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埋弧自动焊在永磁直驱风力发电机制造中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2016-11-14   来源:东方电气集团东方电机有限公司   作者:王庆伟
根据永磁直驱风力发电机转子部件的结构特点,利用焊接操作机、焊接变位器等辅助设备,进行埋弧焊在风电焊接结构件中的应用探索,达到利用先进的焊接技术和方法,解决焊接制造过程中的技术和生产瓶颈问题。实践证明:采用埋弧焊易于实现焊接自动化,显著提高生产效率,可满足批量化生产的需求。
1    前   言
        永磁直驱风力发电机因其具有发电效率高、可靠性高、运行及维护成本低、电网接入性能优异等特点,已成为风力发电机市场上的主流机型。由公司自主研发设计、制造的功率为1.5MW、2.5MW、3.0MW的电机,由于用户需求量较大,已经开始投入批量化生产。其中转子机座、转轴部件(见图1、图2)作为电机的核心部件,具有焊接量大、焊接要求高的特点。目前主要采用CO2气体保护焊,焊接效率相对较低且质量依赖于焊工水平,手工化作业制约着产品的生产进度和质量,已经成为进一步拓展产能的瓶颈。


 
        随着工业制造向自动化、智能化、数字化发展,焊接生产的自动化和机械化是焊接结构制造发展的必然趋势,它能有效满足对焊接结构件质量稳定化越来越高的要求,并在焊接作业中提高效率、降低焊工的劳动强度。

        由于埋弧焊具有生产效率高、焊接质量好、劳动条件好等特点,通过与焊接辅助设备(如焊接滚轮架、焊接变位器、水平回转工作台、焊接操作机、焊工升降台等)相配合,易于实现焊接自动化,降低生产成本,满足批量化生产的需求。因此,探索埋弧自动焊在风电产品上的应用具有重要的意义。
 
2    埋弧焊原理
        埋弧焊也是利用电弧作为热源的机械化焊接方法。埋弧焊的实施过程如图3所示,它由四部分组成:①焊接电源接在导电嘴和工件之间产生电弧;②焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区;③颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地敷到待焊区;④焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上,以实现焊接电弧的移动。

        埋弧焊时电弧是在一层颗粒状的可熔化焊剂覆盖下燃烧,电弧热将焊丝端部及电弧附近的母材和焊剂熔化。熔化的金属形成熔池,熔融的焊剂成为熔渣。熔池受熔渣和焊剂蒸汽的保护,不与空气接触。电弧向前移动时,电弧力将熔池中的液体金属推向熔池后方。在随后的冷却过程中,这部分液体金属凝固成焊缝。熔渣则凝固成渣壳,覆盖于焊缝表面。熔渣除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用外,焊接过程中还与熔化金属发生冶金反应,从而影响焊缝金属的化学成分。埋弧焊焊缝形成过程如图4所示。
 




 
3   转子部件埋弧自动焊工艺开发及应用
3.1    转子部件的结构
3.1.1    转子机座
        转子机座焊接结构如图5所示,主要由序1-筒体、序2/4-内侧2件法兰加序3-锥体组成,材质:Q345E,筒体壁厚50mm,筒体中径Φ4902mm, 高度1470mm,重量11.8t。

3.1.2    转轴
        转轴焊接结构如图6所示,主要由序1-转轴中心体、序2-中间法兰、序4-锁销、序5-外侧法兰和序6-筋板等组成,材质:Q345E+ZG20Mn, 外径Φ4060mm,高度517.5mm,重量11.2吨。

3.2    母材性能
        转子部件母材主要以Q345E钢为主,属于低合金高强度结构钢,符合GB/T 1591-2008标准,其化学成分和力学性能见表1和表2。


 
3.3    埋弧自动焊工艺评定
        为保证焊缝与母材等强匹配,焊缝金属及热影响区-40℃冲击韧性KV2≥34J,保证焊接接头的综合机械性能,在产品上正式施焊前按NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》标准进行焊接工艺评定,从而制定合理的焊接工艺参数。预焊接工艺规程(PWPS)采用的焊接工艺参数如表3所示。

       选用的焊接材料牌号为CHW-S14B+CHF102R (压力容器专用,型号F5P4-H10Mn2),焊剂CHF 102R为氟碱型烧结焊剂,呈球形颗粒,粒度10 ~60目。焊材应严格控制S、P含量,符合NB/T 47018.4-2011《埋弧焊用钢焊丝和焊剂》标准。该焊丝焊剂组合具有优良的焊接工艺性能,脱渣容易及抗气孔能力强,能够满足自动化焊接的要求。

       开双面U型坡口按表3焊40mm厚的试板(可覆盖母材厚度16~200mm),在610±10℃×6h 退火后,按NB/T 47013《承压设备无损检测》100%UT+100%MT探伤合格,制取力学性能试样和冲击试样后理化检验合格,证明埋弧焊焊接接头的使用性能满足产品的设计要求,所制定的焊接工艺参数合理。理化检验项目见表4, 理化检验结果见表5、表6、表7。


 
3.4    转子部件埋弧自动焊工艺
3.4.1    转子机座
        铆焊工艺流程如图7所示,重点介绍制造工艺中的埋弧焊。
       (1)筒体钢板下料后拼焊及卷圆后纵缝焊接
       1)筒体下料尺寸50mm×1470mm×15409mm, 长度方向均分二接一,坡口型式如图8所示;铆装点焊固定,坡口两侧加引弧板、收弧板,对接坡口采用小车式埋弧焊机进行焊接。
        注:为提高生产效率,可2件筒体钢板同时拼焊,卷圆后同时焊接纵缝。
        2)在三辊卷板机上两端预弯后,按中径Φ 4902mm(+4~+6,预留焊接收缩量)卷制成型,成型时利用弧形样板检查曲率,合格后焊接筒体纵焊缝。首先在平台上将筒体卧放固定,从筒体内侧铺轨道采用埋弧焊进行焊接;然后将筒体置于地坑固定,使用平台式焊接操作架配合,从筒体外侧进行清根;最后在操作架上采用小车式埋弧焊完成纵缝的焊接。如图9、图10 所示。
        3)纵缝焊完后上三辊卷板机进行校圆,保证筒体椭圆度、纵缝棱角度等满足设计要求,筒体顶圆后内壁米字支撑固定,支撑应具有足够的刚性,且支撑点与筒体内壁为面接触,见图11。
        







 
      (2)转子机座零部件焊接坡口的制备
        焊接接头的质量在较大程度上取决于焊接前焊件坡口的加工和装配工作。坡口的形状和尺寸将影响焊缝成形(熔深H、熔宽B、余高a)、焊缝熔合比、焊缝金属的结晶状态等。
        焊缝成形系数(B/H)的大小会影响熔池中气体逸出的难易、熔池的结晶方向、焊缝中心偏析的严重程度等。为降低焊缝产生裂纹和气孔的敏感性,保证根部焊道的焊透及脱渣,埋弧焊焊缝的成形系数一般要求>1.25。因此,重要焊接结构一般开U型或J型坡口。
        转子机座各部件的坡口采用机械加工的方式制备,以保证边缘具有足够的精度和光洁度,焊接坡口型式如图12所示,开J型坡口。

        (3)转子机座铆装及刚性固定
        1)零部件下料、拼焊、坡口加工及筒体卷圆等工序完成后,清理加工坡口表面及两侧30mm范围的油污及铁锈,进行铆装工序,注意预留焊接收缩量(“序4”高度上至少预留5mm), 各部件之间装配间隙均匀且≤1mm,装配错边量≤2mm。合格后采用CO2气体保护焊进行定位焊,同时对局部间隙过大的区域进行修补,采用定位焊由合格焊工完成,定位焊缝长度应≥50mm,间距宜为300~500mm,定位焊缝如有裂纹或密集气孔应清除重焊。
        2)由于埋弧焊的焊接线能量较高,为减少焊接过程中的变形,铆装后需对各部件进行刚性固定,防止焊后产生较大的波浪变形和角变形,序1~序4之间按图13和图14所示布置防变形拉筋(厚度40mm,带3处“过焊孔”),筋板沿圆周方向30件均布,同时在筒体米字支撑与序4之间布置15件方钢或工字钢进行支撑,所有支撑工装待退火后再去除。





 
        (4)转子机座埋弧自动焊
        转子机座各部件装配完成且定位焊合格后,将工件装夹到焊接变位器上,转动工作台,利用焊接机头精确找正工件,保证二者同心度。工艺布局如图15所示。
        采用埋弧焊方法焊接,利用焊接操作机调整焊机将其保持在焊接位置上,调整变位器的转速至满足焊接要求,保证坡口位置的线速度40~50cm/min,按照表3焊接工艺参数施焊。
        1)所有环缝按表3打底焊工艺参数焊1道,然后交替焊接3条环缝,焊至坡口深度30mm后下变位器。
        2)工件翻面,采用碳弧气刨清根,清根深度15mm,宽度15mm,坡口呈U型,采用CO2气体保护焊进行封底焊,焊前检查工件变形情况,对变形量较大的区域,焊接时适当加大热输入。工件重新上变位器,采用埋弧焊焊满坡口。
        3)工件下变位器,采用CO2气体保护焊焊接根部角焊缝R30。对“序1+序2”、“序3+序4”焊缝根部打磨至圆滑过渡,防止尺寸突变处产生应力集中,降低工件使用寿命。
        4)埋弧焊过程中随时观察焊缝成形及侧壁的熔合情况,每道焊缝焊完后及时清理焊渣。每道焊缝的收弧和引弧位置应错开,收弧处弧坑应填满。

3.4.2    转轴
        铆焊工艺流程如图16所示,重点介绍制造工艺中的埋弧焊。
        (1)转轴零部件焊接坡口的制备
        转轴各部件的坡口采用机械加工的方式制备,以保证边缘具有足够的精度和光洁度,焊接坡口型式如图17所示开U型和J型坡口。

 
        (2)转轴单件铆装、背靠背组对及刚性固定
        1)零部件下料、拼焊及坡口加工等工序完成后,清理加工坡口表面及两侧30mm范围的油污及铁锈,进行铆装工序。注意预留焊接收缩量(工件外圆单边预留5mm,为保证序5加工后不减薄,序5向下方预留5mm),各部件之间装配间隙均匀且≤1mm,装配错边量≤2mm。合格后采用CO2气体保护焊进行定位焊,同时对局部间隙过大的区域进行修补,采用定位焊由合格焊工完成,定位焊缝长度应≥50mm,间距宜为300~500mm,定位焊缝如有裂纹或密集气孔应清除重焊。
        2)为减少焊接过程中的变形,转轴采用工装筋板连接(厚度40mm,带2处“过焊孔”),在刚性固定的条件下施焊,防止焊后产生较大的波浪变形和角变形,工装布置如图18所示,所有支撑工装待退火后再去除。

        (3)转轴埋弧自动焊
        转轴各部件装配完成且定位焊合格后,将工件装夹到焊接变位器上,转动工作台,利用焊接机头精确找正工件,保证二者同心度。工艺布局如图19所示。
        采用埋弧焊方法焊接,利用焊接操作机调整焊机将其保持在焊接位置上,调整变位器的转速至满足焊接要求,保证坡口位置的线速度40~50cm/min,按照表3焊接工艺参数施焊。
        1)“序1+序2”、“序2+序5”环缝按表3 打底焊工艺参数焊1道,然后交替焊接2条环缝,焊至坡口深度30mm。
        2)工件下变位器,对上述环缝采用碳弧气刨清根,清根深度10mm,宽度10mm,坡口呈U 型,采用CO2气体保护焊进行清根封底焊,焊前检查工件变形情况,对变形量较大的区域焊接时适当加大热输入。工件重新上变位器,采用埋弧焊焊满坡口。
        3)工件下变位器,采用马鞍型埋弧焊焊接“序2+序4”环缝(见图20),焊完后对反面碳弧气刨清根,采用CO2气体保护焊进行封底焊。
        4)装配序6“筋板”18件/台,工件上滚轮架并调整角度(见图21),焊接位置处于平焊位置,采用埋弧焊进行焊接,使角焊缝呈凹形。
        5)埋弧焊过程中随时观察焊缝成形及侧壁的熔合情况,每道焊缝焊完后及时清理焊渣。每道焊缝的收弧和引弧位置应错开,收弧处弧坑应填满。


 
3.5    无损检测、焊后热处理和装焊尺寸检查
        对转子机座、转轴的所有对接焊缝进行无损检测、100%MT检测,验收标准:ASME-Ⅷ-APP6;100%UT检测,验收标准:ASME-Ⅷ-APP12。 焊后进行620℃±20℃×6h退火热处理,以改善焊缝组织,消除焊接残余应力并稳定构件尺寸。退火出炉后进行装焊尺寸检查,各项尺寸满足加工要求。

3.6    埋弧自动焊与CO2气体保护焊生产效率对比
        与CO2气体保护焊相比,埋弧自动焊具有以下优势:
        (1)由于埋弧焊时焊丝伸出导电嘴的长度短,可提高焊接电流,电流密度可提高4~5倍,因此,熔透能力和焊丝熔敷率大大提高;另一方面,由于焊剂和熔渣的隔热作用,电弧热损失少,故热效率高,可显著提高焊接速度。

        (2)焊剂和熔渣能有效防止空气入侵熔池,还可以降低焊缝的冷却速度,从而可提高焊缝的力学性能;由于焊接工艺参数可以通过自动调节保持稳定,焊缝表面光洁平直,焊缝金属的化学成分和力学性能均匀而稳定,对焊工技术水平要求不高,焊后打磨量少。

        (3)由于焊接过程的机械化和自动化,焊工劳动强度大大降低,没有弧光对焊工的有害作用,焊接时放出的烟尘和有害气体少,改善了焊工的作业条件。

        (4)CO2气体保护焊由于焊接飞溅,实际使用的焊丝约为理论填充金属的1.3倍;而埋弧焊过程基本无飞溅产生,焊材损耗率低。

        由表8可知,焊接每套转子机座和转轴,埋弧焊工时为104h,CO2气体保护焊工时为328h, 采用埋弧自动焊可节省工时224h,生产效率得到大幅度提高。该工艺在风力发电机产品上进行推广,不仅能够满足批量化生产需求、稳定产品质量,通过精益生产组织还可以降低生产成本。
 

 
4    结束语
4.1    埋弧自动焊的实现需要配备焊接操作机、焊接变位器、水平回转台等辅助设备;为保证焊缝质量,U型或J型坡口需采用机械加工的方式进行。
4.2    产品装配后采取刚性固定的措施,应预留焊接收缩量,焊接过程中可有效控制产品焊接变形,焊接、退火后产品装焊尺寸满足加工要求。
4.3    埋弧自动焊技术在风电产品上推广应用,可提高焊接质量和生产效率、降低生产成本,并取得巨大的经济效益和社会效益。
4.4    通过埋弧自动焊在永磁直驱风力发电机产品上的应用实践,取得了宝贵的经验;实践证明,采用埋弧自动焊生产复杂结构件可行,焊接变形可控。

 

 

 
 
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