动车牵引变压器高压线圈引线焊接工艺研究
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摘 要 大容量动车牵引变压器高压线圈导线采用扁铜线代替以往系列变压器的铝导线，铜导线采用纸包绝缘，铜的高熔点和高导热率对焊接时绝缘防护的工艺要求更高，其接头的焊接质量和绝缘防护状态直接影响牵引变压器的运行可靠性。本研究通过采用多种不同工艺对铜导线试样实施搭接焊，并对不同工艺下的接头进行了直流电阻测试、机械性能试验及金相观察。结果表明感应焊接头成形良好，无焊接缺陷，对绝缘无损伤，直流电阻和抗拉强度均满足使用要求，TIG焊焊缝成形质量不稳定且试样表面氧化较严重。
关键词 动车；铜导体；焊接
中图分类号TG4 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2014）123-0160-02
0 引言
近几十年来，电力牵引变压器设计及工艺技术发展进程加快，逐步与国外牵引变压器技术接轨，主要技术上不存在太大的差异，制造工艺也取得了长足进步，形成了系列化的变压器设计及制造能力。
与此同时，新产品在设计、材料、工艺等方面不断提出新的更高的要求，产品质量的一致性和稳定性成为制约公司快速发展的重要问题，这些变化促使现有焊接方式和工艺水平必须不断地优化、提升。
本研究针对大容量动车牵引变压器高压端线圈用材质变更制定了不同焊接工艺的验证方案，拟通过对比不同焊接工艺下接头的外观、直流电阻、抗拉强度和金相等结果，以确定一种适用于大容量高压线圈铜导线搭接焊接的工艺方法。
1 高压端线圈连接概况
动车变压器为壳式结构，线圈为跑道形饼状线圈，高压端线圈之间采用引线搭接焊的方式实现首尾相连，搭接长度为40mm，实际焊接区域长度为30mm，水平横向可用操作空间为160mm，水平纵向可用操作空间为20mm。目前常用焊接方式为TIG焊，在纯铝导线焊接运用上取得较好成效。
2 焊接工艺对比试验的材料与方法
2.1试样母材及焊接材料
试样母材选用的是规格为2.5mm×5.2mm的纸包绝缘纯铜导线，其化学成分见表1。
Cu P S Fe O Pb Sb As
99.98
表1 试样母材化学成分（%）
焊接材料根据验证方案的不同分为两种。与TIG焊对应的是规格为φ1.6的焊丝，牌号为HS201；与感应焊对应的是0.2mm厚的银磷钎料204，含银量15%，填充料为φ1的RoHs钎料，牌号为HL204。
2.2焊接工艺的制定
焊接接头的搭接方式如图1所示。
图1 焊接接头搭接图示
2.2.1乌极惰性气体保护焊（TIG）
采用OTC公司AVP-300型TIG焊机进行施焊，焊接电流选择15A，直流反接，保护气体为99.999%纯度的氦气（He），气流量选择10L/min～15L/min，焊接速度1.2mm/s，焊接过程中采用酒精水浸泡过的吸热纸进行冷却。
2.2.2感应钎焊
设备型号MFG20，额定功率20kw，设定值150%p，工作频率21kHz，焊接温度840℃。
3 试验结果对比分析
3.1 接头外观检验
对所有铜导线工作试件焊接完成后，进行接头外观质量检验。为了保留焊后接头原始形貌，未采取表面打磨处理，其中感应焊接头成形良好无缺陷，氦气保护TIG焊接头成形较差，表面氧化严重。
3.2机械性能试验
参照国家标准GB/T 228.1-2010和GB/T 5584.2-2009对TIG焊接试样和感应焊接试样分别进行抗拉强度试验，结果见表2。
焊接方法 试样编号 拉伸力（N） 抗拉强度（MPa）
TIG焊 T-1 2508.3 201.460
T-2 2361.5 189.670
T-3 2339.1 187.870
感应焊 G-1 2890.4 232.149
G-2 2958.3 237.603
G-3 2924.7 234.904
表2 两种焊接接头抗拉强度值
3.3直流电阻试验
按不同焊接工艺制作长度为1.2m的标准试样，选定环境温度为20℃，对各试样进行直流电阻测试，结果见表3。
序号 检验
项目 检验方法 焊接方法 检测结果 结果判定
1 20℃时的电阻
（Ω/m） GB/T 4074.5-2008
GB/T 3048.2-94 TIG焊 1.280×10-3
1.278×10-3
1.276×10-3 合格
2 感应焊 1.272×10-3
1.270×10-3
1.268×10-3 合格
3 焊接母材 1.310×10-3
1.306×10-3
1.307×10-3 合格
表3铜导线焊接试样电阻测试
说明：参照JIS C 3104的规定，在20℃时铜导线母材单位长度电阻值为1.323×10-3Ω。
3.4宏观金相检验
不同焊接方法对应焊接试样的焊接接头截面宏观金相如图2所示。感应焊焊缝成形较好，但对于动车变压器高压端线圈内外跨焊接其操作空间略显过小，容易发生错位，TIG焊焊缝成形质量不稳定，试样T-2和T-3在母材接触面处存在明显缝隙，母材未焊透，熔深在0.5mm～1.5mm范围内。
图2 焊接接头宏观金相
3.5微观金相检验
为分析研究引线焊接后对母材的热影响程度，焊后对母材热影响区进行微观金相试验（200×），以判定热影响区晶粒度是否满足设计要求。
由于在本次验证过程中TIG焊试样接头质量受人为因素影响很大，且不同试样完成焊接的操作时间差异也较大，故仅对感应焊试样进行微观金相试验，如图3所示，试样晶粒粗细度符合设计要求。
图3 焊接接头微观金相
4 结论
1）对于小规格扁铜导线焊接，受其散热面积的制约，使用TIG焊时，惰性保护气体的选择对焊接接头的氧化保护影响不大，如果通过改变工艺或选择其它焊接方式替代来实现减少焊接时间或降低焊接温度的目的，可有效降低焊接接头的氧化程度；
2）小规格扁铜导线采用感应焊，其对应的热影响区导线机械强度损伤较小；
3）导线采用TIG焊或者感应焊进行搭接焊之后，试样整体的电阻值略微减小；
4）对于小规格扁铜导线焊接，在不考虑操作空间的情况下，采用感应焊得到的试样，机械、导电性能均要优于TIG焊。
参考文献
[1]龙谷宗.我国电力牵引变压器技术现状及展望.电力机车与城轨车辆，2006，3.