1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)定子釬焊工藝概述

汪 生

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

由哈電研制的某水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量達(dá)到1 000 MW，目前為止是世界上單機(jī)容量最大的水輪發(fā)電機(jī)。作為水輪發(fā)電機(jī)的“心臟”—定子線圈也創(chuàng)下了我公司各項(xiàng)之最：尺寸最大、公差最小、耐壓等級(jí)最高等。因此制造難度極大，過程要求更加精細(xì)。本文針對(duì)定子制造過程中涉及的釬焊工藝進(jìn)行介紹。

1 定子線圈釬焊工藝

1.1 定子線圈端部釬焊結(jié)構(gòu)

整臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組分為上、下兩層，共1 392根線圈。單只定子線圈由88根單玻漆包燒結(jié)銅扁線繞制而成，端部需使用去絲機(jī)去除玻璃絲，然后將定子線圈與連接板釬焊成整體，如圖1所示。

1.2 釬焊方法的選擇

釬焊方法選擇感應(yīng)釬焊，感應(yīng)釬焊具有加熱速度快、熱源集中、生產(chǎn)效率高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，利于大規(guī)模批量生產(chǎn)。根據(jù)線圈端部截面尺寸，設(shè)計(jì)感應(yīng)釬焊專用感應(yīng)器，如圖2所示，保證工件加熱均勻、效率高。

圖2 定子線圈端部釬焊專用感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 釬焊工藝過程

1.3.1 用砂紙和鋼絲刷對(duì)線圈端部待釬焊區(qū)域以及連接板釬焊面進(jìn)行清理，去除表面絕緣材料、氧化膜，并用壓縮空氣吹凈。

1.3.2 預(yù)置焊片，牌號(hào)為BCu80AgP，厚度2 mm，自釬劑釬料，使用方便，釬焊性好。上層線圈焊接時(shí)，連接板置于線圈上面，線圈下面不方便進(jìn)行填料，因此在線圈下面預(yù)置兩片焊片。在線圈的兩排股線之間、線圈股線兩側(cè)以及上端面各預(yù)置一片焊片，如圖3所示。下層線圈焊接時(shí)，連接板置于線圈下面，在線圈的兩排股線之間、線圈股線兩側(cè)以及上端面各預(yù)置一片焊片，如圖4所示。具體尺寸見表1。

圖3 上層線圈焊片預(yù)置示意圖

圖4 下層線圈焊片預(yù)置示意圖

表1 預(yù)置焊片尺寸 單位：mm

1.3.3 將感應(yīng)器插入線圈，調(diào)整感應(yīng)器位置使導(dǎo)磁體置于待釬焊面。使用專用工裝夾具將線圈、連接板、焊片、感應(yīng)器固定牢靠，擰緊螺栓，如圖5～圖6所示。

圖5 上層線圈連接板裝配

圖6 下層線圈連接板裝配

1.3.4 啟動(dòng)感應(yīng)加熱設(shè)備，設(shè)置輸出功率：25～30 kW。觀察線圈端部及連接板顏色變?yōu)殚偌t色或者釬料開始融化后，采取斷續(xù)加熱的方式(斷續(xù)加熱時(shí)間間隔5 s)、維持釬焊溫度720～740 ℃，工件顏色為橘紅色。不允許使線圈溫度過高(不允許使工件顏色變白、此時(shí)溫度超過800 ℃)，避免釬料過度流淌以及發(fā)生熔蝕。可根據(jù)情況適當(dāng)使用焊絲進(jìn)行填料(焊絲牌號(hào)BCu80AgP、φ2 mm)，保證焊縫飽滿。焊接完成后，在釬料完全凝固之前(釬焊完成1 min 90 s之內(nèi))不允許拆掉夾緊工具，以防止焊縫在較高的溫度下發(fā)生開裂。

1.3.5 釬焊完成后，打磨多余焊料，使線圈表面平整。檢查所有釬焊縫不允許有未焊透、裂紋、氣孔等缺陷。

1.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

(1) 為了保證在釬焊過程中，線圈股線間隙均勻，裝配后線圈股線應(yīng)高出連接板2 mm，保證夾具受力點(diǎn)位于線圈股線上，如圖7所示。因股線去絲后尺寸存在一定偏差，若股線高度低于連接板，可根據(jù)股線實(shí)際尺寸對(duì)連接板進(jìn)行實(shí)配加工，以保證整體尺寸。

圖7 連接板與股線裝配要求

(2) 釬焊過程中，待釬料熔化后需要二次擰緊夾緊工具(此時(shí)銅較軟)，使股線之間間隙更加均勻，保證釬焊質(zhì)量。

2 銅環(huán)引線釬焊

2.1 銅環(huán)引線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

銅環(huán)軸向分八層，徑向分三層，三個(gè)主引出線，六個(gè)中性點(diǎn)，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，釬焊接頭數(shù)量多，如圖8所示。其中還涉及到跳層連接釬焊接頭，因此對(duì)制造精度要求很高。單根銅環(huán)接頭采用對(duì)接的方式，中間添加連接棒，增大導(dǎo)電面積，如圖9所示。

圖8 銅環(huán)引線局部示意圖

圖9 單根銅環(huán)接頭示意圖

2.2 釬焊方法的選擇

傳統(tǒng)工藝大尺寸銅環(huán)的釬焊均使用火焰釬焊的方式。火焰釬焊缺點(diǎn)：加熱效率低，不環(huán)保，釬焊質(zhì)量受焊工技術(shù)水平制約，質(zhì)量難以保證。為了保證本機(jī)組釬焊質(zhì)量，通過自主設(shè)計(jì)感應(yīng)器以及夾緊工具，實(shí)現(xiàn)使用感應(yīng)釬焊焊接銅環(huán)引線。

2.3 釬焊工藝過程

2.3.1 銅環(huán)絕緣根部用浸水的紗布緊密包裹，并保持紗布溫度處于較低狀態(tài)(溫度≤5 ℃)，防止釬焊過程中線圈絕緣燒損。

2.3.2 用砂紙對(duì)銅環(huán)端部釬焊面以及連接棒表面進(jìn)行清理，去除表面氧化膜。

2.3.3 將銅環(huán)、連接棒、焊片(牌號(hào)：BCu80AgP，環(huán)形焊片外徑φ50 mm、內(nèi)徑φ20 mm，厚度4 mm)裝配，并用專用夾緊工具固定，如圖10～圖11所示。

圖10 銅環(huán)裝配示意圖

圖11 夾具示意圖

2.3.4 將感應(yīng)器置于焊縫上方，注意使釬焊縫位于感應(yīng)器兩排導(dǎo)磁體中間，便于后續(xù)填加焊料，如圖12所示。

圖12 感應(yīng)器裝配示意圖

2.3.5 啟動(dòng)感應(yīng)加熱設(shè)備，設(shè)置輸出功率為35～40 kW。待銅環(huán)加熱至顏色變?yōu)殚偌t色時(shí)，預(yù)置焊片開始熔化，采取斷續(xù)加熱的方式(斷續(xù)加熱時(shí)間間隔7 s)、維持釬焊溫度720～740 ℃，工件顏色為橘紅色。不允許銅環(huán)溫度過高(不允許使工件顏色變白，溫度超過800 ℃)；同時(shí)手持焊絲(焊絲牌號(hào)BCu80AgP、φ2 mm)沿銅環(huán)圓形釬縫和填料孔填料，待釬縫填充飽滿后停止加熱。焊接完成后，在釬料完全凝固之前(釬焊完成1 min之內(nèi))不允許拆掉夾緊工具，防止釬縫在較高的溫度下發(fā)生開裂。

2.3.6 釬焊完成后，打磨焊縫尖點(diǎn)，檢查所有釬焊縫不允許有未焊透、裂紋、氣孔等缺陷。

2.4 質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.4.1 釬焊時(shí)，手持感應(yīng)器要向銅環(huán)側(cè)施加適當(dāng)?shù)膲毫?，防止電磁力使感?yīng)器發(fā)生竄動(dòng)，影響釬焊過程。

2.4.2 注意在釬焊快結(jié)束、收縫時(shí)迅速對(duì)底部焊縫填料，此時(shí)釬料流動(dòng)性差，在垂直漫流方向吸附性較強(qiáng)，可保證焊縫飽滿。

3 結(jié)論

1 000 MW水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量為世界之最，其中定子線圈接頭尺寸大、銅環(huán)引線結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，對(duì)接頭釬焊質(zhì)量要求高，釬焊難度大。通過專用感應(yīng)釬焊工器具的合理使用，以及特殊工藝過程的質(zhì)量控制，保證了定子釬焊質(zhì)量?jī)?yōu)良。

整臺(tái)定子在制造過程中涉及的釬焊工序進(jìn)展順利，不僅保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度的要求，同時(shí)也為今后類似項(xiàng)目的生產(chǎn)制造奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

作者簡(jiǎn)介：

汪生，男，1990年生，2014年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，材料工程專業(yè)，碩士學(xué)位，焊接工程師，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)等發(fā)電設(shè)備的焊接制造工藝工作。