水環(huán)泵焊接葉輪加工制造的關(guān)鍵技術(shù)

賀紅霞 雷春棟 王海雷 趙波 孫猛 劉傳棟

1.概述

我公司主要生產(chǎn)各類水環(huán)泵，其中葉輪是水環(huán)泵的主要核心部件。對于直徑較小，常規(guī)材質(zhì)的葉輪，可以通過鑄造批量生產(chǎn)，但是鑄造具有一定的局限性：①對于直徑較大（φ800mm以上），且葉片有彎曲弧度的葉輪（見圖1），鑄造難度很大。②一個(gè)模具只能用于澆注一種葉輪，且制造周期長。③僅適用于批量、常規(guī)材質(zhì)生產(chǎn)，特殊材質(zhì)需要重新設(shè)計(jì)模具。④鑄件內(nèi)部容易出現(xiàn)縮孔、疏松、砂眼等缺陷，經(jīng)過加工后，輪轂表面出現(xiàn)氣孔。⑤鑄件葉片弧度和厚度不容易保證，葉輪葉片壁較薄，葉片頂端有澆不到的可能。

圖1 水環(huán)泵葉輪

為縮短部分單件、非常規(guī)材質(zhì)以及大型葉輪的制造周期，改善葉輪的加工質(zhì)量，提高水環(huán)泵的整體運(yùn)行可靠性，我公司使用焊接葉輪來替代鑄件。焊接葉輪具有強(qiáng)度高，可靠性好，焊接過程中可通過焊接方法的選擇控制工件焊縫處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，對于發(fā)現(xiàn)的表面缺陷，可通過焊接方法進(jìn)行適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)等優(yōu)點(diǎn)。

2.焊接葉輪的結(jié)構(gòu)難點(diǎn)

如圖1可知，葉輪需要焊接數(shù)量較多且分布密集的葉片，葉片在輪轂上的焊接角度和葉片間距的均勻程度會嚴(yán)重影響水環(huán)泵的整機(jī)運(yùn)行性能，因此，焊接過程中葉片在輪轂上的定位成為保證水環(huán)泵整機(jī)運(yùn)行性能的關(guān)鍵。

分析葉輪結(jié)構(gòu)可以看出，焊接葉輪存在焊接接頭多，焊縫分布密集，操作空間狹小等特點(diǎn)。焊接過程中，葉輪本身溫度升高快而且容易過高，焊縫影響區(qū)域相互疊加，葉片厚度較薄，受熱變形和熱應(yīng)力影響嚴(yán)重，因此，焊接變形控制及焊后去應(yīng)力處理成為影響焊接葉輪及水環(huán)泵整機(jī)運(yùn)行可靠性的關(guān)鍵。

3.葉輪焊接工藝方案

（1）葉輪焊前準(zhǔn)備 葉輪焊前準(zhǔn)備包括葉片加工和壓制成形，葉輪輪轂和加強(qiáng)肋的加工。根據(jù)葉輪的材質(zhì)和技術(shù)要求選擇合理的焊材及焊接方法，我們一般使用奧氏體不銹鋼制作焊接葉輪。

不同材質(zhì)的葉輪應(yīng)選用不同的焊接方法和焊材。與其他材質(zhì)相比，奧氏體不銹鋼具有導(dǎo)熱系數(shù)小、線性膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，因此在焊接局部加熱和冷卻條件下，焊接接頭部位的高溫停留時(shí)間較長，焊縫金屬及近縫區(qū)在高溫承受較高的拉伸應(yīng)力與應(yīng)變，易產(chǎn)生熱裂紋。因此，選擇合理的焊材及確定正確的焊接方法顯得尤為重要。

（2）焊接過程中葉片的定位 焊接工序是葉輪成形的關(guān)鍵工序，焊接中葉片的位置和焊接方法直接關(guān)系到焊后葉輪的加工質(zhì)量和整機(jī)運(yùn)行性能，如葉輪表面的光滑度和焊接處的強(qiáng)度等。

直板狀葉片的焊接可以在定位盤上銑出直槽，焊接時(shí)將葉片嵌入槽內(nèi)固定位置，進(jìn)行焊接。但是對于圓弧狀葉片，用帶直槽的定位盤固定，葉片末端的圓弧部分處于游離狀態(tài)，無法精確定位，根據(jù)葉片的形狀和焊接工藝，我們對定位盤工裝進(jìn)行了改進(jìn)，在定位盤上加裝圓柱銷來對葉片定位，有效地控制了葉片在輪轂上的定位精度。

根據(jù)焊接葉輪葉片的大小、數(shù)量和形狀，在葉片定位盤上加工出三圈螺紋孔，然后將底部加工有螺紋的圓柱銷安裝在葉片定位盤上。每個(gè)葉片分別由三個(gè)一組的圓柱銷來定位，如圖2所示，A1、B1、C1為一組，A2、B2、C2為一組，A3、B3、C3為一組，以此類推。圓柱銷A與C固定葉片的外側(cè)，圓柱銷B固定葉片的內(nèi)側(cè)，使其在焊接過程中能保持在一個(gè)確定的位置。特別是焊接直徑較大的葉輪時(shí)，該定位盤工裝比銑槽式定位盤加工簡單，節(jié)約加工成本，且提高葉片定位精度。

（3）葉輪焊接變形控制 在實(shí)際焊接過程中，選擇合理的焊接順序至關(guān)重要，采用對稱施焊（見圖2），可有效減少焊接變形。即先點(diǎn)焊好由圓柱銷A2、B2、C2所固定葉片，再去點(diǎn)焊與它相距180°，由圓柱銷A4、B4、C4固定的葉片，利用反變形原理，減小焊接熱引起的變形，如果條件允許，由兩名工人同時(shí)進(jìn)行焊接，手中的焊條呈180°，會達(dá)到更好的效果。

圖2 焊接葉輪葉片定位工裝

點(diǎn)焊完成后，先取下點(diǎn)焊時(shí)支承葉片的加強(qiáng)肋，用專用整形樣板對每個(gè)葉片的位置度、與端面的垂直度進(jìn)行整形校正，校正完成后連接加強(qiáng)肋，再對稱焊接整個(gè)葉輪，最后對葉輪進(jìn)行整體整形校正。

（4）消除焊接去應(yīng)力措施 不銹鋼葉輪焊接后可能會出現(xiàn)焊縫晶間腐蝕以及焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

因此，要防止焊縫晶間腐蝕及應(yīng)力腐蝕開裂的發(fā)生，需要采用以下幾方面的措施：①合理設(shè)計(jì)焊接接頭形式，避免腐蝕介質(zhì)在焊接接頭部位聚集，降低或消除焊接接頭的應(yīng)力集中。②合理布置焊道順序，如采用180°對稱焊操作，可減少葉輪的焊接應(yīng)力。③對于應(yīng)力腐蝕介質(zhì)中等的材質(zhì)，焊接完成后，葉輪整體應(yīng)進(jìn)行固溶處理（1 065～1 120℃水冷或急冷），以消除焊接應(yīng)力。對于要求較高的葉輪，采用焊后錘擊、振動時(shí)效或噴丸等處理，可更好的消除葉輪殘余應(yīng)力。

（5）焊接質(zhì)量控制 在焊接過程中，由于焊接方法不當(dāng)易引起焊縫成形缺陷，如裂紋、氣孔、夾渣、咬邊及未熔合等，所以在焊接中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①根據(jù)焊條直徑確定焊接電流，將電流值控制在理論值范圍內(nèi)，防止大電流焊接操作，以保證焊縫成形美觀、飛濺少、無燒穿及咬邊現(xiàn)象。②合理調(diào)整焊接間隙，控制焊條角度。葉輪焊接基本都屬于角焊縫焊接，在保證電流與焊條移動速度的情況下，利用月牙形的擺動方法，可使熔池在寬度上的熱量輸入為恒定值，確保焊縫成形后無未熔合及夾渣現(xiàn)象。

4.結(jié)語

焊接葉輪是水環(huán)泵葉輪加工制作的一個(gè)重要手段，它使葉輪的強(qiáng)度提高，壽命延長，質(zhì)量提高，葉片形狀更加精確，但加工和焊接過程中葉片的變形和定位需進(jìn)行必要的控制，以免影響產(chǎn)品的整體使用性能。

通過長期的研究分析和經(jīng)驗(yàn)證明，焊材與焊接工藝方法選擇，焊后去應(yīng)力處理的措施是決定焊接葉輪質(zhì)量的關(guān)鍵因素。通過選用合理的葉片定位工裝，可以使葉片的位置精度得到有效控制；通過焊接工藝方法、焊材及焊后去應(yīng)力處理的合理選擇，可以降低葉輪及葉片的變形，避免裂紋，夾渣，氣孔等內(nèi)部缺陷，減少應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象。

經(jīng)檢驗(yàn)和運(yùn)行試驗(yàn)，焊接葉輪尺寸和質(zhì)量均符合設(shè)計(jì)要求，水環(huán)泵整機(jī)運(yùn)行性能和運(yùn)行可靠性得到了大幅度提高，驗(yàn)證了焊接葉輪可以改進(jìn)鑄件的缺陷和不足，有效避免了在使用中因工作液長期侵蝕內(nèi)部氣孔等引起的葉輪斷裂、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕開裂等現(xiàn)象，增強(qiáng)了葉輪的使用壽命和使用性能。