22 MW同步水利電動(dòng)機(jī)機(jī)座的焊接工藝研究

孫亞男

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)制造了中國(guó)第一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)和世界第一臺(tái)雙水內(nèi)冷汽輪發(fā)電機(jī)，在國(guó)內(nèi)外贏得了很高聲譽(yù)。近年來(lái)努力拓展“一帶一路”市場(chǎng)，印度GLIS泵站22 MW 12 P電機(jī)為大容量、高轉(zhuǎn)速、高揚(yáng)程、立式水泵用同步電動(dòng)機(jī)，是我公司獨(dú)立承接的印度水利行業(yè)訂單，品牌和市場(chǎng)推廣意義重大。

該電機(jī)機(jī)座為八邊形結(jié)構(gòu)。外形尺寸為(4 100 mm×4 100 mm×2 620 mm)。機(jī)座框架焊接結(jié)束后仍需在一端端頭機(jī)壁上焊接不銹鋼板條180根，此為異種材料焊接且焊接量大，焊接變形大且難控制[1]。圖1為機(jī)座框架部分三維視圖，總體分為三層，即上機(jī)架端-定子端-下機(jī)架端。圖2為機(jī)座焊接板條示意圖，一端機(jī)壁圓周方向焊接180根板條和108片擋風(fēng)板。機(jī)壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風(fēng)板(Q235-A)為異種材料焊接。

焊接方法的選擇、焊接參數(shù)的選定、焊接變形的控制是本文研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 工藝分析

機(jī)壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風(fēng)板(Q235-A)的異種材料焊接需根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、焊縫成形、施焊空間等進(jìn)行綜合考慮分析。

圖1 機(jī)座框架部分三維視圖

圖2 機(jī)座焊接板條示意圖

機(jī)壁(Q235-A)與180根板條(0Cr18Ni9)角焊縫焊接量大，采用常用的CO2氣體保護(hù)焊，焊接部位的銹層、濕氣、油污、灰塵等應(yīng)全部清理干凈。CO2氣體保護(hù)焊的特點(diǎn)主要有如下幾點(diǎn)：

(1)生產(chǎn)效率高。采用較粗的焊絲(焊絲直徑大于1.6 mm)焊接時(shí)，可以使用較大的電流，實(shí)現(xiàn)射滴過(guò)渡。這種方法基本上沒(méi)有熔渣，一般不需要清渣，從而節(jié)省了許多輔助時(shí)間，較大的提高焊接生產(chǎn)效率。

(2)焊接變形小。電流密度高，熱量集中，受熱面積小，故工件焊后變形小。特別是焊接薄板時(shí)，往往不需要焊后校平工序。

(3)CO2氣體保護(hù)焊是一種低氫型焊接方法，焊縫含氫量很低，所以在焊接低合金鋼時(shí)不易產(chǎn)生冷裂紋。

(4)此種方法屬于明弧焊接，電弧可見(jiàn)性好。

(5)操作簡(jiǎn)單，容易掌握[2]。ER309焊絲為常用的碳鋼、不銹鋼焊接用焊絲。ER309焊絲主要成分為22Cr-12Ni，為不銹鋼MIG焊絲，可全位置焊接。焊接作業(yè)性極佳，送絲順暢、電弧穩(wěn)定、成形美觀、飛濺極少。熔敷金屬含有鐵素體，抗裂性能良好，耐腐蝕性能良好。因合金的含量高，耐高溫性良好。常用于碳鋼與不銹鋼異種材料焊接。

板條(0Cr18Ni9)與擋風(fēng)板(Q235-A)的焊接僅為三處搭焊，焊接量小，空間位置狹小，故采用手工電弧焊。手工電弧焊具有下列特點(diǎn)：

(1)操作靈活。手工電弧焊不論在焊接車間內(nèi)，還是在野外施工現(xiàn)場(chǎng)均可采用。由于設(shè)備簡(jiǎn)單、移動(dòng)方便、電纜長(zhǎng)、焊把輕巧等特點(diǎn)，手工電弧焊既適用于平焊、立焊、仰焊等各種空間位置的焊接，又適用于對(duì)接、搭接、角接、T形接頭等各種形式構(gòu)件的焊接。可以說(shuō)，凡是焊條能達(dá)到的任何位置的接頭，均可采用手工電弧焊方法連接。

(2)待焊接頭裝配要求低。由于焊接過(guò)程由焊工控制，可以適時(shí)調(diào)整電弧位置和運(yùn)條手勢(shì)，修正焊接規(guī)范，以保證跟蹤焊縫和均勻熔透。因此，對(duì)焊接接頭的裝配尺寸要求相對(duì)降低。

(3)可焊金屬材料廣。A302焊條為常用的碳鋼、不銹鋼焊接用焊條，是鈦鈣型藥皮的22Cr-12Ni不銹鋼焊條，熔敷金屬具有良好的抗裂性及抗氧化性，有良好的焊接工藝性能。焊縫金屬中較多的鐵素體，裂紋敏感性低。電弧穩(wěn)定、成型美觀、波紋細(xì)膩、飛濺極少、脫渣容易，藥皮耐火性優(yōu)良、抗氣孔性佳。

擋風(fēng)板(Q235-A)與機(jī)壁(Q235-A)為角接焊縫，為減少后續(xù)的焊接飛濺清理工作，在空間有限的情況下采用藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。藥芯焊絲有如下特性：

(1)藥芯焊絲的藥芯成分起造渣劑和脫氧劑作用，降低焊縫中的含氣量和非金屬夾雜物的含量，提高了焊縫金屬性能。

(2)實(shí)現(xiàn)了氣-渣聯(lián)合保護(hù)，避免了CO2氣體保護(hù)焊所出現(xiàn)的飛濺大、焊縫成形不良的缺點(diǎn)。E501T-1藥芯焊絲電弧柔和穩(wěn)定，飛濺少，減少了清除飛濺和修磨焊縫表面的時(shí)間，成型美觀，脫渣性好，煙塵量少，具有優(yōu)良的焊接工藝性能。使用藥芯焊絲后，生產(chǎn)周期縮短且焊縫質(zhì)量容易保證，帶來(lái)了高的綜合效益。

針對(duì)不同材料及焊接方法，進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定。根據(jù)合格的焊接工藝評(píng)定報(bào)告(PQR)編制了用于產(chǎn)品施焊的焊接工藝規(guī)程(WPS)。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 機(jī)座框架焊接工藝

機(jī)座外形尺寸為(4 100 mm×4 100 mm×2 620 mm)，機(jī)壁允許拼接，拼接處焊縫進(jìn)行磁粉探傷(MT)和超聲波探傷(UT)。MT按GB/T 26952中2級(jí)驗(yàn)收，UT按GB/T 11345檢測(cè)，按GB/T 29712中2級(jí)驗(yàn)收。在零件落料完成后，重點(diǎn)攻關(guān)機(jī)座裝配過(guò)程。采用整體從下往上，機(jī)壁-撐板-罩板的順序逐層進(jìn)行機(jī)座框架的裝配工作，裝配工序分解為下機(jī)架端-定子端-上機(jī)架端。下機(jī)架端機(jī)壁，在確定好圓心后，用U型夾固定好機(jī)壁并畫劃撐板和罩板位置線。下機(jī)架端撐板，用直角尺保證筋板垂直并定位，并用其復(fù)核筋板垂直度，再依次裝配好撐板與撐管，并復(fù)核徑向、圓周尺寸。下機(jī)架端罩板采用四拼裝焊形式，非設(shè)計(jì)圖紙單件拼整圓，并用鍥在圓周方向定位。對(duì)滾圓壓頭部分進(jìn)行火焰整形，保證整圓拼焊。整個(gè)裝配過(guò)程配合采用撐工藝撐筋、吊垂線等措施，并多次復(fù)核各檔尺寸。定子端和上機(jī)架端也按照上述過(guò)程進(jìn)行裝配，機(jī)壁-撐板-罩板的順序逐層完成了機(jī)座框架的裝配工作，機(jī)座框架裝配完成如圖3所示。

機(jī)座框架部分焊接主要采用CO2氣體保護(hù)焊，φ1.2 mm ER50-6焊絲。機(jī)座框架部分焊接結(jié)束后，整體進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力[3]，并對(duì)重要焊縫進(jìn)行了磁粉探傷，MT按GB/T 26952中2級(jí)驗(yàn)收。

圖3 機(jī)座框架裝配完成

2.2 機(jī)座板條焊接工藝

機(jī)座框架部分焊接結(jié)束后，需在一端機(jī)壁圓周方向焊接180根板條和108片擋風(fēng)板。機(jī)壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風(fēng)板(Q235-A)為異種材料焊接。板條的等分、焊接方法、焊材選擇及變形控制是此工序的難點(diǎn)。

將難點(diǎn)化整為零，把180根板條按最短一根分為18組，每組10根，均布“長(zhǎng)短長(zhǎng)”3組+最短一根，如圖4所示。

圖4 一組板條及擋風(fēng)板

裝配定位前，將焊接機(jī)座機(jī)壁下平面加工至φ3 500 mm直徑(焊接機(jī)座變形良好)，與工裝金加工平面配合。在機(jī)壁平面止口上刻R1620 mm、R1570 mm兩條節(jié)圓線，復(fù)核板條徑向位置；并劃整圓六等分線，復(fù)核板條圓周方向位置。在機(jī)壁12點(diǎn)鐘、6點(diǎn)鐘方向預(yù)鉆2-φ40 mm孔，與工裝墊板定位。

設(shè)計(jì)了工裝板條定位裝置，并借用壓裝工裝來(lái)墊實(shí)焊接區(qū)域，避免懸空，如圖5、圖6所示。

圖5 板條定位裝置整體設(shè)計(jì)圖

裝配時(shí)，借用壓裝工裝底板和下墊板來(lái)墊實(shí)焊接區(qū)域，底板和下墊板用兩個(gè)定位銷固定好后，將框架機(jī)座吊入置于底板上，底板和框架機(jī)座亦用兩個(gè)定位銷固定。用兩個(gè)定位銷固定板條定位裝置于壓裝工裝下墊板上，并鉆攻四個(gè)起吊螺孔。將一組板條(“長(zhǎng)短長(zhǎng)”3組+最短一根)按順序依次放入板條定位裝置，注意倒角方向，劃線確定焊縫位置及長(zhǎng)度，定位焊板條與機(jī)壁，定位好后利用起頂孔取出工裝板條定位裝置，完成板條與機(jī)壁間焊縫。按圓周順序依次重復(fù)上述步驟完后整圓的180根板條與機(jī)壁焊縫，如圖7所示。

如圖8所示，裝配、定位焊108片擋風(fēng)板。為了避開板條與機(jī)壁間焊縫，擋風(fēng)板兩側(cè)開10×45°倒角。將擋風(fēng)板與板條先定位焊好，再焊接擋風(fēng)板與機(jī)壁間焊縫。

圖7 板條焊接過(guò)程

圖8 擋風(fēng)板焊接過(guò)程

根據(jù)焊接工藝規(guī)程(WPS)要求的參數(shù)施焊，具體如下表1所示。

表1 板條、機(jī)壁、擋風(fēng)板焊接參數(shù)表

3 試驗(yàn)結(jié)果

焊接全部結(jié)束，將焊有板條的機(jī)壁下平面和板條上平面進(jìn)行加工。加工后測(cè)得變形如下：機(jī)壁平面度偏差≤0.2 mm，板條平面度偏差≤0.6 mm。完全滿足圖紙要求，此結(jié)構(gòu)的異種材料的焊接變形得到了很好的控制。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)板條的等分工裝來(lái)實(shí)現(xiàn)板條的定位，采用合理的焊接工藝來(lái)保證異種材料的焊接變形控制。

(2)根據(jù)焊接工藝評(píng)定參數(shù)施焊，保證了焊縫質(zhì)量。