劉大為，宋 丹，張晨光，杜 雷，張鎖瑤

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屏蔽型核主泵電機(jī)定子屏蔽套密封焊接技術(shù)研究

劉大為1,2，宋 丹1,2，張晨光1,2，杜 雷1,2，張鎖瑤1,2

(1.黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心，哈爾濱150066; 2哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱150066)

屏蔽套作為屏蔽式核主泵電機(jī)的核心部件至關(guān)重要，本文著重分析了定子屏蔽套環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)特性、材料焊接特性。針對(duì)焊接過程的技術(shù)難點(diǎn)，采取合理的工藝措施方法加以避免和解決。通過材料清潔、使用脈沖焊接、背部惰性氣體保護(hù)、使用冷卻銅環(huán)、鎢極焊絲位置調(diào)節(jié)等工藝過程改善和控制，形成一整套定子屏蔽套環(huán)焊縫的焊接工藝方法。

核主泵；定子屏蔽套；哈氏合金；機(jī)動(dòng)鎢極氬弧焊

1 前言

核電在20世紀(jì)六七十年代取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，隨后發(fā)生了兩次重大核事故，嚴(yán)重的影響了公眾對(duì)核電的看法和接受程度，使世界核電發(fā)展速度減慢，在有些國(guó)家甚至停頓下來，說明核電技術(shù)在安全性方面尚需改進(jìn)，三代屏蔽型核反應(yīng)堆冷卻器泵正是在這種背景下設(shè)計(jì)研發(fā)的主泵機(jī)型[1，2]。

屏蔽型主泵電機(jī)，通過屏蔽套的焊接密封將定子和轉(zhuǎn)子繞組與反應(yīng)堆冷卻劑隔絕。其中定子屏蔽套環(huán)焊縫由于材料特殊、板材超薄并且在焊接后需經(jīng)過射線探傷和高壓氦氣檢漏氣密性試驗(yàn)，其焊接工藝研究具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

定子屏蔽套環(huán)焊縫是將定子屏蔽套裝配至定子內(nèi)腔上部與上封頭、下部與機(jī)殼下法蘭形成的兩條密封焊縫。定子屏蔽套的材質(zhì)為哈氏合金Hastelloy C276[3]，定子上封頭及下法蘭的材質(zhì)均為ASME SA182 Grade F304[4]，屬于異種材質(zhì)接頭；上封頭和下法蘭均為厚壁的結(jié)構(gòu)部件，而定子屏蔽套的厚度僅為0.381mm，在裝配后形成厚度差異極大的Ⅱ型接頭[5]。具體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 主泵剖面圖

3 難點(diǎn)分析及工藝措施

定子屏蔽套環(huán)焊縫的焊接難點(diǎn)主要來自以下兩個(gè)方面。

首先，屏蔽套的材質(zhì)哈氏合金C276金屬于鎳基合金的一種，在焊接過程中，Ni能與S、P、Al等低熔點(diǎn)物質(zhì)形成脆化物。由于鎳的熔點(diǎn)為1400℃，氧化物的熔點(diǎn)高(2040℃)，因而容易造成未熔合[6]。而且哈氏合金C276對(duì)熱裂紋很敏感，如果清理工序處理不好，極易由于S、P等雜質(zhì)的存在形成液態(tài)薄膜，在拉應(yīng)力的作用下形成焊接熱裂紋[7]。

其次，由于定子屏蔽套板材極薄，與上封頭、下法蘭厚度差異太大，在焊接過程中熱輸入對(duì)接頭會(huì)造成很大影響：如過大易造成屏蔽套燒穿，過小則容易形成接頭未焊透。

針對(duì)以上分析實(shí)施如下工藝措施：

（1）在清理和工件保護(hù)方面嚴(yán)格要求，在裝配定子屏蔽套前，將整個(gè)定子內(nèi)腔表面清理干凈；定子屏蔽套單件有專門的工具進(jìn)行保護(hù)，在焊接前使用Scotbrite工業(yè)打磨布將焊接坡口及附件區(qū)域的氧化層清除干凈，并用無塵布沾丙酮或酒精溶液反復(fù)擦拭。

（2）焊接方法采用機(jī)動(dòng)鎢極氬弧焊，鎢極氬弧焊能量集中，成型美觀，無飛濺，適于進(jìn)行薄板的焊接[8]。設(shè)備為從美國(guó)AMI公司進(jìn)口的環(huán)形焊縫精密焊機(jī)，如圖2所示。

圖2 AMI精密焊機(jī)

（3）采用脈沖焊接方法。脈沖焊接的原理是當(dāng)每一次脈沖電流通過時(shí)，焊件上就形成一個(gè)點(diǎn)狀熔池。待脈沖電流停歇時(shí)，點(diǎn)狀熔池就冷凝。此時(shí)電弧由基值電流維持穩(wěn)定燃燒，以便下一次脈沖電流導(dǎo)通形成新的焊點(diǎn)[9]。通過合理的調(diào)節(jié)脈沖頻率、基值電流及脈沖電流的幅值就可以對(duì)焊接熱輸入進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱敏感性高的薄壁材料的穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)焊接[10]。

圖3 定子屏蔽套環(huán)焊縫脈沖焊接

（4）由于結(jié)構(gòu)位置的限制，在定子內(nèi)腔對(duì)定子屏蔽套環(huán)焊縫背部實(shí)施惰性氣體保護(hù)十分困難。通過對(duì)比不同方案的保護(hù)效果，采用在屏蔽套下方安裝充氣保護(hù)氣囊的方式（見圖4），使定子屏蔽套環(huán)焊縫在焊接過程中形成區(qū)域富氬環(huán)境，從而提高焊接質(zhì)量。

圖4 保護(hù)氣囊

（5）使用冷卻銅環(huán)做為焊接熱阱，降低焊接熱輸入對(duì)薄壁定子屏蔽套的影響，避免出現(xiàn)屏蔽套燒穿的現(xiàn)象[11]，如圖5所示。

圖5 冷卻銅環(huán)效果簡(jiǎn)圖

（6）由于屏蔽套為超薄部件，電極、焊絲的相對(duì)位置也會(huì)對(duì)焊接成型造成較大影響，在調(diào)整合適的鎢極位置及送絲位置后會(huì)出現(xiàn)非常細(xì)小的顆粒過渡并形成致密的焊縫。反之，則會(huì)造成大顆粒粗滴過渡，成型不良[1,2]，如圖6所示。

4 結(jié)論

本文分析研究了定子屏蔽套環(huán)焊縫的結(jié)構(gòu)、材料特性，并重點(diǎn)分析了焊接難點(diǎn)以及需過程中的工藝措施要點(diǎn)，并得出以下結(jié)論：

(1)采用機(jī)動(dòng)鎢極氬弧添絲焊接能夠滿足定子屏蔽套環(huán)焊縫的設(shè)計(jì)要求。

(2)采用此種方法進(jìn)行定子屏蔽套焊接的影響因素較多，必須嚴(yán)格按照固化的工藝流程執(zhí)行才能獲得理想的焊接效果，得到合格的屏蔽套焊縫。

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Can Circumferential Welding Technology of Canned RCP Motor

LIU Dawei, SONG Dan, ZHANG Chenguang, DU Lei, ZHANG Suoyao

(Harbin Electric Power Equipment Company Limited, Harbin 150066, China)

Can is thecritical part of canned nuclear reactor coolant pump motor. This article mainly analyzes the construction of stator can circumferential weld and weldability of can material Hastelloy C276 so far as to provide proper technology method solving difficulty in welding process. A whole technology procedure for can circumferential welding had been summarized and applied in canned RCP motor manufacturing by means of improvement of material cleaning, impulse current applied, back inactive gas shielding, cooling copper chill ring and adjustment position of tungsten electrode and welding wire.

RCP； stator can；Hastelloy alloy；machined GTAW

TM32

B

1000-3983(2014)07-0000-02-0031-03

2016-09-12

劉大為 (1973-)，焊接學(xué)士學(xué)位，哈爾濱動(dòng)力裝備有限公司副總工藝師兼黑龍江省核主泵工程技術(shù)研究中心焊接工藝室主任。現(xiàn)從事電機(jī)制造行業(yè)的焊接工藝工作，高級(jí)工程師，國(guó)際焊接工程師。

審稿人：吳英