一种汽轮发电机定子水接头真空钎焊工艺研究

雷居春

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

定子水接头是水冷型汽轮发电机定子中常用的通水部件，通常由不锈钢接头嵌入铜接头中钎焊而成。由于该部件在机组运行过程中需要连通水路并承受一定的水压，故接头的钎焊质量要求非常高。

原有的汽轮发电机定子水接头焊接方法为摩擦焊，由于摩擦焊的原材料预留量大、生产效率低以及焊后只能通过抽检抗拉强度对焊接质量进行检验，存在一定的质量风险等问题，因此选择一种更为合理的焊接工艺方法来进行定子水接头的制造显得尤为重要。

本文针对一种汽轮发电机定子水接头的真空钎焊工艺进行了研究。真空钎焊是将预置钎料的工件放置于真空钎焊炉中，在一定的真空度下对工件进行整体加热并实现钎焊的一种钎焊工艺方法。真空钎焊与其它钎焊方法相比，具有显著的优越性：真空钎焊炉加热均匀，焊件变形小，并且无氧化及污染；不使用钎剂，避免了气孔、夹杂等缺陷，并节省了焊后清洗钎剂的工序；可以一次钎焊多道焊缝或多个焊件，质量稳定且效率很高[1]。

1 钎焊接头形式设计

采用摩擦焊时，不锈钢圆柱和紫铜圆柱经过摩擦生热顶端焊合在一起，焊前两部分焊接面为平面对接即可。改为真空钎焊后，需将接头形式改为嵌接结构，即在铜接头上开孔，并将不锈钢接头嵌入孔内，嵌入深度为10 mm，调整后的接头形式如图1所示。嵌接接头钎焊面积大，装配精度高，能够保证接头强度和密封性。需要注意的是，不锈钢接头上须预先加工通孔作为真空钎焊时的排气通道，促进熔化钎料的流动，减少钎焊缺陷。

图1 调整后的水接头结构

2 钎焊材料的选用

2.1 试验钎料的选择

不锈钢水接头和铜接头的材质分别为06Cr19Ni10和T2，针对这两种异种材料的真空钎焊，我们选取了两种牌号的钎料进行试验，分别是银基钎料BAg72Cu和镍基钎料BNi-2，两种钎料的化学成分见表1。

2.2 两种钎料试验对比

选用与产品件比例1∶1的试验件进行钎焊试验，试验在真空钎焊炉内进行，所用温度曲线如图2、图3所示。

表1 钎料的化学成分典型值[1] (wt%)

图2 BAg72Cu真空钎焊工艺曲线

图3 BNi-2真空钎焊工艺曲线

试验表明，两种钎焊材料都能实现定子水接头的真空钎焊，但在工艺过程上略有不同，具体对比如表2所示。

2.3 钎焊材料的确定

由于钎焊温度差异明显，采用BNi-2钎料的试验件母材焊后晶粒长大明显，而采用BAg72Cu钎料的试验件母材晶粒无明显变化，晶粒过度粗大会对后续超声波探伤产生一定影响；且焊后母材屈服强度、疲劳强度BAg72Cu钎料均优于BNi-2钎料。

综上，从产品质量方面考虑，选择钎料BAg72Cu为该定子水接头的钎焊材料。

表2 BAg72Cu与BNi-2钎焊试验结果对比

3 定子水接头真空钎焊工艺过程

3.1 焊前处理

(1)真空钎焊前需要对不锈钢接头钎焊部位实施电镀镍，如图4所示，镀镍层厚度为2～6 μm。

(2)对于镀镍后的不锈钢接头，用丙酮对接头钎焊面进行脱脂，放置在干净的白纱布上待用。

(3)对于铜接头，用砂纸或百洁布去除孔内壁及上台面上的氧化物，并用丙酮进行脱脂，确保干净无油污，放置在干净的白纱布上待用。

3.2 接头装配

图4 不锈钢接头镀镍范围示意图

(1)将不锈钢接头插入铜接头进行试配，须确保两者装配间隙符合要求。

(2)如图5所示，在不锈钢接头外周套入焊丝环，焊丝环接口需错开，焊丝环须与不锈钢接头紧密贴合。

图5 水接头装配示意图

(3)将装配好的水接头工件摆放到支架上，并推入真空钎焊炉炉膛，如图6所示。

图6 水接头装入真空钎焊炉

3.3 真空钎焊

按图2所示工艺曲线进行真空钎焊，随炉冷却至200 ℃，通入氮气冷却；炉温降至30 ℃后，方可取出工件，焊后的水接头如图7所示。

图7 真空钎焊后的水接头

3.4 焊后检查

(1)对水接头进行外观检查，要求工件外观光洁、颜色均匀，焊缝饱满，无裂纹、气孔。

(2)对焊缝进行超声波探伤，要求接头钎透率达到95%以上。

4 结论

(1)试验研究表明，该型号汽轮发电机定子水接头制造方式可由摩擦焊改为真空钎焊。

(2)通过对两种钎料进行工艺试验对比，选择出了合适的焊接材料为BAg72Cu。

(3)采用真空钎焊的定子水接头已在多台机组上成功应用，接头的焊后超声波探伤合格率在98%以上，电厂的安全运营表明该工艺方案是安全可靠的。