試驗。對焊縫表面偶有出現(xiàn)的微裂紋的位置進行滲透探傷試驗，試驗結(jié)果表明極少量的微裂紋并未貫穿焊縫厚度，焊縫背面沒有滲透液出現(xiàn)，表明焊縫只是表面的微裂紋，不是貫穿性的，焊縫具有密封性。

四、結(jié)語

采用埋弧自動焊接方法取代傳統(tǒng)的手工氣保焊方法焊接油箱銅板屏蔽并采用碳鋼焊絲代替銅焊絲，焊接成本低，焊接效率高，焊線質(zhì)量好，在滿足設(shè)計損耗的前提下，可以應(yīng)用于變壓器油箱銅板屏蔽的焊接。并且由于埋弧自動焊通常是軌道式焊接小車自動焊接，對銅板屏蔽的長直焊縫更加方便快捷。

參考文獻：

[1]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊：第2卷2版[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[2]鄒躍岐，趙玉成，徐建飛，等.大型環(huán)形結(jié)構(gòu)件焊接變形的分析及控制方法[J].焊接，2003（8）：37—38.