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部為了屏蔽漏磁場，防止局部過熱需在油箱內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、接頭形式及焊接規范，并對實際生產過程中出現的問題及時進行總結，形成了一套成熟的焊接工藝。

關鍵詞：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，具有很大優勢。埋弧自動焊其設備熱容量大，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，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，提高焊線質量，提高生產效率。銅板屏蔽的焊接采用自動埋弧焊工藝方法，提高了生產效率，改進了焊線外觀成型;在變壓器設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 電屏蔽結構

常用電屏蔽由銅板鋪設于油箱內（外） 構成。 根據楞次定律，屏蔽材料的高電導率所產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生的渦流損耗減小， 但可能造成其他未加屏蔽的鋼結構件中雜散損耗增加， 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、 箱沿等部位不會產生局部過熱。 當采用磁屏蔽和電屏蔽組成的復合結構時， 應特別注意電屏蔽與磁屏蔽間的結合部，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。 當采用拼接方式制作時要根據漏磁場的分布情況選擇適當的接縫形式， 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象。 當電屏蔽與屏蔽部位采用螺栓聯接時必須使用不導磁螺栓。

2.2焊接材料的選擇

傳統的銅板焊接基本都采用與母材相同材質的焊絲，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

根據銅板屏蔽的結構型式，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。執行標準為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（采用標準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（采用的執行標準為GB4730-2005）對焊縫及臨近焊接接頭部位進行滲透。

三、試驗結果與分析

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.

根據銅板屏蔽與油箱箱壁焊接結構，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裂紋，所采用的焊接方式是將焊縫設置在銅板上（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，截斷焊縫后發現，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合處產生縱向的合力，其主要應力不會對焊縫產生破壞，所以不會產生裂紋。優化后的H08MnA焊絲配合焊劑SJ101銅與銅對焊焊接工藝參數，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

根據產品結構需要，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。結果多次試驗，得到了優化后的H08MnA焊絲配合焊劑SJ101銅與銅對焊焊接工藝參數，所采用的焊接參數為：焊接電流610A-620A，焊接電壓38V，焊接速度25m/h。

同樣結果，這種焊接獲得的焊縫形態和表面質量較好，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的微裂紋的位置進行滲透探傷試驗，試驗結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，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、結語

采用埋弧自動焊接方法取代傳統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，焊線質量好，在滿足設計損耗的前提下，可以應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：

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