兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)架焊接返修工藝研究

文 | 譚楊，周意普，吳松廬，何輝

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組機(jī)架焊接返修工藝研究

文 | 譚楊，周意普，吳松廬，何輝

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組的機(jī)架作為機(jī)組重要焊接結(jié)構(gòu)件之一，在機(jī)組運(yùn)行過程中需要承受較大強(qiáng)度的疲勞載荷。該部件整體焊接，具有結(jié)構(gòu)跨度大、焊縫長、焊接接頭多等特點(diǎn)。因此，機(jī)架的焊接質(zhì)量對(duì)機(jī)組整體質(zhì)量和壽命有重要影響。

機(jī)架的技術(shù)規(guī)范中要求在熱處理之前進(jìn)行磁粉和超聲波探傷，對(duì)探傷發(fā)現(xiàn)的不合格缺陷必須及時(shí)返修。由于機(jī)架結(jié)構(gòu)板材為低合金鋼，具有延遲裂紋傾向，可能出現(xiàn)細(xì)微的焊后冷裂紋，因此經(jīng)過熱處理后，細(xì)微焊縫缺陷可能存在擴(kuò)展或延伸，造成焊縫不符合無損檢測等級(jí)要求。在實(shí)際工作中，抽檢某一批次機(jī)架時(shí)遇見該類問題。因機(jī)架不能進(jìn)行二次熱處理，這種情況下不能采用正常焊縫返修工藝，無法有效釋放焊接應(yīng)力，控制焊接變形。因此需從焊接方式、消除缺陷方式、消除殘余應(yīng)力方式等方面展開研究，尋找最佳的消缺處理方案。

焊接方式選擇

用于返修的最常見焊接方式為手工電弧焊（簡稱手弧焊），是以手工操作的焊條和被焊接的工件作為兩個(gè)電極，利用焊條與焊件之間的電弧熱量熔化金屬進(jìn)行焊接的方法。其焊接質(zhì)量對(duì)焊工技術(shù)依賴性強(qiáng)，焊接質(zhì)量不易控制。機(jī)架同位置的返修不能超過兩次，必須嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，因此手弧焊不適用于熱處理后的機(jī)架返修。

機(jī)架的焊接采用的是二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊，但是返修的后機(jī)架已經(jīng)經(jīng)過熱處理工藝，需考慮機(jī)架的焊接變形量，因此焊接變形量的控制應(yīng)成為選擇返修焊接方式的主要因素。在常見焊接方式中，變形較小的焊接方式有熔化極惰性氣體保護(hù)電弧焊和鎢極氬弧焊。現(xiàn)就這三種焊接方式應(yīng)用于返修時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，具體如下：

機(jī)架不能經(jīng)過二次熱處理，必須選擇焊接變形小的焊接方式，熱處理后的機(jī)架表面有銹蝕，除銹過程不能保證完全清潔，必須降低銹蝕對(duì)焊接的影響。綜上所述，建議采用鎢極氬弧焊進(jìn)行機(jī)架返修。

返修開始前，因焊接方式改變，須進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，驗(yàn)證鎢極氬弧焊是否符合機(jī)架焊接要求，焊接工藝評(píng)定從以下幾方面進(jìn)行。

（一）焊接試板準(zhǔn)備

試板規(guī)格按JB4744的規(guī)定選取，材質(zhì)為Q354D，與機(jī)架保持一致，板厚18mm。

（二）焊接接頭

焊接坡口的質(zhì)量對(duì)焊縫成型質(zhì)量有重要影響，為獲得高質(zhì)量的焊接接頭，應(yīng)根據(jù)母材厚度、焊接方法和工藝要求選擇坡口形式，主要滿足以下要求：

1.使熱源（電弧或火焰）達(dá)到根部，保證根部全熔透。

2.便于操作和清理焊渣。

3.調(diào)節(jié)母材金屬與填充金屬比例。

4.盡可能減小焊后變形。

參照《GB985-1988氣焊、手工電弧焊及氣體保護(hù)焊焊縫坡口的基本形式與尺寸》選取Y型坡口，如圖1所示。焊前去除坡口周邊至少110mm范圍內(nèi)的油污、銹蝕等。

表1 幾種焊接方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表

（三）填充焊絲

焊絲與機(jī)架焊絲一致，選用ER50-6，焊絲直徑2.0mm。焊絲化學(xué)成分及熔敷金屬力學(xué)性能分別見表2、表3。

（四）焊接參數(shù)

焊接要求及參數(shù)見表4、表5。

（五）評(píng)定結(jié)果及分析

焊接完成后，須對(duì)試塊進(jìn)行焊縫外觀檢測、無損探傷檢測及力學(xué)性能試驗(yàn)。焊縫外觀按照ISO 5817-B進(jìn)行100%外觀檢查，焊縫按照J(rèn)B/T 6061-2X和GB/T 11345-B的要求進(jìn)行磁粉和超聲波探傷。檢驗(yàn)合格后按照J(rèn)B4744的標(biāo)準(zhǔn)制備焊接試樣。對(duì)試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，主要包括拉伸、彎曲和沖擊。具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6－表8。

根據(jù)力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果可以判斷，焊縫的強(qiáng)度和韌性均優(yōu)于母材，說明工藝評(píng)定滿足要求。且試驗(yàn)結(jié)論和數(shù)據(jù)符合機(jī)架產(chǎn)品的技術(shù)要求，鎢極氬弧焊通過驗(yàn)證，機(jī)架返修工藝可行。

表2 焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

表3 熔敷金屬力學(xué)性能

表4 焊接要求

表5 焊接參數(shù)

消除缺陷方式選擇

目前應(yīng)用于返修工藝的消除缺陷方式主要有碳弧氣刨法和機(jī)械打磨法。

碳弧氣刨是使用碳棒或石墨棒作電極，與工件間產(chǎn)生電弧，將金屬熔化，并用壓縮空氣將熔化金屬吹除的一種表面加工溝槽的方法。具有靈活性大、可達(dá)性好、噪聲大、效率高等特點(diǎn)。清除焊縫的缺陷時(shí)，在電弧下可清楚地觀察到缺陷的形狀和深度。但是碳弧氣刨熱輸入值較高，會(huì)產(chǎn)生較大變形。

機(jī)械打磨法采用角磨機(jī)進(jìn)行打磨，角磨機(jī)是利用高速旋轉(zhuǎn)的薄片砂輪以及橡膠砂輪、鋼絲輪等對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行磨削、切削、除銹、磨光加工。角磨機(jī)打磨效率相對(duì)碳弧氣刨方式較低，但是熱輸入值相對(duì)較低，對(duì)焊件變形影響較小。

通過以上方法的對(duì)比，考慮熱量對(duì)機(jī)架的影響，因此優(yōu)選機(jī)械打磨法對(duì)機(jī)架焊縫進(jìn)行缺陷消除，同時(shí)要求打磨后對(duì)缺陷位置做MT確認(rèn)。

表6 試樣拉伸試驗(yàn)結(jié)果

表7 試樣彎曲試驗(yàn)結(jié)果

表8 試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果

消除應(yīng)力方式選擇

減少焊接殘余應(yīng)力和改善殘余應(yīng)力可以從設(shè)計(jì)和工藝兩個(gè)方面解決。對(duì)于重要焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)設(shè)法在焊后消除殘余應(yīng)力，以保證使用的安全性。消除殘余應(yīng)力的方法有熱處理法、機(jī)械拉伸法、溫差拉伸法、振動(dòng)法等。

因機(jī)架是局部焊縫返修，因此減少和消除應(yīng)力方式受到限制。焊接過程減少應(yīng)力僅能考慮工藝措施。可以使用錘擊焊縫的方式。用錘擊焊縫的方法調(diào)節(jié)焊接過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力時(shí)，錘擊使金屬表層內(nèi)產(chǎn)生局部雙向塑性延展，補(bǔ)償焊縫區(qū)的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，達(dá)到釋放殘余焊接殘余應(yīng)力的目的。錘擊在每層焊道完成后進(jìn)行，錘擊應(yīng)保持均勻、適度，要避免錘擊過分而產(chǎn)生裂紋。

焊接完成后的消除應(yīng)力方式中，僅有熱處理法中的局部高溫回火法和溫差拉伸法適用于機(jī)架的局部焊縫。溫差拉伸法需要通過火焰和水產(chǎn)生溫差，受場地等因素限制，因此在機(jī)架的焊縫返修中適合采用局部高溫回火的方式。為取得較好的消除殘余應(yīng)力的效果，應(yīng)保證有足夠的加熱寬度，一般應(yīng)不小于工件厚度的4倍，并在加熱寬度范圍內(nèi)，各點(diǎn)均應(yīng)達(dá)到規(guī)定的溫度。在冷卻時(shí)，應(yīng)用絕熱材料包裹加熱區(qū)域，以降低冷卻的速度，達(dá)到消除殘余應(yīng)力的目的。

返修工藝驗(yàn)證

機(jī)架焊縫缺陷的返修，應(yīng)在施焊完成并在高溫回火完全冷卻后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀和無損探傷檢查。并按照機(jī)架焊接圖紙對(duì)機(jī)架焊接尺寸檢查，驗(yàn)證返修的焊縫完全符合設(shè)計(jì)要求。

結(jié)束語

機(jī)架的焊接返修從焊接工藝的制定到實(shí)施均具有詳細(xì)依據(jù)，嚴(yán)格按照焊接返修工藝執(zhí)行，能有效去除焊接缺陷，并將對(duì)產(chǎn)品的影響降到最低。

經(jīng)研究確認(rèn)，本次制定的鎢極氬弧焊的焊接返修工藝完全滿足機(jī)架的返修要求。

（作者單位：中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司）