兆瓦級風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子焊接工藝過程質(zhì)量控制

馬 振 ，莊明輝 ，袁氏丹 ，連 軍 ，李慕勤

（1.佳木斯大學材料科學與工程學院，黑龍江佳木斯154007；2.佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154007）

0 前言

隨著風力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展和電機容量的增加，電機轉(zhuǎn)子的制造受到企業(yè)的高度重視，其焊接質(zhì)量在一定程度上決定電機的運行壽命。

電機轉(zhuǎn)子一般為同種材料焊接結(jié)構(gòu)，包括碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼等，但隨著風力發(fā)電的迅速發(fā)展，電機主軸所用鋼向著較高綜合機械性能發(fā)展。目前，電機轉(zhuǎn)子通常采用異種鋼材料焊接結(jié)構(gòu)，而異種鋼焊接性差異較大，容易出現(xiàn)焊接缺陷等問題。郝相帥[1]采用鎢極氬弧焊焊接35CrMo與20鋼異種鋼管，焊接質(zhì)量滿足設計要求。許留栓[2]等人在冷態(tài)下焊接電機轉(zhuǎn)子，選擇低氫堿性焊條、焊后緩冷等工藝措施成功防止了焊接冷裂紋的產(chǎn)生。李雪東[3]等人采用氣體保護焊，焊材ER55-G，預熱250℃、550℃×3 h焊后熱處理緩冷等工藝對25CrMo轉(zhuǎn)子軸和Q345D輻板進行可焊性試驗，結(jié)果表明焊接裂紋敏感性小。42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板焊接結(jié)構(gòu)是電機核心部件，42CrMo轉(zhuǎn)子軸焊接性差，焊接過程中出現(xiàn)軸和輻板變形、軸肩等處產(chǎn)生裂紋[4]，以及同軸度超差等缺陷[5]，造成早期斷裂失效，對焊接接頭質(zhì)量提出更高的要求，必須采取相應的焊接工藝措施來保證焊接質(zhì)量。

1 試驗材料和方法

1.1 軸材與輻板

風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子為軸與輻板焊接結(jié)構(gòu)。軸材為42CrMo，調(diào)質(zhì)狀態(tài)，規(guī)格 φ480 mm×1 800 mm；輻板為 Q235，規(guī)格 1 000 mm×80 mm×40 mm，熱軋狀態(tài)。42CrMo鋼與Q235的化學成分如表1所示。

表1 合金元素質(zhì)量分數(shù)%

1.2 電機轉(zhuǎn)子設計要求

大型風力發(fā)電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板焊接結(jié)構(gòu)使用環(huán)境復雜，受電磁場、離心力、自重及交變載荷等因素作用，需保證電機運行過程中焊接接頭的強韌性；同時，為了保持電機轉(zhuǎn)子同軸平衡轉(zhuǎn)動，要求輻板厚度方向的中心線通過電機轉(zhuǎn)子軸心線，且在電機轉(zhuǎn)子軸外圓均分。

1.3 焊接性分析

Q235B的碳當量為0.32，焊接性良好，淬硬傾向較??；42CrMo的碳當量為0.91，焊接性較差，淬硬傾向和冷裂敏感性都很大，極易產(chǎn)生冷裂紋，焊前需預熱。42CrMo為中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷裂紋通常在焊后冷卻過程中Ms點附近或更低溫度區(qū)間逐漸產(chǎn)生，42CrMo馬氏體轉(zhuǎn)變溫度較高，焊后難以產(chǎn)生自回火效應；42CrMo焊接近縫區(qū)的溫度較高，快速冷卻時粗大奧氏體易轉(zhuǎn)變?yōu)榇执篑R氏體，沖擊韌性降低，產(chǎn)生微裂紋，降低電機軸的抗疲勞能力，破壞電機軸的低應力。為保證焊接質(zhì)量，必須采用合理的預熱溫度和工藝措施。

2 軸與輻板結(jié)構(gòu)及工裝夾具設計

2.1 坡口及焊接順序設計

電機轉(zhuǎn)子軸材料為42CrMo鋼，直徑480mm，輻板材料為Q235鋼，厚度40 mm。電機轉(zhuǎn)子焊接坡口開在輻板Q235，V型45°坡口，雙面焊，鈍邊2mm，根部間隙2 mm，電機轉(zhuǎn)子軸與輻板焊接接頭為K型角焊縫，焊角高度22 mm，坡口結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 電機轉(zhuǎn)子軸和輻板坡口尺寸

為控制電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板的焊接質(zhì)量及變形量，采取對稱焊接。焊根處正面打底焊時焊接兩道，清根后背面焊接兩道，然后交替對稱焊接，最后形成具有最小外部缺口效應的凹形角焊縫，焊接順序如圖2所示。

圖2 焊接層間順序

2.2 工裝夾具設計

電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板的焊接性差異較大，結(jié)構(gòu)拘束較大，易發(fā)生焊接變形。為保證軸與輻板的裝焊要求，設計了如圖3所示的卡盤工裝2件，裝配于輻板端部固定軸與輻板焊接結(jié)構(gòu)，保證焊接過程中裝配位置。軸與輻板焊縫較長，設計如圖4所示的支撐板4件，均勻分布在待焊兩輻板間以控制焊接過程中輻板的變形。

圖3 固定夾盤

圖4 支撐板

3 電機轉(zhuǎn)子焊接工藝

3.1 焊接材料的選用

42CrMo與Q235化學成分、組織結(jié)構(gòu)、應力狀態(tài)和物理性能等方面都極其復雜，與同種材料焊接相比，焊接問題和難度大得多。由焊接性分析可知，Q235焊接性較好，42CrMo焊接性較差，淬硬傾向較大，焊接材料的選用優(yōu)先考慮42CrMo鋼的焊接技術要求，焊材選擇時應滿足抗裂性。打底焊選用低氫韌性直徑1.2mm的ER55－G焊接材料，鑒于焊接成本的考慮，填充及蓋面選用直徑1.2 mm的ER50－6焊絲，其化學成分和力學性能如表2所示。

3.2 焊接方法

結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)條件，42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板的焊接采用氣體保護焊，保護氣氛為φ（Ar）80%+φ（CO2）20%。采用ER55－G 打底，鑒于生產(chǎn)成本，填充及蓋面采用ER50－6焊絲，電源極性為直流反接。

3.3 焊接工藝參數(shù)

電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235輻板焊接時預熱溫度250℃，層間溫度250～350℃，焊后立即進行350℃×2 h消氫處理，加速焊縫氫的擴散析出，消除應力，提高焊縫強韌性，減少冷裂傾向。其他焊接工藝參數(shù)如表3所示。

表2 焊接材料熔敷金屬的化學成分及力學性能

表3 焊接工藝參數(shù)

圖5 卡盤夾具裝配

4 電機轉(zhuǎn)子現(xiàn)場焊接與質(zhì)量控制

4.1 電機轉(zhuǎn)子焊接

（1）焊前準備。依據(jù)圖紙進行下料，下料后清除表面油跡、銹斑等污物；坡口無油、銹，內(nèi)外兩側(cè)打磨呈現(xiàn)金屬光澤，確保零件尺寸及無缺陷。

（2）將電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸置于焊接工作臺，依據(jù)圖紙正確的位置，在直徑480 mm的42CrMo軸外圓劃出6個Q235輻板的裝配線。

（3）將6個輻板與42CrMo軸點固裝配，焊接間隙2mm。定位焊采用焊絲ER55－G，焊縫長度40mm，間距300 mm，將2件卡盤夾具裝配到點固后的電機轉(zhuǎn)子兩端，距輻板端部50 mm，如圖5所示。

（4）試件整體預熱至400℃，保溫2 h后出爐，迅速安置到焊接指定場地，并用氧乙炔火焰加熱電機轉(zhuǎn)子待焊位置，防止溫度低于預熱溫度。

（5）將4塊支撐板均勻布置于待焊輻板間，依據(jù)表3所示焊接工藝參數(shù)進行打底和填充焊，采用分段倒退、由中間向兩邊施焊，分段長度500 mm。2名焊工同時對稱焊接，焊接電流、焊接速度和焊接層數(shù)保持一致，水平焊接操作工位。

打底焊焊縫厚度不小于3 mm，打底焊完成后用碳弧氣刨清根，機械打磨焊縫，清理焊縫表面滲碳，露出金屬光澤。然后進行滲透（PT）檢測有無裂紋或氣孔等缺陷，確定打底焊無焊接缺陷后才能進行填充焊；若打底焊后焊件溫度低于預熱溫度，需重新預熱，達到預熱溫度方可焊接。

填充焊焊縫厚度為3～5 mm，每道焊縫焊完后，仔細清理熔渣、飛濺；焊接過程中監(jiān)控層間溫度，層間溫度250～350℃；填充焊厚度達20 mm后，將焊接結(jié)構(gòu)件送入燃氣爐加熱250～350℃，保溫1 h隨爐冷卻，進行超聲波檢測，滿足設計要求后再按上述工藝進行其余層填充焊。

（6）每道焊縫焊后采用紅外測溫儀跟蹤層間溫度，層間溫度控制在250～350℃。

（7）焊后立即進行去應力退火，550℃保溫2h，緩冷至室溫，進行超聲波檢驗。

（8）若探傷發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，詳細標記缺陷位置、深度、長度，由專業(yè)氣刨工清理干凈缺陷，再次預熱至250℃焊接；缺陷修復允許1次，同一部位修復超過1次應經(jīng)項目負責人研究同意后方可進行；修補后按原焊縫的質(zhì)量要求對焊縫修補處及其附近進行100%焊接檢驗。

4.2 焊接檢驗

電機42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235輻板焊接結(jié)構(gòu)打底焊完成后，碳弧氣刨背面清根，采用滲透探傷檢測打底焊質(zhì)量，判斷焊根處是否出現(xiàn)未焊透、未熔合等焊接缺陷，滲透檢測結(jié)果如圖6所示；電機轉(zhuǎn)子軸和輻板焊接完成后，采用外觀檢驗、磁粉探傷、4 MHz超聲波頻對焊件進行檢驗，均達到企業(yè)技術指標。

圖6 滲透檢測

4.3 電機轉(zhuǎn)子焊接質(zhì)量控制

4.3.1 焊前質(zhì)量控制

（1）斜Y型坡口焊接裂紋試驗。

根據(jù)電機轉(zhuǎn)子軸與輻板實際焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)焊接性分析和直接類試驗，共計焊接6組斜Y型坡口試樣，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 斜Y型坡口焊接裂紋試驗結(jié)果

（2）焊接工藝評定。

電機轉(zhuǎn)子為復雜動載焊接結(jié)構(gòu)，考慮實際焊接形式、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟性，共焊接制作3組42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235輻板焊接工藝評定，全部按照企業(yè)設計要求進行相關的超聲波檢測和焊接接頭力學性能試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，焊接熱輸入由27 kJ/cm增加到36 kJ/cm時焊接工藝評定不滿足設計要求。為了驗證第1組焊接工藝能準確反映出實際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問題，進行第3組模擬軸與輻板T型接頭的焊接工藝評定，其結(jié)果滿足設計要求。

表5 焊接工藝評定

（3）焊工資質(zhì)。

大型風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子焊接操作工人應按照電機企業(yè)相關焊工操作要求進行崗前培訓，考核合格頒發(fā)焊工資格證書，企業(yè)現(xiàn)場焊接生產(chǎn)實際產(chǎn)品時達到見證件焊接。

4.3.2 焊接質(zhì)量控制

編制詳盡的焊接工藝規(guī)程，裝配定位后電機軸和輻板焊接結(jié)構(gòu)按照焊接工藝規(guī)程測量核對輻板分布、坡口間隙、同軸度及平行度等，與工程圖紙一致。焊前清理干凈，定位焊不能有焊接缺陷，嚴禁在非焊接部位的母材上引弧，收弧和引弧處一定填滿弧坑。全程監(jiān)控6塊輻板焊接工藝生產(chǎn)過程，以控制軸材軟化和焊接變形。若預熱溫度、層間溫度等工藝達不到工藝要求，要求焊工停止焊接。同時，焊接前向焊接操作者進行技術交底，講解技術要點和技術要求。

5 結(jié)論

（1）對于42CrMo轉(zhuǎn)子軸和Q235B輻板異種鋼焊接，選擇低氫堿性焊絲ER55-G打底、ER50-6填充蓋面、預熱、焊后去應力退火等工藝措施以防止冷裂紋及控制焊接質(zhì)量。

（2）采用上述焊接工藝措施焊接電機轉(zhuǎn)子，達到企業(yè)電機設計要求，控制焊接變形，保證焊接質(zhì)量，為后續(xù)焊接制造奠定基礎。

（3）目前該產(chǎn)品已服役，根據(jù)對電機轉(zhuǎn)子焊接產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤，焊接工藝達到設計要求。

[1]郝相帥.20鋼管與35CrMo鋼管接頭的焊接工藝[J].焊接技術，2015（7）：88-90.

[2]許留栓，蔣同武，韓青松.異質(zhì)鋼電機轉(zhuǎn)子軸的冷態(tài)焊接[J].機械工人，2000（6）：25-26.

[3]李雪東，連軍，馬振，等.25CrMo與Q345D焊接裂紋敏感性研究[J].焊接，2012（8）：34-37.

[4]馬振，莊明輝，牟立婷，等.42CrMo鋼與Q235鋼焊接冷裂敏感性研究[J].焊接技術，2017，46（7）：16-18.

[5]張慶鋒，李生智.大型電動機35CrMoA輻板軸焊接工藝[J].金屬加工，2009（2）：32-33.