22 MW同步水利電動機機座的焊接工藝研究

孫亞男

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

上海電氣集團上海電機廠有限公司生產制造了中國第一臺汽輪發電機和世界第一臺雙水內冷汽輪發電機，在國內外贏得了很高聲譽。近年來努力拓展“一帶一路”市場，印度GLIS泵站22 MW 12 P電機為大容量、高轉速、高揚程、立式水泵用同步電動機，是我公司獨立承接的印度水利行業訂單，品牌和市場推廣意義重大。

該電機機座為八邊形結構。外形尺寸為(4 100 mm×4 100 mm×2 620 mm)。機座框架焊接結束后仍需在一端端頭機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為機座框架部分三維視圖，總體分為三層，即上機架端-定子端-下機架端。圖2為機座焊接板條示意圖，一端機壁圓周方向焊接180根板條和108片擋風板。機壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風板(Q235-A)為異種材料焊接。

焊接方法的選擇、焊接參數的選定、焊接變形的控制是本文研究的重點內容。

1 工藝分析

機壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風板(Q235-A)的異種材料焊接需根據產品結構、焊縫成形、施焊空間等進行綜合考慮分析。

圖1 機座框架部分三維視圖

圖2 機座焊接板條示意圖

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

(1)生產效率高。采用較粗的焊絲(焊絲直徑大于1.6 mm)焊接時，可以使用較大的電流，實現射滴過渡。這種方法基本上沒有熔渣，一般不需要清渣，從而節省了許多輔助時間，較大的提高焊接生產效率。

(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，往往不需要焊后校平工序。

(3)CO2氣體保護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不易產生冷裂紋。

(4)此種方法屬于明弧焊接，電弧可見性好。

(5)操作簡單，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。焊接作業性極佳，送絲順暢、電弧穩定、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：

(1)操作靈活。手工電弧焊不論在焊接車間內，還是在野外施工現場均可采用。由于設備簡單、移動方便、電纜長、焊把輕巧等特點，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，又適用于對接、搭接、角接、T形接頭等各種形式構件的焊接。可以說，凡是焊條能達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。由于焊接過程由焊工控制，可以適時調整電弧位置和運條手勢，修正焊接規范，以保證跟蹤焊縫和均勻熔透。因此，對焊接接頭的裝配尺寸要求相對降低。

(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。電弧穩定、成型美觀、波紋細膩、飛濺極少、脫渣容易，藥皮耐火性優良、抗氣孔性佳。

擋風板(Q235-A)與機壁(Q235-A)為角接焊縫，為減少后續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)實現了氣-渣聯合保護，避免了CO2氣體保護焊所出現的飛濺大、焊縫成形不良的缺點。E501T-1藥芯焊絲電弧柔和穩定，飛濺少，減少了清除飛濺和修磨焊縫表面的時間，成型美觀，脫渣性好，煙塵量少，具有優良的焊接工藝性能。使用藥芯焊絲后，生產周期縮短且焊縫質量容易保證，帶來了高的綜合效益。

針對不同材料及焊接方法，進行了焊接工藝評定。根據合格的焊接工藝評定報告(PQR)編制了用于產品施焊的焊接工藝規程(WPS)。

2 工藝試驗

2.1 機座框架焊接工藝

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

機座框架部分焊接主要采用CO2氣體保護焊，φ1.2 mm ER50-6焊絲。機座框架部分焊接結束后，整體進行熱處理消除應力[3]，并對重要焊縫進行了磁粉探傷，MT按GB/T 26952中2級驗收。

圖3 機座框架裝配完成

2.2 機座板條焊接工藝

機座框架部分焊接結束后，需在一端機壁圓周方向焊接180根板條和108片擋風板。機壁(Q235-A)-板條(0Cr18Ni9)-擋風板(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。

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

圖4 一組板條及擋風板

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

設計了工裝板條定位裝置，并借用壓裝工裝來墊實焊接區域，避免懸空，如圖5、圖6所示。

圖5 板條定位裝置整體設計圖

裝配時，借用壓裝工裝底板和下墊板來墊實焊接區域，底板和下墊板用兩個定位銷固定好后，將框架機座吊入置于底板上，底板和框架機座亦用兩個定位銷固定。用兩個定位銷固定板條定位裝置于壓裝工裝下墊板上，并鉆攻四個起吊螺孔。將一組板條(“長短長”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度，定位焊板條與機壁，定位好后利用起頂孔取出工裝板條定位裝置，完成板條與機壁間焊縫。按圓周順序依次重復上述步驟完后整圓的180根板條與機壁焊縫，如圖7所示。

如圖8所示，裝配、定位焊108片擋風板。為了避開板條與機壁間焊縫，擋風板兩側開10×45°倒角。將擋風板與板條先定位焊好，再焊接擋風板與機壁間焊縫。

圖7 板條焊接過程

圖8 擋風板焊接過程

根據焊接工藝規程(WPS)要求的參數施焊，具體如下表1所示。

表1 板條、機壁、擋風板焊接參數表

3 試驗結果

焊接全部結束，將焊有板條的機壁下平面和板條上平面進行加工。加工后測得變形如下：機壁平面度偏差≤0.2 mm，板條平面度偏差≤0.6 mm。完全滿足圖紙要求，此結構的異種材料的焊接變形得到了很好的控制。

4 結論

(1)設計板條的等分工裝來實現板條的定位，采用合理的焊接工藝來保證異種材料的焊接變形控制。

(2)根據焊接工藝評定參數施焊，保證了焊縫質量。