8 300 kW 1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)風(fēng)扇焊接工藝研制

孫亞男

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

國內(nèi)首臺8 300 kW 10 500 V TFH系列核電站1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)樣機(jī)，對標(biāo)我國“華龍一號”核電站，具有很高的技術(shù)附加值，可以為用戶、企業(yè)創(chuàng)造較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為核電行業(yè)國產(chǎn)化提供強有力技術(shù)保障[1]。上電公司在完善核電質(zhì)保體系、深入了解核電文化的基礎(chǔ)上，通過該項目的開發(fā)，提升了我公司核電產(chǎn)品的容量，提高了核電產(chǎn)品覆蓋面，為今后核電產(chǎn)品批量制造、保證核電質(zhì)量打下了堅實基礎(chǔ)。

8 300 kW 1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為單軸伸、帶永磁勵磁機(jī)結(jié)構(gòu)，軸承檔在非法蘭端，法蘭端為帶大風(fēng)扇結(jié)構(gòu)。此風(fēng)扇為碳鋼Q235-B焊接而成的結(jié)構(gòu)[2]，由喇叭口型的套圈、風(fēng)葉、圓板組成，如圖1所示。套圈喇叭口成型尺寸外徑為Φ2 200 mm，內(nèi)徑為Φ1 210 mm。風(fēng)葉與套圈圓弧面貼合焊接?，F(xiàn)設(shè)

圖1 風(fēng)扇外形三維視圖

計要求套圈為3 mm鋼板、圓板為8 mm鋼板，且鋼板不允許拼接。

1 驗證過程及結(jié)果

由于我公司無此規(guī)格風(fēng)扇的工藝制造經(jīng)驗，供應(yīng)商無對應(yīng)尺寸的壓型模具，在樣機(jī)周期緊張的情況下，需要一套創(chuàng)新性的解決問題的方案。設(shè)計、工藝人員集思廣益，聯(lián)合多家供應(yīng)商開展此風(fēng)扇的工藝研制工作。

此風(fēng)扇的焊接工藝主要有三個難點：套圈圓弧成形、套圈平面成形和風(fēng)扇焊接變形控制。風(fēng)葉由于端頭為直線段滾圓，成型尺寸難以確認(rèn)；焊接變形控制主要體現(xiàn)在風(fēng)葉同心度、風(fēng)扇底板平面度兩個方面；套圈成形考慮到材料選擇、圓弧成形(喇叭口成型尺寸外徑為Φ2 200 mm，內(nèi)徑為Φ1 210 mm，圓弧為R150)和平面成形三個部分，其中圓弧成形是重中之重；材料選擇時應(yīng)滿足壓形模具的剛性要求；套圈平面成形體現(xiàn)在平面度的偏差大小。

首先解決鋼板剛性差、超寬卻不允許拼接的問題。經(jīng)設(shè)計人員計算、評審后，將套圈厚度由3 mm改為6 mm，圓板厚度由8 mm改為10 mm，超寬時采用拼接工藝，使用熔化極CO2氣體保護(hù)焊、ER50-6焊絲進(jìn)行填充，對拼接處進(jìn)行磁粉探傷來檢查焊縫質(zhì)量。CO2氣體保護(hù)焊電流密度高，熱量集中，受熱面積小，工件焊后變形小。為確保質(zhì)量，拼接后對鋼板進(jìn)行一次校平工作。

在風(fēng)扇試制過程中，主要進(jìn)行了如下工作：

1.1 套圈圓弧成形

對于套圈圓弧成形的方案，工藝人員聯(lián)合多家供應(yīng)商集思廣益，制定并討論出了四種可行方案，如表1所示。

表1 四種套圈圓弧成形方案對比

對上述四種方案進(jìn)行了充分討論，從周期、成本、尺寸控制、工藝簡繁等多方面進(jìn)行綜合對比，決定采用方案2，利用現(xiàn)有壓形模具分步成型。并對套圈成形的整個工藝流程進(jìn)行方案設(shè)計，如圖2所示。

圖2 套圈圓弧成形工藝流程圖

計算、評審后將套圈厚度由3 mm改為6 mm。鋼板超寬，拼接后進(jìn)行磁粉探傷，按NB/T 47013.4—2015 Ⅰ級要求考核，保證焊縫質(zhì)量。在無配套模具的情況下利用現(xiàn)有壓形模具分步成型、逐步碾制，成形效果如圖3所示。

套圈成形效果差，熱處理后尺寸仍無法保證，后

圖3 套圈壓形實物圖

續(xù)采用火焰整形[3]。

(1) 將套圈平面部分定位焊焊接于裝配平板上，用圓弧測量板測量圓弧度并做好標(biāo)記。

(2) 與套圈喇叭口圓弧內(nèi)圓配做工藝撐筋，定位焊固定，喇叭口上端留30 mm余量。

(3) 采用邊加熱邊錘擊的方法進(jìn)行火焰整形，并用蘸水的濕棉布對整形好的部分進(jìn)行冷卻收縮，如圖4所示。

圖4 火焰整形

待工件冷卻后拆除工裝平板，目視檢查，套圈圓弧R150部分完成。平面部分嚴(yán)重超差，達(dá)不到要求的平面度≤4 mm的目標(biāo)，后續(xù)再整形。

1.2 套圈平面成形

上立車測量套圈的平面度，在Φ1 530 mm圓周方向上不平度為1.5 mm，將Φ1 530 mm以外部分用激光切割去除，重新落料鋼板，鋼板拼接后對焊縫磁粉探傷保證質(zhì)量，如圖5所示。

圖5 套圈“開刀”整形

圓弧和平面兩部分用工藝撐筋、壓板固定好，采用分段對稱連續(xù)焊的方式焊接[4]，如圖6所示。

圖6 套圈鑲嵌鋼板

待工件冷卻后去除壓板，打磨清理焊縫，鑲嵌后鋼板的平面未發(fā)生明顯變形，平面度≤4 mm目標(biāo)達(dá)成。焊接完成后去除壓板，保留喇叭口內(nèi)圓的工藝撐筋，吊運時使用，防止對圓弧面造成破壞。

1.3 風(fēng)扇焊接變形控制

風(fēng)扇由套圈、風(fēng)葉、圓板焊接而成。

風(fēng)葉圖紙端頭為直線段滾圓，成型尺寸難以確認(rèn)。采用風(fēng)葉與圓弧面配割落料的方法，即落料滾圓1件風(fēng)葉，檢查其與套圈圓弧貼合度，多余部分割除，缺少部分堆焊補齊，直至最佳尺寸。以這一件風(fēng)葉尺寸為標(biāo)準(zhǔn)，落料成形其余件風(fēng)葉。在風(fēng)葉上劃線來標(biāo)識交錯斷續(xù)角焊縫焊接位置。

利用反變形法[5]，通過撐工藝撐筋和搭壓板的方式，對風(fēng)扇焊接變形進(jìn)行全方位控制，如圖7所示。采取如下措施：喇叭口撐十字撐筋及弧形撐筋固定，上端留30 mm余量；套圈平面部分搭壓板固定；套圈平面與圓板兩平面垂直方向一周均布撐筋固定；每兩風(fēng)葉之間圓周方向亦均布撐筋固定。工藝撐筋、壓板固定到位后按圖紙完成焊接。

圖7 焊接變形控制圖

風(fēng)扇焊接時采用Φ3.2 mm E4303焊條手工電弧焊進(jìn)行交錯斷續(xù)焊接。手工電弧焊操作靈活，適用于各種空間位置的焊接，通過適時調(diào)整電弧位置和運條手勢來保證焊縫質(zhì)量。焊接電流為直流正接，電流在90～120 A，電壓在22～26 V。

風(fēng)扇焊接完成后進(jìn)行熱處理消除應(yīng)力。裝爐應(yīng)將焊接件底墊平填實，保持裝爐平穩(wěn)，防止松動和變形。裝爐應(yīng)合理，不能疊壓，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)生局部過熱。按下列加熱規(guī)范進(jìn)行操作:

以<80 ℃/h之速度隨爐升溫，加熱至630±20 ℃進(jìn)行勻熱和保溫，勻熱時間2 h。當(dāng)爐膛溫度與工件溫度均勻一致(勻熱后)，開始保溫，保溫時間按有效厚度2.5～3 min/mm計算，至少保溫時間3 h。

冷卻時以<50 ℃/h之速度隨爐緩冷，在<250 ℃時可出爐空冷。出爐后，在工件冷至室溫前，禁止放于潮濕的地方或強力吹風(fēng)。

當(dāng)所有熱電偶指示溫度都達(dá)到規(guī)定值時，開始計算勻熱、保溫時間。熱處理后進(jìn)行噴丸去除表面氧化物，達(dá)到GB/T 8923.1—2011標(biāo)準(zhǔn)中Sa21/2級，即金屬表面呈金屬光澤，無可見的油、脂和污物，無氧化皮、鐵銹、涂層和外來雜質(zhì)。再進(jìn)行磁粉探傷檢查，磁粉探傷按NB/T 47013.4—2015 Ⅰ級要求考核，保證焊縫質(zhì)量。最后工件清理干凈在噴丸處理后8小時內(nèi)噴涂底漆，按油漆技術(shù)條件油漆后進(jìn)廠。

1.4 效果確認(rèn)

風(fēng)扇焊接完成后使用機(jī)床測得數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 風(fēng)扇平面度測量數(shù)據(jù)

焊接完成后對風(fēng)扇進(jìn)行熱處理去除應(yīng)力，當(dāng)所有熱電偶指示溫度都達(dá)到600～640 ℃時，開始進(jìn)行均熱+保溫，均熱2 h，保溫3 h。噴丸去除工件表面氧化皮，質(zhì)量等級均為Sa2.5(GB/T 8923.1—2011)即金屬表面呈金屬光澤，無可見的油、脂和污物，無氧化皮、鐵銹、涂層和外來雜質(zhì)。磁粉探傷焊縫，測量數(shù)據(jù)后油漆進(jìn)廠。

風(fēng)扇進(jìn)廠后，在12個風(fēng)葉位置用600 mm長的刀形樣板平尺分別復(fù)檢了徑向、切向(Φ990 mm、Φ1 190 mm、Φ1 390 mm)兩個方向的風(fēng)扇底板平面度，如表2所示。

風(fēng)扇整體成形較好，達(dá)到了風(fēng)葉同心≤3 mm，風(fēng)扇底板平面度：①有風(fēng)葉處平面度≤2 mm，②整體平面度≤4 mm的要求。風(fēng)扇試制成功。

表2 風(fēng)扇底板平面度測量數(shù)據(jù) mm

1.5 鞏固措施

此風(fēng)扇試制成功后，工藝人員將制造方案及細(xì)節(jié)再次和供應(yīng)商技術(shù)交底確認(rèn)，并將內(nèi)容固化至本廠技術(shù)協(xié)議中，在“主要質(zhì)量控制”中著重強調(diào)了風(fēng)扇同心度、平面度要求，實現(xiàn)規(guī)范可持續(xù)生產(chǎn)。

2 總結(jié)

(1) 工藝人員在未投產(chǎn)配套壓形模具的情況下，與供應(yīng)商一起，通過實施新的工藝方案，直接降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)成本(16萬壓形模具費)和時間成本(壓形模制造周期2個月)，為企業(yè)贏得了先機(jī)。

(2) 風(fēng)扇為電機(jī)中的轉(zhuǎn)動件，而風(fēng)扇焊接是一個熱輸入較大的工藝過程，此次有效地焊接過程控制達(dá)到了以下目標(biāo)：風(fēng)葉同心度≤3 mm，風(fēng)扇底板平面度①有風(fēng)葉處平面度≤2 mm，②整體平面度≤4 mm。

(3) 通過工藝的固化使工藝技術(shù)底蘊更加雄厚，增進(jìn)了工藝人員團(tuán)結(jié)合作意識，提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，焊接經(jīng)驗更加豐富。通過本次工藝研制，解決了國內(nèi)首臺8 300 kW 10 500 V TFH系列核電站1E級應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)風(fēng)扇制造難題，得到了業(yè)主的肯定，提升了我公司核電產(chǎn)品在國內(nèi)外的競爭力。