大型圓盤式轉子支架工地裝焊焊接變形分析及控制

張杰英

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大型圓盤式轉子支架工地裝焊焊接變形分析及控制

張杰英

（呼倫貝爾職業技術學院，呼倫貝爾 021000）

本文介紹了一種大型圓盤式轉子支架的工地裝焊工藝及變形分析和控制。該轉子支架為直支臂圓盤式結構，工地焊縫包括中心體和支臂間的縱縫、支臂之間的平縫以及中心體和支臂間的環縫，總長度約79524mm，工地裝焊難度大，焊接變形控制較難。本文通過對不同工序后各主要尺寸變化進行分析，確定了不同焊縫焊接對各尺寸的影響，隨后制定了合理的工藝規范，及時調整焊接順序，達到控制焊接變形和滿足尺寸要求的目的。

轉子支架；工地裝焊；變形控制；焊接順序

0 前言

轉子支架是水輪發電機組中最重要的轉動承載部件之一，是連接主軸和磁軛的中間部件，起到固定磁軛和傳遞轉矩的作用。圓盤式轉子支架具有整體性好、剛性好、能加強機組運行穩定性等優點[1]，但其整體尺寸較大，工地裝焊難度較大，焊接變形控制困難。本文以某電站2號機轉子支架工地焊接為例對其焊接工藝和變形控制進行闡述和分析。

1 結構介紹及特點

該電站轉子支架最大外徑為Φ10980mm，最高高度為1970mm，材質為Q345B，總重量約為112T，其三維結構簡圖如圖1所示。轉子支架由1個轉子中心體和7個轉子支臂組成，每個支臂帶有2個主立筋，它們分別在廠內單獨裝焊，生產結束后進行預裝，而后在工地組焊成整體。

轉子支架工地焊縫共包括：2條轉子中心體與轉子支臂連接的環縫，單條焊縫周長為10676mm；14條轉子中心體與轉子支臂連接的縱縫，單條焊縫長度為1570mm；14條轉子支臂之間的徑向平縫，單條焊縫長度為1060mm，各焊縫坡口型式如圖2所示。其中支臂之間的徑向平縫為“K”型坡口，中心體與支臂之間的環縫和縱縫均為單“V”坡口，焊縫厚度均為30mm，所有的焊縫要求清根焊透，焊后進行UT和MT檢查。

影響轉子支架焊接變形的兩個因素為結構形式和焊接工藝，但在現場焊接過程中，只能選用適當的焊接工藝控制焊接變形[2]。焊接工藝規范對焊接過程和變形控制有很大影響，包括焊接電壓、焊接電流、焊條規格、焊接順序以及拉筋使用等，因此只有在現有條件下充分優化焊接工藝并有效執行，才能充分保證焊接尺寸和產品質量。

1-轉子中心體 2-轉子支臂（外環組件）3-主立筋 4-工地環縫 5-工地平縫 6-工地縱縫

1-中心體與支臂間的環縫 2-支臂之間的平縫 3-中心體與支臂間的縱縫

2 轉子支架工地裝配

轉子支架裝配前，需確認好中心體和各支臂上的廠內標記，隨后按其裝配，裝配流程示意圖如圖3所示：

圖3 轉子支架裝配流程示意圖

裝配前，應保證裝焊場地應無雜物影響裝配、焊接和測量等工序，并劃出轉子支架坐標基準線、輪廓線和各分瓣面線，隨后在平臺上放置足夠數量的支墩。對轉子支架的工地焊接坡口進行清理，清理范圍為坡口面及距離坡口邊緣至少20mm 范圍內的表面，保證該區域內無氧化物、油污、熔渣等雜物并打磨出金屬光澤。

（1）將中心體吊放至支墩上，調節上圓盤加工面平面度不大于0.03mm/m，調整合格后用搭板點焊固定，隨后安裝中心柱。

（2）根據廠內標記吊裝+Y方向主立筋（13號）所在的轉子支臂（帶有12號和13號主立筋），尺寸調整合格后點焊固定，隨后沿俯視順時針方向依次裝配其他轉子支臂。

（3）按照常廠內標記依次吊裝各支臂，每吊裝一個支臂后全面檢查各尺寸，隨后把合合縫塊。可通過加墊片的方式放大半徑和弦距，即將焊接收縮量定為3mm~4mm左右。

（4）全部安裝結束后，檢查直徑、弦距、主立筋垂直度、主立筋掛鉤高程以及錯牙等主要技術參數，若不符合圖紙及相關技術要求，則松開把合塊或割開支撐拉筋而后進行調整，直至尺寸合格為止。

為有效控制焊接變形、充分保證焊接質量，焊接前在徑向平縫背側裝焊3塊“U”型工藝拉筋，在縱向立縫一側裝焊2塊工藝拉筋，焊角12mm，實地焊接圖如圖4所示。

圖4 “U”型工藝拉筋實體圖

3 轉子支架工地焊接

（1）工地采用手工電弧焊的方法進行焊接，焊接材料為AWS標準E7015，規格為Φ4.0mm和Φ3.2mm兩種，預熱溫度不低于80℃，層間溫度不高于260℃，工地采用火焰進行加熱，使用紅外線測溫儀控制溫度；使用Φ3.2mm規格焊條進行打底，使用Φ4.0mm規格焊條進行其他焊道的焊接。

（2）為減小半徑焊接收縮量，有效控制變形，對于焊縫間隙大于3mm的焊縫，要進行堆焊、打磨，PT探傷合格后再進行后續焊接。

（3）定位焊的焊接順序和工藝規范與正式焊接相同，原則上每道合縫處至少有3處定位焊。定位焊焊縫長度為60mm~80mm，焊縫厚度為6mm~8mm，間距400mm~600mm。

（5）焊接過程中由4名焊工同時同向同速同規范鑲邊多層多道焊接，盡量采用小規范輸入，及時測量各主要尺寸參數并據其及時調整焊接順序，除打底層和蓋面層外，要對所有的焊縫進行錘擊至表面屈服以消除殘余應力。

4 轉子支架焊縫質量控制

根據圖紙要求，轉子支架焊后各主要尺寸及公差要求如表1所示，轉子支架在焊接過程中主要尺寸變化如圖5所示。

表1 轉子支架焊后各主要尺寸及公差要求

從圖5（a）和圖5（b）中我們可以看出，在焊接過程中由于受到焊接收縮變形的影響，主立筋到中心的距離和主立筋弦距兩個主要尺寸逐步縮小，而且變化比較規律。其中工序1定位焊前和工序2定位焊后的尺寸變化最大，主立筋到中心距離尺寸變化均值為1.944mm，變化最大值為9號主立筋的2.53mm；主立筋弦距尺寸變化均值為1.453mm，最大值為5號-6號主立筋弦距和9號-10號主立筋弦距，減小量均為1.90mm。在正式焊接中徑向平縫焊接對上述兩項尺寸影響最大，因為周向尺寸的減小會導致上述兩項尺寸的變化。

（a） 主立筋到中心距離的尺寸公差變化曲線

（b） 主立筋弦距的尺寸公差變化曲線

（c） 主立筋垂直度變化曲線

（d） 主立筋掛鉤高程變化曲線

工序1-定位焊前，工序2-定位焊后，工序3-縱縫清根后，工序4-縱縫焊后工序5-平縫焊2/3后，工序6-平縫焊后，工序7-環縫焊2/3后，工序8-結束

圖5 轉子之間焊接過程中主要尺寸變化曲線

（a） 正常 （b） 負值 （c） 正值

圖5（d）所示的主立筋掛鉤高程是以某固定高程為基準測量的絕對值，每個工序對應的曲線最大值和最小值之差即為該工序掛鉤高程差的最大值，曲線局部斜率越大，相鄰掛鉤高程相差越大。在整個焊接過程中，縱縫焊接對掛鉤高程差影響最大，工序3縱縫清根焊接后，4號和12號掛鉤高程差最大為2.7mm，與此同時工序2定位焊后的掛鉤高程差最大為2mm，工序4縱縫焊接結束后最大高程差為2.1mm，工序5平縫2/3焊后最大高程差為1.8mm，工序7環縫2/3焊后最大高程差為1.9mm，由此可見各焊縫的焊接對掛鉤高程都有影響，這是因為只要有焊接收縮就會直接或間接地影響掛鉤高程。

經過有針對性的調整和控制，焊接結束后全體尺寸均滿足圖紙和相關文件要求，各主要尺寸最大公差如表2所示，2號轉子支架焊后實物圖如圖7所示。

表2 轉子支架焊后各主要尺寸范圍

圖7 2號機轉子支架焊后實物圖

5 結論

綜合上述經驗可以確定，在大型圓盤式轉子支架工地組焊過程中，通過合理制定工藝規范、及時調整焊接順序的方法可以控制焊接變形，保證產品質量。對直徑Φ10980mm的轉子支架，其主立筋到中心距離的收縮量為約為5mm~6mm，弦距的收縮量約為4mm~5mm。其中定位焊對整體焊接收縮的影響最大，主立筋到中心的焊接收縮量最大為2.53mm，弦距的焊接收縮量最大為1.90mm；縱縫焊接對主立筋垂直度的影響最大，可以在正常值、負值和正值的情況下合理調整焊接順序來調整焊接變形；所有的焊接工序對轉子支架掛鉤高程均有影響。

[1] 劉大為, 喬宏來, 王文彪. 水輪發電機圓盤式轉子支架工地焊接工藝[J]. 應用能源技術, 2007(08):44-46.

[2] 呂玉忠, 程仕偉. 淺談轉子支架焊接變形監控及主立筋垂直度控制[J]. 四川水力發電, 2012(10):15-18.

The Analysis and Control of Welding Deformation for Large Disk Type Rotor Spider in Site Assembly and Welding

ZHANG Jieying

(Hulunbeier Vocational Technical College, Hulunbeier 021000, China)

This article introduces the welding procedure, analysis and control of welding deformation for large disk type rotor spider in site assembly and welding. The structure of this rotor spider is straight arm disk type. The site welding seams include circular welds between center body and arms, the longitudinal welds between center body and arms, the horizontal welds among the arms, the length of which is almost 79524mm. It is difficult to perform site assembly and welding and to control the welding deformation in site. With the analysis on the main dimensions after different processes, this article confirms that different welds have different effects on the main dimensions. Then proper technical procedure and adjustment of welding sequences have been performed, which makes control of welding deformation and satisfaction of dimensional requirements fulfilled.

hydro-generator; rotor spider; site assembly and welding; welding deformation.

TM303.3

A

1000-3983(2014)04-0051-04

2013-08-27

張杰英(1965-)，1987年7月畢業于內蒙古工業大學，現任教師職務，副教授。

審稿人：王 波