CN108418073B - 一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法，连接结构包括连接管，连接管的两端分别设置在两个待连接汇流环内，两个待连接汇流环的对接面处设有环形焊片，环形焊片套装在连接管上，连接管两端均设有轴领，轴领与待连接汇流环过渡配合或者过盈配合，连接管位于两个轴领之间的部分与待连接汇流环间隙配合，两个待连接汇流环上均设有填料孔，所述填料孔设置在连接管位于两个轴领之间的部分上方。焊接方法采用中频感应焊接。该连接结构及焊接方法使焊料均匀填充汇流环与连接件之间缝隙，同时防止焊料泄漏形成毛刺，焊缝饱满结实，焊接质量高。

Description

一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法

技术领域

本发明涉及大型水轮发电机设备领域，特别涉及一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法。

背景技术

现有的水轮发电机汇流环连接结构是在两个待连接汇流环对接位置内部安装连接管，接缝处放置银焊片，中频感应焊接而成。该结构和方法的主要缺点有：（1）待连接汇流环与连接管之间过盈配合时，内部空气无法排除，焊料不能完全填充待连接汇流环与连接管之间缝隙，导致虚焊，增大焊缝的接触电阻；（2）待连接汇流环与连接管之间间隙配合时，焊料沿着配合间隙泄漏流失，在待连接汇流环内部形成毛刺、尖角，在发电机运行过程中产生高能量的局部放电，引起发电机局部放电监测系统误报；（3）焊接过程中，待连接汇流环没有温度保护措施，焊接热量通过管件传导至附近的主绝缘层，使其受热变黄或变黑，主绝缘的绝缘性能大幅度降低；（4）汇流环连接结构的机械强度低，长时间振动焊缝容易开裂；（5）汇流环连接结构截面电流密度大，局部发热量高，缩短汇流环连接结构表面绝缘层的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法，通过连接管结构的设计，使焊料均匀填充待连接汇流环与连接管之间缝隙，消除焊液内漏形成毛刺、尖角，焊缝饱满结实，焊接质量高。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种大型水轮发电机汇流环连接结构，包括连接管，连接管的两端分别设置在两个待连接汇流环内，两个待连接汇流环的对接面处设有环形焊片，环形焊片套装在连接管上，连接管两端均设有轴领，轴领与待连接汇流环过盈配合，连接管位于两个轴领之间的部分与待连接汇流环间隙配合，两个待连接汇流环上均设有填料孔，所述填料孔设置在连接管位于两个轴领之间的部分上方。

优选的方案中，位于两个轴领之间的连接管外壁设有焊料通道，填料孔位于焊料通道上方，所述焊料通道包括两个第一环形槽和至少两个第二环形槽，第一环形槽位于填料孔的下方，第二环形槽位于第一环形槽和轴领之间，第一环形槽和第二环形槽通过至少一条直线槽连通。

进一步的方案中，所述焊料通道的底面为弧面，焊料通道的顶部宽度为1mm～3mm，深度为0.5mm～1mm，并且第一环形槽的深度大于第二环形槽和直线槽的深度。

优选的方案中，所述连接管外壁设有两个定位孔，所述定位孔与填料孔相对应。

进一步的方案中，所述定位孔的底部为圆锥形，所述填料孔和定位孔的直径为2mm～3mm。

优选的方案中，所述连接管位于两个轴领之间的部分与待连接汇流环单边配合间隙为0.1mm～0.2mm。

优选的方案中，所述环形焊片的内径比连接管的外径大0.2mm～0.5mm，外径比待连接汇流环的外径大1mm～2mm，环形焊片两侧与待连接汇流环端部的间隙小于0.2mm。

本发明还提供一种大型水轮发电机汇流环连接结构的焊接方法，包括如下步骤：

一、焊前准备：

a、清理连接管和待连接汇流环内壁和外表面的氧化物以及污渍；

b、将定位销插入填料孔和定位孔进行对接拼装，检查环形焊片与待连接汇流环的缝隙，合格后用夹具固定待连接汇流环，并拔出定位销；

c、在两个待连接汇流环内部通入高纯氮气作为焊接保护气；

二、实施中频感应焊接：

a、将通有循环冷却水的冷却水带包裹在两个待连接汇流环的非焊接区，冷却水带靠近连接管的一侧距离连接管端面的距离为100~200mm，冷却水带的覆盖宽度大于或等于100mm；

b、开启移动式焊烟净化装置，调整好吸尘臂角度；

c、调节各水路阀门，冷却水带7支路的冷却水流速大于30dl/min，焊把支路的冷却水流速大于200dl/min；

d、将中频感应焊机的感应线圈夹持在两个待连接汇流环上；

e、逐步调节中频感应焊机功率至50~60kW，将待连接汇流环加热至橘红色，连接管和待连接汇流环温度为720℃～760℃，该功率调节过程控制在15s～20s；

f、当待连接汇流环加热至橘红色后，中频感应焊机由持续加热改为点动加热，加热时间为3s，间隔时间为3s；

g、将银铜焊条分别靠在两个填料孔内，银铜焊条的直径小于填料孔的孔径，两个填料孔中注满焊料后停止添加焊料；i、焊接结束，逐步减小焊机输出功率至零；

三、焊后处理：

a、焊接结束后，取下感应线圈，待连接汇流环的温度降低到500℃以下时，松开夹具；

b、待连接汇流环的温度降低到120℃以下，关闭冷却水阀门，关闭中频感应焊机电源，取下冷却水带，停止通入氮气，清理汇流环连接结构表面的毛刺、尖角以及氧化物，检查焊缝质量。

优选的方案中，在焊前准备阶段，在步骤a之前，对连接管进行无氧退火。

优选的方案中，在实施中频感应焊接阶段，步骤g中，银铜焊条的直径小于填料孔的直径，银铜焊条倾斜放置在填料孔内，按压银铜焊条，使其与待连接汇流环接触，当焊料流速明显变缓时，停止向其中一个填料孔内添加焊料，继续向另一个填料孔继续添加焊料，直至两个填料孔中注满焊料后停止添加，在两个待连接汇流环的对接面补充焊料。

本发明提供的一种大型水轮发电机汇流环连接结构及焊接方法，具有以下有益效果：

1、通过轴领实现连接管与待连接汇流环之间的紧配合，同时，连接管处于两端轴领之间的部分与待连接汇流环之间有一定的缝隙，焊料可以自由流动填充缝隙，又不会出现内漏形成毛刺、尖角，引起发生局部放电；同时，焊缝饱满，避免了虚焊和漏焊现象，焊料利用率大幅度提高，焊接加热时间缩短，具有较高的可靠性和经济性。

2、连接管外壁设有连通的网状焊料通道，焊料沿焊料通道从底部向上填充内部间隙；同时，内部空气通过焊料通道沿填料孔排出，焊缝饱满结实，焊接质量高。具体的，焊料通道包括互相连通的第一环形槽、第二环形槽和直线槽，其中第一环形槽与填料孔对应，第一环形槽的深度和宽度均大于第二环形槽及直线槽的深度和宽度，焊料沿填料孔流入，经第一环形槽直达内部间隙底部，随着焊料的不断添加，从下往上逐渐填充内部间隙、直线槽以及第二环形槽等，内部间隙的空气始终处于填充的焊料上层，通过填料孔排出。

3、该连接结构焊缝面积增加，减小了汇流环连接结构的接触电阻，发热减少，延长了汇流环连接结构外部绝缘层寿命。

4、汇流环连接结构焊接后形成整体，提高了汇流环连接结构的强度，整个汇流环应对电动力的能力更高。

5、通过销钉插入填料孔和定位孔进行预拼装，能够较好的控制两个待连接汇流环对接端面的间隙大小，同时实现连接管的快速定位。

6、用冷却水带包裹待连接汇流环的非焊接区主绝缘，避免了焊接过程中的热量传导对主绝缘的破坏。

7、本连接结构简单，安装工艺难度低，工作效率高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明的整体结构剖面示意图。

图2为图1中A-A面的截面示意图。

图3为图1中B-B面的截面示意图。

图4为图1中C-C面的截面示意图。

图5为图1中D-D面的截面示意图。

图6为本发明的连接管的结构示意图。

图7为本发明的焊接示意图。

图中：连接管1，待连接汇流环2，环形焊片3，第一环形槽4，第二环形槽5，直线槽6，冷却水带7，感应线圈8，轴领9，定位孔10，填料孔11。

具体实施方式

如图1～6中，一种大型水轮发电机汇流环连接结构，包括连接管1，连接管1的两端分别设置在两个待连接汇流环2内，连接管1和待连接汇流环2材料为紫铜，两个待连接汇流环2的对接面处设有环形焊片3，环形焊片3套装在连接管1上，连接管1两端均设有轴领9，轴领9沿环形焊片3对称分布，轴领9与待连接汇流环2过盈配合，轴领9的外端面设置倒角，有利于整个连接管1的安装。

所述连接管1位于两个轴领9之间的部分与待连接汇流环2单边配合间隙为0.1mm～0.2mm。上述尺寸选择保证焊料的毛细吸附效果，同时兼顾焊料在内部的流动性。

所述环形焊片3的内径比连接管1的外径大0.2mm～0.5mm，外径比待连接汇流环2的外径大1mm～2mm，环形焊片3两侧与待连接汇流环端部2的间隙小于0.2mm。上述尺寸配合可以保证焊缝饱满，避免焊料过多形成焊瘤，焊料不足导致二次填料补焊形成的凹坑。

连接管1位于两个轴领9之间的部分与待连接汇流环2间隙配合，位于两个轴领9之间的连接管1外壁设有焊料通道，焊料通道包括两个第一环形槽4和至少两个第二环形槽5，在本实施例中，第二环形槽5的数量为两个，分别与轴领9的内端面相邻，第一环形槽4和第二环形槽5通过四条直线槽6连通，所述直线槽6沿连接管1的圆周均匀分布。上述沟槽网状连通组成焊料通道，填料孔11注入焊料时，内部空气经网状沟槽排出。

焊料通道的底面为弧面，顶部宽度为1mm～3mm，深度为0.5mm～1mm，并且第一环形槽4的深度大于第二环形槽5和直线槽6的深度。上述尺寸配合既能保证焊料在焊料通道内自由流动，又能保证内部空气及时排出，避免焊接过程中内部气泡过热引起填料孔焊液飞溅。

两个待连接汇流环2上均设有填料孔11，所述填料孔11沿环形焊片3对称分布。

第一环形槽4上设有定位孔10，定位孔10与填料孔11相对应。两个待连接汇流环2对接时，不可避免的会产生各个方向的应力，定位销钉必须具有一定强度，因此，所述填料孔11和定位孔10的直径为2mm～3mm。

在本实施例中，定位孔10底部为圆锥形，由于待连接汇流环2为弧形，长度为3m～5m，因此连接结构在拼装时，填料孔11和定位孔10往往不在一条轴线上，存在偏移错位。锥形孔能够让定位销自适应部分偏移量，减小环形焊片3与待连接汇流环2端面的缝隙。

为更好的说明焊接方法，在本实施例中，中频感应焊机为MINAC 70/110，持续加热功率为70kW，间歇加热功率为110kW，功率十档可调；环形焊片3银焊片的牌号为B-Cu80PAg，厚度δ0.2mm；银铜焊条的牌号为B-Cu80PAg，直径为φ2mm。

本发明的汇流环连接结构的具体焊接方法，包括如下步骤：

一、焊前准备：

a、检查连接管1和待连接汇流环2的表面是否有刮痕，端面是否平整；

b、对连接管1进行无氧退火；

c、清理连接管1和待连接汇流环2内壁和外表面的氧化物以及污渍，用高压空气吹扫连接管1和待连接汇流环2内壁和外表面，用酒精进一步清理干净；

d、连接管1、待连接汇流环2、环形焊片3按照如图7组装，将定位销插入填料孔11和定位孔10进行对接拼装，用0.2mm塞尺检查环形焊片3与待连接汇流环2的缝隙，塞尺不能插入，合格后用夹具固定待连接汇流环2，并拔出定位销；

e、在两个待连接汇流环2内部通入高纯氮气作为焊接保护气，排出两个待连接汇流环2内部空气，防止连接管1和待连接汇流环2在焊接过程中受热氧化。

二、实施中频感应焊接：

a、将通有循环冷却水的冷却水带7包裹在两个待连接汇流环2的非焊接区，冷却水带7的进、出水管分别与中频感应焊机冷却水的进、出水管连通，冷却水带7靠近连接管1的一侧距离连接管1端面的距离为150mm，冷却水带7的覆盖宽度为100mm；

b、开启移动式焊烟净化装置，调整好吸尘臂角度；

c、打开中频感应焊机电源开关，设置冷却水流量参数，调节各水路阀门，保证冷却水带7支路的冷却水流速大于30dl/min，焊把支路的冷却水流速大于200dl/min，满足待连接汇流环2非加热区以及焊把的冷却需求；

d、将中频感应焊机的感应线圈8夹持在两个待连接汇流环2上，感应线圈8的夹持位置相对于环形焊片3左右对称；

e、按下中频感应焊机焊把的加热开关并保持，逐步调节中频感应焊机功率输出按钮至第八档，持续输出功率为56kW，将待连接汇流环2加热至橘红色，连接管1和待连接汇流环2温度约为720℃～760℃，该功率调节过程控制在15s～20s；

f、当待连接汇流环2加热至橘红色后，中频感应焊机焊把的加热开关由持续加热改为点动加热，加热时间为3s，间隔时间为3s，保持连接管1和待连接汇流环2为橘红色即可；

g、将φ2mm银铜焊条分别靠在两个φ3mm填料孔11内，银铜焊条与填料孔11呈45°倾角，略微按压银铜焊条，使其与待连接汇流环2接触，银铜焊条熔化后沿填料孔11流入焊料通道，银铜焊条的熔化速度以焊料顺畅流入焊料通道且不影响内部间隙空气排出为宜；

h、当焊料流速明显变缓时，停止向其中一个填料孔11内添加焊料，继续向另一个填料孔11继续添加焊料，直至两个填料孔11中注满焊料后停止添加焊料；两个待连接汇流环2的对接面补充焊料，使对接面焊缝光滑饱满；

i、焊接结束，逐步减小焊机输出功率至零，上述加热过程总时间控制在2min以内。

三、焊后处理：

a、焊接结束后，取下感应线圈8，待连接汇流环2的温度降低到500℃以下时，及时松开夹具，自然冷却退火处理，消除焊接产生的应力；

b、待连接汇流环2的温度降低到120℃以下，关闭冷却水阀门，关闭中频感应焊机电源，取下冷却水带7，停止通入氮气，及时清理掉汇流环连接结构表面的毛刺、尖角以及氧化物，检查焊缝质量。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：包括连接管（1），连接管（1）的两端分别设置在两个待连接汇流环（2）内，两个待连接汇流环（2）的对接面处设有环形焊片（3），环形焊片（3）套装在连接管（1）上，连接管（1）两端均设有轴领（9），轴领（9）与待连接汇流环（2）过盈配合，连接管（1）位于两个轴领（9）之间的部分与待连接汇流环（2）间隙配合，两个待连接汇流环（2）上均设有填料孔（11），所述填料孔（11）设置在连接管（1）位于两个轴领（9）之间的部分上方，位于两个轴领（9）之间的连接管（1）外壁设有焊料通道，填料孔（11）位于焊料通道上方，所述焊料通道包括两个第一环形槽（4）和至少两个第二环形槽（5），第一环形槽（4）位于填料孔（11）的下方，第二环形槽（5）位于第一环形槽（4）和轴领（9）之间，第一环形槽（4）和第二环形槽（5）通过至少一条直线槽（6）连通。

2.根据权利要求1所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：所述焊料通道的底面为弧面，焊料通道的顶部宽度为1mm～3mm，深度为0.5mm～1mm，并且第一环形槽（4）的深度大于第二环形槽（5）和直线槽（6）的深度。

3.根据权利要求1所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：所述连接管（1）外壁设有两个定位孔（10），所述定位孔（10）与填料孔（11）相对应。

4.根据权利要求3所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：所述定位孔（10）的底部为圆锥形，所述填料孔（11）和定位孔（10）的直径为2mm～3mm。

5.根据权利要求1所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：所述连接管（1）位于两个轴领（9）之间的部分与待连接汇流环（2）单边配合间隙为0.1mm～0.2mm。

6.根据权利要求1所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构，其特征在于：所述环形焊片（3）的内径比连接管（1）的外径大0.2mm～0.5mm，外径比待连接汇流环（2）的外径大1mm～2mm，环形焊片（3）两侧与待连接汇流环端部（2）的间隙小于0.2mm。

7.根据权利要求1~6任一项所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构的焊接方法，其特征在于：包括如下步骤：

一、焊前准备：

a、清理连接管（1）和待连接汇流环（2）内壁和外表面的氧化物以及污渍；

b、将定位销插入填料孔（11）和定位孔（10）进行对接拼装，检查环形焊片（3）与待连接汇流环（2）的缝隙，合格后用夹具固定待连接汇流环（2），并拔出定位销；

c、在两个待连接汇流环（2）内部通入高纯氮气作为焊接保护气；

二、实施中频感应焊接：

a、将通有循环冷却水的冷却水带（7）包裹在两个待连接汇流环（2）的非焊接区，冷却水带（7）靠近连接管（1）的一侧距离连接管（1）端面的距离为100~200mm，冷却水带（7）的覆盖宽度大于或等于100mm；

b、开启移动式焊烟净化装置，调整好吸尘臂角度；

c、调节各水路阀门，冷却水带（ 7） 支路的冷却水流速大于30dl/min，焊把支路的冷却水流速大于200dl/min；

d、将中频感应焊机的感应线圈（8）夹持在两个待连接汇流环（2）上；

e、逐步调节中频感应焊机功率至50~60kW，将待连接汇流环（2）加热至橘红色，连接管（1）和待连接汇流环（2）温度为720℃～760℃，该功率调节过程控制在15s～20s；

f、当待连接汇流环（2）加热至橘红色后，中频感应焊机由持续加热改为点动加热，加热时间为3s，间隔时间为3s；

g、将银铜焊条分别靠在两个填料孔（11）内，银铜焊条的直径小于填料孔（11）的孔径，两个填料孔（11）中注满焊料后停止添加焊料；

i、焊接结束，逐步减小焊机输出功率至零；

三、焊后处理：

a、焊接结束后，取下感应线圈（8），待连接汇流环（2）的温度降低到500℃以下时，松开夹具；

b、待连接汇流环（2）的温度降低到120℃以下，关闭冷却水阀门，关闭中频感应焊机电源，取下冷却水带（7），停止通入氮气，清理汇流环连接结构表面的毛刺、尖角以及氧化物，检查焊缝质量。

8.根据权利要求7所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构的焊接方法，其特征在于：在焊前准备阶段，在步骤a之前，对连接管（1）进行无氧退火。

9.根据权利要求7所述的一种大型水轮发电机汇流环连接结构的焊接方法，其特征在于：在实施中频感应焊接阶段，步骤g中，当焊料流速明显变缓时，停止向其中一个填料孔（11）内添加焊料，继续向另一个填料孔（11）继续添加焊料，直至两个填料孔（11）中注满焊料后停止添加焊料，在两个待连接汇流环（2）的对接面补充焊料。

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