1 引言 

随着特高压交直流电力变压器的发展， 焊接螺 柱在变压器上的应用越来越广泛， 与常规工艺方法 相比焊接螺柱存在显著优势， 例如在油箱内侧壁使 用焊接螺柱代替磁屏蔽底板， 既提高焊接效率又减 少安装磁屏蔽时的工作量； 再如在升高座法兰上使 用焊接螺柱代替螺栓，省去了加工螺孔的工时，更重 要的是没有螺孔，堵塞了渗油通道。可是一旦受到焊 接设备故障、 焊接参数匹配及焊接操作不当等因素 影响， 螺柱与工件之间的焊缝则会出现熔合不良的 缺陷， 这种局部未熔合缺陷会大大降低螺柱焊缝的 强度，进而导致螺柱受力断裂和掉落。 目前，对螺柱焊接质量的检查以目视检查为主， 并配合扭矩试验、弯曲试验等破坏性试验。目视检查 只能评判焊缝外观缺陷， 不能检测焊缝内部质量状 况，破坏性试验不仅操作繁杂，而且试验后焊接螺柱 就会报废或降低性能， 比如经弯曲试验后的螺柱不 管是否合格均不能再使用； 经扭矩试验后的螺柱即 便是未扭断，但其力学性能也会有所损伤。因此需要 寻求一种准确快捷的无损检测方法对螺柱焊接熔合 度进行 100%检测，以确保其焊接强度。

 

2 螺柱焊缝熔合不良缺陷分析 

螺柱焊与手工电弧焊、 气体保护焊等焊接方法 不同， 螺柱焊是将螺柱通过一个无需附加材料的电 弧焊接在金属板上的焊接工艺， 必要时需要陶瓷环 帮助熔池成型， 变压器制造中常用的是拉弧式螺柱 焊。 因螺柱焊时瞬间电流很大，产生了很强的磁场， 周围气流也对电弧产生影响， 这会导致电弧沿螺柱 轴线发生偏移形成电弧偏吹， 产生螺柱与工件熔合 不良的情况，如图 1 所示。

图 1 常见缺陷

图 1（a）所示是一个合格的螺柱焊缝，螺柱与工 件熔合良好。 图 1（b）所示表面螺柱倾斜，只有局部 焊缝，其他部分未熔合。 图 1（c）所示只有螺柱周围 的角焊缝熔合，而螺柱心部焊缝未熔合。 图 1（d）所 示是螺柱心部焊缝熔合，而周围角焊缝未熔合。 

熔合不良的螺柱， 在受力或高频振动状态下会 变形或者断裂。 油箱内部螺柱掉落会极大程度导致 变压器绝缘击穿或短路， 变压器外部螺柱断裂会使 零部件与变压器主体分离， 这些都会造成局部损毁 或故障停机。

 

 3 直流电阻法测焊接螺柱熔合度工作原理

 在焊接结构产品中， 最常用的无损检测方法有 射线检测、 超声波检测、 磁粉检测和渗透检测四大 类，鉴于螺柱焊缝的结构特点及检测条件特殊，上述 无损检测方法均不能快捷有效地检测出熔合不良的 螺柱。 

被测电阻通以适当大小的直流电流， 然后测量 电阻中的电流及其两端的电压降，再根据欧姆定律， 即可算出该电阻的阻值。 而电阻值取决于电阻率 ρ、 电阻长度 L 及截面积 A。直流电流流过导体时，电流 在导体的载流截面上是均匀分布的， 并不像交流电 那样存在趋肤效应。

 R=ρ× L/ A     公式（1）

 如果将螺柱、焊缝和工件看作是一个整体，对于 同一种材质、同一种规格的螺柱焊来说，螺柱直径、 长度以及工件的厚度都是一定的，也就是说公式（1） 中的 ρ、L 和 A 都是定值。 如图 2 所示，当焊接部位 存在熔合不良缺陷时，假设未熔合面积为 A′，那么 直流电通过的有效面积就是 A－A′，根据公式（1）可 知：电流通道面积的缩小必然会导致阻值的增大，尽 管阻值的变化量仅仅是微欧级别。基于此，可以采用 直流电阻测量法， 通过测量比较焊接螺柱的实测电 阻值与标样基准电阻值的差异来评判螺柱焊缝熔合 度。

图2 面积变化示意图

 

4 技术方案的确定

 要使用直流电阻比对法检测焊接螺柱的熔合度， 需要选定适用的直阻仪， 设计制作焊接螺柱试验样 件，确定熔合度评判方法。

 4.1 选定直流电阻测量仪 

直流电阻的测量方法主要分为电压降法、 直流 平衡电桥和数字式直流电阻测试仪几种方法， 考虑 到焊接螺柱属于钢铁类阻性试品， 测量时导通距离 为 50mm 左右，阻值极低，并且要求在生产现场实施 快速检测，所以选择数字式直流电阻测试仪。本次试 验使用的是 9310 直流电阻测试仪，它的最小量程为 0～0.1Ω，准确度为读数的 0.1%±0.5μΩ，含电池仅为 1.66kg，能够很好地符合检测要求。

 4.2 设计制作试样 

为验证直流电阻测量法检测焊接螺柱熔合度的 可行性，设计制作一组试样，选用螺柱规格为 M12× 30，如图 3 所示。 试样中 A 行严格采用螺柱焊的工 艺参数施焊，保证良好熔合，熔合效果如图 1（a）；试 样中 B 行采用不规范的螺柱焊工艺参数进行施焊， 熔合效果如图 1（b）或图 1（d）；试样中 C 行采用气 体保护焊/手工电弧焊的方式进行施焊，熔合效果如 图 1（c）。 每行螺柱从左到右依次编号为 1#~5#。

图 3 试样

4.3 测量焊接螺柱电阻值 

使用 9310 直流电阻测试仪，将电流、电压线路 的一极引线触点放在螺柱顶端， 另一极触点放在接 近该螺柱的钢板上，为保持电流流通距离 L 不变，在 对每一个螺柱焊缝实施电阻测量时， 必须保证钢板 上的触点到螺柱中心距离为一定值， 然后逐一测量 并记录焊接螺柱的电阻值。

 4.4 破坏性试验 

电阻测量完毕后， 接着对试样上的焊接螺柱进 行破坏性试验，破坏性试验分为两种，一种是扭矩试 验，使用扭矩扳手打力矩，对于 M12 螺柱如果能够承受住 53N•m 力矩而不被扭断，则视为合格；另一 种是弯曲试验，将螺柱弯曲一个超过 60°夹角（图 4） 而不脱落，即可视为合格。

图4 弯曲角度

因焊接螺柱经过弯曲试验后就不能再进行扭 矩试验，所以除 B 行 5# 螺柱外，其他螺柱都是先进 行扭矩试验，合格后再进行弯曲试验，试验完成后 记录试验结果。 4.5 试验结果分析 电阻值测量及破坏性试验结果见表 1。

表 1 试验记录

此试验证明：使用直流电阻法评判焊接螺柱是否 熔合良好是可行的。另外，从试验数据并结合实际生 产情况，可以进一步得出以下结论。 

（1）采用螺柱焊机及正常工艺参数焊接的 A 行 螺柱，直流电阻值比较集中，约为 60μΩ，既能承受 住扭矩试验又能承受得住弯曲试验的检验。

 （2）采用螺柱焊机及不正常工艺参数焊接的 B 行螺柱， 试验结果分为两种： 一是直流电阻值在 65μΩ 左右的焊接螺柱能够承受扭矩试验而弯曲试 验不合格， 二是直流电阻值大于 70μΩ 的焊接螺柱 扭矩试验不合格， 电阻值更大的螺柱甚至轻轻一碰 就会脱落。

 （3）采用手工电弧焊焊接的螺柱，虽然螺柱中心熔合不完全， 但凭借其远远大于螺柱焊机所施焊焊 缝的焊脚尺寸， 同样承受住了扭矩和弯曲试验的检 验。

 因此， 直流电阻测量法更适用于同一种焊接方 法（如螺柱焊）焊缝熔合度的检测，并且只要归纳总 结出合格螺柱与不合格螺柱的电阻差值， 就可以得 出该螺柱是否能够通过扭矩试验和弯曲试验。

 

 5 评判方法 

要评判焊接螺柱熔合良好程度， 首先要制作标 准样件，其中螺柱与钢板的材质、规格、焊接方法与 工艺参数等必须是固定不变的， 并且此标样的焊接 强度是被证明合格的，测量标样的直流电阻值，并将 其视为标准值 R0；其次要通过理论计算与大量的试 验相结合的方法， 归纳总结不同截面积变化 ΔA 与 直流电阻值变化 ΔR 之间的对应规律； 最后便可以 通过简单测量电阻差值的方法来评判焊接螺柱熔合 度。