百万核电末级动叶片钎焊国产化技术研究

段中旭， 韩志双

（哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，哈尔滨 150046）

0 引 言

百万核电机组低压末级动叶片在国产化制造中需要解决司太立合金片钎焊技术。公司现有高频钎焊技术进行末级叶片司太立高频钎焊，钎焊后着色探伤钎缝表面存在点状缺陷超标问题。另外由于百万核电低压末级动叶片要钎焊的合金片长度600 mm,远超出以往机组合金片长度；而且叶片的型线存在较大角度的弯扭。要实现钎焊和确保质量会有很大的难度。合金片的形式与以往也不同，不再是以往的平直片加弯边，以往平直部位现在变成带有R的弧度，合金片的制作及成型都需要重新考虑。另外钎焊合金片槽的加工，装配间隙质量都需要保证满足图样及日本三菱标准要求，才能保证钎焊质量。因合金片长度为600 mm，需解决在长度600 mm方向上的温度均匀性问题。因1375 mm叶片刚性很差，在钎焊过程中存在变形，为提高叶片的质量降低叶片的校型量，需对叶片钎焊变形进行严格的控制。

针对上述问题，本文通过对国内司太立焊接技术的研究[1-2]，通过加强工艺质量改进、严格清理、加强装配、钎焊辅助工装制作等过程控制，通过改进钎焊工艺方法，严格温度控制，采用自动钎焊技术等工艺手段，确保钎焊质量，制造出满足标准要求的合格低压末级动叶片。

1 目的及意义

目前，我公司已经出产的百万核电机组，低压末级叶片为三菱提供的成品叶片，已经钎焊了合金片。通过对三菱提供叶片进行无损检测，发现钎焊后的钎缝表面几乎没有任何缺陷。

本研究的目的在于通过提高加工质量，保证装配间隙，确保合金片与叶片合金片槽的贴合，并通过工艺试验确保钎焊出合格的百万核电机组低压末级动叶片。通过高频钎焊工艺试验、改进工艺，严格过程控制，采用自动钎焊技术等工艺手段，确保钎焊质量，确保制造出满足标准要求的合格低压末级动叶片。

2 试验过程

2.1 工艺试验情况

1）对核电机组的1375 mm叶片进行钎焊工艺试验（共4只叶片），因原叶片已经进行过钎焊，所以变形量较大，通过压力矫形方式对叶片型线进行恢复[3]。精修合金槽，手工扭曲合金片进行贴合配合，用塞尺对配合间隙进行测量，间隙约为0.1～0.2 mm。钎焊过程严格按企业标准《低压动叶司太立防蚀片高频钎焊工艺守则》执行，避免超温。钎焊过程中钎剂排气均匀，钎料流动均匀。因叶冠位置受空间的限制不能放置压脚，所以钎焊到高温时手工用钳子夹紧合金片与叶片，以达到更好钎焊接头的目的。钎焊完成后用手工火焰钎焊对接头不饱满的位置进行填充，填充位置主要是叶冠位置。钎焊后抛光进行射线及着色探伤，1、2号叶片一次RT和PT探伤合格，3号叶片经过消缺后RT及PT探伤合格[4]，4号叶片经过重新钎焊RT及PT探伤合格。4只叶片RT探伤结合面积在90以上，每只叶片PT检查有4～8个点状缺陷，无线状显示缺陷。

2）进行了4只1375 mm叶片的钎焊工艺试验。因机加工艺的改变，所以在叶冠未进行精加工的情况下进行钎焊司太立合金片（见图1），由于叶冠位置余量较大，热传导较快，公司现有的感应加热设备功率为25 kW，加热时不能一次完成钎焊过程。针对此种情况，采用分段钎焊的方式进行钎焊，首先钎焊叶冠位置250 mm长度的合金片，再更换感应线圈钎焊余下长度的司太立合金片，经过试验，4只叶片RT（图2）、PT、VT检验合格。

图1 分段焊接叶片（叶冠位置未进行加工）

图2 RT探伤底片

3）采用新感应钎焊设备进行工艺试验。设备为EFD的2540，采用温度闭环控制系统[5]自动方式进行钎焊。共进行了10只叶片的钎焊试验，钎焊过程中使用设定的工艺曲线进行加热，所有叶片钎料的流动性一致。通过几组工艺曲线最终确定工艺加热曲线，同时设计制作防叶片变形的钎焊工装（叶冠支撑工装、叶身支撑工装、近叶根压紧支撑工装、叶身支撑工装），经过对其中6只叶片的变形测量，变形量为3 mm以内，在重新制作更换了叶冠支撑工装，钎焊了两只叶片，变形量测量后变形为1.5～2 mm，且顶针孔位置无偏离。

2.2 钎焊质量提高试验

对叶片制造部门的末级叶片防蚀片钎焊进行了跟踪，跟踪包括钎焊前合金槽的加工状态、防蚀片的钎焊过程、钎焊后质量检查等几个方面，经过跟踪发现，公司目前钎焊合格率比较低的为650 MW核电末级叶片、680 mm叶片。通过跟踪整个的钎焊过程发现，影响钎焊质量的因素有以下几点：

1）合金槽的尺寸。其中图3的几个数值为控制合金槽尺寸的关键点，尤其R的尺寸与设计要求是否一致对合金片与合金槽的配合起到了非常关键的作用，h尺寸、合金槽的漏光度也直径影响到合金片与合金槽的配合间隙。

图3 合金槽尺寸关键点

钎焊理论上对于接头的配合间隙要求为0.05～0.127mm，通过试验针对叶片的这种钎焊结构发现，接头间隙控制在0.2 mm以内就可以取得很好的钎焊质量。基于钎焊对接头装配间隙的要求，同叶片分厂一起针对合金槽的加工方案进行改进，同时改变合金槽的加工设备，采用精密度更高的五轴数控机床加工合金槽。通过程序的改进及设备的改变，合金槽加工质量得到了明显的提高，在钎焊过程中合金槽不需要进行任何的手工干涉，只进行去除氧化膜的抛修工作，就可以保证达到图样的要求。

2）合金片与合金槽的配合间隙。基于钎焊对于接头间隙的特殊要求，那么合金片与合金槽的配合间隙直接影响到钎焊接头的质量，通过程序、设备的改变已经提高了合金槽的加工质量，只需对合金片进行精密配准就可以保证合金片与合金槽的间隙。

3）钎剂在钎焊高温过程中的保护程度。在对650 MW核电末级叶片钎焊过程中发现，有些钎剂在钎焊高温过程中失去母材的保护，以至于在钎焊过程中形成了新的氧化膜，影响了钎焊质量，针对这种情况采取了不同钎剂进行了试验，发现国外某一品牌的钎剂在高温状态时对母材保护良好，能很好地控制母材的氧化，提高钎焊质量。

4）温度控制。钎焊过程中温度对钎焊质量及叶片质量都会有重要的影响，钎焊温度达不到焊料的流动温度，不能形成优良的钎焊接头，如果温度过高，破坏钎焊接头的同时也会对母材产生严重的影响。1375 mm叶片采用新设备闭环控制系统进行钎焊，温度曲线（见图4）输入到设备中，所以叶片都采用同一曲线进行加热，充分保证了叶片加热温度的一致性，更好地控制温度对钎焊质量的影响。

基于以上4个对钎焊质量影响因素，通过对16只650 MW核电末级叶片进行了为期5天的钎焊研究。分别对合金槽尺寸进行控制、对合金片与合金槽装配间隙进行控制、对钎剂在高温状态的母材保护进行控制、对钎焊温度进行控制。钎焊完成后对16只叶片按照企业标准《低压动叶片司太立防蚀片钎焊X光射线探伤检查方法及评定标准》标准进行RT探伤，12只叶片全部合格，一次钎焊合格率达到75%。

图4 钎焊温度控制曲线

在合金槽加工过程中增加合金槽三个钎焊关键尺寸的检查：R角尺寸、合金槽深度h、合金槽宽度b，并进行记录。通过3个尺寸的控制能保证合金槽的加工质量，以提高合金片与合金槽的贴合精度。

2.3 钎焊工装压脚改进

通过试验验证工装压脚的改进方案（见图5），由原来只在一面进行施压的方式改变为两侧施压方式进行压紧，且采取分压的方式进行加压，正面压力与侧面压力分开进行，采用不同的压力值。

图5 工装压脚改进

3 试验分析

经过工艺试验及工艺评定的RT及PT结果，直接影响钎焊质量有以下几个因素：合金槽的加工尺寸、合金片与合金槽的装配间隙、钎焊过程中的温度控制。通过对以上几个影响钎焊质量的重要因素进行控制，以保证百万核电末级叶片钎焊的接头质量。

4 结 论

经过大量相关的工艺试验、对试验件的解剖和探伤结果分析，通过控制改进影响钎焊质量几个大的重要因素，可以很好地提高钎焊质量。经过几组百万核电末级叶片的钎焊工艺试验、RT、PT的分析，我们已编制优化后的钎焊典型工艺，固化为企业标准《百万核电末级叶片的钎焊工艺规范》，公司已经实现了1375 mm叶片司太立合金片的自动钎焊，在变形控制方面也取得了突破，钎焊叶片变形量控制为1.5～2 mm，充分满足了用户要求，达到并超过了日本三菱标准的要求，处于国际钎焊领先水平，并已经批产，取得良好的经济效益。

[1] 申慧杰,孙建中,刘宝贵.汽轮机末级叶片司太立合金焊接技术研究[J].东方电气评论,1995(4):228-234.

[2] 刘传波,马晓梅,李全华,等.汽轮机叶片司太立合金高频钎焊工艺[J].焊接,2002(8):46-47.

[3] 吉丽华.汽轮机末级动叶片焊后热矫形初探[J].东方汽轮机,1996(1):36-41.

[4] 刘响亮,潘永,张辉.汽轮机末级叶片钎焊司太立合金焊缝缺陷分析及修复[C]//中国电机工程学会金属材料专委会学术年会.2015.

[5] 赵琦,许景波.叶片焊点温度场测量控制系统[J].中国计量,2015(1):98-99.