變壓器內(nèi)殼屏蔽層用紫銅板焊接工藝研究*

李繼紅， 張?jiān)讫垼?杜明科， 張 敏， 雷龍宇

（西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710048）

0 前 言

隨著變壓器效率的不斷提高， 外部渦流損耗也在不斷增加， 嚴(yán)重影響了變壓器的運(yùn)行效率，同時(shí)也大大增加了企業(yè)成本[1]。 而銅能夠較好的抵抗外界電磁干擾， 避免發(fā)生電磁感應(yīng)。 因此，利用銅作為內(nèi)殼屏蔽層是降低變壓器能量損耗的有效方法。 T2 紫銅的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率僅次于銀，因其優(yōu)異的隔磁性、 耐蝕性和導(dǎo)電性被廣泛應(yīng)用在航空航天、 壓力容器和熱交換器等領(lǐng)域[2-3]。目前， 常見的焊接方法均可實(shí)現(xiàn)紫銅的有效連接， 如 鎢 極 氬 弧 焊[4]（GTAW）、 攪 拌 摩 擦 焊[5]（FSW）、 冷金屬過渡焊[6]（CMTW）、 等離子弧焊[7]（PAW）、 激光焊[8]（LAW） 等。 受到設(shè)備、 成本和生產(chǎn)周期的限制， 實(shí)際工程應(yīng)用中常使用熔化極氣體保護(hù)焊 （GMAW） 對紫銅及銅合金進(jìn)行焊接。

李一楠等[9]采用鎢極氬弧焊研究了大型紫銅構(gòu)件的熱裂紋形成機(jī)理， 發(fā)現(xiàn)內(nèi)部變形率Δε 是促使紫銅構(gòu)件焊縫開裂的主要原因， 得到了HS201 焊縫金屬在脆性溫度區(qū)間內(nèi) （BTR） 的橫向拉伸應(yīng)力及Δε 的變化規(guī)律， 集中認(rèn)為當(dāng)預(yù)熱溫度為420 ℃時(shí)可以有效避免熱裂紋出現(xiàn)。 寧杰等[10]研究了在工藝參數(shù)與調(diào)制參數(shù)的交互作用下， T2 紫銅功率調(diào)制光纖在激光-MIG 復(fù)合焊過程中熱效率和穩(wěn)定性的影響， 發(fā)現(xiàn)當(dāng)調(diào)制振幅為平均功率的1/3、 送絲速度為10 m/min 時(shí)， 可促使厚度為8 mm 的紫銅板在焊接過程中的熱效率和穩(wěn)定性同步提升。 李春龍等[11]采用MIG 焊研究了二號電解銅厚壁件的焊接問題， 研究結(jié)果進(jìn)一步表明， 采用HS201焊絲可以有效減少氣孔產(chǎn)生。 以上研究中， 有關(guān)T2 紫銅的熔化極氣體保護(hù)焊焊接工藝研究報(bào)道較少。

本研究采用GMAW 焊對厚度5 mm的T2-Y紫銅進(jìn)行焊接試驗(yàn)， 通過控制保護(hù)氣體、 確定焊前是否預(yù)熱等， 研究不同焊接工藝對焊接接頭組織及性能的影響， 以期獲得最佳的焊接工藝， 為實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為T2-Y 型紫銅試板， 試板規(guī)格為200 mm×100 mm×5 mm， 主要化學(xué)成分見表1。 焊材為商用紫銅焊絲 （HS201）， 試驗(yàn)采用GMAW焊接方法， 具體焊接工藝參數(shù)見表2。 利用80%Ar+20%CO2、 70%Ar+30%He 兩種保護(hù)氣體成分分別研究保護(hù)氣體對T2-Y 紫銅焊接質(zhì)量的影響。 其中， 氬氣中引入一定量的CO2氣體后， 有利于消除氫氣孔[12]； 另一方面， 有利于提高電弧穩(wěn)定性， 通過改善溶滴過渡形式提高焊縫的成形質(zhì)量。

表1 T2-Y 紫銅的化學(xué)成分 %

表2 GMAW 焊接工藝參數(shù)

焊接前在T2-Y 紫銅試板上開V 形坡口，然后分別使用600#、 800#水砂紙將待焊表面打磨平整， 使用丙酮試劑把待焊表面上的污漬擦拭干凈。 由于試板在焊接過程中容易發(fā)生熱變形， 因此在進(jìn)行焊接時(shí)需要使用夾具固定試板。試板的坡口形式和尺寸如圖1 所示。

圖1 T2-Y 紫銅試板坡口形式示意圖

焊后使用線割技術(shù)加工金相試樣、 拉伸試樣、 彎曲試樣、 沖擊試樣和硬度試樣， 拉伸試樣和沖擊試樣按標(biāo)準(zhǔn)試樣制取。 制備金相試樣后， 采用FeCl3+HCl 溶液對試樣表面進(jìn)行腐蝕， 使用OLYMPUS GX71 型金相顯微鏡觀察組織形貌。 使用Zwick-100 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測量焊接接頭的拉伸性能， 使用QJ211 彎曲試驗(yàn)機(jī)測試接頭的彎曲性能， 使用JB-300B 型沖擊試驗(yàn)機(jī)測量接頭的沖擊功， 使用DHV-1000Z 型數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對焊接接頭硬度進(jìn)行測量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖2 所示為不同工藝下焊縫的宏觀形貌，四種焊接工藝焊后成形良好， 無明顯夾渣和氣孔等缺陷。 圖2 （a） 為工藝一焊后試板， 使用80%Ar+20%CO2的混合氣體進(jìn)行保護(hù)， 由于不進(jìn)行焊前預(yù)熱， 焊縫成形斷斷續(xù)續(xù)， 焊材與母材熔合性相對較差； 圖2 （b） 為工藝二焊后試板， 使用70%Ar+30%He 的混合氣體進(jìn)行保護(hù)， 由于沒有進(jìn)行焊前預(yù)熱， 焊縫的熔寬相對較??； 圖2 （c） 為工藝三焊后試板， 使用70%Ar+30%He 的混合氣體進(jìn)行保護(hù)， 由于焊前對母材進(jìn)行400 ℃預(yù)熱， 焊縫魚鱗紋明顯、 連續(xù)， 焊材與母材熔合性非常好， 焊縫成形良好； 圖2 （d） 為工藝四焊后試板， 使用80%Ar+20%CO2的混合氣體進(jìn)行保護(hù)， 焊前400 ℃預(yù)熱， 焊材與母材的熔合性相比較工藝一提升了很多。

圖2 四種不同工藝焊接T2-Y 紫銅試板宏觀形貌

圖3～圖6 所示為四種焊接工藝下焊縫、 熱影響區(qū)和熔合區(qū)的顯微組織。 可以看出， 焊縫中心處為柱狀晶形貌， 且熔合線明顯， 焊縫兩側(cè)的組織形貌差異非常大， 根據(jù)金屬凝固原理，依附于母材晶粒形核的焊縫金屬沿著正溫度梯度方向生長形成柱狀晶。 熱影響區(qū)為典型的孿晶組織， 其晶粒尺寸較母材發(fā)生明顯粗化， 這是由于熱影響區(qū)的晶粒在焊接熱循環(huán)條件下發(fā)生再結(jié)晶而長大， 這也是焊接接頭的熱影響區(qū)性能下降的主要原因。 對比圖3 （a）、 圖3 （b）和圖6 （a）、 圖6 （b）， 未預(yù)熱和預(yù)熱400 ℃時(shí)， GMAW 焊接接頭中焊縫和熔合區(qū)分別為柱狀晶和長條胞狀晶形貌。 研究發(fā)現(xiàn)， 相比預(yù)熱后的長條胞狀晶， 未進(jìn)行預(yù)熱處理的柱狀晶晶粒尺寸更加細(xì)小， 這是由于預(yù)熱同時(shí)降低了焊接熔池溫度梯度和冷卻速度。 增大熔合區(qū)的溫度梯度， 有利于晶粒沿焊縫中心生長， 故形成了細(xì)長條胞狀晶。 同理對比圖4 （a）、 圖4 （b）和圖5 （a）、 圖5 （b）， 預(yù)熱后晶粒有明顯的粗化傾向。

圖3 工藝一焊接接頭不同區(qū)域顯微組織

圖4 工藝二焊接接頭不同區(qū)域顯微組織

圖5 工藝三焊接接頭不同區(qū)域顯微組織

圖6 工藝四焊接接頭不同區(qū)域顯微組織

變壓器在運(yùn)行的過程中會(huì)損耗一部分電能并轉(zhuǎn)換成熱能向外擴(kuò)散， 導(dǎo)致變壓器各部件的溫度升高[13]， 因此需要對不同服役溫度下T2-Y紫銅的抗拉強(qiáng)度和延伸率變化情況進(jìn)行評價(jià)，在高溫 （100 ℃） 和室溫 （20 ℃） 下分別測定T2-Y 紫銅焊件的抗拉強(qiáng)度， 拉伸試驗(yàn)的加載速度為0.5 mm/min。 不同焊接工藝下五組試樣的抗拉強(qiáng)度如圖7 所示。 由圖7 （a） 可以看出， 在100 ℃下， T2-Y 紫銅母材和四種焊接工藝條件下得到的焊接試板的抗拉強(qiáng)度相比均有所下降， 同時(shí)也發(fā)現(xiàn)保護(hù)氣體為70%Ar+30%He 時(shí)制備的接頭抗拉強(qiáng)度略高于保護(hù)氣體為80%Ar+20%CO2時(shí)制備的焊接接頭抗拉強(qiáng)度。 當(dāng)焊接接頭服役溫度在100 ℃左右時(shí)，采用工藝二所制備的接頭抗拉強(qiáng)度最高， 為189.5 MPa。 由圖7 （b） 可 以看出， 在20 ℃時(shí)， 四種焊接工藝條件下得到的焊接試板的抗拉強(qiáng)度均低于T2-Y 紫銅母材， 但滿足HS201焊絲的抗拉強(qiáng)度， 焊接接頭強(qiáng)度符合強(qiáng)度匹配原則。 相比較其他三種焊接工藝， 工藝三條件下得到的焊接試件抗拉強(qiáng)度最大。 當(dāng)T2-Y 紫銅服役溫度在20 ℃左右時(shí)， 工藝三制備的焊接接頭質(zhì)量最好。 由于高溫拉伸試驗(yàn)保溫時(shí)間較長 （保溫時(shí)間≥10 min）， 可能會(huì)引起銅的局部區(qū)域發(fā)生軟化現(xiàn)象， 使接頭強(qiáng)度相比室溫條件有所降低。

圖7 不同溫度下五組試樣的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

為了評價(jià)T2-Y 紫銅在四種焊接工藝條件下得到的焊接試件焊縫的沖擊功， 對比四組接頭和母材的沖擊功。 室溫下五組試樣的沖擊功如圖8所示， 由圖8 可知， 試樣的沖擊功大小順序?yàn)椋篢2-Y 母材＞工藝三＞工藝二＞工藝四＝工藝一。 綜上所述， T2-Y 紫銅在室溫下服役時(shí)， 焊接工藝選擇工藝三較為合適。

圖8 室溫（20 ℃） 下五組試樣的沖擊功測試結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 采用GMAW 焊接的T2-Y 紫銅焊縫中心處為柱狀晶形貌， 且熔合線明顯， 兩側(cè)的組織形貌差異很大。 其熱影響區(qū)是典型的孿晶組織， 晶粒尺寸較母材的晶粒有明顯粗化傾向。未預(yù)熱和預(yù)熱400 ℃時(shí)， 焊接接頭中焊縫和熔合區(qū)分別為柱狀晶和長條狀胞狀晶， 研究發(fā)現(xiàn)，未預(yù)熱時(shí)的柱狀晶和長條狀胞狀晶晶粒比預(yù)熱后晶粒小。

（2） 四種焊接工藝下的T2-Y 紫銅焊接接頭抗拉強(qiáng)度均能滿足接頭最低的強(qiáng)度要求。 當(dāng)服役溫度為100 ℃時(shí)， 采用工藝二（不進(jìn)行焊前預(yù)熱、 保護(hù)氣體為70%Ar+30%He） 制備的焊接接頭的抗拉強(qiáng)度最高， 為189.5 MPa， 適合在高溫條件下服役。

（3） 四種焊接工藝下焊縫的沖擊功大小順序?yàn)椋?工藝三＞工藝二＞工藝四=工藝一。 采用工藝三 （預(yù)熱400℃、 保護(hù)氣體為70%Ar+30%He）制備的焊接接頭焊縫的沖擊功最高。