42CrMo制變槳齒圈在線焊接修復工藝及可靠性評估

姚 鵬 ，秦思遠 ，劉洪冰 ，陳超凡 ，王金生 ，李振國 ，郭志杰

1.清華大學 天津高端裝備研究院 洛陽先進制造產業研發基地，河南 洛陽 471000

2.中國廣核新能源控股有限公司，北京 100036

3.中能智能（北京）能源科技有限公司，北京 100036

4.大生清風（北京）科技有限公司，北京 100036

0 前言

結合當前經濟發展環境及政策趨勢，能源安全、清潔化轉型是我國“十四五”重要的能源戰略之一，因此，風能資源的利用和開發將在“十四五”迎來更大發展。快速增長的風電機組裝機速度和容量，使中國成為名副其實的風電第一大國，也帶動了龐大的風機運維市場需求。

風電機組的全生命周期中，持續時間最長的就是運維。在電動變槳齒輪驅動類風機的變槳系統中，變槳軸承的內齒圈（以下簡稱“變槳齒圈”）是風電機組傳動系統中受力最復雜的零部件之一，雖然變槳齒圈的設計壽命不小于20年［1］，但由于工作環境惡劣、承受交變載荷等原因，變槳齒圈在運行3～5年后會出現不同程度的磨損失效形式，導致風電機組變槳系統無法正常工作，嚴重時將引發飛車、倒塔等大型事故。傳統吊裝更換方案具有周期長、成本高、發電量損失巨大等缺點，而且易造成基礎運維費用過高，是廣大業主面臨的難題之一。

變槳齒圈多由42CrMo制成，42CrMo屬于高淬硬傾向鋼［2］，焊接過程中焊道易形成含碳量高、硬度大的馬氏體組織，從而導致過熱區出現脆化現象，焊接難度大。隨著焊接技術的不斷發展，一些學者在42CrMo的焊接上取得了一定研究成果［3-7］，并將其應用于特大型轉盤軸承返修，可快速、有效地對軸承的磨損失效進行修復，恢復零部件的機械性能，滿足再次服役要求，延長使用壽命。但這些研究成果均需借助大型加工設備或火焰加熱處理工藝。此外，根據風機變槳齒圈制造標準和運行要求［8］，為保證材料的淬透性好，42CrMo的化學成分中會添加一定量的合金元素。受合金元素影響，在42CrMo表面堆焊過程中，焊道在凝固結晶時，結晶溫度區間跨度大，偏析傾向嚴重，易出現結晶裂紋，具有較大的熱裂紋敏感性［9］，焊接難度大。

風電機組變槳齒圈在線修復屬于高空特種作業，因空間限制，無法使用常規加熱手段或設備。同時，變槳齒圈尺寸大，熱傳導是主要的散熱途徑，常規的加熱及保溫方式均無法達到期望效果［10］。本文采用H27焊材和手工鎢極氬弧焊對42CrMo變槳齒圈進行堆焊修復，使用超音頻感應加熱設備和回火焊道技術進行焊前預熱和焊后緩冷，通過焊后有效硬度層檢測、耐磨測試、金相組織分析及模擬運行測試等，系統評估修復后齒輪運行的可靠性，為風電機組變槳齒圈在線修復應用提供理論依據和技術支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

相關研究和設計手冊表明［11-14］，當風電機組變槳齒圈單邊磨損量超過3 mm時，風機葉片變槳精度將受到嚴重影響，繼續運行可能導致安全事故。因此，本文針對磨損量在3 mm以內的變槳齒圈的焊接修復工藝展開研究。變槳齒圈材質為42CrMo，屬于中碳調質鋼，其化學成分和機械性能分別如表1、表2所示［15］，為得到較高的強度性能，整體調質后采用表面淬火的方式處理，加工后齒輪表面硬度可達60 HRC。

表1 42CrMo的化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of 42CrMo （wt.%）

表2 42CrMo的機械性能（調質）Table 2 Mechanical property of 42CrMo（Quenching and tempering）

在充分考慮42CrMo焊接特性和高空作業環境的基礎上，選用清華大學天津高端裝備研究院洛陽先進制造產業研發基地研發的系列材料H27，其化學成分如表3所示。該材料基于文獻［16］的研究，采用合金粉末制成，與42CrMo結合性好，生成的增強相可在42CrMo基體中均勻彌散，焊后冷裂紋傾向低，耐磨性優異。同時，為改善接頭質量，焊接過程中選用特殊加熱保溫裝置及工藝用于焊前預熱和焊后緩冷，滿足變槳齒圈高空在線修復需求。

表3 H27的化學成分（質量分數，%）Table 3 Chemical composition of H27 （wt.%）

1.2 試驗方法

1.2.1 焊前準備

焊前使用抹布、清洗劑和角磨機等工具，將待焊接修復的齒及周圍油污、水分和氧化皮等雜質清理干凈。使用齒規、齒厚游標卡尺或塞尺等工具測量輪齒的磨損量，如圖1所示，根據磨損量合理規劃焊道、起弧和收弧點。

圖1 磨損量檢測Fig.1 Wear measurement

1.2.2 焊前預熱

采用超音頻感應加熱設備對待修復齒預熱去氫，預熱溫度控制在120～200 ℃，加熱區域為齒根向上10 mm區域，如圖2所示。為避免驟熱引起材料表面出現淬硬變化，選用5 kW檔位的小功率對待焊接部位加熱，加熱全程使用紅外測溫儀對齒頂測溫監測，直至加熱溫度滿足焊接要求。小功率加熱方式可使修復齒獲得一個較為均勻的溫度場，有助于提升焊接質量。

圖2 超音頻感應加熱Fig.2 Super-frequency induction heating

1.2.3 施焊

預熱結束后立即采用手工鎢極氬弧焊施焊，直流正接，焊接速度以能形成連續熔池為宜，焊機選用奧太WSM-315d/400d直流脈沖氬弧焊機，詳細焊接參數見表4，短弧施焊（弧長不大于3 mm），相鄰焊道搭接寬度為焊道寬度的1/3左右，焊縫外觀成形良好。焊道對稱布置，在打底層或過渡層施焊過程中，熔覆金屬平面寬度的對稱中心線沿長度方向焊接第一道焊道，第二道焊道布置在第一道焊道左側并緊鄰第一道焊道，第三道焊道布置在第一道焊道右側并緊鄰第一道焊道，左、右兩側依次交替對稱布置焊道，道間起弧處和熄弧處應錯開，間距不小于10 mm。每層熔覆金屬高度應在1 mm左右，道寬不大于8 mm，焊層示意如圖3所示。

圖3 焊層示意Fig.3 Welding layer

表4 焊接參數Table 4 Welding parameters

受高空作業和空間影響，無法采用火焰或大型加熱設備對焊接部位進行焊后緩冷，針對該難點本研究采用回火焊道工藝［17-18］，以減緩焊道冷卻速度，保證內部組織成形良好，確保熔覆層金相組織分布均勻。同時，焊接結束后立即使用超音頻感應加熱設備對施焊部位加熱保溫，再次減緩焊道冷卻速度，以改善焊后接頭質量，降低熱影響區、焊縫處殘余應力，緩冷時間2 h。之后進行齒形檢測和硬度檢測。

（1）齒形檢測。待焊接處冷卻至室溫后，打磨修形，打磨過程中不斷檢測修復齒尺寸，檢測方式為使用齒形檢驗工具沿齒寬方向在靠近每個齒的上、中、下部位分別檢測1處，如圖4所示，每處的齒隙應符合GBT 10095.2—2008《圓柱齒輪 精度制 第2部分：徑向綜合偏差與徑向跳動的定義和允許值》要求。

圖4 齒形檢測示意Fig.4 Shape measurement

（2）硬度檢測。對LS-140高精度便攜式里氏硬度計校準后，分別對每個齒的上、中、下部位檢測齒面硬度，測量間距30 mm，每個點測量不低于5次，硬度值應符合GB/T 29717—2013《滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承》要求。

2 可靠性驗證

根據GB/T 29717—2013《滾動軸承 風力發電機組偏航、變槳軸承》規定，變槳齒圈輪齒表面硬度為50～60 HRC，有效硬度層深度應符合表5的規定，因此，輪齒焊后表面硬度需達到（55±5） HRC，有效硬度層符合該標準要求，且機械性能滿足運行要求。本研究對修復齒采用有效硬度層檢測、耐磨測試、金相組織分析及模擬運行測試等，評估齒輪修復后運行的可靠性。

表5 齒面有效硬度層深度Table 5 Effective hardness layer depth

2.1 梯度硬度值

在變槳齒圈磨損處熔覆3 mm厚的熔覆層后進行染色探傷檢測，確認熔覆層無裂紋、氣孔及夾渣。使用角磨機將熔覆層打磨成沿齒面向內的梯度形狀，相鄰梯度間高度差為0.5 mm，如圖5所示。測量相應深度的硬度值，每個區域選取3個點測量，測量結果如表6所示。由表6可知，H27熔覆層表面及內部硬度均在（55±5） HRC的范圍內，滿足變槳齒圈有效硬度層深度要求。

圖5 梯度硬度示意Fig.5 Gradient hardness

表6 梯度硬度值Table 6 Gradient hardness value

2.2 耐磨測試

結合變槳齒圈運行模式和環境，耐磨測試采用QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗機，無潤滑措施。制備試驗用盤樣件，采用前文相同焊接工藝在42CrMo材料表面熔覆材料H27，厚度3 mm，對比樣件為淬火態42CrMo盤樣件。同時，選用淬火態42CrMo制備配副銷，盤樣件及配副銷如圖6所示。

圖6 試驗樣件Fig.6 Testing sample

熔覆H27后的42CrMo、淬火態42CrMo摩擦磨損試驗參數如表7所示，兩種材料分別進行3組試驗，通過對比盤樣件的失重來表征材料的耐磨性，稱重使用BS210S天平，Max值210 g，可讀性為0.000 1 g。

表7 摩擦磨損試驗參數Table 7 Friction and wear test parameters

QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗結果見表8。可以看出，熔覆H27的42CrMo和淬火態42CrMo的失重值較為接近，兩者的耐磨性處于同水平。

表8 耐磨測試結果Table 8 Wear resistance test results

2.3 金相組織

QG-700型氣氛高溫摩擦磨損試驗結束后，熔覆H27后的42CrMo盤樣件沿豎直方向切片，通過鑲樣、打磨、拋光、腐蝕、沖洗及烘干等工序，制備金相試樣，觀測其金相組織，結果如圖7、圖8所示。

圖7 熔覆層、熔合區、熱影響區和基材的金相組織Fig.7 Metallographic structure of cladding layer，bonding layer，heat-affected zone and base

圖8 耐磨層金相組織Fig.8 Metallographic structure of wear protection layer

圖7為熔覆層、熔合區及基體的微觀金相組織。可以看出，熔合區充分發生牢固的冶金結合，熔合線均勻平直，大大減小了焊接應力。基體熱影響區晶粒呈現均勻細小的等軸晶特征，未出現晶粒異常長大、混晶等不良現象。

圖8為熔覆層微觀金相組織，在板條狀馬氏體基體上彌散分布著大量的微米級碳化物顆粒，該組織有利于提高熔覆層的硬度，同時在相應的預熱及緩冷工藝作用下，組織分布均勻、密集，可使熔覆層具有優異的耐磨性。金相組織所表征出的材料特性與梯度硬度值及耐磨測試中的結果相符。

2.4 模擬運行

為驗證修復后輪齒運行的可靠性，本研究對修復齒開展模擬運行試驗，試驗在2 MW輪轂試驗平臺上開展，齒輪信息如表9所示。模擬運行前，在齒圈上焊接3個齒，編號為B1～B3，焊后對3個齒進行染色滲透顯像檢測，未見裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，如圖9所示。

圖9 運行前檢測Fig.9 Measurement before testing

表9 齒輪參數Table 9 Gear parameters

檢測結束后，開展模擬運行測試，運行采用脂潤滑。試驗時長474.5 h，剎車力矩設為164 kN·m。試驗期間，定期檢查修復齒的磨損量并記錄，檢查結果如表10所示。結果表明，試驗平臺運行至191.5 h時，各齒均出現微小的磨損，B2磨損最嚴重，磨損量達到0.03 mm。分析原因為齒修復完畢后，其表面平面度相對低一些，因此前期的嚙合會將高的部分磨損掉，類似于新齒輪運行初期的磨合。磨合結束后，在表面耐磨層的作用下，齒的磨損情況未有增加，可見表面耐磨層的耐磨性能非常優異。在檢測磨損量的同時，還對這3個齒進行滲透探傷檢測，如圖10所示，未發現疲勞裂紋，說明表面H27熔覆層與變槳齒圈基體42CrMo結合性高，抗疲勞性能優異。

圖10 運行后的探傷檢查Fig.10 Measurement after testing

表10 齒的磨損量Table 10 Abrasion loss

3 結論

（1）梯度硬度值、耐磨測試及金相組織等結果表明，H27焊材及配套工藝與42CrMo結合性好，熔覆層中的馬氏體基體上彌散分布了大量的微米級碳化物顆粒，有利于提高熔覆層的硬度，同時在相應的預熱及緩冷工藝作用下，組織分布均勻、密集，使熔覆層具有優異的耐磨性。

（2）模擬運行結果表明，在表面熔覆層優異的耐磨性作用下，齒輪初期磨合結束后，齒面未出現嚴重磨損。

（3）H27焊材及配套工藝為風電機組變槳齒圈磨損高空在線修復提供一種參考方案，避免了傳統吊裝更換所帶來的高運維成本和高發電量的損失，對推進我國實現“雙碳”目標具有一定意義。