馬 振 ，莊明輝 ，袁氏丹 ，連 軍 ，李慕勤

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

0 前言

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的不斷發(fā)展和電機(jī)容量的增加，電機(jī)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(jī)的運(yùn)行壽命。

電機(jī)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(fēng)力發(fā)電的迅速發(fā)展，電機(jī)主軸所用鋼向著較高綜合機(jī)械性能發(fā)展。目前，電機(jī)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(wèn)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(shè)計(jì)要求。許留栓[2]等人在冷態(tài)下焊接電機(jī)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(hù)焊，焊材ER55-G，預(yù)熱250℃、550℃×3 h焊后熱處理緩冷等工藝對(duì)25CrMo轉(zhuǎn)子軸和Q345D輻板進(jìn)行可焊性試驗(yàn)，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(jī)核心部件，42CrMo轉(zhuǎn)子軸焊接性差，焊接過(guò)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(duì)焊接接頭質(zhì)量提出更高的要求，必須采取相應(yīng)的焊接工藝措施來(lái)保證焊接質(zhì)量。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 軸材與輻板

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(xué)成分如表1所示。

表1 合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求

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

1.3 焊接性分析

Q235B的碳當(dāng)量為0.32，焊接性良好，淬硬傾向較?。?2CrMo的碳當(dāng)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(yù)熱。42CrMo為中碳調(diào)質(zhì)鋼，冷裂紋通常在焊后冷卻過(guò)程中Ms點(diǎn)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(yīng)；42CrMo焊接近縫區(qū)的溫度較高，快速冷卻時(shí)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(jī)軸的抗疲勞能力，破壞電機(jī)軸的低應(yīng)力。為保證焊接質(zhì)量，必須采用合理的預(yù)熱溫度和工藝措施。

2 軸與輻板結(jié)構(gòu)及工裝夾具設(shè)計(jì)

2.1 坡口及焊接順序設(shè)計(jì)

電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子焊接坡口開(kāi)在輻板Q235，V型45°坡口，雙面焊，鈍邊2mm，根部間隙2 mm，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子軸和輻板坡口尺寸

為控制電機(jī)42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板的焊接質(zhì)量及變形量，采取對(duì)稱(chēng)焊接。焊根處正面打底焊時(shí)焊接兩道，清根后背面焊接兩道，然后交替對(duì)稱(chēng)焊接，最后形成具有最小外部缺口效應(yīng)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(shè)計(jì)

電機(jī)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(shè)計(jì)了如圖3所示的卡盤(pán)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(guò)程中裝配位置。軸與輻板焊縫較長(zhǎng)，設(shè)計(jì)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(guò)程中輻板的變形。

圖3 固定夾盤(pán)

圖4 支撐板

3 電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接工藝

3.1 焊接材料的選用

42CrMo與Q235化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)和物理性能等方面都極其復(fù)雜，與同種材料焊接相比，焊接問(wèn)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(shù)要求，焊材選擇時(shí)應(yīng)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(xué)成分和力學(xué)性能如表2所示。

3.2 焊接方法

結(jié)合企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)條件，42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235B輻板的焊接采用氣體保護(hù)焊，保護(hù)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(jī)42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235輻板焊接時(shí)預(yù)熱溫度250℃，層間溫度250～350℃，焊后立即進(jìn)行350℃×2 h消氫處理，加速焊縫氫的擴(kuò)散析出，消除應(yīng)力，提高焊縫強(qiáng)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(xué)成分及力學(xué)性能

表3 焊接工藝參數(shù)

圖5 卡盤(pán)夾具裝配

4 電機(jī)轉(zhuǎn)子現(xiàn)場(chǎng)焊接與質(zhì)量控制

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接

（1）焊前準(zhǔn)備。依據(jù)圖紙進(jìn)行下料，下料后清除表面油跡、銹斑等污物；坡口無(wú)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(wú)缺陷。

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

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

（4）試件整體預(yù)熱至400℃，保溫2 h后出爐，迅速安置到焊接指定場(chǎng)地，并用氧乙炔火焰加熱電機(jī)轉(zhuǎn)子待焊位置，防止溫度低于預(yù)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(jìn)行打底和填充焊，采用分段倒退、由中間向兩邊施焊，分段長(zhǎng)度500 mm。2名焊工同時(shí)對(duì)稱(chēng)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(jī)械打磨焊縫，清理焊縫表面滲碳，露出金屬光澤。然后進(jìn)行滲透（PT）檢測(cè)有無(wú)裂紋或氣孔等缺陷，確定打底焊無(wú)焊接缺陷后才能進(jìn)行填充焊；若打底焊后焊件溫度低于預(yù)熱溫度，需重新預(yù)熱，達(dá)到預(yù)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(xì)清理熔渣、飛濺；焊接過(guò)程中監(jiān)控層間溫度，層間溫度250～350℃；填充焊厚度達(dá)20 mm后，將焊接結(jié)構(gòu)件送入燃?xì)鉅t加熱250～350℃，保溫1 h隨爐冷卻，進(jìn)行超聲波檢測(cè)，滿足設(shè)計(jì)要求后再按上述工藝進(jìn)行其余層填充焊。

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

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

（8）若探傷發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，詳細(xì)標(biāo)記缺陷位置、深度、長(zhǎng)度，由專(zhuān)業(yè)氣刨工清理干凈缺陷，再次預(yù)熱至250℃焊接；缺陷修復(fù)允許1次，同一部位修復(fù)超過(guò)1次應(yīng)經(jīng)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人研究同意后方可進(jìn)行；修補(bǔ)后按原焊縫的質(zhì)量要求對(duì)焊縫修補(bǔ)處及其附近進(jìn)行100%焊接檢驗(yàn)。

4.2 焊接檢驗(yàn)

電機(jī)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(cè)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(cè)結(jié)果如圖6所示；電機(jī)轉(zhuǎn)子軸和輻板焊接完成后，采用外觀檢驗(yàn)、磁粉探傷、4 MHz超聲波頻對(duì)焊件進(jìn)行檢驗(yàn)，均達(dá)到企業(yè)技術(shù)指標(biāo)。

圖6 滲透檢測(cè)

4.3 電機(jī)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(yàn)。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸與輻板實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)，經(jīng)焊接性分析和直接類(lèi)試驗(yàn)，共計(jì)焊接6組斜Y型坡口試樣，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 斜Y型坡口焊接裂紋試驗(yàn)結(jié)果

（2）焊接工藝評(píng)定。

電機(jī)轉(zhuǎn)子為復(fù)雜動(dòng)載焊接結(jié)構(gòu)，考慮實(shí)際焊接形式、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)性，共焊接制作3組42CrMo轉(zhuǎn)子軸與Q235輻板焊接工藝評(píng)定，全部按照企業(yè)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相關(guān)的超聲波檢測(cè)和焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)，試驗(yàn)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(shí)焊接工藝評(píng)定不滿足設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證第1組焊接工藝能準(zhǔn)確反映出實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，進(jìn)行第3組模擬軸與輻板T型接頭的焊接工藝評(píng)定，其結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表5 焊接工藝評(píng)定

（3）焊工資質(zhì)。

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接操作工人應(yīng)按照電機(jī)企業(yè)相關(guān)焊工操作要求進(jìn)行崗前培訓(xùn)，考核合格頒發(fā)焊工資格證書(shū)，企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)焊接生產(chǎn)實(shí)際產(chǎn)品時(shí)達(dá)到見(jiàn)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(jī)軸和輻板焊接結(jié)構(gòu)按照焊接工藝規(guī)程測(cè)量核對(duì)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(yán)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(guò)程，以控制軸材軟化和焊接變形。若預(yù)熱溫度、層間溫度等工藝達(dá)不到工藝要求，要求焊工停止焊接。同時(shí)，焊接前向焊接操作者進(jìn)行技術(shù)交底，講解技術(shù)要點(diǎn)和技術(shù)要求。

5 結(jié)論

（1）對(duì)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(yù)熱、焊后去應(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)子，達(dá)到企業(yè)電機(jī)設(shè)計(jì)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(chǔ)。

（3）目前該產(chǎn)品已服役，根據(jù)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子焊接產(chǎn)品的質(zhì)量跟蹤，焊接工藝達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

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[2]許留栓，蔣同武，韓青松.異質(zhì)鋼電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的冷態(tài)焊接[J].機(jī)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.

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