王慶偉

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川618000)

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永磁直驅(qū)風力發(fā)電機轉子機座退火變形的控制

王慶偉

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川618000)

轉子機座采用分部裝配結合剛性固定的方式進行焊接，嚴格控制退火過程，實踐證明此方法效果較好，變形得到了控制。

轉子機座；分部裝配；剛性固定；保溫溫度；冷卻速度；退火變形

隨著風電裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，目前的主流機型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機市場前景越來越廣闊，轉子機座(以下簡稱機座)作為該機型的核心部件，制造難度較大。機座是由筒體、法蘭和錐體組成的焊接結構(見圖1)，筒體壁厚50mm，直徑5m，工件高1.5m，重12t。由于其大直徑、薄壁的固有屬性，具有殼體成型橢圓度誤差大、剛性差的特點，在焊后去應力退火過程中由于焊接殘余應力的釋放及退火過程控制不嚴將使其產(chǎn)生變形。若機座變形超差會導致加工后偏重和壁厚減薄，機座偏重將加劇電機運行時的震動，機座壁厚減薄導致強度降低，將影響電機運行時定轉子之間的氣隙。同時，由于變形超差必須對機座進行火焰校正，大面積的火焰校正不僅增加了勞動強度，而且降低退火效果，導致機座精加工后變形。以下對退火過程中影響機座退火變形的各個因素進行全面的分析總結，將轉子機座焊接、退火后筒體橢圓度誤差控制在6mm以內(nèi)，為永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的批量化生產(chǎn)打下堅實的基礎。

1　焊接殘余應力的產(chǎn)生和危害

焊接時在焊件局部產(chǎn)生具有一定溫度梯度的溫度場，焊件高溫區(qū)域需要較大的膨脹伸長量但受到鄰近焊件的約束，焊件內(nèi)將產(chǎn)生較高的溫度應力，在焊接過程中隨時間和溫度的變化而不斷變化，稱之為焊接應力。焊接應力若達到鋼材屈服極限將使焊件發(fā)生塑性變形，且在焊件冷卻后一部分應力殘存于焊件內(nèi)，稱之為焊接殘余應力。

圖1　轉子機座結構三維圖Figure 1　Three-dimensional diagram of rotor frame structure

焊接殘余應力是引起焊接結構形位變化的根源，由于焊接殘余應力的存在，機械加工后會引起構件截面形心軸發(fā)生變化，同時引起焊接殘余應力的重新分布，導致加工后產(chǎn)生形位變化，即加工精度發(fā)生變化。因此結構件焊接后要先進行消除應力處理再進行機械加工。

2　去應力退火的原理

目前消除焊接殘余應力的方法主要有自然時效法、錘擊法、焊后熱處理法、振動時效法、超聲波沖擊法(毫克能)及激光沖擊法等。其中焊后熱處理法是應用最廣泛的處理工藝。

對于低碳結構鋼和合金結構鋼，焊后去應力退火是將工件加熱到550～650℃，根據(jù)工件的最大壁厚保溫一定的時間。去應力退火后工件殘余應力峰值的降低取決于保溫溫度下金屬材料的屈服強度以及蠕變特性。焊接件屈服強度隨著加熱溫度的升高而降低，當屈服強度下降到一定水平，焊接殘余應力指標大于加熱金屬的屈服強度時，工件就會產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使焊接件中的焊接殘余應力得到釋放。

3　轉子機座去應力退火變形的控制措施

3.1降低焊接殘余應力水平

(1)從筒體的成型到組裝的各個工序，都能產(chǎn)生殘余應力，其中冷作成型、火焰校形、強力組裝易增大殘余應力。

轉子機座筒體卷制成型后應進行局部火焰校正至圓度≤5mm(成型時直徑上預留4mm焊接收縮量)，一端加支撐將筒體圓度調(diào)整至≤3mm后剛性固定，支撐端部呈圓弧狀與筒體內(nèi)壁應面接觸，支撐應留到退火完成后再去除，以防止工件在自由狀態(tài)下退火變形超差，如圖2和圖3所示。

筒體成型后裝焊前進爐進行中間消除應力熱處理(ISR)580℃±20℃×2h，以消除冷作應力和火焰校形應力，穩(wěn)定筒體尺寸，避免冷作應力、拘束應力與焊接殘余應力疊加而增加工件宏觀應力的幅值。

圖2　筒體成型后火焰校圓Figure 2　Roundness correction by flame　after barrel forming

圖3　筒體校圓后支撐工裝Figure 3　Support tooling after barrel　roundness correction

(2)分部組裝與剛性固定都是控制焊接結構變形常用的方法，但這兩種方法的作用和效果有時卻恰恰相反。分部組裝焊接具有以下優(yōu)越性：

a)通過分部組裝，能夠有效補償焊縫收縮量。

b)可以提高鉚焊質(zhì)量，改善工人的焊接操作條件。

c)可以有效的減緩焊接的剛性拘束程度，減小焊接應力和焊接變形，同時還可以及時對焊接變形進行矯正。

d)可以提高生產(chǎn)面積的利用率，減少和簡化總裝時所有的工位數(shù)，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，在批量化生產(chǎn)時可廣泛采用專用的胎具。

由于分部組裝焊接的一系列優(yōu)點，轉子機座裝焊采取分部組裝的方式?！靶?+序3+序4”先行單獨裝焊，高度上預留5mm～8mm焊接收縮量，同時在“2+項3”之間利用筋板剛性固定，焊后對法蘭面及錐面進行火焰校正，保證二個法蘭面的平面度≤4mm(如圖4所示)。合格后與“序1筒體”組焊，焊前按圖5所示布置筋板進行剛性固定。轉子機座采用分部組裝的方式，可有效緩解整體裝焊的拘束程度，防止焊后去應力退火過程中由于高水平應力釋放產(chǎn)生較大的變形。

圖4　法蘭與錐體單獨裝焊圖Figure 4　Separate welding of flange and cone

圖5　轉子機座筒體與組件裝焊示意圖Figure 5　The schematic diagram of welding rotor　frame barrel and assembly

3.2退火裝爐注意事項

(1)熱處理爐應按GB/T9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測定方法》進行爐溫均勻性檢測，保證機座置于熱處理爐的有效加熱區(qū)內(nèi)。測溫熱電偶、記錄儀表應定期檢定。減少轉子機座各部分的溫差，溫差越小，應力去除的越充分和均勻。

(2)裝爐量要合適，配爐時盡可能將工件壁厚與轉子機座壁厚較為接近的工件裝為一爐。工件的排列和支撐應有利于工件均勻加熱，并保證爐內(nèi)氣氛的正常流通。轉子機座離爐壁至少300mm以上，應保證火焰不直接噴射到工件上。若分層裝爐應遵循“大件不壓小件”、“重件不壓輕件”的原則。

(3)轉子機座應調(diào)平且懸空的部位應予以支撐10點以上，要求水平度≤4mm，避免工件在自重或壓力的作用下產(chǎn)生較大的變形。轉子機座上的防變形拉筋、筒體支撐應保留至退火出爐再去除。

圖6　轉子機座退火裝爐Figure 6　The rotor frame charging for annealing

3.3保溫溫度和保溫時間

(1)去應力退火最重要的是保溫溫度，殘余應力因塑性變形或蠕變變形而產(chǎn)生松弛就依賴于保溫溫度，因此溫度的選取就極為重要。溫度過低，工件不可能在短時間內(nèi)完成局部應力松弛的塑形變形；溫度過高，不僅會使母材和焊縫的力學性能惡化，還會產(chǎn)生較大的彎曲變形。

針對碳鋼和低合金鋼去應力退火溫度為Ac1-(100～200)℃，一般采用550～650℃。因為Q345E鋼在600℃左右時屈服極限已經(jīng)降到最低值，所以將轉子機座退火保溫溫度定為600℃。

(2)保溫時間是去應力退火工藝的一個重要參數(shù)，消除焊接結構件的殘余應力，需要足夠的保溫時間使局部塑性變形和應力釋放過程得以完成。

按照GB/T30583《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》，保溫時間根據(jù)工件壁厚來計算最小保溫時間。針對Q345母材，保溫溫度為600℃，當δ≤50mm時，最短保溫時間為(δ/25)h，至少15min；當δ>50mm時，最短保溫時間為[2+(δ-50)/100]h。

同時，也可以利用回火參數(shù)P來推算[1]，P=T(20+lgt)。式中，P為回火參數(shù)；T為加熱溫度(K)；t為保溫時間(h)。由圖7可知，當回火參數(shù)P值為(18～19)×103時，殘余應力急劇下降?；鼗饏?shù)與殘余應力的關系見圖8。

圖7　回火參數(shù)與殘余應力的關系Figure 7　Relationship between tempering parameter　and residual stress

按GB/T30583《承壓設備焊后熱處理規(guī)程》,轉子機座去應力退火最短保溫時間應為2.3h。按回火參數(shù)推算，P取18×103，T取873K，計算可得保溫時間為4.2h。

實際生產(chǎn)中通常沿用(5～7)min/mm來確定保溫時間，轉子機座退火保溫時間選取6h～8h。已經(jīng)遠遠超出標準要求及理論推算。但是在非特定情況下，保溫時間過長對工件無益：

a)在同一保溫溫度下，保溫時間越長，焊縫金屬的抗拉強度和屈服點下降越嚴重。

b)能源消耗較大，生產(chǎn)成本較高，不利用提高設備的利用率。

c)薄壁工件長時間處于軟化的狀態(tài)下，容易產(chǎn)生熱處理變形。

(3)綜上所述，將轉子機座焊后去應力退火的保溫溫度和保溫時間定為600℃×4h，保溫階段以件溫為準。

3.4升溫速度和冷卻速度

(1)在去應力退火升溫的過程中，隨鋼材的化學成分、外形尺寸、原始組織和熱處理工藝的不同要求，對加熱速度也應有不同的規(guī)定。在考慮焊接件加熱速度時應注意：

a)脆性大的焊接件加熱速度應低一些，塑形高的焊接件加熱速度可相應加大。

b)焊接件內(nèi)形狀復雜，截面相差比較懸殊的，加熱速度宜慢一些。

c)對大尺寸或厚板焊件，為避免加熱不均勻，宜采用較慢的加熱速度。

d)焊接件加熱前有較大的殘余應力，在強力組裝時，當加熱產(chǎn)生的熱應力與內(nèi)應力方向一致時，易導致工件變形開裂。這時，加熱速度應慢一些。

(2)鋼材在退火后剛開始冷卻時，冷卻速度如果過大會造成表面和內(nèi)部之間的溫差太大，在這種情況下引起的應力有超過鋼材屈服點的危險。如果由于熱應力造成了永久變形，新的應力在鋼材冷卻到室溫后將保留下來。即使熱應力沒有達到引起工件變形的程度，附加的熱應力也會大大降低去應力退火的效果甚至前功盡棄，使工件在自然時效或加工后因殘余應力的釋放而產(chǎn)生變形超差。對于大尺寸復雜結構的工件，應放慢冷卻速度，最好采用200×25/δ(℃/h)的冷卻速度[1]。

(3)根據(jù)以上分析結合實際生產(chǎn)情況，為保證轉子機座的去應力效果，同時考慮經(jīng)濟性，做如下規(guī)定：工件200℃入爐，升溫速度≤(70±10)℃/h；降溫速度≤(60±10)℃/h，工件150℃出爐后空冷，升、降溫階段以爐溫為準。

4　去應力退火工藝的實施及驗證

4.1退火工藝的實施

根據(jù)上述分析，制定轉子機座去應力退火工藝曲線，如圖8所示。對5件轉子機座實施此工藝，同時執(zhí)行上述的各項控制措施。

圖8　轉子機座去應力退火曲線Figure 8　Annealing curve of the rotor frame stress relief

轉子機座出爐后肉眼或放大鏡檢查焊縫有無裂紋，檢查工件變形是否超差。對變形超差的局部允許校正3處～4處，校正長度不超過25cm。變形量較大導致火焰校正量過大的機座應再次進行消除應力熱處理。

4.2驗證結果

(a)

(b)

(c)圖9　筒體圓度數(shù)據(jù)Figure 9　Barrel roundness data

圖10　筒體垂直度數(shù)據(jù)Figure 10　Barrel perpendicularity data

根據(jù)優(yōu)化后的裝焊順序及熱處理工藝，對5件經(jīng)退火后的轉子機座進行出爐后的圓周尺寸及垂直度檢測，均一次交檢合格。筒體圓度和垂直度可控制在4mm～6mm，實踐證明效果較好。其中1件沿筒體軸向檢測3處的圓周尺寸及垂直度檢測數(shù)據(jù)如圖9～圖10所示。

5　結論

(1)對轉子機座焊接結構件，采用分部裝配的方式，結合剛性固定的方法，可有效降低焊接殘余應力的水平，減少去應力退火過程中的變形。

(2)按要求定期對熱處理爐進行爐溫均勻性檢測，保證機座在退火時處于有效加熱區(qū)內(nèi)，從而減小工件各部分的溫差，保證充分、均勻的去除焊接殘余應力。

(3)針對轉子機座部件，在一定的保溫溫度下，保溫溫度不宜過長，4h完全滿足要求，避免機座長時間在軟化的狀態(tài)下變形超差。

(4)為防止轉子機座在去應力退火過程中產(chǎn)生變形和殘余熱應力，應嚴格控制升溫速度和冷卻速度，尤其是降溫速度的控制應引起關注，同時應注意在爐冷卻至150℃以下才可出爐空冷。

[1]陳泰偉.壓力容器焊后熱處理技術[M].北京：中國石化出版社，2002:56-66.

編輯李韋螢

Control of Annealing Deformation of Permanent Magnet Direct Drive Wind Power Generator Rotor Frame

Wang Qingwei

Rotorframehasbeenweldedbythemannerofassemblingandrigidfixing,andannealingprocesshasbeencontrolledstrictly.Thepracticecanprovethattheeffectofthemethodisgoodandthedeformationiscontrolled.

rotorframe;assembling;rigidfixing;holdingtemperature;coolingspeed;annealingdeformation

2016—06—21

王慶偉 (1983—)，男，工程碩士，工程師，主要從事壓力容器、風電結構件的焊接工藝和質(zhì)量控制相關工作。

TG156.2

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