百萬核電末級動葉片釬焊國產化技術研究

段中旭， 韓志雙

（哈爾濱汽輪機廠有限責任公司，哈爾濱 150046）

0 引 言

百萬核電機組低壓末級動葉片在國產化制造中需要解決司太立合金片釬焊技術。公司現有高頻釬焊技術進行末級葉片司太立高頻釬焊，釬焊后著色探傷釬縫表面存在點狀缺陷超標問題。另外由于百萬核電低壓末級動葉片要釬焊的合金片長度600 mm,遠超出以往機組合金片長度；而且葉片的型線存在較大角度的彎扭。要實現釬焊和確保質量會有很大的難度。合金片的形式與以往也不同，不再是以往的平直片加彎邊，以往平直部位現在變成帶有R的弧度，合金片的制作及成型都需要重新考慮。另外釬焊合金片槽的加工，裝配間隙質量都需要保證滿足圖樣及日本三菱標準要求，才能保證釬焊質量。因合金片長度為600 mm，需解決在長度600 mm方向上的溫度均勻性問題。因1375 mm葉片剛性很差，在釬焊過程中存在變形，為提高葉片的質量降低葉片的校型量，需對葉片釬焊變形進行嚴格的控制。

針對上述問題，本文通過對國內司太立焊接技術的研究[1-2]，通過加強工藝質量改進、嚴格清理、加強裝配、釬焊輔助工裝制作等過程控制，通過改進釬焊工藝方法，嚴格溫度控制，采用自動釬焊技術等工藝手段，確保釬焊質量，制造出滿足標準要求的合格低壓末級動葉片。

1 目的及意義

目前，我公司已經出產的百萬核電機組，低壓末級葉片為三菱提供的成品葉片，已經釬焊了合金片。通過對三菱提供葉片進行無損檢測，發現釬焊后的釬縫表面幾乎沒有任何缺陷。

本研究的目的在于通過提高加工質量，保證裝配間隙，確保合金片與葉片合金片槽的貼合，并通過工藝試驗確保釬焊出合格的百萬核電機組低壓末級動葉片。通過高頻釬焊工藝試驗、改進工藝，嚴格過程控制，采用自動釬焊技術等工藝手段，確保釬焊質量，確保制造出滿足標準要求的合格低壓末級動葉片。

2 試驗過程

2.1 工藝試驗情況

1）對核電機組的1375 mm葉片進行釬焊工藝試驗（共4只葉片），因原葉片已經進行過釬焊，所以變形量較大，通過壓力矯形方式對葉片型線進行恢復[3]。精修合金槽，手工扭曲合金片進行貼合配合，用塞尺對配合間隙進行測量，間隙約為0.1～0.2 mm。釬焊過程嚴格按企業標準《低壓動葉司太立防蝕片高頻釬焊工藝守則》執行，避免超溫。釬焊過程中釬劑排氣均勻，釬料流動均勻。因葉冠位置受空間的限制不能放置壓腳，所以釬焊到高溫時手工用鉗子夾緊合金片與葉片，以達到更好釬焊接頭的目的。釬焊完成后用手工火焰釬焊對接頭不飽滿的位置進行填充，填充位置主要是葉冠位置。釬焊后拋光進行射線及著色探傷，1、2號葉片一次RT和PT探傷合格，3號葉片經過消缺后RT及PT探傷合格[4]，4號葉片經過重新釬焊RT及PT探傷合格。4只葉片RT探傷結合面積在90以上，每只葉片PT檢查有4～8個點狀缺陷，無線狀顯示缺陷。

2）進行了4只1375 mm葉片的釬焊工藝試驗。因機加工藝的改變，所以在葉冠未進行精加工的情況下進行釬焊司太立合金片（見圖1），由于葉冠位置余量較大，熱傳導較快，公司現有的感應加熱設備功率為25 kW，加熱時不能一次完成釬焊過程。針對此種情況，采用分段釬焊的方式進行釬焊，首先釬焊葉冠位置250 mm長度的合金片，再更換感應線圈釬焊余下長度的司太立合金片，經過試驗，4只葉片RT（圖2）、PT、VT檢驗合格。

圖1 分段焊接葉片（葉冠位置未進行加工）

圖2 RT探傷底片

3）采用新感應釬焊設備進行工藝試驗。設備為EFD的2540，采用溫度閉環控制系統[5]自動方式進行釬焊。共進行了10只葉片的釬焊試驗，釬焊過程中使用設定的工藝曲線進行加熱，所有葉片釬料的流動性一致。通過幾組工藝曲線最終確定工藝加熱曲線，同時設計制作防葉片變形的釬焊工裝（葉冠支撐工裝、葉身支撐工裝、近葉根壓緊支撐工裝、葉身支撐工裝），經過對其中6只葉片的變形測量，變形量為3 mm以內，在重新制作更換了葉冠支撐工裝，釬焊了兩只葉片，變形量測量后變形為1.5～2 mm，且頂針孔位置無偏離。

2.2 釬焊質量提高試驗

對葉片制造部門的末級葉片防蝕片釬焊進行了跟蹤，跟蹤包括釬焊前合金槽的加工狀態、防蝕片的釬焊過程、釬焊后質量檢查等幾個方面，經過跟蹤發現，公司目前釬焊合格率比較低的為650 MW核電末級葉片、680 mm葉片。通過跟蹤整個的釬焊過程發現，影響釬焊質量的因素有以下幾點：

1）合金槽的尺寸。其中圖3的幾個數值為控制合金槽尺寸的關鍵點，尤其R的尺寸與設計要求是否一致對合金片與合金槽的配合起到了非常關鍵的作用，h尺寸、合金槽的漏光度也直徑影響到合金片與合金槽的配合間隙。

圖3 合金槽尺寸關鍵點

釬焊理論上對于接頭的配合間隙要求為0.05～0.127mm，通過試驗針對葉片的這種釬焊結構發現，接頭間隙控制在0.2 mm以內就可以取得很好的釬焊質量。基于釬焊對接頭裝配間隙的要求，同葉片分廠一起針對合金槽的加工方案進行改進，同時改變合金槽的加工設備，采用精密度更高的五軸數控機床加工合金槽。通過程序的改進及設備的改變，合金槽加工質量得到了明顯的提高，在釬焊過程中合金槽不需要進行任何的手工干涉，只進行去除氧化膜的拋修工作，就可以保證達到圖樣的要求。

2）合金片與合金槽的配合間隙。基于釬焊對于接頭間隙的特殊要求，那么合金片與合金槽的配合間隙直接影響到釬焊接頭的質量，通過程序、設備的改變已經提高了合金槽的加工質量，只需對合金片進行精密配準就可以保證合金片與合金槽的間隙。

3）釬劑在釬焊高溫過程中的保護程度。在對650 MW核電末級葉片釬焊過程中發現，有些釬劑在釬焊高溫過程中失去母材的保護，以至于在釬焊過程中形成了新的氧化膜，影響了釬焊質量，針對這種情況采取了不同釬劑進行了試驗，發現國外某一品牌的釬劑在高溫狀態時對母材保護良好，能很好地控制母材的氧化，提高釬焊質量。

4）溫度控制。釬焊過程中溫度對釬焊質量及葉片質量都會有重要的影響，釬焊溫度達不到焊料的流動溫度，不能形成優良的釬焊接頭，如果溫度過高，破壞釬焊接頭的同時也會對母材產生嚴重的影響。1375 mm葉片采用新設備閉環控制系統進行釬焊，溫度曲線（見圖4）輸入到設備中，所以葉片都采用同一曲線進行加熱，充分保證了葉片加熱溫度的一致性，更好地控制溫度對釬焊質量的影響。

基于以上4個對釬焊質量影響因素，通過對16只650 MW核電末級葉片進行了為期5天的釬焊研究。分別對合金槽尺寸進行控制、對合金片與合金槽裝配間隙進行控制、對釬劑在高溫狀態的母材保護進行控制、對釬焊溫度進行控制。釬焊完成后對16只葉片按照企業標準《低壓動葉片司太立防蝕片釬焊X光射線探傷檢查方法及評定標準》標準進行RT探傷，12只葉片全部合格，一次釬焊合格率達到75%。

圖4 釬焊溫度控制曲線

在合金槽加工過程中增加合金槽三個釬焊關鍵尺寸的檢查：R角尺寸、合金槽深度h、合金槽寬度b，并進行記錄。通過3個尺寸的控制能保證合金槽的加工質量，以提高合金片與合金槽的貼合精度。

2.3 釬焊工裝壓腳改進

通過試驗驗證工裝壓腳的改進方案（見圖5），由原來只在一面進行施壓的方式改變為兩側施壓方式進行壓緊，且采取分壓的方式進行加壓，正面壓力與側面壓力分開進行，采用不同的壓力值。

圖5 工裝壓腳改進

3 試驗分析

經過工藝試驗及工藝評定的RT及PT結果，直接影響釬焊質量有以下幾個因素：合金槽的加工尺寸、合金片與合金槽的裝配間隙、釬焊過程中的溫度控制。通過對以上幾個影響釬焊質量的重要因素進行控制，以保證百萬核電末級葉片釬焊的接頭質量。

4 結 論

經過大量相關的工藝試驗、對試驗件的解剖和探傷結果分析，通過控制改進影響釬焊質量幾個大的重要因素，可以很好地提高釬焊質量。經過幾組百萬核電末級葉片的釬焊工藝試驗、RT、PT的分析，我們已編制優化后的釬焊典型工藝，固化為企業標準《百萬核電末級葉片的釬焊工藝規范》，公司已經實現了1375 mm葉片司太立合金片的自動釬焊，在變形控制方面也取得了突破，釬焊葉片變形量控制為1.5～2 mm，充分滿足了用戶要求，達到并超過了日本三菱標準的要求，處于國際釬焊領先水平，并已經批產，取得良好的經濟效益。

[1] 申慧杰,孫建中,劉寶貴.汽輪機末級葉片司太立合金焊接技術研究[J].東方電氣評論,1995(4):228-234.

[2] 劉傳波,馬曉梅,李全華,等.汽輪機葉片司太立合金高頻釬焊工藝[J].焊接,2002(8):46-47.

[3] 吉麗華.汽輪機末級動葉片焊后熱矯形初探[J].東方汽輪機,1996(1):36-41.

[4] 劉響亮,潘永,張輝.汽輪機末級葉片釬焊司太立合金焊縫缺陷分析及修復[C]//中國電機工程學會金屬材料專委會學術年會.2015.

[5] 趙琦,許景波.葉片焊點溫度場測量控制系統[J].中國計量,2015(1):98-99.