22 MW同步水利电动机机座的焊接工艺研究

孙亚男

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

上海电气集团上海电机厂有限公司生产制造了中国第一台汽轮发电机和世界第一台双水内冷汽轮发电机，在国内外赢得了很高声誉。近年来努力拓展“一带一路”市场，印度GLIS泵站22 MW 12 P电机为大容量、高转速、高扬程、立式水泵用同步电动机，是我公司独立承接的印度水利行业订单，品牌和市场推广意义重大。

该电机机座为八边形结构。外形尺寸为(4 100 mm×4 100 mm×2 620 mm)。机座框架焊接结束后仍需在一端端头机壁上焊接不锈钢板条180根，此为异种材料焊接且焊接量大，焊接变形大且难控制[1]。图1为机座框架部分三维视图，总体分为三层，即上机架端-定子端-下机架端。图2为机座焊接板条示意图，一端机壁圆周方向焊接180根板条和108片挡风板。机壁(Q235-A)-板条(0Cr18Ni9)-挡风板(Q235-A)为异种材料焊接。

焊接方法的选择、焊接参数的选定、焊接变形的控制是本文研究的重点内容。

1 工艺分析

机壁(Q235-A)-板条(0Cr18Ni9)-挡风板(Q235-A)的异种材料焊接需根据产品结构、焊缝成形、施焊空间等进行综合考虑分析。

图1 机座框架部分三维视图

图2 机座焊接板条示意图

机壁(Q235-A)与180根板条(0Cr18Ni9)角焊缝焊接量大，采用常用的CO2气体保护焊，焊接部位的锈层、湿气、油污、灰尘等应全部清理干净。CO2气体保护焊的特点主要有如下几点：

(1)生产效率高。采用较粗的焊丝(焊丝直径大于1.6 mm)焊接时，可以使用较大的电流，实现射滴过渡。这种方法基本上没有熔渣，一般不需要清渣，从而节省了许多辅助时间，较大的提高焊接生产效率。

(2)焊接变形小。电流密度高，热量集中，受热面积小，故工件焊后变形小。特别是焊接薄板时，往往不需要焊后校平工序。

(3)CO2气体保护焊是一种低氢型焊接方法，焊缝含氢量很低，所以在焊接低合金钢时不易产生冷裂纹。

(4)此种方法属于明弧焊接，电弧可见性好。

(5)操作简单，容易掌握[2]。ER309焊丝为常用的碳钢、不锈钢焊接用焊丝。ER309焊丝主要成分为22Cr-12Ni，为不锈钢MIG焊丝，可全位置焊接。焊接作业性极佳，送丝顺畅、电弧稳定、成形美观、飞溅极少。熔敷金属含有铁素体，抗裂性能良好，耐腐蚀性能良好。因合金的含量高，耐高温性良好。常用于碳钢与不锈钢异种材料焊接。

板条(0Cr18Ni9)与挡风板(Q235-A)的焊接仅为三处搭焊，焊接量小，空间位置狭小，故采用手工电弧焊。手工电弧焊具有下列特点：

(1)操作灵活。手工电弧焊不论在焊接车间内，还是在野外施工现场均可采用。由于设备简单、移动方便、电缆长、焊把轻巧等特点，手工电弧焊既适用于平焊、立焊、仰焊等各种空间位置的焊接，又适用于对接、搭接、角接、T形接头等各种形式构件的焊接。可以说，凡是焊条能达到的任何位置的接头，均可采用手工电弧焊方法连接。

(2)待焊接头装配要求低。由于焊接过程由焊工控制，可以适时调整电弧位置和运条手势，修正焊接规范，以保证跟踪焊缝和均匀熔透。因此，对焊接接头的装配尺寸要求相对降低。

(3)可焊金属材料广。A302焊条为常用的碳钢、不锈钢焊接用焊条，是钛钙型药皮的22Cr-12Ni不锈钢焊条，熔敷金属具有良好的抗裂性及抗氧化性，有良好的焊接工艺性能。焊缝金属中较多的铁素体，裂纹敏感性低。电弧稳定、成型美观、波纹细腻、飞溅极少、脱渣容易，药皮耐火性优良、抗气孔性佳。

挡风板(Q235-A)与机壁(Q235-A)为角接焊缝，为减少后续的焊接飞溅清理工作，在空间有限的情况下采用药芯焊丝气体保护焊。药芯焊丝有如下特性：

(1)药芯焊丝的药芯成分起造渣剂和脱氧剂作用，降低焊缝中的含气量和非金属夹杂物的含量，提高了焊缝金属性能。

(2)实现了气-渣联合保护，避免了CO2气体保护焊所出现的飞溅大、焊缝成形不良的缺点。E501T-1药芯焊丝电弧柔和稳定，飞溅少，减少了清除飞溅和修磨焊缝表面的时间，成型美观，脱渣性好，烟尘量少，具有优良的焊接工艺性能。使用药芯焊丝后，生产周期缩短且焊缝质量容易保证，带来了高的综合效益。

针对不同材料及焊接方法，进行了焊接工艺评定。根据合格的焊接工艺评定报告(PQR)编制了用于产品施焊的焊接工艺规程(WPS)。

2 工艺试验

2.1 机座框架焊接工艺

机座外形尺寸为(4 100 mm×4 100 mm×2 620 mm)，机壁允许拼接，拼接处焊缝进行磁粉探伤(MT)和超声波探伤(UT)。MT按GB/T 26952中2级验收，UT按GB/T 11345检测，按GB/T 29712中2级验收。在零件落料完成后，重点攻关机座装配过程。采用整体从下往上，机壁-撑板-罩板的顺序逐层进行机座框架的装配工作，装配工序分解为下机架端-定子端-上机架端。下机架端机壁，在确定好圆心后，用U型夹固定好机壁并画划撑板和罩板位置线。下机架端撑板，用直角尺保证筋板垂直并定位，并用其复核筋板垂直度，再依次装配好撑板与撑管，并复核径向、圆周尺寸。下机架端罩板采用四拼装焊形式，非设计图纸单件拼整圆，并用锲在圆周方向定位。对滚圆压头部分进行火焰整形，保证整圆拼焊。整个装配过程配合采用撑工艺撑筋、吊垂线等措施，并多次复核各档尺寸。定子端和上机架端也按照上述过程进行装配，机壁-撑板-罩板的顺序逐层完成了机座框架的装配工作，机座框架装配完成如图3所示。

机座框架部分焊接主要采用CO2气体保护焊，φ1.2 mm ER50-6焊丝。机座框架部分焊接结束后，整体进行热处理消除应力[3]，并对重要焊缝进行了磁粉探伤，MT按GB/T 26952中2级验收。

图3 机座框架装配完成

2.2 机座板条焊接工艺

机座框架部分焊接结束后，需在一端机壁圆周方向焊接180根板条和108片挡风板。机壁(Q235-A)-板条(0Cr18Ni9)-挡风板(Q235-A)为异种材料焊接。板条的等分、焊接方法、焊材选择及变形控制是此工序的难点。

将难点化整为零，把180根板条按最短一根分为18组，每组10根，均布“长短长”3组+最短一根，如图4所示。

图4 一组板条及挡风板

装配定位前，将焊接机座机壁下平面加工至φ3 500 mm直径(焊接机座变形良好)，与工装金加工平面配合。在机壁平面止口上刻R1620 mm、R1570 mm两条节圆线，复核板条径向位置；并划整圆六等分线，复核板条圆周方向位置。在机壁12点钟、6点钟方向预钻2-φ40 mm孔，与工装垫板定位。

设计了工装板条定位装置，并借用压装工装来垫实焊接区域，避免悬空，如图5、图6所示。

图5 板条定位装置整体设计图

装配时，借用压装工装底板和下垫板来垫实焊接区域，底板和下垫板用两个定位销固定好后，将框架机座吊入置于底板上，底板和框架机座亦用两个定位销固定。用两个定位销固定板条定位装置于压装工装下垫板上，并钻攻四个起吊螺孔。将一组板条(“长短长”3组+最短一根)按顺序依次放入板条定位装置，注意倒角方向，划线确定焊缝位置及长度，定位焊板条与机壁，定位好后利用起顶孔取出工装板条定位装置，完成板条与机壁间焊缝。按圆周顺序依次重复上述步骤完后整圆的180根板条与机壁焊缝，如图7所示。

如图8所示，装配、定位焊108片挡风板。为了避开板条与机壁间焊缝，挡风板两侧开10×45°倒角。将挡风板与板条先定位焊好，再焊接挡风板与机壁间焊缝。

图7 板条焊接过程

图8 挡风板焊接过程

根据焊接工艺规程(WPS)要求的参数施焊，具体如下表1所示。

表1 板条、机壁、挡风板焊接参数表

3 试验结果

焊接全部结束，将焊有板条的机壁下平面和板条上平面进行加工。加工后测得变形如下：机壁平面度偏差≤0.2 mm，板条平面度偏差≤0.6 mm。完全满足图纸要求，此结构的异种材料的焊接变形得到了很好的控制。

4 结论

(1)设计板条的等分工装来实现板条的定位，采用合理的焊接工艺来保证异种材料的焊接变形控制。

(2)根据焊接工艺评定参数施焊，保证了焊缝质量。