燃汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子銅排失效分析

吳雙輝

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

銅排是汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈的重要部件，在燃汽輪發(fā)電機(jī)中主要起到導(dǎo)電和通風(fēng)冷卻的作用。轉(zhuǎn)子線圈銅排采用銀基釬焊的方式將直線段和端部彎端組成整圓的結(jié)構(gòu)，銅排原材料和焊接質(zhì)量是直接影響機(jī)組安全運(yùn)行的重要因素[1-2]。

某燃汽輪發(fā)電機(jī)組在投入運(yùn)行1年后，8號線圈第11、12匝勵端180°極心焊口部位燒熔斷路，機(jī)組被迫停機(jī)。如圖1所示，轉(zhuǎn)子線圈銅排8號線圈2根完全熔斷，表面發(fā)生氧化變色。

銅排材質(zhì)類似于T2純銅，冷拉態(tài)供貨，選用的釬料為BCu80PAg，熔點為740～815 ℃，銅排焊接采用中頻感應(yīng)釬焊，焊接輸出電流為68 A，輸出電壓為700 V，輸出功率為40 kW，加熱時間為80 s。為找出轉(zhuǎn)子線圈銅排失效原因，對原材料及焊接接頭化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口進(jìn)行綜合性分析。

圖1 轉(zhuǎn)子線圈銅排失效實物

1 理化檢驗與分析

1.1 化學(xué)成分

在8號線圈上取樣分別對銅排原材料及焊接接頭釬料成分進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果顯示釬焊焊縫主要成分是P、Ag、Cu三種成分，其中釬焊焊縫Cu含量略高于釬料，P、Ag含量不同程度地略低于釬料成分要求。這是由于釬焊過程中母材和釬料之間的溶解與擴(kuò)散，改變了釬焊焊縫的成分，使得與釬料本身成分有一定的差別。銅排母材的成分分析表明，母材成分滿足技術(shù)要求。檢驗結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分 (wt%)

1.2 力學(xué)性能

在銅排焊接位置以焊接接頭為中心對稱截取400 mm長試料，加工出2件拉伸試樣和1件彎曲試樣，試驗數(shù)據(jù)見表2。試驗結(jié)果表明：焊接接頭的強(qiáng)度很低，塑性較差，遠(yuǎn)低于銅排本體性能，彎曲試樣彎曲到約20°時即發(fā)生斷裂。從拉伸斷口可以看出，1#和2#拉伸試樣斷裂部位均在焊縫處，且均未出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，斷口平齊，1#試樣斷口形貌顯示釬料填充不足，焊料稀少，2#試樣斷口上雖然有較多的焊料，但釬焊縮孔嚴(yán)重，并且局部存在無釬料潤濕現(xiàn)象；彎曲試樣斷裂位置位于焊縫處，斷口平齊，斷口釬料少，填充不足。力學(xué)性能結(jié)果表明：釬焊接頭質(zhì)量較差，焊縫強(qiáng)度低于母材強(qiáng)度是導(dǎo)致拉伸和彎曲時在焊縫處斷裂的直接原因。

表2 力學(xué)性能

圖2 斷裂的拉伸和彎曲試樣

1.3 金相組織

在銅排本體、熔斷面附近和釬焊焊縫上分別取樣進(jìn)行金相組織分析，用5%高氯化鐵溶液腐蝕試樣，在PMG3型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察及分析。三個位置的金相組織均為α單相固溶體，晶粒平均直徑略有不同，銅排本體晶粒平均直徑0.045 mm，見圖3(a)，符合技術(shù)要求(晶粒平均直徑0.025～0.050 mm)；熔斷面附近晶粒平均直徑增大到0.065 mm，見圖3(b)；釬焊焊縫兩邊熱影響區(qū)晶粒平均直徑增大到0.075 mm，熔合線處未見裂紋，但在焊縫里有大量縮孔存在，見圖3(c)。

圖3 金相組織

2 斷口分析

2.1 斷口宏觀分析

轉(zhuǎn)子線圈銅排斷口如圖4(a)和圖4(b)所示，斷裂位置均位于釬焊焊縫結(jié)合處，斷口表面氧化嚴(yán)重，無明顯的頸縮現(xiàn)象，第11匝轉(zhuǎn)子線圈銅排斷口形貌呈石狀，保持了棱邊形狀，宏觀斷面的取向與最大切應(yīng)力方向一致，與最大正應(yīng)力約呈45度交角，是受拉力的作用撕開斷裂，為受拉撕裂式斷裂形式。第12匝轉(zhuǎn)子線圈銅排斷口局部棱邊變成圓滑狀，并伴有局部熔化現(xiàn)象，為熔斷式斷裂形式。

圖4 轉(zhuǎn)子線圈銅排斷裂實物

2.2 斷口微觀分析

由于已斷裂轉(zhuǎn)子銅排斷口表面氧化嚴(yán)重，無法觀察微觀斷口特征，采用S-3700掃描電鏡對釬焊焊縫拉伸斷口進(jìn)行微觀形貌觀察，斷口表面釬料未完全鋪展，如圖5(a)，且存在較多縮孔，如圖5(b)，同時斷口可觀察到熔化的球狀花樣，如圖5(c)。

圖5 轉(zhuǎn)子線圈銅排拉伸斷口微觀形貌

3 熱模擬試驗

經(jīng)現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子線圈銅排靠近斷裂處發(fā)生不同程度的變色，如圖6所示，在靠近斷口處，銅排的顏色由中心向兩側(cè)梯次變化，顏色依次為銅色、不均勻的紫紅色、藍(lán)黑色。這說明銅排經(jīng)歷了一定程度的熱過程，為了進(jìn)一步分析銅排表面顏色變化規(guī)律與溫度之間的關(guān)系，對銅排進(jìn)行熱模擬試驗。

分別將銅排加熱到150 ℃、200 ℃、250 ℃及300 ℃，并保溫10 min，觀察銅排表面的氧化變色情況，如圖7所示。150 ℃保溫10 min，銅排基本保持銅本色；200 ℃保溫10 min，銅排表面有輕微變色；250 ℃保溫10 min，銅排表面氧化成紫紅色；300 ℃保溫10 min，銅排表面氧化成藍(lán)黑色和紫紅色的混合色。從銅排熱模擬試驗進(jìn)行推斷，轉(zhuǎn)子線圈銅排至少經(jīng)歷過300 ℃以上的熱過程。

圖6 靠近斷口處銅排形貌

圖7 銅排不同溫度下的表面氧化變色

4 斷裂原因分析

4.1 釬焊工藝

從以上檢查結(jié)果可知，釬焊接頭內(nèi)部釬料未完全鋪展，且存在大量的縮孔，焊縫接頭區(qū)域晶粒發(fā)生明顯長大，使得釬焊接頭的拉伸性能遠(yuǎn)低于銅排本體性能，彎曲20°發(fā)生斷裂。這有可能是釬焊焊接過程中加熱功率過大造成的，加熱功率過大使加熱速度過快，造成工件受熱不均勻，局部區(qū)域產(chǎn)生過熱，而其他區(qū)域溫度低未達(dá)到釬料溫度，釬料鋪展不完全，使焊接接頭結(jié)合強(qiáng)度低。釬焊工藝失控是轉(zhuǎn)子線圈銅排在焊縫處斷裂的直接原因。

4.2 工況分析

從轉(zhuǎn)子線圈銅排斷裂處附近的氧化變色情況及銅排熱模擬試驗結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子線圈銅排至少經(jīng)歷過300 ℃以上的熱過程，說明機(jī)組在運(yùn)行過程中，局部溫升較高。在高溫狀態(tài)下，釬料的強(qiáng)度下降得比銅快，使焊接接頭性能退化，在長時間的運(yùn)行過程中，裂紋優(yōu)先在焊縫縮孔缺陷處萌生，裂紋不斷擴(kuò)展，使得銅排的電阻迅速升高，局部迅速升溫并達(dá)到焊縫釬料的熔化溫度而發(fā)生熔斷。機(jī)組運(yùn)行過程中的特殊受熱是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈銅排在焊縫處斷裂的次要原因。

5 結(jié)論及建議

(1)銅排和釬料材質(zhì)滿足技術(shù)要求。

(2)釬焊工藝失控是轉(zhuǎn)子線圈銅排在焊縫處斷裂的直接原因。

(3)機(jī)組運(yùn)行過程中的特殊受熱是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈銅排在焊縫處斷裂的次要原因。

(4)為避免此類事故的再次發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)焊接過程質(zhì)量控制，嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝并做好記錄，焊后進(jìn)行嚴(yán)格檢查，不允許存在任何裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。

(5)在機(jī)組運(yùn)行的過程中，應(yīng)定期監(jiān)測轉(zhuǎn)子線圈銅排的溫度變化，對異常情況應(yīng)及時停機(jī)檢查，對出現(xiàn)裂紋的銅排應(yīng)及時更換。