張建民

保定天威保變電氣股份有限公司 河北保定 071000

1 序言

高電壓大容量油浸式變壓器為了減少漏磁通，在油箱箱壁上形成渦流產(chǎn)生較大的熱量，需要在油箱碳素鋼鋼板的箱壁內(nèi)部焊接銅屏蔽，當(dāng)前采取的是MIG純氬氣保護(hù)手工焊，使用SCu6100鋁青銅焊絲施焊的工藝，但該工藝焊縫成形較差，打磨工作量大，焊接煙塵對(duì)操作者的傷害較大，焊接時(shí)需要穿戴好防毒通風(fēng)面具。為了改善這一焊接工藝，利用埋弧焊功率大、熔敷效率高的特點(diǎn)，采用普通碳素鋼焊絲對(duì)埋弧焊焊接銅屏蔽的工藝進(jìn)行研究。

2 銅/鋼異種金屬焊接可行性分析

（1）焊接不利因素分析[1]在銅/鋼異種金屬焊接中，銅與鋼的熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和力學(xué)性能等都有很大的區(qū)別，容易在焊接接頭中產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致各種焊接裂紋。與鋼相比，純銅的強(qiáng)度比較低、塑性好、導(dǎo)熱系數(shù)大，純銅的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎是鋼的7～11倍，焊接時(shí)大量的熱從銅板基材散失，加熱范圍擴(kuò)大。銅板基材厚度越大，散熱越嚴(yán)重。盡管銅的比熱略小于鐵，但焊接區(qū)難以達(dá)到熔化溫度。銅在熔化溫度下的表面張力比鐵小1/3，流動(dòng)性比鐵大1～1.5倍，表面成形能力較差。

（2）焊接有利因素分析 由于鐵與銅的原子半徑、晶格類型及原子外層電子數(shù)目等都比較接近，這對(duì)金屬之間的連接有好處，即對(duì)鋼與銅或銅合金的焊接很有利。另外，銅與鋼屬于在液態(tài)時(shí)無限互溶，而在固態(tài)時(shí)雖為有限互溶，但不會(huì)形成脆性金屬間化合物，而是以（α+ε）雙相組織形式存在。其中α相是Cu在Fe中的固溶體，ε相為Fe在Cu中的固溶體。因此，只要克服銅和鋼在物理性能上存在差異的困難，即可獲得正常焊接接頭。

3 銅與鋼埋弧焊焊接工藝試驗(yàn)研究

高熱輸入的埋弧焊因有焊劑保護(hù)，可防止焊接熱量迅速散失，有利于銅屏蔽焊接成形。采用焊絲H08MnA匹配HJ431在鋼板上埋弧焊焊接銅屏蔽，焊接參數(shù)見表1。

表1 埋弧焊焊接參數(shù)

（1）根據(jù)焊槍位置確定三種焊接方案[2]方案1：焊槍對(duì)鋼板施焊，通過熔敷金屬把銅屏蔽邊緣熔化形成角焊縫達(dá)到焊接的目的（見圖1）。

圖1 焊接示意

方案2：設(shè)置偏置量，將焊槍放在銅板上，直接將銅板熔透燒穿，使其與鋼板熔合在一起（見圖2）。

方案3：銅板對(duì)接間隙從起弧位置沿施焊方向從0開始逐漸增大。其中起弧位置附近焊接方式類似于方案2，即偏置法直接將銅板焊穿。隨銅板間隙的逐

圖2 焊槍偏置量

步增大，焊接方式類似于方案1，即角接焊接形式。施焊過程及焊接完畢后效果如圖3和圖4所示。

圖3 施焊過程

圖4 焊接效果

（2）焊后檢測(cè) 焊接后進(jìn)行著色檢測(cè)，如圖5所示。

圖5 著色檢測(cè)

方案1：焊縫表面遍布橫向裂紋，不符合質(zhì)量要求。

方案2：起弧位置焊縫表面偶爾出現(xiàn)微裂紋，整體外觀效果良好。

方案3：從起弧位置開始，隨銅板對(duì)接間隙的增大，焊縫表面裂紋缺陷逐步顯現(xiàn)并趨于嚴(yán)重。

滲透檢測(cè)驗(yàn)證了偏置的正確性和偏置輸入熱輸入的必要性。

（3）宏觀檢測(cè) 采用剪板機(jī)從試板中部橫向截?cái)?，獲取三套方案的焊縫斷面，焊縫斷面宏觀檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。從斷面上觀察對(duì)比，方案2焊縫銅板與鋼板實(shí)現(xiàn)了良好的熔合，目測(cè)無可見缺陷；焊縫熔深實(shí)測(cè)3mm左右。

（4）焊縫成分分析 在焊縫組織上鉆取適量粉屑（見圖7）進(jìn)行Cu元素含量分析，見表2。銅元素含量越高對(duì)變壓器屏蔽電氣性能影響越小。其中方案2設(shè)置偏置量的焊縫Cu元素含量最高達(dá)到64.81%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到403MPa，滿足使用要求（鋁青銅焊絲焊接的銅屏蔽抗拉強(qiáng)度為387MPa）。

圖6 斷面宏觀形貌

圖7 鉆取粉屑

表2 Cu元素含量分析

（5）金相檢測(cè) 對(duì)方案2的焊縫熔合線部位用金相顯微鏡觀察，金相組織如圖8所示，鋼/銅形成固溶體，相互熔合。

圖8 金相組織

4 結(jié)束語

鋼/銅埋弧焊焊接，采取方案2設(shè)置偏置量的焊接工藝能夠滿足要求，且成形及焊縫強(qiáng)度優(yōu)于鋁青銅焊絲的MIG焊，焊接煙塵小，無弧光輻射，該工藝方法可以應(yīng)用到變壓器銅屏蔽焊接。