電機(jī)定子鐵心焊接工藝研究

王岳元，郎玉友，紀(jì)玫紅

(上海電氣上海電機(jī)廠有限公司, 上海　200240)

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電機(jī)定子鐵心焊接工藝研究

王岳元，郎玉友，紀(jì)玫紅

(上海電氣上海電機(jī)廠有限公司, 上海200240)

摘要：闡述了如何進(jìn)行1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)定子鐵心50W470硅鋼板與Q235-B鋼板焊接工藝評定工作。通過選用合適的國際標(biāo)準(zhǔn)，完成標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)工藝評定試驗(yàn),最終獲得經(jīng)評定的焊接工藝規(guī)程(WPS)，并以此來指導(dǎo)生產(chǎn)，制造出合格的產(chǎn)品。

關(guān)鍵詞：1E級核電； 定子鐵心； 焊接工藝評定； 焊接工藝規(guī)程

0引言

在重新開啟核電市場后，上電公司承接了與德國AREVA公司配套的5 500 kW 1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)核電產(chǎn)品。該項(xiàng)目商務(wù)技術(shù)條款中明確規(guī)定：所有焊接件的焊接工藝評定按ISO 15614系列或RCC-M標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。文中提及的定子鐵心結(jié)構(gòu)中涉及的母材分別是50W470硅鋼板和Q235-B鋼板，每片硅鋼板表面還鍍了一層漆膜。公司之前對定子鐵心焊接只是做了一些工藝驗(yàn)證，國內(nèi)外同行業(yè)也沒有對定子鐵心進(jìn)行過焊接工藝評定。本文通過解讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定出定子鐵心正確的焊接工藝規(guī)程(WPS)，并依據(jù)此焊接工藝規(guī)程做出合格的焊接件。

1試驗(yàn)準(zhǔn)備及工藝試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

針對5 500 kW商務(wù)技術(shù)協(xié)議中規(guī)定的所有焊接件的焊接工藝評定按ISO 15614系列或RCC-M標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的要求，其中ISO 15614系列是國際化標(biāo)準(zhǔn)組織專門對鋼、鎳及鎳合金的焊接工藝評定試驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定；RCC-M標(biāo)準(zhǔn)是法國壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)和建造規(guī)則。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都沒有直接規(guī)定50W470硅鋼板和Q235-B該如何去準(zhǔn)備試樣進(jìn)行評定。只是在ISO 15614—1∶2004中6.1條對于試件規(guī)定的一般規(guī)則中提及應(yīng)按照 6.2的要求制備標(biāo)準(zhǔn)試件，使其焊接接頭所使用的工藝應(yīng)具有生產(chǎn)代表性;在產(chǎn)品/接頭形式不需用本部分規(guī)定的這些標(biāo)準(zhǔn)試件時(shí)，要求采用ISO 15613—2004：基于預(yù)生產(chǎn)焊接試驗(yàn)的工藝評定標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行。

ISO 15613—2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：試件制備和焊接應(yīng)在一般生產(chǎn)焊接條件下進(jìn)行，以保證試件的形狀和尺寸模擬結(jié)構(gòu)的實(shí)際焊接條件，這也包括焊接位置和其他主要參數(shù)，如：應(yīng)力條件、熱效應(yīng)、拘束方法以及邊緣條件等。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)要求模擬5 500 kW定子鐵心結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)試樣準(zhǔn)備,試驗(yàn)采用0.5 mm厚的硅鋼板50W470(涂環(huán)氧酚醛硅鋼片漆)，尺寸為100 mm×150 mm共1 200件，加工成如圖1形狀；再用螺栓、螺母疊成如圖2形狀。與30 mm厚鋼板Q235-B，尺寸為100 mm×300 mm共2件，按圖3形式進(jìn)行裝配焊接。

圖1　硅鋼板落料及加工孔尺寸位置圖

圖2　硅鋼板疊成形狀圖

圖3　硅鋼板與鋼板焊接示意圖

1.2工藝試驗(yàn)

1.2.1硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗(yàn)參數(shù)選擇

焊接方法選用熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體采用Ar+ CO2(混合比例為80%∶20%)混合氣體保護(hù)形式，氣體流量控制在10～15 l/min范圍內(nèi)。焊接材料選用φ1.2 mmER50-6焊絲。電流采用直流反接形式，電流控制在140～170 A，電壓為22～26 V。焊接速度建議為20～36 cm/min。送絲速度為1 100～1 800 cm/min。

采用從上向下立焊方式，單道焊。由于硅鋼片表面涂環(huán)氧酚醛漆，易在焊接過程中形成氣孔缺陷，焊接時(shí)熔滴從Q235-B鋼板一側(cè)過渡到硅鋼板上。

1.2.2硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2.1硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)ISO 15613—2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，定子鐵心的焊接屬于熔化焊，試件的試驗(yàn)盡可能按ISO 15614系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行，參考標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品實(shí)際情況，對焊接試件進(jìn)行以下五項(xiàng)試驗(yàn)：

a) 100%外觀檢查。

b) 表面裂紋檢查。

c) 硬度試驗(yàn)。

d) 低倍金相檢驗(yàn)。

e) 拉伸試驗(yàn)。

圖4　焊接工藝評定試件

實(shí)際焊接工藝評定定子鐵心試件如下圖4所示。

1.2.2.2硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果

硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗(yàn)結(jié)果如下：

a) 目視檢查，標(biāo)準(zhǔn)參考ISO 5817—2014，按B級要求驗(yàn)收，檢查結(jié)果：無表面氣孔、未熔合、咬邊、焊縫下塌、焊瘤、焊腳不對稱等缺陷。結(jié)果合格。

b) 對焊縫表面裂紋檢查，采用著色深透探傷無損檢測方法，以JB/T 4730.5—2005系列標(biāo)準(zhǔn)II級要求驗(yàn)收，結(jié)果顯示：未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷顯示。

c) 硬度試驗(yàn)采用的檢測規(guī)范為GB/T 4340—2009系列，檢測HV10值如下表1所示，硬度值未出現(xiàn)異常值。

表1　焊接工藝評定試件硬度值(HV10)

d) 低倍金相檢測規(guī)范按GB/T 226—1991標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，兩塊試樣上均有氣孔顯示，其中一塊上有兩個(gè)氣孔，另一塊上有一個(gè)氣孔。見圖5所示，質(zhì)量等級只能達(dá)到D級要求。不能達(dá)到焊接工藝評定B級驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。這主要與硅鋼片母材表面涂環(huán)氧酚醛漆有關(guān)系，而實(shí)際產(chǎn)品中又不允許去除油漆，因此需要結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)格書中“筋與鐵心之間的焊縫計(jì)算”結(jié)果和試件拉伸試驗(yàn)結(jié)果一起來判斷是否合格。

圖5　焊接工藝評定金相試驗(yàn)結(jié)果

e) 如果按照ISO 15613—2004標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不需要做拉伸試驗(yàn),鑒于金相試驗(yàn)結(jié)果不能滿足焊接工藝評定B級驗(yàn)收等級，因此通過拉伸試驗(yàn)值對定子鐵心焊筋焊縫強(qiáng)度計(jì)算來驗(yàn)證是否滿足設(shè)計(jì)規(guī)格書“筋與鐵心之間的焊縫計(jì)算”結(jié)果要求。設(shè)計(jì)規(guī)格書中對“筋與鐵心之間的焊縫計(jì)算”結(jié)論是：如果采用焊絲ER50-6，假定突然短路形成的切向力全部由筋與鐵心之間的焊縫承擔(dān)，計(jì)算出來的許用切應(yīng)力[τ]= 50 MPa。

試驗(yàn)時(shí)，通過萬能材料試驗(yàn)機(jī)在Q235-B 鋼板兩端施加拉力，記錄焊縫脫開時(shí)的拉伸力。試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)剪切強(qiáng)度極限為306 MPa 時(shí)，焊縫硅鋼片脫開，表現(xiàn)為剪切破壞。按照一點(diǎn)應(yīng)力狀態(tài)和第四強(qiáng)度理論將剪切強(qiáng)度極限τb換算成等效拉伸強(qiáng)度極限為：

計(jì)算出來的等效拉伸強(qiáng)度幾乎是設(shè)計(jì)書要求的強(qiáng)度10倍以上，同時(shí)我們采用有限元算法進(jìn)一步核算焊縫區(qū)的等效應(yīng)力，計(jì)算中以10倍額定轉(zhuǎn)矩作為載荷，計(jì)算結(jié)果均表明筋與鐵心焊接強(qiáng)度足夠。證明盡管我們焊縫因油漆會(huì)出現(xiàn)氣孔現(xiàn)象，但焊縫的強(qiáng)度足夠滿足電機(jī)運(yùn)行。

2產(chǎn)品焊接

5 500 kW 1E級應(yīng)急柴油機(jī)定子鐵心整個(gè)焊接工藝評定是在客戶AREVA現(xiàn)場工程師和必維國際檢驗(yàn)集團(tuán)(BV)的監(jiān)理工程師的監(jiān)造下進(jìn)行的，所有的試驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果經(jīng)三方確認(rèn)，獲得了合格的焊接工藝評定報(bào)告，并依據(jù)此編制了焊接工藝規(guī)程(WPS)文件。焊工根據(jù)WPS文件選用焊接參數(shù)及操作技術(shù)在正式產(chǎn)品上施焊，獲得比較好的效果，順利通過了BV監(jiān)理工程師的現(xiàn)場見證，定子鐵心焊接實(shí)物見下圖6所示。

圖6　5 500 kW定子鐵心焊接實(shí)物

3結(jié)語

3.1通過選用合適的國際標(biāo)準(zhǔn)，完成標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的各項(xiàng)工藝試驗(yàn)，并通過有限元分析計(jì)算試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終獲得經(jīng)評定的焊接工藝規(guī)程(WPS)，順利完成了1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)定子鐵心焊接。

3.2在國內(nèi)電機(jī)行業(yè)開創(chuàng)了定子鐵心焊接工藝評定的先例，并通過定子鐵心焊接工藝評定的成功經(jīng)驗(yàn)，為電機(jī)產(chǎn)品中的特殊材料、特殊結(jié)構(gòu)的焊接工藝評定工作，提供了新的思路。