非能動(dòng)型壓水堆機(jī)組主泵電機(jī)用彈性帶焊接工藝及性能研究

王岳元，李學(xué)浩，紀(jì)玫紅

(1. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240；2. 鎮(zhèn)江四洋特種金屬材料制造有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

CAP1400型壓水堆核電機(jī)組是在消化吸收并全面掌握第三代先進(jìn)核電AP1000非能動(dòng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新開發(fā)出的具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、功率更大的非能動(dòng)型壓水堆機(jī)組，是我國三代核電技術(shù)自主創(chuàng)新的標(biāo)志。彈性帶是主泵電機(jī)中一個(gè)關(guān)鍵零件，彈性帶的設(shè)計(jì)要求疊加的多層銅帶一端與開有U型槽的銅塊釬焊連接，銅帶的兩端每層之間首先要采用熱壓焊連接起來。目前，國內(nèi)外制造此類彈性帶，每層銅帶之間采用電阻熱壓焊，多層銅帶與銅塊的連接多采用火焰釬焊的方式。火焰釬焊的缺點(diǎn)是溫度難以控制，內(nèi)部釬合率不高[1]，靠近焊縫的多層銅帶不易降溫保護(hù)，對(duì)于彈性帶釬焊后的質(zhì)量也僅通過外觀的目視檢測，內(nèi)部釬焊質(zhì)量沒有明確檢測方式。主泵電機(jī)是安置在核電站內(nèi)部，電機(jī)上的零部件更換較困難，彈性帶本身的焊接質(zhì)量就顯得尤其重要，實(shí)施彈性帶內(nèi)外部的質(zhì)量檢測是十分必要的。本文針對(duì)彈性帶的特點(diǎn)，進(jìn)行多層銅帶熱壓焊、釬焊的工藝試驗(yàn)，通過選擇有效的檢測手段，確定最佳的工藝參數(shù)，也為產(chǎn)品的質(zhì)量保證制定可行的檢測標(biāo)準(zhǔn)。

1 彈性帶結(jié)構(gòu)及焊接方式

彈性帶結(jié)構(gòu)如圖1所示，銅帶和銅塊材料均為T2銅，釬焊焊料選擇BAg45CuZn。彈性帶左側(cè)最外層為兩條2 mm銅板，與2 mm銅板接觸的為2層0.3 mm銅帶，中間為50層0.2 mm銅帶。2mm銅板覆蓋的地方采用熱壓焊將銅帶和銅板焊接成整體，右側(cè)插進(jìn)銅塊U型槽部分52層銅帶先熱壓焊接成整體，再與銅塊釬焊連接，中間為未焊接的柔性部分。熱壓焊及釬焊均采用電阻擴(kuò)散焊機(jī)完成，電阻擴(kuò)散焊機(jī)型號(hào)GKH-160，焊接示意如圖2所示，在釬焊時(shí)，采用夾具將銅帶的端面與銅塊U型槽的底面緊密結(jié)合，配加工U型槽的開口高度，使開口高度比熱壓后銅帶的厚度大0.3 mm，釬焊前在銅帶與銅塊的接觸面之間先放置0.15 mm厚BAg45CuZn箔狀焊料，釬焊過程中通過上下電極的加壓使外層0.3 mm銅帶、U型槽的上下兩個(gè)面與預(yù)置的0.15 mm焊料緊密結(jié)合。

圖1 彈性帶結(jié)構(gòu)

圖2 焊接示意圖

2 焊接工藝

2.1 熱壓焊

焊接過程采用熱電偶測試碳電極的溫度，達(dá)到焊接溫度保溫時(shí)，工件溫度比碳電極溫度高60～80 ℃。在多層銅帶熱壓焊試驗(yàn)過程中，未焊接銅帶部分要采取降溫處理，防止未焊接區(qū)氧化嚴(yán)重，經(jīng)多次試驗(yàn)碳電極溫度設(shè)定在940 ℃時(shí)焊接效果最好。溫度過高易造成銅帶的局部熔化，溫度過低每一層銅帶之間的焊合效果較差，整個(gè)彈性帶以0.2 mm銅帶為主，壓力不宜設(shè)置過大，壓力較大時(shí)會(huì)造成彈性帶焊接區(qū)減薄嚴(yán)重，一般設(shè)置0.8～1.2 MPa為宜。2 mm銅帶覆蓋區(qū)域長度為133 mm，長度大，焊接兩端溫度差異明顯，因此，設(shè)置時(shí)間短，在靠近未焊接銅帶一側(cè)的焊接區(qū)各銅帶之間的結(jié)合較差，分層區(qū)域較大，焊接時(shí)間較長，又會(huì)造成焊接區(qū)減薄，通過試驗(yàn)確定焊接時(shí)間為300 s。與銅塊釬焊部分的多層銅帶的熱壓焊，焊接長度20 mm，焊接時(shí)焊接區(qū)溫度較均勻，與焊接長度133 mm區(qū)域焊接時(shí)間稍有不同，采取焊接時(shí)間為240 s。

2.2 釬焊

銅帶與銅塊釬焊前，熱壓焊后的銅帶右端部面應(yīng)加工平齊，并與0.3 mm銅帶的平面垂直，熱壓焊后的上下兩個(gè)釬焊接觸面打磨清除干凈，銅塊的U型槽內(nèi)也要清除干凈。在釬焊過程中銅塊要產(chǎn)生變形，厚度存在一定的減薄，銅塊的厚度保留2 mm的余量，所有的孔及與孔連接的槽在釬焊完成后再加工到凈尺寸。BAg45CuZn焊料的推薦焊接間隙為0.07～0.25 mm[2]，采用0.15 mm厚的箔狀焊料預(yù)置在銅塊U型槽與銅帶之間，為了使銅塊U型槽與銅帶結(jié)合緊密，將焊接間隙減小，使焊料能夠填充充分。銅塊要在釬焊過程中產(chǎn)生一定的變形，通過試驗(yàn)，壓力為1.5～2 MPa時(shí)，釬焊縫寬度可控制在0.1 mm左右。焊料BAg45CuZn的焊接溫度范圍為745～845 ℃[3]，碳電極設(shè)定溫度為800～840 ℃，因焊接件較小，銅件傳熱較快，在釬焊過程中不需要預(yù)熱，直接加熱到釬焊溫度，觀察外部釬焊縫，所有的釬焊料熔化并充滿焊縫即焊接完成。

3 檢測

3.1 金相測試

圖3為銅帶多層熱壓焊金相照片，每一層之間結(jié)合良好，熱壓焊接是在固態(tài)下形成連接，大部分區(qū)域每層銅帶的晶粒界限分明，極個(gè)別地方晶粒之間形成了熔合。圖4為銅帶與銅塊的釬焊結(jié)合金相照片，釬焊縫連續(xù)均勻，界面結(jié)合良好。

3.2 超聲波檢測

熱壓焊焊合率及釬焊釬合率可以通過超聲波探傷進(jìn)行檢測，探頭檢測用頻率范圍：2～5 MHz，晶片尺寸：Φ10～Φ24 mm。熱壓焊、釬焊后超聲波檢測部位分別如圖5、圖6所示，探頭垂直于多層熱壓焊面和釬焊面，掃查面積覆蓋工件整個(gè)焊接寬度和長度。

圖3 熱壓焊金相

圖4 釬焊金相

圖5 熱壓焊后超聲波探傷部位

圖6 釬焊后超聲波探傷部位

根據(jù)多層銅帶熱壓焊的特點(diǎn)，焊接的質(zhì)量可以通過一次底面反射波的高度來進(jìn)行判定。將探頭置于相同材質(zhì)、相同厚度試塊，使一次底波調(diào)至滿屏高度100%作為檢測靈敏度。掃查檢測區(qū)域，底波下降超過滿屏高度20%的區(qū)域?yàn)槲凑澈厦娣e，若未粘合面積超過總面積30%即為不合格。在對(duì)焊接后工件進(jìn)行探傷掃查，133 mm長度區(qū)域靠近未焊接銅帶一側(cè)存在20 mm長度的未粘合，未粘合面積占15%，符合設(shè)定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。在焊接過程中，未焊接銅帶柔性部分采取降溫措施，致使靠近柔性部分區(qū)域的焊接區(qū)溫度較低，每一層之間的連接較差，分層嚴(yán)重，探傷時(shí)造成一次低波消失。

對(duì)于釬焊釬合情況的超聲波探傷判定，進(jìn)行了銅排與端環(huán)釬焊的超聲波檢測研究，根據(jù)釬焊區(qū)界面反射波的高低可判斷釬焊區(qū)的質(zhì)量[4]，在彈性帶的釬焊區(qū)的超聲波探傷也采用界面反射波的高低來判定釬焊的質(zhì)量。探傷靈敏度：將探頭置于相同材質(zhì)、相同厚度試塊，使一次底波調(diào)至滿屏高度80%作為檢測靈敏度，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)：①釬焊界面反射波高于一次底面反射波80%，即為不合格；②釬焊界面反射波高于20%，低于80%時(shí)，測定其缺陷邊界。若缺陷面積大于釬焊面積的20%，即為不合格。在對(duì)釬焊后工件的實(shí)際探傷時(shí)，整個(gè)探傷區(qū)域的釬焊界面反射波均低于一次反射波的20%，說明釬焊縫焊料填充比較充分，與金相檢測的結(jié)果相一致，因此，工藝設(shè)置合理的情況下，釬焊采用電阻擴(kuò)散焊機(jī)完成的穩(wěn)定性和效果更佳。

4 結(jié)論

(1) 為了使彈性帶焊接參數(shù)可控，確保焊接質(zhì)量，彈性帶的熱壓焊與釬焊均在電阻擴(kuò)散焊機(jī)上完成，釬焊采用電阻擴(kuò)散焊機(jī)完成的穩(wěn)定性和效果更佳。

(2) 通過試驗(yàn)，確定了彈性帶多熱壓焊、釬焊的最佳工藝參數(shù)。

(3) 金相顯示熱壓焊每一層之間結(jié)合良好，銅帶與銅塊釬焊縫連續(xù)均勻。熱壓焊及釬焊后的超聲波探傷顯示，熱壓焊焊合及釬焊釬合情況滿足設(shè)定的超聲波探傷要求。

[1] 趙越.釬焊技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社工業(yè)裝備與信息工程出版中心，2004.

[2] 史耀武.中國材料工程大典-第23卷材料焊接工程(下)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[3] 顧曾迪，陳根寶，金心浦.有色金屬焊接[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

[4] 曲淑琴，成奇.銅排與端環(huán)釬焊的超聲波檢測[J].上海大中型電機(jī)，2001(3)：46-48.