42CrMo制變槳齒圈在線焊接修復(fù)工藝及可靠性評估

姚 鵬 ，秦思遠(yuǎn) ，劉洪冰 ，陳超凡 ，王金生 ，李振國 ，郭志杰

1.清華大學(xué) 天津高端裝備研究院 洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地，河南 洛陽 471000

2.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100036

3.中能智能（北京）能源科技有限公司，北京 100036

4.大生清風(fēng)（北京）科技有限公司，北京 100036

0 前言

結(jié)合當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展環(huán)境及政策趨勢，能源安全、清潔化轉(zhuǎn)型是我國“十四五”重要的能源戰(zhàn)略之一，因此，風(fēng)能資源的利用和開發(fā)將在“十四五”迎來更大發(fā)展?？焖僭鲩L的風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)速度和容量，使中國成為名副其實的風(fēng)電第一大國，也帶動了龐大的風(fēng)機(jī)運(yùn)維市場需求。

風(fēng)電機(jī)組的全生命周期中，持續(xù)時間最長的就是運(yùn)維。在電動變槳齒輪驅(qū)動類風(fēng)機(jī)的變槳系統(tǒng)中，變槳軸承的內(nèi)齒圈（以下簡稱“變槳齒圈”）是風(fēng)電機(jī)組傳動系統(tǒng)中受力最復(fù)雜的零部件之一，雖然變槳齒圈的設(shè)計壽命不小于20年［1］，但由于工作環(huán)境惡劣、承受交變載荷等原因，變槳齒圈在運(yùn)行3～5年后會出現(xiàn)不同程度的磨損失效形式，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)無法正常工作，嚴(yán)重時將引發(fā)飛車、倒塔等大型事故。傳統(tǒng)吊裝更換方案具有周期長、成本高、發(fā)電量損失巨大等缺點，而且易造成基礎(chǔ)運(yùn)維費(fèi)用過高，是廣大業(yè)主面臨的難題之一。

變槳齒圈多由42CrMo制成，42CrMo屬于高淬硬傾向鋼［2］，焊接過程中焊道易形成含碳量高、硬度大的馬氏體組織，從而導(dǎo)致過熱區(qū)出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，焊接難度大。隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，一些學(xué)者在42CrMo的焊接上取得了一定研究成果［3-7］，并將其應(yīng)用于特大型轉(zhuǎn)盤軸承返修，可快速、有效地對軸承的磨損失效進(jìn)行修復(fù)，恢復(fù)零部件的機(jī)械性能，滿足再次服役要求，延長使用壽命。但這些研究成果均需借助大型加工設(shè)備或火焰加熱處理工藝。此外，根據(jù)風(fēng)機(jī)變槳齒圈制造標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行要求［8］，為保證材料的淬透性好，42CrMo的化學(xué)成分中會添加一定量的合金元素。受合金元素影響，在42CrMo表面堆焊過程中，焊道在凝固結(jié)晶時，結(jié)晶溫度區(qū)間跨度大，偏析傾向嚴(yán)重，易出現(xiàn)結(jié)晶裂紋，具有較大的熱裂紋敏感性［9］，焊接難度大。

風(fēng)電機(jī)組變槳齒圈在線修復(fù)屬于高空特種作業(yè)，因空間限制，無法使用常規(guī)加熱手段或設(shè)備。同時，變槳齒圈尺寸大，熱傳導(dǎo)是主要的散熱途徑，常規(guī)的加熱及保溫方式均無法達(dá)到期望效果［10］。本文采用H27焊材和手工鎢極氬弧焊對42CrMo變槳齒圈進(jìn)行堆焊修復(fù)，使用超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備和回火焊道技術(shù)進(jìn)行焊前預(yù)熱和焊后緩冷，通過焊后有效硬度層檢測、耐磨測試、金相組織分析及模擬運(yùn)行測試等，系統(tǒng)評估修復(fù)后齒輪運(yùn)行的可靠性，為風(fēng)電機(jī)組變槳齒圈在線修復(fù)應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

相關(guān)研究和設(shè)計手冊表明［11-14］，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組變槳齒圈單邊磨損量超過3 mm時，風(fēng)機(jī)葉片變槳精度將受到嚴(yán)重影響，繼續(xù)運(yùn)行可能導(dǎo)致安全事故。因此，本文針對磨損量在3 mm以內(nèi)的變槳齒圈的焊接修復(fù)工藝展開研究。變槳齒圈材質(zhì)為42CrMo，屬于中碳調(diào)質(zhì)鋼，其化學(xué)成分和機(jī)械性能分別如表1、表2所示［15］，為得到較高的強(qiáng)度性能，整體調(diào)質(zhì)后采用表面淬火的方式處理，加工后齒輪表面硬度可達(dá)60 HRC。

表1 42CrMo的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 42CrMo （wt.%）

表2 42CrMo的機(jī)械性能（調(diào)質(zhì)）Table 2 Mechanical property of 42CrMo（Quenching and tempering）

在充分考慮42CrMo焊接特性和高空作業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)上，選用清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地研發(fā)的系列材料H27，其化學(xué)成分如表3所示。該材料基于文獻(xiàn)［16］的研究，采用合金粉末制成，與42CrMo結(jié)合性好，生成的增強(qiáng)相可在42CrMo基體中均勻彌散，焊后冷裂紋傾向低，耐磨性優(yōu)異。同時，為改善接頭質(zhì)量，焊接過程中選用特殊加熱保溫裝置及工藝用于焊前預(yù)熱和焊后緩冷，滿足變槳齒圈高空在線修復(fù)需求。

表3 H27的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 3 Chemical composition of H27 （wt.%）

1.2 試驗方法

1.2.1 焊前準(zhǔn)備

焊前使用抹布、清洗劑和角磨機(jī)等工具，將待焊接修復(fù)的齒及周圍油污、水分和氧化皮等雜質(zhì)清理干凈。使用齒規(guī)、齒厚游標(biāo)卡尺或塞尺等工具測量輪齒的磨損量，如圖1所示，根據(jù)磨損量合理規(guī)劃焊道、起弧和收弧點。

圖1 磨損量檢測Fig.1 Wear measurement

1.2.2 焊前預(yù)熱

采用超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備對待修復(fù)齒預(yù)熱去氫，預(yù)熱溫度控制在120～200 ℃，加熱區(qū)域為齒根向上10 mm區(qū)域，如圖2所示。為避免驟熱引起材料表面出現(xiàn)淬硬變化，選用5 kW檔位的小功率對待焊接部位加熱，加熱全程使用紅外測溫儀對齒頂測溫監(jiān)測，直至加熱溫度滿足焊接要求。小功率加熱方式可使修復(fù)齒獲得一個較為均勻的溫度場，有助于提升焊接質(zhì)量。

圖2 超音頻感應(yīng)加熱Fig.2 Super-frequency induction heating

1.2.3 施焊

預(yù)熱結(jié)束后立即采用手工鎢極氬弧焊施焊，直流正接，焊接速度以能形成連續(xù)熔池為宜，焊機(jī)選用奧太WSM-315d/400d直流脈沖氬弧焊機(jī)，詳細(xì)焊接參數(shù)見表4，短弧施焊（弧長不大于3 mm），相鄰焊道搭接寬度為焊道寬度的1/3左右，焊縫外觀成形良好。焊道對稱布置，在打底層或過渡層施焊過程中，熔覆金屬平面寬度的對稱中心線沿長度方向焊接第一道焊道，第二道焊道布置在第一道焊道左側(cè)并緊鄰第一道焊道，第三道焊道布置在第一道焊道右側(cè)并緊鄰第一道焊道，左、右兩側(cè)依次交替對稱布置焊道，道間起弧處和熄弧處應(yīng)錯開，間距不小于10 mm。每層熔覆金屬高度應(yīng)在1 mm左右，道寬不大于8 mm，焊層示意如圖3所示。

圖3 焊層示意Fig.3 Welding layer

表4 焊接參數(shù)Table 4 Welding parameters

受高空作業(yè)和空間影響，無法采用火焰或大型加熱設(shè)備對焊接部位進(jìn)行焊后緩冷，針對該難點本研究采用回火焊道工藝［17-18］，以減緩焊道冷卻速度，保證內(nèi)部組織成形良好，確保熔覆層金相組織分布均勻。同時，焊接結(jié)束后立即使用超音頻感應(yīng)加熱設(shè)備對施焊部位加熱保溫，再次減緩焊道冷卻速度，以改善焊后接頭質(zhì)量，降低熱影響區(qū)、焊縫處殘余應(yīng)力，緩冷時間2 h。之后進(jìn)行齒形檢測和硬度檢測。

（1）齒形檢測。待焊接處冷卻至室溫后，打磨修形，打磨過程中不斷檢測修復(fù)齒尺寸，檢測方式為使用齒形檢驗工具沿齒寬方向在靠近每個齒的上、中、下部位分別檢測1處，如圖4所示，每處的齒隙應(yīng)符合GBT 10095.2—2008《圓柱齒輪 精度制 第2部分：徑向綜合偏差與徑向跳動的定義和允許值》要求。

圖4 齒形檢測示意Fig.4 Shape measurement

（2）硬度檢測。對LS-140高精度便攜式里氏硬度計校準(zhǔn)后，分別對每個齒的上、中、下部位檢測齒面硬度，測量間距30 mm，每個點測量不低于5次，硬度值應(yīng)符合GB/T 29717—2013《滾動軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》要求。

2 可靠性驗證

根據(jù)GB/T 29717—2013《滾動軸承 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組偏航、變槳軸承》規(guī)定，變槳齒圈輪齒表面硬度為50～60 HRC，有效硬度層深度應(yīng)符合表5的規(guī)定，因此，輪齒焊后表面硬度需達(dá)到（55±5） HRC，有效硬度層符合該標(biāo)準(zhǔn)要求，且機(jī)械性能滿足運(yùn)行要求。本研究對修復(fù)齒采用有效硬度層檢測、耐磨測試、金相組織分析及模擬運(yùn)行測試等，評估齒輪修復(fù)后運(yùn)行的可靠性。

表5 齒面有效硬度層深度Table 5 Effective hardness layer depth

2.1 梯度硬度值

在變槳齒圈磨損處熔覆3 mm厚的熔覆層后進(jìn)行染色探傷檢測，確認(rèn)熔覆層無裂紋、氣孔及夾渣。使用角磨機(jī)將熔覆層打磨成沿齒面向內(nèi)的梯度形狀，相鄰梯度間高度差為0.5 mm，如圖5所示。測量相應(yīng)深度的硬度值，每個區(qū)域選取3個點測量，測量結(jié)果如表6所示。由表6可知，H27熔覆層表面及內(nèi)部硬度均在（55±5） HRC的范圍內(nèi)，滿足變槳齒圈有效硬度層深度要求。

圖5 梯度硬度示意Fig.5 Gradient hardness

表6 梯度硬度值Table 6 Gradient hardness value

2.2 耐磨測試

結(jié)合變槳齒圈運(yùn)行模式和環(huán)境，耐磨測試采用QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗機(jī)，無潤滑措施。制備試驗用盤樣件，采用前文相同焊接工藝在42CrMo材料表面熔覆材料H27，厚度3 mm，對比樣件為淬火態(tài)42CrMo盤樣件。同時，選用淬火態(tài)42CrMo制備配副銷，盤樣件及配副銷如圖6所示。

圖6 試驗樣件Fig.6 Testing sample

熔覆H27后的42CrMo、淬火態(tài)42CrMo摩擦磨損試驗參數(shù)如表7所示，兩種材料分別進(jìn)行3組試驗，通過對比盤樣件的失重來表征材料的耐磨性，稱重使用BS210S天平，Max值210 g，可讀性為0.000 1 g。

表7 摩擦磨損試驗參數(shù)Table 7 Friction and wear test parameters

QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗結(jié)果見表8?？梢钥闯?，熔覆H27的42CrMo和淬火態(tài)42CrMo的失重值較為接近，兩者的耐磨性處于同水平。

表8 耐磨測試結(jié)果Table 8 Wear resistance test results

2.3 金相組織

QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗結(jié)束后，熔覆H27后的42CrMo盤樣件沿豎直方向切片，通過鑲樣、打磨、拋光、腐蝕、沖洗及烘干等工序，制備金相試樣，觀測其金相組織，結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 熔覆層、熔合區(qū)、熱影響區(qū)和基材的金相組織Fig.7 Metallographic structure of cladding layer，bonding layer，heat-affected zone and base

圖8 耐磨層金相組織Fig.8 Metallographic structure of wear protection layer

圖7為熔覆層、熔合區(qū)及基體的微觀金相組織?？梢钥闯觯酆蠀^(qū)充分發(fā)生牢固的冶金結(jié)合，熔合線均勻平直，大大減小了焊接應(yīng)力?；w熱影響區(qū)晶粒呈現(xiàn)均勻細(xì)小的等軸晶特征，未出現(xiàn)晶粒異常長大、混晶等不良現(xiàn)象。

圖8為熔覆層微觀金相組織，在板條狀馬氏體基體上彌散分布著大量的微米級碳化物顆粒，該組織有利于提高熔覆層的硬度，同時在相應(yīng)的預(yù)熱及緩冷工藝作用下，組織分布均勻、密集，可使熔覆層具有優(yōu)異的耐磨性。金相組織所表征出的材料特性與梯度硬度值及耐磨測試中的結(jié)果相符。

2.4 模擬運(yùn)行

為驗證修復(fù)后輪齒運(yùn)行的可靠性，本研究對修復(fù)齒開展模擬運(yùn)行試驗，試驗在2 MW輪轂試驗平臺上開展，齒輪信息如表9所示。模擬運(yùn)行前，在齒圈上焊接3個齒，編號為B1～B3，焊后對3個齒進(jìn)行染色滲透顯像檢測，未見裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，如圖9所示。

圖9 運(yùn)行前檢測Fig.9 Measurement before testing

表9 齒輪參數(shù)Table 9 Gear parameters

檢測結(jié)束后，開展模擬運(yùn)行測試，運(yùn)行采用脂潤滑。試驗時長474.5 h，剎車力矩設(shè)為164 kN·m。試驗期間，定期檢查修復(fù)齒的磨損量并記錄，檢查結(jié)果如表10所示。結(jié)果表明，試驗平臺運(yùn)行至191.5 h時，各齒均出現(xiàn)微小的磨損，B2磨損最嚴(yán)重，磨損量達(dá)到0.03 mm。分析原因為齒修復(fù)完畢后，其表面平面度相對低一些，因此前期的嚙合會將高的部分磨損掉，類似于新齒輪運(yùn)行初期的磨合。磨合結(jié)束后，在表面耐磨層的作用下，齒的磨損情況未有增加，可見表面耐磨層的耐磨性能非常優(yōu)異。在檢測磨損量的同時，還對這3個齒進(jìn)行滲透探傷檢測，如圖10所示，未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，說明表面H27熔覆層與變槳齒圈基體42CrMo結(jié)合性高，抗疲勞性能優(yōu)異。

圖10 運(yùn)行后的探傷檢查Fig.10 Measurement after testing

表10 齒的磨損量Table 10 Abrasion loss

3 結(jié)論

（1）梯度硬度值、耐磨測試及金相組織等結(jié)果表明，H27焊材及配套工藝與42CrMo結(jié)合性好，熔覆層中的馬氏體基體上彌散分布了大量的微米級碳化物顆粒，有利于提高熔覆層的硬度，同時在相應(yīng)的預(yù)熱及緩冷工藝作用下，組織分布均勻、密集，使熔覆層具有優(yōu)異的耐磨性。

（2）模擬運(yùn)行結(jié)果表明，在表面熔覆層優(yōu)異的耐磨性作用下，齒輪初期磨合結(jié)束后，齒面未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。

（3）H27焊材及配套工藝為風(fēng)電機(jī)組變槳齒圈磨損高空在線修復(fù)提供一種參考方案，避免了傳統(tǒng)吊裝更換所帶來的高運(yùn)維成本和高發(fā)電量的損失，對推進(jìn)我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有一定意義。