屏蔽型核主泵电机定子屏蔽套密封焊接技术研究

刘大为，宋 丹，张晨光，杜 雷，张锁瑶



屏蔽型核主泵电机定子屏蔽套密封焊接技术研究

刘大为1,2，宋 丹1,2，张晨光1,2，杜 雷1,2，张锁瑶1,2

(1.黑龙江省核主泵工程技术研究中心，哈尔滨150066; 2哈尔滨电气动力装备有限公司，哈尔滨150066)

屏蔽套作为屏蔽式核主泵电机的核心部件至关重要，本文着重分析了定子屏蔽套环焊缝的结构特性、材料焊接特性。针对焊接过程的技术难点，采取合理的工艺措施方法加以避免和解决。通过材料清洁、使用脉冲焊接、背部惰性气体保护、使用冷却铜环、钨极焊丝位置调节等工艺过程改善和控制，形成一整套定子屏蔽套环焊缝的焊接工艺方法。

核主泵；定子屏蔽套；哈氏合金；机动钨极氩弧焊

1 前言

核电在20世纪六七十年代取得了长足的发展，随后发生了两次重大核事故，严重的影响了公众对核电的看法和接受程度，使世界核电发展速度减慢，在有些国家甚至停顿下来，说明核电技术在安全性方面尚需改进，三代屏蔽型核反应堆冷却器泵正是在这种背景下设计研发的主泵机型[1，2]。

屏蔽型主泵电机，通过屏蔽套的焊接密封将定子和转子绕组与反应堆冷却剂隔绝。其中定子屏蔽套环焊缝由于材料特殊、板材超薄并且在焊接后需经过射线探伤和高压氦气检漏气密性试验，其焊接工艺研究具有相当大的挑战性。

2 结构简介

定子屏蔽套环焊缝是将定子屏蔽套装配至定子内腔上部与上封头、下部与机壳下法兰形成的两条密封焊缝。定子屏蔽套的材质为哈氏合金Hastelloy C276[3]，定子上封头及下法兰的材质均为ASME SA182 Grade F304[4]，属于异种材质接头；上封头和下法兰均为厚壁的结构部件，而定子屏蔽套的厚度仅为0.381mm，在装配后形成厚度差异极大的Ⅱ型接头[5]。具体结构形式如图1所示。

图1 主泵剖面图

3 难点分析及工艺措施

定子屏蔽套环焊缝的焊接难点主要来自以下两个方面。

首先，屏蔽套的材质哈氏合金C276金属于镍基合金的一种，在焊接过程中，Ni能与S、P、Al等低熔点物质形成脆化物。由于镍的熔点为1400℃，氧化物的熔点高(2040℃)，因而容易造成未熔合[6]。而且哈氏合金C276对热裂纹很敏感，如果清理工序处理不好，极易由于S、P等杂质的存在形成液态薄膜，在拉应力的作用下形成焊接热裂纹[7]。

其次，由于定子屏蔽套板材极薄，与上封头、下法兰厚度差异太大，在焊接过程中热输入对接头会造成很大影响：如过大易造成屏蔽套烧穿，过小则容易形成接头未焊透。

针对以上分析实施如下工艺措施：

（1）在清理和工件保护方面严格要求，在装配定子屏蔽套前，将整个定子内腔表面清理干净；定子屏蔽套单件有专门的工具进行保护，在焊接前使用Scotbrite工业打磨布将焊接坡口及附件区域的氧化层清除干净，并用无尘布沾丙酮或酒精溶液反复擦拭。

（2）焊接方法采用机动钨极氩弧焊，钨极氩弧焊能量集中，成型美观，无飞溅，适于进行薄板的焊接[8]。设备为从美国AMI公司进口的环形焊缝精密焊机，如图2所示。

图2 AMI精密焊机

（3）采用脉冲焊接方法。脉冲焊接的原理是当每一次脉冲电流通过时，焊件上就形成一个点状熔池。待脉冲电流停歇时，点状熔池就冷凝。此时电弧由基值电流维持稳定燃烧，以便下一次脉冲电流导通形成新的焊点[9]。通过合理的调节脉冲频率、基值电流及脉冲电流的幅值就可以对焊接热输入进行控制，实现对热敏感性高的薄壁材料的稳定优质焊接[10]。

图3 定子屏蔽套环焊缝脉冲焊接

（4）由于结构位置的限制，在定子内腔对定子屏蔽套环焊缝背部实施惰性气体保护十分困难。通过对比不同方案的保护效果，采用在屏蔽套下方安装充气保护气囊的方式（见图4），使定子屏蔽套环焊缝在焊接过程中形成区域富氩环境，从而提高焊接质量。

图4 保护气囊

（5）使用冷却铜环做为焊接热阱，降低焊接热输入对薄壁定子屏蔽套的影响，避免出现屏蔽套烧穿的现象[11]，如图5所示。

图5 冷却铜环效果简图

（6）由于屏蔽套为超薄部件，电极、焊丝的相对位置也会对焊接成型造成较大影响，在调整合适的钨极位置及送丝位置后会出现非常细小的颗粒过渡并形成致密的焊缝。反之，则会造成大颗粒粗滴过渡，成型不良[1,2]，如图6所示。

4 结论

本文分析研究了定子屏蔽套环焊缝的结构、材料特性，并重点分析了焊接难点以及需过程中的工艺措施要点，并得出以下结论：

(1)采用机动钨极氩弧添丝焊接能够满足定子屏蔽套环焊缝的设计要求。

(2)采用此种方法进行定子屏蔽套焊接的影响因素较多，必须严格按照固化的工艺流程执行才能获得理想的焊接效果，得到合格的屏蔽套焊缝。

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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

刘大为 (1973-)，焊接学士学位，哈尔滨动力装备有限公司副总工艺师兼黑龙江省核主泵工程技术研究中心焊接工艺室主任。现从事电机制造行业的焊接工艺工作，高级工程师，国际焊接工程师。

审稿人：吴英