發電機連接片脫落原因及解決措施

2019-08-03 01:15:56

防爆電機 2019年4期

(中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027)

1 發電機連接片脫落原因

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(見圖2)，就會嚴重影響發電機的正常使用及人員安全。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(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，影響釬焊質量的因素很多，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

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4所示。

圖4爆接示意圖

圓環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力為式(4)計算，按彎曲剪切應力為式(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 普通人校形力試驗數值

結論：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

圓環和連接片的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0.1mm左右做了一系列的相關試驗，試驗結果見表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，發現圖5 MRR Ra1.6與圖9 MRR Ra25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83.9MPa，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，做了一系列的相關試驗，試驗結果見表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78.5MPa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0.03mm～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，焊接完成冷卻后進行拉伸試驗，試驗數據見表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4中數據知，在最小拉伸應力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

隨機抽取3根HL307 焊料進行拉伸試驗，其數據見表5。

表5 HL307 焊料試驗數據

結論：焊料強度不夠不是連接片脫落的故障原因。

因素五：兩焊接面發生位移，造成虛焊。

圓環與連接片焊接夾緊工裝(如圖14)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。