CN113414460B - 一种mw级风电铜排的焊接工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及风电铜排加工制造技术领域，具体是涉及一种MW级风电铜排的焊接工艺；具体包括以下步骤：制备石墨电极块：根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块A；采用两个石墨电极块从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；安装石墨电极块；装配焊翅：将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面；焊翅的电阻加热钎焊；能够有效解决现有技术在焊接过程中由于风电铜排受热不均导致变形量大，其焊缝质量差的问题。

Description

一种MW级风电铜排的焊接工艺
技术领域
本发明涉及风电铜排加工制造技术领域，具体是涉及一种MW级风电铜排的焊接工艺。
背景技术
随着全球“碳达峰”、“碳中和”目标计划的推出，能源体系清洁低碳发展大势所趋。风电作为一项重要的清洁低碳能源体系，即将迎来一个新的快速发展的高潮。风电铜排作为风力发电机组中关键电气连接组成部分，通常起汇流、导电、稳流的作用。
常用的MW级风电排焊接结构为：中间为主铜排，主铜排的同一纵向位置，上面焊接一个尺寸规格较大的大焊翅，下面焊接一个尺寸规格相对较小的小焊翅；
现有技术焊接风电铜排与焊翅时通常直接在焊接平台上将两者焊接，由于焊接过程的受热不均导致变形量大，其焊缝质量差，焊缝金相内气孔率高，不仅造成导电率低，也导致强度大大降低。
发明内容
本发明解决的技术问题是：现有焊接工艺将焊翅与风电铜排焊接后形成的焊缝质量差，且焊接部的变形量大。
本发明的技术方案是：一种MW级风电铜排的焊接工艺，在风电铜排、焊翅要实施焊接的部位，采用石墨电极块进行夹持，实施焊接；
具体包括以下步骤：
步骤一：制备石墨电极块
根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块；
采用两个石墨电极块从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；
步骤二：安装石墨电极块
将步骤一制备的两个石墨电极块A，分别安装于电阻加热设备的两个导电电极上；并且两个石墨电极块A对应安装；其中一个石墨电极块A与设备动力机构连接；
步骤三：装配焊翅
将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面，通过动力机构向石墨电极块A施压，使石墨电极块A与焊翅A、风电铜排待焊接区域平面贴合；石墨电极块A压紧后，抽掉焊接定位工装；
步骤四：焊翅的电阻加热钎焊
启动电阻加热设备，在一定电流下，进行加热钎焊，直至接头处焊料完全熔化，形成饱满焊缝；
步骤五：冷却和清洗
焊翅A焊接结束后，室温水冷，并在酸洗液中清洗。
进一步地，按照重量份数计，所述步骤五中的酸洗液原料组分为：氢氟酸5～8份、氧化剂4～6份、缓蚀剂3～5份、过硫酸钠0.5～0.8份、过硫酸铵0.5～0.8份。通过上述组分混合后能够得到高效的缓蚀酸洗清洗液，可保证快速清除掉焊缝表面氧化物和各种污物，使焊缝较快地呈现金属本色，清洗过程中不会对工件表面产生腐蚀损害。
进一步地，所述步骤五中的清洗工艺为：将风电铜排与焊翅焊接后的整体工件浸泡在酸洗液中15min～60min取出，之后用不锈钢丝刷清理，再采用百洁布擦拭工件表面。通过酸液也浸泡后，采用不锈钢丝刷清理能够将焊缝表面氧化物和各种污物清理干净，使焊缝处表面洁净光亮。
进一步地，在步骤五得到的风电铜排上再次焊接焊翅B时，按照制备石墨电极块A的方法再制备两个石墨电极块B，并对步骤二的石墨电极块A进行更换；
所述石墨电极块B上设置有能够将焊翅A镶嵌在内的凹陷区；
其中，采用焊翅B焊接定位工装将焊翅B搭接在风电铜排上，通过动力机构使石墨电极块B施压于焊翅B待焊接区域并压紧，然后抽掉焊翅B焊接定位工装；依次进行电阻加热钎焊、冷却和清洗。
通过上述焊接顺序可以保证焊翅A与风电铜排、焊翅B与风电铜排的焊缝均填充更好，更饱满，焊缝质量更好；同时保证风电铜排、焊翅A与焊翅B在加热焊接后，焊接接头处总厚度变化有效可控。
进一步地，上述的石墨电极块A、石墨电极块B均经过抗氧化剂浸渍处理；石墨电极块A、石墨电极块B上的凹陷区是经过精密CNC机床机加工得到；
按照重量份计，抗氧化剂包括：纳米陶瓷粉26～30份，纳米氧化铝23～28份，纳米氧化硅22～26份，纳米氮化硼6～9份，氧化钠2～3份，氧化钙3～5份，硅酸10～15份，余量为水；
浸渍处理方法为：将石墨电极块A、石墨电极块B浸泡在质量浓度为10％～15％的抗氧化剂溶液中50～80min；温度条件为150～180℃；在浸泡开始后采用超声持续处理30～60min；完成浸泡后，在80～90℃条件下烘干。
通过上述抗氧化剂的处理能够使得石墨电极块A、石墨电极块B在持续焊接过程中不易挥发，使石墨块表面保持平整，确保石墨块多次反复使用的同时使工件受热均匀。
进一步地，所述焊翅B焊接定位工装通过固定限位垫块上的滑槽与固定限位垫块装配连接；所述焊翅B焊接定位工装上设有放置焊片和焊翅B的定位槽；
所述固定限位垫块包括一块弧面限位块、两块厚度限位块，以及连接弧面限位块、两块厚度限位块的螺栓；
所述弧面限位块的圆弧半径与风电铜排的圆弧半径相同；两块厚度限位块的厚度均与焊翅B的厚度相同；
两块厚度限位块上分别设有与焊翅B焊接定位工装连接的滑槽。
通过上述设置能够将焊翅B焊接定位工装的两个侧边沿两道滑槽插入固定限位垫块，在进行焊接前能够快速抽出，有利于提高焊接效率。
进一步地，焊翅B焊接定位工装、弧面限位块、厚度限位块均为不锈钢件。不锈钢件强度高便于加工，且能够反复使用，实用性强。
进一步地，所述步骤三中的焊片为微晶铜基钎焊合金焊片；通过微晶铜基钎焊合金焊片能够确保焊接的焊翅与风电铜排形成的焊缝致密性好，强度高。
进一步地，所述步骤二中动力机构采用液压动力系统；通过液压动力系统能够使得石墨电极块与风电铜排紧密接触，确保对焊接部位进行有效夹持；并且液压动力系统便于控制，可操作性强。
本发明的有益效果是：本申请公开了一种MW级风电铜排的焊接工艺，本方法在风电铜排、焊翅要实施焊接的部位，采用石墨电极块实现夹持，然后进行电阻加热钎焊；在焊接过程中石墨电极块内部设置的凹陷区与工件表面接触后利用其良好的导热性能使得焊接部位受热均匀，大大降低焊接造成风电铜排、焊翅的变形量，结合焊接定位工装与固定限位垫块实现精准焊接；在压力和温度的双重作用下，使得焊缝有效可控，降低变形；通过上述焊接方法能够确保焊缝均匀饱满，使得焊接强度大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例1的焊接夹持结构示意图；
图2是本发明实施例2的焊接夹持结构示意图；
图3是本发明实施例2风电铜排焊接完成的结构示意图；
具体实施方式
实施例1：
一种MW级风电铜排的焊接工艺，具体包括以下步骤：
步骤一：制备石墨电极块
根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块A；
采用两个石墨电极块A从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；
其中，风电铜排的横截面尺寸为厚度10mm*宽度40mm；焊翅A横截面尺寸为：厚度10mm*宽度60mm；
步骤二：安装石墨电极块
将步骤一制备的两个石墨电极块A，分别安装于电阻加热设备的两个导电电极上；并且两个石墨电极块A对应安装；其中一个石墨电极块A与设备动力机构连接；
步骤三：装配焊翅
将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面，通过动力机构向石墨电极块A施压，使石墨电极块A与焊翅A、风电铜排待焊接区域平面贴合；石墨电极块A压紧后，抽掉焊接定位工装；
步骤四：焊翅的电阻加热钎焊
启动电阻加热设备，在电流15KA、压力1MPa的条件下，进行加热钎焊，直至接头处焊料完全熔化，形成饱满焊缝；
步骤五：冷却和清洗
焊翅A焊接结束后，室温水冷，并在酸洗液中清洗。
按照重量份数计，酸洗液原料组分为：氢氟酸5份、氧化剂4份、缓蚀剂3份、过硫酸钠0.5份、过硫酸铵0.5份。
清洗工艺为：将风电铜排与焊翅A焊接后的整体工件浸泡在酸洗液中30min取出，之后用不锈钢丝刷清理，再采用百洁布擦拭工件表面。
实施例2：
一种MW级风电铜排的焊接工艺，具体包括以下步骤：
步骤一：制备石墨电极块
根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块A；
采用两个石墨电极块A从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；
其中，风电铜排的横截面尺寸为厚度10mm*宽度40mm；焊翅A横截面尺寸为：厚度10mm*宽度60mm；
步骤二：安装石墨电极块
将步骤一制备的两个石墨电极块A，分别安装于电阻加热设备的两个导电电极上；并且两个石墨电极块A对应安装；其中一个石墨电极块A与设备动力机构连接；
步骤三：装配焊翅
将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面，通过动力机构向石墨电极块A施压，使石墨电极块A与焊翅A、风电铜排待焊接区域平面贴合；石墨电极块A压紧后，抽掉焊接定位工装；
步骤四：焊翅的电阻加热钎焊
启动电阻加热设备，在电流14.8KA、压力1.1MPa的条件下，进行加热钎焊，直至接头处焊料完全熔化，形成饱满焊缝；
步骤五：冷却和清洗
焊翅A焊接结束后，室温水冷，并在酸洗液中清洗。
按照重量份数计，酸洗液原料的组分为：氢氟酸8份、氧化剂6份、缓蚀剂5份、过硫酸钠0.8份、过硫酸铵0.8份。
清洗工艺为：将风电铜排与焊翅A焊接后的整体工件浸泡在酸洗液中25min取出，之后用不锈钢丝刷清理，再采用百洁布擦拭工件表面。
步骤六：再次焊接
在步骤五得到的风电铜排上再次焊接焊翅B时，按照制备石墨电极块A的方法再制备两个石墨电极块B，并对步骤二的石墨电极块A进行更换；焊翅B的横截面积尺寸为：厚度5mm*宽度12mm；
石墨电极块B上设置有能够将焊翅A镶嵌在内的凹陷区；其中，采用焊翅B焊接定位工装将焊翅B搭接在风电铜排上；
具体是：固定限位垫块由一块弧面限位块、两块厚度限位块，以及连接弧面限位块、两块厚度限位块的螺栓组成；厚度限位块上分别设有滑槽；
焊翅B焊接定位工装通过厚度限位垫块上的滑槽与固定限位垫块装配连接后；将焊片和焊翅B放入焊翅B焊接定位工装的定位槽内；
通过动力机构使石墨电极块B施压于焊翅B待焊接区域并压紧，
然后顺着滑槽抽掉焊翅B焊接定位工装；在电流12KA，压力为0MPa条件下进行电阻加热钎焊，最后进行冷却和清洗。
其中，石墨电极块A、石墨电极块B均经过抗氧化剂浸渍处理；石墨电极块A、石墨电极块B上的凹陷区是经过精密CNC机床机加工得到；
按照重量份计，抗氧化剂包括：纳米陶瓷粉26份，纳米氧化铝23份，纳米氧化硅22份，纳米氮化硼6份，氧化钠2份，氧化钙3份，硅酸10份，余量为水；
浸渍处理方法为：将石墨电极块A、石墨电极块B浸泡在质量浓度为10％的抗氧化剂溶液中50min；温度条件为150℃；在浸泡开始后采用超声持续处理30min；完成浸泡后，在80℃条件下烘干。
实施例3：
一种MW级风电铜排的焊接工艺，具体包括以下步骤：
步骤一：制备石墨电极块
根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块A；
采用两个石墨电极块A从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；
其中，风电铜排的横截面尺寸为厚度10mm*宽度40mm；焊翅A横截面尺寸为：厚度10mm*宽度60mm；
步骤二：安装石墨电极块
将步骤一制备的两个石墨电极块A，分别安装于电阻加热设备的两个导电电极上；并且两个石墨电极块A对应安装；其中一个石墨电极块A与设备动力机构连接；
步骤三：装配焊翅
将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面，通过动力机构向石墨电极块A施压，使石墨电极块A与焊翅A、风电铜排待焊接区域平面贴合；石墨电极块A压紧后，抽掉焊接定位工装；
步骤四：焊翅的电阻加热钎焊
启动电阻加热设备，在电流14.5KA、压力1.2MPa的条件下，进行加热钎焊，直至接头处焊料完全熔化，形成饱满焊缝；
步骤五：冷却和清洗
焊翅A焊接结束后，室温水冷，并在酸洗液中清洗。
按照重量份数计，酸洗液原料组分为：氢氟酸6份、氧化剂5份、缓蚀剂4份、过硫酸钠0.68份、过硫酸铵0.6份。
清洗工艺为：将风电铜排与焊翅A焊接后的整体工件浸泡在酸洗液中50min取出，之后用不锈钢丝刷清理，再采用百洁布擦拭工件表面。
步骤六：再次焊接
在步骤五得到的风电铜排上再次焊接焊翅B时，按照制备石墨电极块A的方法再制备两个石墨电极块B，并对步骤二的石墨电极块A进行更换；焊翅B横截面积尺寸为：厚度5mm*宽度12mm；
石墨电极块B上设置有能够将焊翅A镶嵌在内的凹陷区；
其中，采用焊翅B焊接定位工装将焊翅B搭接在风电铜排上；
具体是：固定限位垫块由一块弧面限位块、两块厚度限位块，以及连接弧面限位块、两块厚度限位块的螺栓组成；厚度限位块上分别设有滑槽；
焊翅B焊接定位工装通过厚度限位垫块上的滑槽与固定限位垫块装配连接后；将焊片和焊翅B放入焊翅B焊接定位工装的定位槽内；
通过动力机构使石墨电极块B施压于焊翅B待焊接区域并压紧，
然后顺着滑槽抽掉焊翅B焊接定位工装；在电流12.2KA，压力为0.3MPa条件下进行电阻加热钎焊，最后进行冷却和清洗。
其中，石墨电极块A、石墨电极块B均经过抗氧化剂浸渍处理；石墨电极块A、石墨电极块B上的凹陷区是经过精密CNC机床机加工得到；
按照重量份计，抗氧化剂包括：纳米陶瓷粉30份，纳米氧化铝28份，纳米氧化硅26份，纳米氮化硼9份，氧化钠3份，氧化钙5份，硅酸15份，余量为水；
浸渍处理方法为：将石墨电极块A、石墨电极块B浸泡在质量浓度为15％的抗氧化剂溶液中80min；温度条件为180℃；在浸泡开始后采用超声持续处理60min；完成浸泡后，在90℃条件下烘干。
实验例：对上述实施例1～3焊接得到的风电铜排进行检测，具体进行UT超声探伤检测、宏观金相检测、导电率检测；记录实验数据，如下表1：
表1：实施例1～3焊接得到的风电铜排性能检测
实施例 界面波(％) 气孔率(％) 导电率(％IACS)
实施例1 10 8 102
实施例2 9.5 7.6 103
实施例3 9.3 7.5 105
通过上述检测数据能够看出，在进行UT超声探伤检测时，双焊翅接头处的界面波≤10％；在进行宏观金相检验时，焊缝中的气孔率≤8％；导电率检测时，双焊翅接头导电率均≥100％IACS；由此可见，采用本发明焊接工艺焊接风电铜排与焊翅能够使得焊缝质量得到保证，得到质量好强度高的焊接风电铜排。
通过上述对比能够看出实施例3为上述方案中的最佳实施方案；其焊缝处气孔率最小，导电率最高，使得焊缝质量得到保证。

Claims (4)

1.一种MW级风电铜排的焊接工艺，其特征在于，在风电铜排、焊翅要实施焊接的部位，采用石墨电极块进行夹持，实施焊接；
具体包括以下步骤：
步骤一：制备石墨电极块
根据风电铜排和焊翅A焊接部位的形状、尺寸，制备两个石墨电极块A；
采用两个石墨电极块从两侧对风电铜排和焊翅A焊接部位进行夹持；使得石墨电极块与风电铜排、焊翅A平面贴合；
步骤二：安装石墨电极块
将步骤一制备的两个石墨电极块A，分别安装于电阻加热设备的两个导电电极上；并且两个石墨电极块A对应安装；其中一个石墨电极块A与设备动力机构连接；
步骤三：装配焊翅
将风电铜排置于两个石墨电极块A之间，再通过焊翅A焊接定位工装，依次将焊片和焊翅A搭接在风电铜排上面，通过动力机构向石墨电极块A施压，使石墨电极块A与焊翅A、风电铜排待焊接区域平面贴合；石墨电极块A压紧后，抽掉焊接定位工装；
步骤四：焊翅的电阻加热钎焊
启动电阻加热设备，在一定电流下，进行加热钎焊，直至接头处焊料完全熔化，形成饱满焊缝；
步骤五：冷却和清洗
焊翅A焊接结束后，室温水冷，并在酸洗液中清洗；
按照重量份数计，所述步骤五中的酸洗液原料组分为：氢氟酸5～8份、氧化剂4～6份、缓蚀剂3～5份、过硫酸钠0.5～0.8份、过硫酸铵0.5～0.8份；
所述步骤五中的清洗工艺为：将风电铜排与焊翅A焊接后的整体工件浸泡在酸洗液中15min～60min取出，之后用不锈钢丝刷清理，再采用百洁布擦拭工件表面；
在步骤五得到的风电铜排上再次焊接焊翅B时，按照制备石墨电极块A的方法再制备两个石墨电极块B，并对步骤二的石墨电极块A进行更换；
所述石墨电极块B上设置有能够将焊翅A镶嵌在内的凹陷区；
其中，采用焊翅B焊接定位工装将焊翅B搭接在风电铜排上，通过动力机构使石墨电极块B施压于焊翅B待焊接区域并压紧，然后抽掉焊翅B焊接定位工装；依次进行电阻加热钎焊、冷却和清洗；
上述的石墨电极块A、石墨电极块B均经过抗氧化剂浸渍处理；石墨电极块A、石墨电极块B上的凹陷区是经过精密CNC机床机加工得到；
按照重量份，抗氧化剂包括：纳米陶瓷粉26～30份，纳米氧化铝23～28份，纳米氧化硅22～26份，纳米氮化硼6～9份，氧化钠2～3份，氧化钙3～5份，硅酸10～15份，余量为水；
浸渍处理方法为：将石墨电极块A、石墨电极块B浸泡在质量浓度为10％～15％的抗氧化剂溶液中50～80min；温度条件为150～180℃；在浸泡开始后采用超声持续处理30～60min；完成浸泡后，在80～90℃条件下烘干；
所述焊翅B焊接定位工装通过固定限位垫块上的滑槽与固定限位垫块装配连接；所述焊翅B焊接定位工装上设有放置焊片和焊翅B的定位槽；
所述固定限位垫块包括一块弧面限位块、两块厚度限位块，以及连接弧面限位块、两块厚度限位块的螺栓；
所述弧面限位块的圆弧半径与风电铜排的圆弧半径相同；两块厚度限位块的厚度均与焊翅B的厚度相同；
两块厚度限位块上分别设有与焊翅B焊接定位工装连接的滑槽。
2.根据权利要求1所述的一种MW级风电铜排的焊接工艺，其特征在于，焊翅B焊接定位工装、弧面限位块、厚度限位块均为不锈钢件。
3.根据权利要求1所述的一种MW级风电铜排的焊接工艺，其特征在于，所述步骤三中的焊片为微晶铜基钎焊合金焊片。
4.根据权利要求1所述的一种MW级风电铜排的焊接工艺，其特征在于，所述步骤二中动力机构采用液压动力系统。
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