王岳元，郎玉友，紀(jì)玫紅

(上海電氣上海電機廠有限公司, 上海　200240)

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電機定子鐵心焊接工藝研究

王岳元，郎玉友，紀(jì)玫紅

(上海電氣上海電機廠有限公司, 上海200240)

摘要：闡述了如何進行1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機定子鐵心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)定的各項工藝評定試驗,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)電機核電產(chǎn)品。該項目商務(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證，國內(nèi)外同行業(yè)也沒有對定子鐵心進行過焊接工藝評定。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試驗準(zhǔn)備及工藝試驗

1.1試驗準(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的相關(guān)規(guī)定；RCC-M標(biāo)準(zhǔn)是法國壓水堆核島機械設(shè)備設(shè)計和建造規(guī)則。這兩個標(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，要求采用ISO 15613—2004：基于預(yù)生產(chǎn)焊接試驗的工藝評定標(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)焊接條件下進行，以保證試件的形狀和尺寸模擬結(jié)構(gòu)的實際焊接條件，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)進行試驗試樣準(zhǔn)備,試驗采用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

1.2.1硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗參數(shù)選擇

焊接方法選用熔化極氣體保護焊，保護氣體采用Ar+ CO2(混合比例為80%∶20%)混合氣體保護形式，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項目及試驗結(jié)果

1.2.2.1硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗項目

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，試件的試驗盡可能按ISO 15614系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行，參考標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品實際情況，對焊接試件進行以下五項試驗：

a) 100%外觀檢查。

b) 表面裂紋檢查。

c) 硬度試驗。

d) 低倍金相檢驗。

e) 拉伸試驗。

圖4　焊接工藝評定試件

實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結(jié)果

硅鋼板與鋼板焊接工藝評定試驗結(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級要求驗收，結(jié)果顯示：未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷顯示。

c) 硬度試驗采用的檢測規(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，其中一塊上有兩個氣孔，另一塊上有一個氣孔。見圖5所示，質(zhì)量等級只能達到D級要求。不能達到焊接工藝評定B級驗收標(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，而實際產(chǎn)品中又不允許去除油漆，因此需要結(jié)合設(shè)計規(guī)格書中“筋與鐵心之間的焊縫計算”結(jié)果和試件拉伸試驗結(jié)果一起來判斷是否合格。

圖5　焊接工藝評定金相試驗結(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,鑒于金相試驗結(jié)果不能滿足焊接工藝評定B級驗收等級，因此通過拉伸試驗值對定子鐵心焊筋焊縫強度計算來驗證是否滿足設(shè)計規(guī)格書“筋與鐵心之間的焊縫計算”結(jié)果要求。設(shè)計規(guī)格書中對“筋與鐵心之間的焊縫計算”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)，計算出來的許用切應(yīng)力[τ]= 50 MPa。

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

計算出來的等效拉伸強度幾乎是設(shè)計書要求的強度10倍以上，同時我們采用有限元算法進一步核算焊縫區(qū)的等效應(yīng)力，計算中以10倍額定轉(zhuǎn)矩作為載荷，計算結(jié)果均表明筋與鐵心焊接強度足夠。證明盡管我們焊縫因油漆會出現(xiàn)氣孔現(xiàn)象，但焊縫的強度足夠滿足電機運行。

2產(chǎn)品焊接

5 500 kW 1E級應(yīng)急柴油機定子鐵心整個焊接工藝評定是在客戶AREVA現(xiàn)場工程師和必維國際檢驗集團(BV)的監(jiān)理工程師的監(jiān)造下進行的，所有的試驗及實驗結(jié)果經(jīng)三方確認，獲得了合格的焊接工藝評定報告，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，定子鐵心焊接實物見下圖6所示。

圖6　5 500 kW定子鐵心焊接實物

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)定的各項工藝試驗，并通過有限元分析計算試驗數(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)電機定子鐵心焊接。

3.2在國內(nèi)電機行業(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，為電機產(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。