杜金程

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

抽水蓄能機(jī)組具有發(fā)電和抽水兩種功能，是發(fā)電機(jī)與水泵的結(jié)合，發(fā)展前景非常廣闊，目前國內(nèi)大型抽水蓄能機(jī)組的研發(fā)、制造還屬于起步階段，寶泉抽水蓄能機(jī)組經(jīng)過與ALSTOM公司的合作和自主研發(fā)，現(xiàn)已成功完成機(jī)組的安裝制造并且運(yùn)行至今，性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)良好。筆者闡述了寶泉機(jī)組發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)定子線棒部分釬焊的工藝，包括定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊和工地下線后的現(xiàn)場釬焊。

1 定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊

1.1 定子線棒并頭釬焊結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及概述

大型水輪發(fā)電機(jī)上下層線棒的連接主要有兩種，一是并頭板結(jié)構(gòu);二是筆者講述的連接塊結(jié)構(gòu)。兩種結(jié)構(gòu)各有各的特點(diǎn)。并頭板結(jié)構(gòu)是指在下線后用2塊銅板夾在線棒的外側(cè)，直接將定子線棒端部連接到一起。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是:在廠內(nèi)只需將線棒端部封焊即可，工序簡單;其次即使線棒下線后有位置偏差也很容易通過并頭板進(jìn)行調(diào)整連接。缺點(diǎn)是:由于線棒需要在端面封焊后進(jìn)行模壓，會(huì)有許多絕緣膠通過股間的凹槽漫流到封焊面，使得在工地下線后的釬焊過程中會(huì)產(chǎn)生大量煙霧，并且很難清理掉，既不環(huán)保又會(huì)影響釬焊質(zhì)量;焊縫離絕緣過近，難免燒損線棒端部主絕緣。連接塊結(jié)構(gòu)則不同，這種結(jié)構(gòu)如圖1所示，定子線棒的釬焊分兩步完成，首先在廠內(nèi)進(jìn)行線棒與連接塊的封焊;其次是工地安裝過程中上下層線棒連接塊之間的釬焊。這種結(jié)構(gòu)在廠內(nèi)的封焊相對(duì)復(fù)雜些，但這樣可以減少下線后的釬焊量，釬焊后只需要釬焊2個(gè)連接塊即可，而且由于釬焊面距離線棒絕緣較遠(yuǎn)，避免了釬焊過程中對(duì)絕緣的燒損和產(chǎn)生煙塵。缺點(diǎn)是:這種結(jié)構(gòu)對(duì)與下線的位置偏差要求相對(duì)嚴(yán)格，否則難以保證接頭的釬焊面積，滿足其導(dǎo)電要求。所以釬焊前要對(duì)釬焊材料、釬焊工藝方法的選擇進(jìn)行試驗(yàn)研究的同時(shí)，還要在工裝夾具及釬焊參數(shù)等方面上進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制。

圖1 連接塊結(jié)構(gòu)

1.2 定子線棒與連接塊的廠內(nèi)釬焊工藝

1.2.1 釬焊工藝方法的選擇

采用中頻感應(yīng)加熱的方法，這種釬焊方法是由中頻電源產(chǎn)生的中頻交變電流，通過感應(yīng)圈形成中頻交變磁場，在金屬工件的內(nèi)部產(chǎn)生感生電流，從而產(chǎn)生電阻熱來加熱工件，中頻感應(yīng)加熱具有清潔、均勻、迅速的特點(diǎn)，并且可以輕易控制加熱功率，加熱溫度。

1.2.2 夾具的設(shè)計(jì)

寶泉定子線棒采用空冷形式，線棒的截面較小，連接塊的結(jié)構(gòu)特殊，線棒與連接塊的設(shè)計(jì)釬焊對(duì)搭面積較小，設(shè)計(jì)釬焊面積只是線棒截面的110%。這就要求釬焊面要完全焊滿才能保證導(dǎo)電要求，從釬焊原理上進(jìn)行分析，提高釬焊質(zhì)量的重要因素之一就是嚴(yán)格控制釬縫間隙，設(shè)計(jì)適用的夾緊工具是控制釬縫間隙的關(guān)鍵。夾緊工具形式如圖2。由于在釬焊過程中釬焊工具處于中頻磁場中，如果采用導(dǎo)磁性材料如碳鋼等，該工具會(huì)迅速發(fā)熱，因此需采用非導(dǎo)磁材料的不銹鋼制作，以防止在感應(yīng)加熱釬焊時(shí)工具發(fā)熱，工具下部為定位基準(zhǔn)，兩側(cè)和上部分別安裝螺旋頂絲，按照?qǐng)D示將連接塊和釬料裝入線棒后將所有螺旋頂絲旋緊，保證釬焊最佳間隙。

圖2 夾緊工具形式

1.2.3 感應(yīng)圈的設(shè)計(jì)

感應(yīng)圈連接在中頻變壓器上，是產(chǎn)生中頻交變磁場來加熱工件的工具，感應(yīng)圈由空心紫銅管彎制，由于在加熱過程中感應(yīng)圈要通過非常大的電流，所以要進(jìn)行通水冷卻，而且冷卻水的壓力不能小于0.3 MP。為了減少漏磁，提高加熱效率，我們?cè)阢~管的外面鑲嵌導(dǎo)磁體，導(dǎo)磁體是由0.2的硅鋼片沖制的;其次感應(yīng)圈形狀的設(shè)計(jì)是否合理也直接影響釬焊的效率和釬焊質(zhì)量。感應(yīng)圈是根據(jù)連接塊的形狀尺寸設(shè)計(jì)，在連接塊的單側(cè)布置感應(yīng)圈(60 mm×40 mm)，感應(yīng)圈的形狀為叉形，與線棒的安裝方式為平行插入，見圖3。

1.2.4 釬焊參數(shù)的確定

圖3 感應(yīng)圈與線棒安裝方式

釬焊參數(shù)是通過試驗(yàn)來確定的，在試驗(yàn)線棒上進(jìn)行，釬焊設(shè)備使用的是可控硅變頻靜止電源工作頻率為8000 Hz，額定功率為100 kW 。加熱功率是很重要的釬焊參數(shù)，過大的功率會(huì)使加熱速度過快，使得工件加熱不均勻，會(huì)造成部分區(qū)域過熱的同時(shí)，而其它加熱區(qū)域未達(dá)到釬焊溫度，而產(chǎn)生未熔合等缺陷;而過小的功率會(huì)大大增加釬焊時(shí)間，而使得工件過分氧化，影響釬料在釬焊面上的鋪展，因此在生產(chǎn)前通過在試驗(yàn)線棒上反復(fù)試驗(yàn)來確定設(shè)備最佳釬焊加熱參數(shù)，最終確定的參數(shù)如下。

輸出電流:I=68 A

輸出電壓:U=700 V

輸出功率:P=40 kW

加熱時(shí)間:T=80 s

1.2.5 釬料的選擇和放置

釬焊材料:采用 BCu80AgP，銅銀磷釬料，這種釬料含銀15%，含銅80%，余量為磷，熔點(diǎn)為740～815℃，該釬料又被稱做自釬劑釬料，其中的磷成分不但能夠有效的降低釬料熔點(diǎn)還能夠在釬焊過程中清除掉銅的氧化物而不需要另外添加釬劑，這樣既簡化了釬焊操作，又避免了殘留釬劑對(duì)發(fā)電機(jī)的腐蝕。釬料共使用5片。釬料厚度使用0.2 mm和0.4 mm兩種，預(yù)先插到釬焊面上，在釬焊過程中可以對(duì)焊料不飽滿的位置進(jìn)行手工填料。

1.3 釬焊的工藝過程

1.3.1 焊前的準(zhǔn)備

準(zhǔn)備工作包括工件和釬料的清理、感應(yīng)圈和工具的裝配、釬料的預(yù)置、設(shè)備的調(diào)試等等。在釬焊前要用砂紙和酒精對(duì)工件的釬焊面進(jìn)行清理，去掉氧化皮和油脂等臟物，釬料片在使用前浸泡在酒精里，隨取隨用，將釬料片插在釬焊面上，按照?qǐng)D1裝配夾具和感應(yīng)圈，在感應(yīng)圈和工件間要墊放絕緣片，啟動(dòng)中頻機(jī)，將參數(shù)調(diào)整在以確定的范圍內(nèi)。

1.3.2 釬焊工藝過程

踏中頻機(jī)腳踏開關(guān)開始加熱，當(dāng)工件成暗紅色時(shí)(此時(shí)工件溫度約為740℃)釬料開始熔化，此時(shí)要斷續(xù)加熱，以保證工件各位置溫度的均勻，當(dāng)釬料完全熔化后，觀察釬焊縫是否有釬料不飽滿的地方，可以用φ2的釬料絲進(jìn)行填料。確定所有焊縫釬料飽滿時(shí)停止加熱，用風(fēng)強(qiáng)制冷卻。當(dāng)溫度降到400℃后拆下夾具，完成釬焊。

1.3.3 焊后的檢查和清理

焊后進(jìn)行外觀檢查，所有焊縫不允許有氣孔，凹陷，裂紋，焊瘤等缺陷。檢查合格后用鋼絲刷對(duì)焊接部位進(jìn)行清理，去除氧化皮。

2 工地安裝后上下層連接塊的釬焊

2.1 工件準(zhǔn)備

工地下線后，上下層連接塊的釬焊也是采用中頻感應(yīng)釬焊，為保證合理的釬焊接頭間隙，在工地定子線棒的下線過程中必須要嚴(yán)格控制上下層線圈連接塊的相對(duì)位置，上下層連接塊的錯(cuò)位很難在釬焊前矯正，從而給釬焊工序帶來很大麻煩。

2.2 使用的工具設(shè)備

在工地使用的是國產(chǎn)KGPS100晶閘管逆變靜止電源，連接感應(yīng)圈的中頻變壓器用一旋轉(zhuǎn)吊架移動(dòng)，夾緊工具采用可調(diào)式“C”型夾子。

2.3 焊前的準(zhǔn)備

焊前首先要對(duì)線棒的絕緣進(jìn)行保護(hù)，采用冷卻夾子夾持線棒封焊部位的方法對(duì)線棒絕緣進(jìn)行冷卻，冷卻夾子是由焊有通水紫銅管的銅板制作而成，實(shí)踐證明可以有效地避免絕緣過熱。釬焊過程中還要在線棒絕緣上纏濕布帶進(jìn)一步保護(hù)絕緣。按照?qǐng)D4裝配感應(yīng)圈和夾緊工具，感應(yīng)圈則從上向下插在連接塊上。在安裝感應(yīng)圈的時(shí)候需要注意，通過感應(yīng)圈兩排導(dǎo)磁體間的縫隙要能夠觀察到焊縫，并且能夠用φ2焊絲進(jìn)行填料。由于下線后釬焊面貼在一起，無法進(jìn)行清理，因此釬焊面的清理工作要在下線前完成，清理的方法和要求與廠內(nèi)焊前的清理是一樣的。在下線后如果出現(xiàn)上下層連接塊錯(cuò)位的現(xiàn)象，這要用專用的整形工具進(jìn)行矯正，對(duì)于間隙過大又不能夠用“C”型夾子拉緊的線棒，可以在連接塊間打入銅塊，然后預(yù)置兩片0.2 mm焊片，夾緊后進(jìn)行釬焊。

2.4 釬焊工藝過程

將加熱功率設(shè)定在40 kW，啟動(dòng)感應(yīng)加熱設(shè)備，斷續(xù)加熱，隨著溫度的升高，焊片開始逐漸熔化，當(dāng)焊片完全熔化后，立即再次旋緊“C”型夾子，使得釬焊間隙更小，如果觀察不到焊料不飽滿的地方，可不必手工填料，當(dāng)釬料充分填充焊縫后停止加熱，并用空氣冷卻工具強(qiáng)制冷卻。當(dāng)工件溫度降到400℃以下時(shí)拆掉工件。在加熱過程中，可以在濕布上加水以保證冷卻效果。

2.5 焊后的檢查

外觀檢查，在觀察不到的地方，比如最下面的焊縫，要用手電筒和鏡子檢查，不允許有任何裂紋、未熔合、氣孔等缺陷。

圖4 感應(yīng)圈與夾緊工具的安裝

3 結(jié)語

通過對(duì)國外先進(jìn)技術(shù)的吸收引進(jìn)和在實(shí)際生產(chǎn)過程的不斷改進(jìn)和總結(jié)逐步形成了成熟的抽水蓄能機(jī)組的定子釬焊的工藝，此工藝充分體現(xiàn)了中頻感應(yīng)加熱釬焊靈活高效的優(yōu)越性，為寶泉抽水蓄能機(jī)組的順利制造安裝發(fā)揮了重要作用。