船用電力推進(jìn)永磁電機(jī)焊接機(jī)座工藝研制

封裕斌，王岳元

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠(chǎng)有限公司，上海 200240)

0 引言

自20世紀(jì)九十年代以來(lái)，世界各強(qiáng)國(guó)艦船推進(jìn)系統(tǒng)就開(kāi)始積極研究電力推進(jìn)。我公司肩負(fù)起自主研發(fā)大容量電力推進(jìn)裝置關(guān)鍵之一的永磁電機(jī)重任，如圖1。

圖1 推進(jìn)永磁電機(jī)

該推進(jìn)永磁電機(jī)中，機(jī)座要支撐起重量達(dá)17噸的轉(zhuǎn)子并裝配連接端蓋﹑冷卻器等零部件。機(jī)座主要采用耐腐蝕性的0Cr18Ni9優(yōu)質(zhì)低磁性不銹鋼和耐低溫沖擊的Q235-D優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼板裝配焊接成型，對(duì)機(jī)座的強(qiáng)度和尺寸精度要求非常高，因此必須保證機(jī)座焊縫的高質(zhì)量和嚴(yán)格控制機(jī)座的焊接變形。

1 制造工藝研發(fā)過(guò)程及結(jié)果

國(guó)外對(duì)該類(lèi)項(xiàng)目技術(shù)全面封鎖，無(wú)參考經(jīng)驗(yàn)，所以我公司技術(shù)人員集思廣益，進(jìn)行多次分析討論機(jī)座的工藝研制工作。其性能要求如下：重量輕，強(qiáng)度高和良好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，尺寸精度高，結(jié)構(gòu)如圖2。

為達(dá)到機(jī)座高性能要求，需采用一定的工藝手段來(lái)保證：

第一，針對(duì)重量輕，對(duì)策為將角焊縫改為坡口焊縫。常規(guī)產(chǎn)品的焊接機(jī)座中，電機(jī)的重量要求不是太高，連接接頭處大多采用部分熔透的角焊縫接頭。而對(duì)于此次研制的特殊電機(jī)，為了控制重量，在結(jié)構(gòu)連接接頭處加工出坡口，采用全熔透的坡口焊縫，沒(méi)有外部的角焊縫，電機(jī)的重量相應(yīng)就降低。

第二，針對(duì)強(qiáng)度高和良好的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，對(duì)策為采用低磁不銹鋼和耐低溫沖擊碳素結(jié)構(gòu)鋼的異種鋼材焊接及高品質(zhì)焊縫[1]；通過(guò)仿真結(jié)果顯示，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響效果最佳。

第三，針對(duì)尺寸精度高，對(duì)策為焊接變形控制。通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的工裝和制定合理的焊接工藝方案，達(dá)到有效控制機(jī)座裝配和焊接制造過(guò)程產(chǎn)生的變形。

在機(jī)座試制過(guò)程中，主要進(jìn)行了如下工作。

1.1 0Cr18Ni9和Q235-D異種鋼焊接

由于0Cr18Ni9鋼屬于奧氏體不銹鋼，與普通碳鋼比較，熱膨脹系數(shù)大而導(dǎo)熱系數(shù)小(熔點(diǎn)：1 398～1 420 ℃，線(xiàn)脹系數(shù)：16.0×10-6/℃，熱導(dǎo)率：2.1 W/(m·℃))。焊接薄板時(shí)，易產(chǎn)生變形；焊接厚件時(shí)，收縮應(yīng)力比低合金結(jié)構(gòu)鋼大，在焊縫金屬凝固時(shí)容易出現(xiàn)熱裂紋，并在焊縫及熱影響區(qū)形成碳化物，降低抗晶間腐蝕能力，由于出現(xiàn)金屬間化合物脆性相，使原材料脆化[2]。Q235-D鋼屬于優(yōu)質(zhì)低碳鋼，熔點(diǎn)：1 493 ℃左右，線(xiàn)脹系數(shù)：12.16×10-6/℃，熱導(dǎo)率：1.21 W/(m·℃)。Q235-D鋼本身焊接性尚可，但與不銹鋼屬于異種鋼焊接，焊接時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂和熱裂紋[3]。

圖2 機(jī)座

根據(jù)對(duì)0Cr18Ni9和Q235-D鋼焊接性的研究，通過(guò)十多種焊接材料的正交對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，決定采用鎳基類(lèi)型的焊接材料，為了保證焊縫成型好，選用藥芯焊絲。

為了機(jī)座產(chǎn)品達(dá)到中國(guó)船級(jí)社標(biāo)準(zhǔn)(CCS)要求，我公司開(kāi)展了異種鋼焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，組織人員進(jìn)行各種焊接參數(shù)下的焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)。按CCS標(biāo)準(zhǔn)焊后試驗(yàn)項(xiàng)目包括：目視檢查、磁粉探傷、超聲波探傷、拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度和低倍金相試驗(yàn)。焊接工藝評(píng)定合格后方能在正式產(chǎn)品上施焊[4]。

1.2 機(jī)座重量輕

機(jī)座常規(guī)采用角焊縫形式，便于焊接操作且焊接變形小。該項(xiàng)目機(jī)座所有鋼板處連接焊縫均采用坡口焊縫形式，坡口焊縫可以使整體機(jī)座重量明顯下降(機(jī)座重量輕，減少上船后電機(jī)總重)，但缺點(diǎn)為坡口焊縫會(huì)造成更嚴(yán)重的焊接變形。通過(guò)設(shè)計(jì)防變形工裝和合理的焊接工藝方案來(lái)控制焊接變形量。

1.3 焊接變形大，尺寸變形如何控制

該機(jī)座比常規(guī)機(jī)座強(qiáng)度、剛度要求高，焊接件多、焊接量大，焊縫尺寸明顯增加，焊縫尺寸增加必然會(huì)導(dǎo)致熱輸入量的增加，造成機(jī)座尺寸的嚴(yán)重變形。我公司常規(guī)采用熔化極氣體保護(hù)焊，該焊接方法焊接效率高但熱輸入量大、飛濺大，容易造成殘余應(yīng)力偏大。為此我公司決定選擇脈沖式鎢極氬弧焊，脈沖式鎢極氬弧焊優(yōu)點(diǎn)：

(1) 精確控制對(duì)焊件的熱輸入和熔池尺寸；

(2) 脈沖電弧可以用較低的熱輸入而獲得較大的焊縫厚度；

(3) 焊接過(guò)程中熔池金屬冷凝快，高溫停留時(shí)間短，可減少熱敏感材料焊接時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向。

該機(jī)座在焊接過(guò)程中，不可避免地產(chǎn)生嚴(yán)重焊接變形。為此特制“米”字型防變形工裝如圖3，利用齒槽控制24根筋的定位，可有效支撐機(jī)座內(nèi)框處的筋板和機(jī)壁，且又不干涉焊接現(xiàn)場(chǎng)操作，如圖4。

圖3 米字工裝

圖4 齒槽控制24根筋的定位圖

利用角鋼固定米字工裝，防止工裝外圓尺寸變形。安裝時(shí)進(jìn)行圓周對(duì)稱(chēng)焊接， 保證焊接變形的均勻性。

1.4 機(jī)座強(qiáng)度高

對(duì)于大尺寸焊縫，公司首先運(yùn)用ANSYS軟件前瞻性地分析了焊縫成型殘余應(yīng)力分布狀態(tài)并得出結(jié)論：多層多道焊比單層單道焊縫，采用多次熱量輸入，如圖5，但多層多道焊縫由于上層焊縫的熱作用對(duì)下層焊縫的熱作用，使得下層焊縫的緩慢降溫，殘余應(yīng)力得到釋放，提高了焊接的可靠性。比起常規(guī)產(chǎn)品的單道單層焊縫，該機(jī)座創(chuàng)新地將采用了多層多道式焊縫形式，降低機(jī)座的殘余應(yīng)力，提升機(jī)座整體強(qiáng)度。

圖5 改進(jìn)焊縫

為了進(jìn)一步消除機(jī)座內(nèi)應(yīng)力，機(jī)座將進(jìn)行熱處理消除內(nèi)應(yīng)力，工藝見(jiàn)圖6。熱處理工藝為了防止不銹鋼晶間腐蝕，控制在敏化溫度410 ℃，保溫18 h，進(jìn)行消除內(nèi)應(yīng)力。熱處理裝爐時(shí)應(yīng)將焊接件底墊平填實(shí)，保持裝爐平穩(wěn)，防止松動(dòng)和變形。裝爐應(yīng)合理，保證爐氣正常循環(huán)，應(yīng)避免火焰直接噴射工件表面，以免產(chǎn)生局部過(guò)熱。

有效控制熱處理過(guò)程和熱處理參數(shù)，消除機(jī)座焊接變形應(yīng)力，更進(jìn)一步鞏固了機(jī)座的強(qiáng)度。

圖6 熱處理曲線(xiàn)圖

1.5 保證焊縫的高品質(zhì)

公司在制造過(guò)程中嚴(yán)格實(shí)施焊接參數(shù)的控制，焊接方法：鎢極氬弧焊，焊接電流為100～130 A，電壓為10～14 V，焊接速度為10～15 cm/min，氬氣流量為10～15 L/min。公司嚴(yán)格按工藝評(píng)定參數(shù)執(zhí)行，并做好清根焊透工藝。

對(duì)機(jī)座所有連接焊縫按NB/T 47013.5標(biāo)準(zhǔn)作著色無(wú)損探傷檢測(cè)并按Ⅰ級(jí)驗(yàn)收，確保了焊縫的質(zhì)量。

2 結(jié)語(yǔ)

該機(jī)座是永磁推進(jìn)電機(jī)的核心部件，支撐起轉(zhuǎn)子并裝配連接端蓋﹑冷卻器等零部件。我公司通過(guò)工藝研發(fā)，解決了異種鋼難以焊接，焊接變形大，機(jī)座重量的控制等問(wèn)題；最終使機(jī)座滿(mǎn)足設(shè)計(jì)高性能要求，極大的支撐了特種電機(jī)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。