亭子口升船機卷筒體結構焊接技術

張建中 張振華

1. 概述

嘉陵江亭子口水利樞紐是嘉陵江干流開發中唯一的控制性工程。升船機布置在樞紐右岸，采用鋼絲繩卷揚全平衡垂直提升形式，過船規模2×500t級，最大提升高度85.4m，船廂有效水域116.0m×12.0m×2.5m（長×寬×水深），船廂結構、設備及廂內水體總重約6 250t。升船機主提升設備的卷筒組主要由卷筒體、卷筒軸、花鍵套、制動盤、軸承座、鋼絲繩壓板及連接件等組成。卷筒體為鋼板冷彎焊接結構，通過兩側的輪輻、輪轂支承在卷筒軸上。

2. 項目特點

亭子口升船機卷筒結構如圖1所示。卷筒體的卷制和焊接是本項目的難點。整個卷筒體焊縫集中，封閉焊縫較多，鋼板厚度較大，因此在焊接工藝上必須嚴格控制。卷筒體和輪幅板采用Q345B，卷筒體板厚107mm（余留7mm加工余量）, 輪幅板Ⅰ厚75mm（余留5mm加工余量）；輪轂采用35鍛鋼，均屬于低合金高強鋼，焊接性良好，其焊接熱影響區組織與性能的變化對焊接熱輸入較為敏感，熱影響區淬硬傾向較大，對氫致裂紋敏感性較大，同時該部位焊縫集中，填充量大，結構形式較復雜，焊接熱輸入大，焊接應力大，主要會產生裂紋及焊接變形等問題。為避免裂紋產生和保證尺寸的穩定，為后道加工工序提供質量保證，所以對卷筒體部位焊接工藝提出了很高的要求。

3. 焊接工藝確定

（1）結構及材料因素分析 卷筒體剛性較大，焊接時因應力無處釋放，將產生較大拘束應力，易產生裂紋。筒體在卷弧過程中，內壁受壓，外壁受拉，內部會產生應力；焊縫距圓筒的端面較近，在焊接過程中，鋼板受熱及焊縫收縮將會產生拉應力。卷筒外壁鋼板較厚，在生產軋制過程中容易在鋼板的中間部位沿軋制方向形成層狀非金屬夾雜物。焊絲、焊劑受潮未烘干，坡口表面有水、銹、油污等，容易產生氣孔。

（2）焊縫質量要求 根據設計圖樣的要求，焊縫質量要求如下：不允許有裂紋、夾渣、氣孔、焊瘤及飛濺等；焊縫余高≤3 mm，咬邊深度≤0.5mm，且連續長度≤100mm；所有對接焊縫和組合焊縫為Ⅰ類焊縫。進行100%UT探傷檢測，按25%的比例進行 TOFD復驗。

（3）焊接方法及材料選擇 焊接方法：主要采用熔化極CO2氣體保護焊和埋弧焊。由于焊接部件板厚較大，焊接量大，并且環縫較多，所以適于采用連續焊接，焊縫打底選用脈沖焊機。

焊接材料：藥芯焊絲氣體保護焊選用ER501T—1焊絲，φ1.2mm；焊接電流：200~280A，電弧電壓：23~28V；焊接熱輸入≤38kJ/cm。

埋弧焊選用H10Mn2焊絲，φ4.0mm；焊劑：HJ101；焊接電流：550~660A，電弧電壓：29~36V，焊接熱輸入≤45kJ/cm。

（4）焊前準備及工藝要求 坡口開制：對接縱縫和環縫坡口形式為雙Y形，組裝后環縫內外坡口邊寬度55mm（見圖1a）；組裝后縱縫內側坡口邊寬度55mm，外側坡口邊寬45mm（見圖1b）。輪輻板I與輪轂I以及輪輻板II與輪轂II和卷筒體為對接焊縫組合。對接焊縫坡口形式為雙Y形，組合焊縫坡口形式為雙J形，留2mm鈍邊，輪輻板坡口采用機加工方式（見圖1c、1d）。

焊縫清理：清除焊道兩側50mm范圍內的熔渣、鐵銹、油污及水跡等污物，清理后的焊道表面必須露出金屬光澤。

預熱溫度：100~120℃；預熱寬度為焊道中心兩側各200mm范圍；背縫清根前同樣需要預熱；用表面溫度計在焊道中心兩側50mm處對稱測量，測量點不少于3對；層間溫度不低于預熱溫度，且不高于200℃；焊縫預熱時，用溫度控制箱和陶瓷加熱器加熱，并輔以烤槍進行預熱，溫度控制到位。

填充焊和蓋面焊要采用多層多道焊接，除打底和蓋面焊外，中間各層在焊接時伴以小錘錘擊消除應力，或者用風鏟對焊縫進行錘擊，使焊道表面得以伸展，減少焊接應力，避免裂紋產生。

卷筒結構上除對接焊縫需要進行中間過程的超聲波探傷外，其他組合焊縫的焊接須連續操作一次完成，要求三班作業連續焊，需配備能操作氣刨的焊工，技術質檢員進行全程監控。

4. 焊接工藝

（1）總體裝配焊接順序 卷筒結構的裝配及焊接總體順序如下：第一，單個卷筒卷制拼裝完畢，先進行縱縫的焊接。第一道封底焊采用CO2氣體保護焊，內外填充焊及蓋面采用埋弧焊的直縫焊。

第二，兩個單卷筒組裝完成后進行環縫的焊接。第一道封底焊采用CO2氣體保護焊，內外的填充及蓋面焊在焊接滾輪架上采用埋弧焊。

第三，進行輪輻板I（II）和輪轂I（II）單件組裝后的環形對接縫的焊接，第一道封底焊采用CO2氣體保護焊，正反面填充焊及蓋面采用埋弧焊的環形焊。

第四，進行輪輻板I、II和卷筒體組合焊的焊接，采用CO2氣體保護焊和埋弧焊。

第五，焊接筋板與輪輻板和輪轂的組合焊縫，采用CO2氣體保護焊。

（2）卷筒體縱縫和環縫的焊接 卷筒體縱縫和環縫的焊接，縱縫第一道封底焊采用CO2氣體保護焊，內外填充及蓋面焊采用埋弧焊的直縫焊。環縫第一道封底焊采用CO2氣體保護焊，內外的填充焊及蓋面在焊接滾輪架上采用埋弧焊的焊接方法。

焊接順序如下：

第一，在定位加固焊完成后，從內側開始焊接，第一道和第二道先CO2氣體保護焊打底，環縫由二人從中間對稱往兩側退步施焊。

第二，內側第三層焊開始采用埋弧焊逐層逐道施焊，當內填充坡口焊縫厚度達到30mm左右時，轉背面清根。

第三，用碳弧氣刨在卷筒體外側進行清根，并對其焊道進行打磨清理，將焊道表面碳層清理干凈露出金屬光澤后，采用埋弧焊逐層逐道施焊，當外側焊道填充量厚度達到20mm左右，總焊縫厚度50mm左右，暫停施焊。

第四，焊接完成24h后，對已焊部分焊縫按DL5019規范的一類焊縫要求進行超聲波探傷檢測。檢測合格后重新預熱，筒體內側焊縫采用埋弧焊逐層施焊完成，最后將筒體外側的焊縫逐層逐道焊完，中間不再中斷焊接。

圖1 焊縫坡口示意

第五，對卷筒整條焊縫按DL5019規范的一類焊縫要求進行探傷檢測。

（3）輪輻板與輪轂的焊接 先按圖樣要求進行裝配，注意輪輻板與輪轂端面留出機加工余量，平焊位置進行焊接。

第一，輪輻板與輪轂裝配檢查合格后進行焊接；將坡口未定位焊側朝上（裝配工藝要求定位焊在小坡口側），按規定要求進行預熱。

第二，第一道打底焊由一名焊工分段退步進行焊接，采用脈沖氣體保護焊。

第三，第二層開始采用埋弧焊，利用特制的焊接軌道和改裝的焊接小車逐層施焊，要求每層焊接接頭應錯開15~20mm。第二、三層一道焊接完成。

第四，第四層開始，每層由二道焊接完成，當焊縫填充量達到焊道深度的一半時，即填充坡口焊縫厚度達到25mm左右，轉背面清根。

第五，用碳弧氣刨對背縫進行清根，并對焊道進行打磨清理，將焊道表面碳層清理干凈直至露出金屬光澤。進行反面焊縫的焊接，采用埋弧焊逐層進行焊接，當焊縫總厚度40mm左右，即反面坡口深度剩余10mm左右時，翻面轉向正面焊縫的焊接。

第六，逐層逐道完成正面的外填充焊和蓋面焊縫，蓋面層焊縫由三道焊接完成。再翻面逐層逐道完成反面的填充和蓋面焊。

第七，焊后24h，對已完成的焊道按DL5019規范要求的一類焊縫進行超聲波探傷檢測。

（4）輪輻板與卷筒體的焊接 輪輻板（輪轂）與卷筒體裝配檢查合格后進行焊接（要求裝配點焊在外側坡口側），卷筒體處于臥式，用焊接滾輪架進行支承。輪輻板與卷筒體的焊接，由兩名焊工采用氣體保護焊分段對稱焊接，始終處于立焊位。焊縫圓周分成四個象限（見圖2）。

先焊接一、三象限內側焊縫，第一道打底焊采用脈沖氣體保護焊，由兩名焊工分段對稱進行焊接。第二層開始逐層逐道施焊，要求每層焊接接頭應錯開15~20mm，打底焊二層和填充焊二層，焊縫厚度在20mm左右；在外側氣刨清根，打磨后進行焊接，焊接三層焊縫。此后的填充焊縫，內外各布置一名焊工，左右部位對稱進行焊接，將整條焊縫焊接達到45mm的厚度。

然后進行第二、四象限焊縫的焊接，方法同第一步。兩人對稱完成第一、三象限內填充焊縫的焊接，只留最后一道蓋面焊縫；兩人對稱完成第二、四象限內填充焊縫的焊接，也只留最后一道蓋面焊縫。最后一道蓋面焊縫，里、外各布置一名焊工，左右對稱完成蓋面焊縫的焊接。

焊接完成24h后，對已完成的焊道按DL5019規范要求的一類焊縫進行超聲波探傷檢查。

（5）筋板的焊接 內外環縫焊接完后，再裝配內側筋板，采用CO2氣體保護焊進行焊接，二人在對稱焊縫位置施焊。

5. 焊縫消應力處理

該卷筒體結構的兩端焊縫集中，板厚較大，考慮到制造條件，采取的消應力處理措施主要有以下幾點：①在坡口設計上，為減少焊縫填充量，采用機加工坡口，控制坡口開口端尺寸。②焊前預熱焊后緩冷措施，避免產生裂紋。清除焊接區水分，避免產生氣孔和氫致延遲裂紋。合理安排裝配和焊接的順序，有利于控制焊接變形。③焊接過程控制熱輸入，采用分層分區、退步焊和多層多道焊。④為保證焊縫根部母材的熔合，采用高效脈沖焊機進行焊接；中間填充焊和蓋面焊采用熱輸入較小的氣體保護焊方法；中間層焊接過程，配合錘擊消除焊接應力。⑤除縱縫和環縫采用二次探傷的工藝外，其他組合焊縫均須一次性完成焊接，中間不允許中斷。⑥所有焊接完成后，按預定工藝進行消應力退火處理。

6. 結語

對完成的16個卷筒結構的質量檢查分析，所有焊縫進行100%UT、PT檢測，一次合格率達到96%。每條焊縫抽檢25%進行TOFT檢測，均達到要求。焊縫外觀無咬邊、焊瘤及弧坑等成形不良缺陷。經檢測各項結構尺寸符合圖樣要求，有效保證了下一道加工工序的質量。

圖2 焊縫象限的劃分