田井成

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040)

0 前言

核電半速汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)母線裝置是百萬核電半速汽輪發(fā)電機(jī)的電氣聯(lián)接關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，采用銅材及不銹鋼材料制造，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸精度控制要求嚴(yán)格，制造技術(shù)包含板材管材彎型、方銅管端部脹型、熔化焊、釬焊、機(jī)加工及酸洗等多種工藝。核電半速汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)母線裝置制造技術(shù)對(duì)操作人員技能水平要求高，難度極大。

文中通過系統(tǒng)的調(diào)研及充分的試驗(yàn)論證，研究了核電半速汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)母線裝置的裝配、熔焊和釬焊制造技術(shù)。

1 中性點(diǎn)母線裝置結(jié)構(gòu)

如圖1所示為中性點(diǎn)母線裝置，焊接制造部分由中性點(diǎn)外罩和管路部分構(gòu)成。中性點(diǎn)外罩材料為紫銅T2Y1，厚度10 mm，其結(jié)構(gòu)為兩件紫銅板經(jīng)過壓型后，形成2個(gè)L形板材，再進(jìn)行組裝及焊接形成箱體。管路部分由成形后的紫銅管與不銹鋼管釬焊獲得。

2 中性點(diǎn)母線外罩熔化極氣體保護(hù)焊

2.1 中性點(diǎn)母線外罩材料及焊接性

中性點(diǎn)母線外罩的材料為紫銅，銅的導(dǎo)熱系數(shù)為鐵基材料的7～11倍，焊接時(shí)大量的熱從基材散失，基材厚度越大散熱越嚴(yán)重，因此愈難達(dá)到熔化溫度。采用能量密度低的焊接熱源進(jìn)行焊接時(shí)，需要進(jìn)行高溫預(yù)熱。且銅在熔化溫度時(shí)的表面張力比鐵小1/3，而流動(dòng)性卻比鐵大1～1.5倍[1]，因此，若采用大電流的強(qiáng)規(guī)范焊接，焊縫成形難以控制，尤其在大功率的MIG及埋弧焊時(shí)熔化金屬易于流失。

銅中存在氧、硫、磷、鉛、鉍等雜質(zhì)元素。焊接時(shí)，銅能與它們生成多種低熔點(diǎn)共晶，它們?cè)诮Y(jié)晶過程中分布在晶間或晶界處，使銅或銅合金具有明顯的熱脆性。氧的危害性最大，在焊接過程中，會(huì)以 Cu2O 的形式溶入焊縫金屬中，Cu2O可溶于液態(tài)的銅，但不溶于固態(tài)的銅，就會(huì)生成熔點(diǎn)略低于銅的低熔點(diǎn)共晶物，導(dǎo)致焊接熱裂紋產(chǎn)生。此外，銅和很多銅合金在加熱過程中無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，銅焊縫中也生成大量的柱狀晶；同時(shí)銅和銅合金的膨脹系數(shù)及收縮率較大，增加了焊接接頭的應(yīng)力，更增大了接頭的熱裂傾向[2]。

熔化焊接銅及銅合金時(shí)，氣孔出現(xiàn)的傾向比鐵基材料要嚴(yán)重得多。所形成的氣孔幾乎分布在焊縫的各個(gè)部位。銅焊縫中的氣孔主要是由溶解的氫直接引起的擴(kuò)散性氣孔，由于銅的凝固時(shí)間短，使得氣孔傾向大大加劇[3]。

銅和銅合金在熔焊過程中，由于晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，雜質(zhì)和合金元素的摻入，有用合金元素的氧化、蒸發(fā)等，使接頭性能發(fā)生弱化。

綜上，銅材的焊接存在的問題如下：①焊縫成形能力較差；②焊縫及熱影響區(qū)熱裂傾向大；③氣孔傾向嚴(yán)重；④接頭性能下降。

2.2 中性點(diǎn)母線外罩焊接方法

基于銅的焊接性分析，紫銅焊接過程中，最重要的是預(yù)熱、保溫，并采用較快的焊接速度施焊，以控制晶粒長(zhǎng)大。特別是焊接厚板時(shí)，預(yù)熱溫度應(yīng)達(dá)到 400～700 ℃[4-5]，且隨著預(yù)熱溫度升高，焊接接頭中的結(jié)晶裂紋傾向降低，焊縫強(qiáng)度升高，但預(yù)熱溫度越高，焊件氧化及變形越嚴(yán)重。另外，還要在焊接過程中加入脫氧還原劑，文中選用CJ301焊劑，以用于清除焊縫中的 O2，H2，S 等雜質(zhì)。在中性點(diǎn)母線外罩的焊接制造過程中，為了提高焊接電弧能量密度，同時(shí)防止焊接變形，選用組分為40%Ar+60%He的保護(hù)氣，預(yù)熱溫度不低于400 ℃[6]。

為了滿足中性點(diǎn)母線外罩的焊接頭單面焊雙面成形要求，應(yīng)在焊縫背面布置襯墊，通過工藝性試驗(yàn)論證及實(shí)際驗(yàn)證，與常規(guī)的陶瓷襯墊相比，石墨襯墊在耐磨、耐高溫的基礎(chǔ)上，兼具加工性好的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)不同的坡口形式進(jìn)行針對(duì)性的加工，與特定形狀焊縫坡口保持高度一致，降低工藝難度的同時(shí)保證與焊縫坡口北部的精準(zhǔn)貼合，進(jìn)而能夠更加有效的保證焊縫背部成形，提高焊接質(zhì)量。

2.3 中性點(diǎn)母線外罩焊接制造工藝過程

2.3.1備料

將2件紫銅板，周邊預(yù)留10～15 mm加工量，劃線，剪床下料，校平。

2.3.2成形

采用專用的壓形工具，按圖紙尺寸劃線，利用油壓機(jī)將紫銅板壓制成L形。成形時(shí)采用角度尺進(jìn)行檢查，不允許產(chǎn)生扭曲變形。尺寸公差控制在Y=200 mm時(shí)，X≤±2 mm，如圖2所示。為確保后續(xù)預(yù)裝尺寸精度， L形單件的整體垂直度也需控制。L形兩端與石墨襯墊等工具應(yīng)有效接觸，控制平度。

2.3.3加工

加工去除部件周邊的工藝余量，滿足后續(xù)裝配要求。

2.3.4預(yù)裝

借助C形夾將2個(gè)L形單件裝配成矩形。背部的襯墊工具必須保持平直并與石墨襯墊配合，同時(shí)檢查工具與殼體之間的間隙，并作記錄。由于預(yù)熱溫度較高，為防止變形，采用正反扣拉緊器對(duì)組合體進(jìn)行內(nèi)部支撐。

圖2 銅板壓型公差要求示意圖

2.3.5定位焊接

接頭兩端的外側(cè)定位焊接。安裝背部焊接襯墊前，須打磨背部焊道。同時(shí)，每個(gè)接頭兩端加裝焊引弧板(與母材同材質(zhì))。

2.3.6焊接

鑒于文獻(xiàn)[4-5]描述及試驗(yàn)論證，采用大號(hào)烤槍對(duì)中性點(diǎn)母線外罩焊縫及周圍區(qū)域預(yù)熱，必要時(shí)可兩側(cè)采用兩把烤槍同時(shí)預(yù)熱，以提高預(yù)熱效率，預(yù)熱溫度400～550 ℃。預(yù)熱前進(jìn)行焊前清理，不允許有害雜質(zhì)存在；預(yù)熱時(shí)火焰采用弱碳化焰，保持溫度均勻上升；加熱至預(yù)熱溫度，并用紅外線測(cè)溫儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。中性點(diǎn)母線外罩焊前預(yù)熱如圖3所示。

圖3 中性點(diǎn)母線外罩焊前預(yù)熱

預(yù)熱完成后，佩戴保護(hù)工具，將CJ301焊劑均勻涂敷在以焊縫中心線為中心的一定范圍內(nèi)。采用熔化極氣體保護(hù)焊，焊絲牌號(hào)為ERCu (AWS A5.7)，保護(hù)氣體組分為40%Ar+60%He,氣體流量為20～30 L/min，焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 中性點(diǎn)母線外罩焊接工藝參數(shù)

焊接時(shí)，起弧和收弧均在引弧板上進(jìn)行，并適當(dāng)錯(cuò)開位置；焊接操作時(shí)，焊絲適當(dāng)橫擺，焊接電流、電弧電壓及焊接速度相互匹配，以達(dá)到焊道背面熔透并成形良好為準(zhǔn)；工件翻身后按相同的方法焊另一側(cè)焊縫；焊后，拆去背部襯墊，背部焊道成形均勻。

2.3.7拆除工具

拆除工具，進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸檢查，清理，按圖紙要求，進(jìn)行PT探傷檢查，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按ASME第八卷附錄8、附錄12執(zhí)行。焊后的中性點(diǎn)母線外罩如圖4所示。探傷結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)尺寸滿足設(shè)計(jì)要求，探傷質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求，預(yù)熱450 ℃，電弧電壓28～30 V，焊接電流為390 A，焊接速度為200 mm/min時(shí)，焊縫質(zhì)量?jī)?yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 中性點(diǎn)母線外罩焊后結(jié)構(gòu)

3 紫銅管與不銹鋼管釬焊

3.1 紫銅管與不銹鋼管釬焊技術(shù)分析

紫銅與不銹鋼的釬焊屬于異種金屬釬焊，兩者的物理性質(zhì)差異很大，熔點(diǎn)相差400 ℃以上，且紫銅的熱導(dǎo)率是不銹鋼的7～11倍，使得釬焊難度增大。釬焊時(shí)，需要精確控制加熱溫度、加熱范圍及加熱順序，溫度過低時(shí)釬料無法鋪展，填充金屬與母材熔合質(zhì)量差，溫度過高時(shí)釬料蒸發(fā)[7]。此外，紫銅與不銹鋼釬焊時(shí)，不銹鋼表面極易形成高熔點(diǎn)的氧化膜，影響釬料潤(rùn)濕和鋪展，因此，需要合理使用釬劑[7]，此外，選用含鋅的銀基釬料，有利于提高釬料對(duì)不銹鋼的潤(rùn)濕性。

3.2 紫銅管與不銹鋼管釬焊工藝要點(diǎn)

3.2.1材料

選用BAg50CuZn釬料，F(xiàn)B102膏狀釬劑。

3.2.2焊前準(zhǔn)備

(1) 劃線預(yù)裝：將不銹鋼水管套裝配到紫銅管上，然后按照?qǐng)D紙進(jìn)行預(yù)裝，確定位置后劃線定位，預(yù)裝過程如圖5所示。

圖5 紫銅管與不銹鋼管預(yù)裝

(2)預(yù)裝后，將紫銅管拿到平臺(tái)上進(jìn)行固定，對(duì)釬焊面進(jìn)行清理。按照劃線位置用直角支架和C形夾子固定。

(3)管內(nèi)通氬氣保護(hù)。

3.2.3釬焊

釬焊過程中，首先用大號(hào)焊槍加熱不銹鋼，至約700 ℃暗紅色時(shí)，用焊劑涂刷一次焊縫?？梢姾竸┭杆贊?rùn)濕接頭，然后繼續(xù)加熱接頭，當(dāng)銅管加熱至約800 ℃，加熱不銹鋼管，并迅速填料，完成釬焊操作。

焊后，對(duì)釬焊焊縫進(jìn)行 PT 探傷及目視檢查，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按ASME第八卷附錄8執(zhí)行。檢查結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 中性點(diǎn)母線外罩與銅管焊接

4.1 中性點(diǎn)母線外罩與銅管釬焊技術(shù)分析

中性點(diǎn)母線外罩形成的裝配與銅管焊接時(shí)，兩工件的散熱條件不同，預(yù)熱的方法決定釬焊質(zhì)量。由于外罩加熱到釬焊溫度，整個(gè)罩體大部分處于過熱狀態(tài)，加大釬劑和釬料的進(jìn)給量尤為重要。工件合理的裝夾也是質(zhì)量保證的必要條件。

4.2 中性點(diǎn)母線外罩與銅管釬焊工藝要點(diǎn)

4.2.1材料

釬料選用直徑為φ2.4 mm的BCu80AgP。

4.2.2焊前準(zhǔn)備

中性點(diǎn)母線外罩與鋼管焊接裝配及焊前準(zhǔn)備臺(tái)圖6所示。

(1)固定：用C形夾和夾板固定管路，如圖6a所示。

(2)充氬氣：以防止管路內(nèi)部氧化，如圖6b所示。

(3)預(yù)熱：預(yù)熱時(shí)用氣槍加熱底面，預(yù)熱溫度至400～500 ℃，如圖6c所示。

4.2.3釬焊

預(yù)熱后采用φ2.4 mm的BCu80AgP 焊絲迅速釬焊銅管與底面罩體，如圖7所示。釬焊溫度控制在約840 ℃。注意：銅管與不銹鋼管釬焊接頭及附近區(qū)域不進(jìn)行釬焊，避免套管處釬料重熔。

單面釬焊完成后，將罩體翻轉(zhuǎn)90°，重復(fù)上一步的過程，始終保持底面的水平漫流方向，滿足釬料均勻流動(dòng)。

圖6 中性點(diǎn)母線外罩與鋼管焊接結(jié)構(gòu)

圖7 管路與中性點(diǎn)母線外罩釬焊

4.2.4焊后檢查

焊后對(duì)焊接產(chǎn)生的變形進(jìn)行修整，并進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和滲漏試驗(yàn)、酸洗和清理。最后用內(nèi)窺鏡檢查內(nèi)部的焊縫外觀質(zhì)量，并對(duì)釬焊焊縫進(jìn)行PT探傷檢查，PT探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)按ASME第八卷附錄8執(zhí)行。檢查結(jié)果表明，焊縫質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

焊后，銅管內(nèi)部酸洗，采用內(nèi)窺鏡檢查管路內(nèi)部質(zhì)量，并采用無機(jī)膠帶對(duì)管路進(jìn)、出口進(jìn)行封堵。

5 結(jié)論

(1)通過系統(tǒng)的調(diào)研和多次充分的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，獲得了可靠的核電半速汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)母線裝置裝配、熔焊和釬焊制造技術(shù)，并已成功應(yīng)用于多臺(tái)機(jī)組的制造，產(chǎn)品質(zhì)量滿足或優(yōu)于技術(shù)指標(biāo)要求。

(2)利用熔化極氣體保護(hù)焊方法，通過選用φ1.6 mm的AWS A5.7 ERCu焊絲、CJ301焊劑，組分為40% Ar+60%He作為保護(hù)氣體，預(yù)熱溫度不低于400 ℃，以及在焊縫背面布置石墨襯墊等技術(shù)手段，成功完成了材料為紫銅的中性點(diǎn)母線外罩焊接制造，實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形。

(3) 通過采用不同的釬料、釬劑，設(shè)計(jì)合理的輔助工具，利用火焰釬焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了銅管與不銹鋼管、銅管與中性點(diǎn)母線外罩的可靠釬焊連接，產(chǎn)品質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。