風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接工藝

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（1.佳木斯大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.佳木斯大學(xué) 藥學(xué)院，黑龍江佳木斯154007；3.佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154007）

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)能源的需求與日俱增。嚴(yán)重的環(huán)境污染現(xiàn)狀迫使人們尋求包括風(fēng)能在內(nèi)的清潔環(huán)保能源[1]。風(fēng)力發(fā)電是技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快、成本相對(duì)較低的可再生能源利用方式，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的核心部件之一，隨著風(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸采用的鋼也向著更高的綜合機(jī)械性能發(fā)展，要求軸與輻板焊接接頭應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、剛度和韌性，以滿足風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同工況環(huán)境下的使用[2-6]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作環(huán)境極為復(fù)雜，受風(fēng)速波動(dòng)、交變載荷及電磁場(chǎng)等影響，轉(zhuǎn)子受力復(fù)雜，影響電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。試驗(yàn)焊接的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸材料為25CrMo，輻板材料為Q354D，為了確保25CrMo和Q354D的焊接質(zhì)量，課題組前期進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)[7]，本研究將對(duì)其開展焊接工藝實(shí)驗(yàn)，評(píng)定焊接接頭質(zhì)量，為實(shí)際電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接中的焊接材料選擇及焊接工藝參數(shù)制定提供參考。

1 試驗(yàn)方法及材料

軸材25CrMo調(diào)質(zhì)處理狀態(tài)，輻板Q354D熱軋狀態(tài)，試樣尺寸為600 mm×160 mm×40 mm。焊接材料選用J507R焊條和ER50-6焊絲，直徑分別為φ3.2 mm和φ1.2 mm。采用焊條電弧焊，J507R焊條打底，φ（Ar）80%+φ（CO2）20%氣保焊、ER50-6 焊絲填充和蓋面。根據(jù)GB/985-1998和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)坡口為X型，角度45°，間隙2～3mm。25CrMo合金元素含量高，具有淬硬性和冷裂傾向。依據(jù)碳當(dāng)量、板厚等因素，以焊接性差的25CrMo鋼為基準(zhǔn)確定預(yù)熱溫度和焊后熱處理溫度，預(yù)熱溫度250℃，層間溫度控制在300℃，后熱處理550℃，保溫3 h緩冷，其他焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

焊接接頭拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)參照GB/T2651-1989和GB/T2653-1989取樣。在600 kW電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，速度5mm/min，截取4個(gè)試樣，彎曲試驗(yàn)彎軸直徑40 mm，彎曲角度180°。接頭沖擊性能試驗(yàn)參照GB/T2650-1989《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，依據(jù)風(fēng)力電機(jī)工作環(huán)境，分別在20℃和-40℃下對(duì)焊縫金屬和熱影響區(qū)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。采用JSM-6360型掃描電鏡對(duì)沖擊斷口進(jìn)行顯微觀察，分析斷裂形式及機(jī)理。參照GB2654-1984《焊接接頭及堆焊金屬硬度試驗(yàn)方法》用HV-50型維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭進(jìn)行維氏硬度計(jì)HV-120的測(cè)試，加載時(shí)間10 s。測(cè)量硬度前試樣表面經(jīng)研磨、拋光，4%硝酸酒精溶液腐蝕，顯示出焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)。采用OLYMPOSGX71金相顯微鏡觀察焊接接頭組織形貌特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 焊接接頭維氏硬度測(cè)試

25CrMo和Q345D焊接接頭維氏硬度分布狀態(tài)如圖1所示。從Q345D側(cè)的熱影響區(qū)到焊縫，直至25CrMo側(cè)的熱影響區(qū)，維氏硬度值逐漸升高，25CrMo側(cè)HAZ最高維氏硬度值為241 HV，遠(yuǎn)小于國際焊接學(xué)會(huì)推薦的低合金鋼熱影響區(qū)最高硬度350 HV，該焊接工藝下25CrMo與Q345D淬硬傾向較小，不易產(chǎn)生冷裂紋。

圖1 25CrMo與Q345D焊接接頭維氏硬度曲線

2.2 焊接接頭拉伸和彎曲試驗(yàn)

25CrMo和Q354D焊接接頭的拉伸試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)宏觀圖分別如圖2、圖3所示。

圖2 對(duì)接接頭拉伸試樣

圖3 25CrMo與Q345D接頭彎曲宏觀形貌試樣

由圖2可知，拉伸試驗(yàn)斷裂位置遠(yuǎn)離焊縫區(qū)，在輻板Q354D一側(cè)的母材上，抗拉強(qiáng)度平均值為520 MPa，大于規(guī)定值，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖3可知，橫向彎曲試驗(yàn)彎曲角達(dá)到180°，在20倍放大鏡下觀察，焊縫和兩側(cè)熱影響區(qū)上表面光滑，無裂紋產(chǎn)生，棱角處無開裂。由于母材Q354D強(qiáng)度低，彎曲變形向母材Q354D側(cè)發(fā)展（短側(cè)Q354D，長側(cè)為軸材料25CrMo），彎曲試驗(yàn)結(jié)果合格。

2.3 焊接接頭沖擊試驗(yàn)

20℃和-40℃下25CrMo與Q345D焊接接頭的沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 25CrMo與Q345D焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

在20℃時(shí)，焊縫區(qū)、Q345D側(cè)熔合區(qū)、25CrMo側(cè)熔合區(qū)的沖擊功平均值均大于母材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定及設(shè)計(jì)要求最低值。-40℃時(shí)，Q345D側(cè)熔合區(qū)和25CrMo側(cè)熔合區(qū)沖擊功均有所下降，根據(jù)JB/T6 963-93可知，沖擊試驗(yàn)的3個(gè)沖擊試樣的沖擊吸收功算術(shù)平均值大于設(shè)計(jì)規(guī)定值（45 J），滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.1 20℃沖擊斷口微觀形貌分析

20℃時(shí)Q345D側(cè)熔合區(qū)、焊縫區(qū)、25CrMo側(cè)熔合區(qū)沖擊試驗(yàn)斷口形貌如圖4所示。斷口形貌均為韌窩，韌窩形態(tài)不同，Q345D側(cè)熔合區(qū)由大尺寸韌窩和細(xì)小韌窩組成，大尺寸韌窩底部有夾雜物或第二相粒子，且密度較小，減少微孔形核率，增加斷裂時(shí)的韌性；焊縫區(qū)和25CrMo側(cè)熔合區(qū)韌窩較小且密集，伴有二次裂紋，有明顯的塑性變形，表面凸凹不平，沖擊韌性次之。

圖4 20℃焊接接頭沖擊斷口微觀形貌

2.3.2 -40℃沖擊斷口微觀形貌分析

進(jìn)行-40℃沖擊試驗(yàn)，觀察Q345D側(cè)熔合區(qū)、焊縫區(qū)、25CrMo側(cè)熔合區(qū)的宏觀斷口形貌。Q345D側(cè)熔合區(qū)沖擊功為50 J的沖擊斷口形貌如圖5所示。由圖5可知，起裂區(qū)可見韌性和脆性相的撕裂嶺，以準(zhǔn)解理擴(kuò)展，斷裂區(qū)可見大量的韌窩，Q345D側(cè)熔合區(qū)起裂區(qū)和擴(kuò)展區(qū)有一定粗晶呈準(zhǔn)解理斷裂，斷裂區(qū)晶粒較為細(xì)小，韌性較好。

圖5 -40℃時(shí)Q345D側(cè)熔合區(qū)沖擊斷口微觀形貌

焊縫區(qū)沖擊功為85 J的沖擊斷口形貌如圖6所示。起裂區(qū)有裂紋產(chǎn)生，擴(kuò)展區(qū)有環(huán)狀韌窩帶，并伴有孔洞和脆斷，此區(qū)晶粒尺寸大小不一，環(huán)狀韌窩帶由細(xì)晶粒區(qū)構(gòu)成，斷裂區(qū)呈韌性撕裂，可見非常均勻的小韌窩。

25CrMo側(cè)熔合區(qū)沖擊功為56 J的沖擊斷口形貌如圖7所示。起裂區(qū)有孔洞、裂紋和起裂臺(tái)階，擴(kuò)展區(qū)呈解理脆性和細(xì)長韌帶，并伴有孔洞和裂紋，斷裂區(qū)為解理斷裂，同時(shí)伴有大量韌窩。

2.4 焊接接頭金相組織分析

25CrMo與Q345D焊接接頭及母材金相組織如圖8所示，由圖8a可知，Q345D母材金相組織為鐵素體和珠光體。圖8b為靠近焊縫的熱影響區(qū)粗晶區(qū)，多道焊后熱處理作用，晶粒細(xì)化，該區(qū)域不會(huì)成為焊接接頭的薄弱地帶。由圖8c、8d可知，Q345D與焊縫界面不明顯，外延成長為細(xì)小晶粒，焊縫底層由焊條電弧焊打底，又經(jīng)MAG焊多道焊接，焊縫組織細(xì)小，大部分柱狀晶消失。由圖8f可知，多層多道焊過程中，后道焊對(duì)前道焊縫組織有正火處理作用，但后道焊填充量小，使正火處理溫度偏低，未消除部分晶粒較大現(xiàn)象，沿晶界析出先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體和珠光體。由圖8g可知，25CrMo母材金相組織為鐵素體和珠光體。由圖8h可知，靠近焊縫的熱影響區(qū)粗晶區(qū)，晶粒細(xì)小，主要為板條馬氏體，該區(qū)域不是焊接接頭薄弱地帶。由圖8i可知，25CrMo與焊縫界面處沒有形成過渡帶，晶粒細(xì)小。

圖6 -40℃時(shí)焊縫沖擊斷口微觀形貌

25CrMo與焊縫界面、25CrMo熱影響區(qū)粗晶區(qū)具有淬硬傾向，若不采取特殊的工藝措施，焊后易產(chǎn)生冷裂紋。25CrMo與Q345D焊接時(shí)，采用低氫韌性焊條J507R打底，焊縫組織主要為細(xì)小針狀鐵素體和珠光體，可獲得強(qiáng)度和韌性的匹配；通過控制一次填充焊縫量，ER50-6填充焊縫明顯柱狀晶減弱或消失，晶粒不會(huì)過于粗大，通過多道焊達(dá)到后熱處理的目的。25CrMo側(cè)粗晶區(qū)顯微組織為板條馬氏體和少量的片狀馬氏體。同時(shí)，力學(xué)性能表明，25CrMo和Q345D焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高于Q345D，斷口發(fā)生在Q345D母材處，焊縫處未發(fā)生塑性變形。彎曲180°未發(fā)生裂紋，但變形偏向Q345D側(cè)。20℃、-40℃時(shí)的焊縫，25CrMo側(cè)HAZ和Q345D側(cè)HAZ的沖擊性能均滿足焊接工程設(shè)計(jì)要求，-40℃時(shí)25CrMo側(cè)熔合區(qū)低溫沖擊試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沖擊功值有所下降，但由25CrMo側(cè)熔合區(qū)組織及沖擊斷口形貌分析可知，25CrMo側(cè)熔合區(qū)并未成為焊接接頭的薄弱地帶。

25CrMo與Q345D焊接時(shí)采用焊條電弧焊J507R焊條打底，MAG焊ER50-6焊絲多道焊，采用焊接預(yù)熱+焊后熱處理緩冷，控制層間溫度和一次焊縫的填充量，選擇合理的焊接工藝參數(shù)控制焊縫及熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒長大，減少25CrMo粗晶區(qū)的晶粒長大和焊接接頭組織的不均勻性，使25CrMo與Q345D焊接接頭綜合機(jī)械性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 25CrMo與Q345D焊接接頭及母材金相組織

3 結(jié)論

（1）針對(duì)25CrMo與Q345D焊接，焊接材料選用依據(jù)“強(qiáng)度過渡匹配”原則，采用J507R、ER50-6填充多道焊接，焊前預(yù)熱溫度250℃，層間溫度300℃，550℃/3 h焊后熱處理緩冷以保證焊接接頭質(zhì)量。

（2）25CrMo與Q345D接頭抗拉強(qiáng)度520 MPa，斷裂在Q345D母材；橫向彎曲試驗(yàn)彎曲角180°，未產(chǎn)生裂紋；20℃、-40℃焊接接頭沖擊韌性滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）打底層焊縫組織主要為細(xì)小的針狀鐵素體和珠光體，填充多道焊未經(jīng)正火區(qū)域沿晶界析出先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體，晶內(nèi)為針狀鐵素體和珠光體，25CrMo側(cè)熔合區(qū)沒有產(chǎn)生明顯過渡帶，粗晶區(qū)顯微組織為板條馬氏體。

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