双混流转轮装配、焊接工艺研究

结构件事业部　　盛海涛、魏艳瑞

摘 要：本文介绍了双混流转轮装配、焊接工艺研究。通过大量的分析与验证，确定了影响双混流转轮焊接变形因素，找到了解决焊接质量保证的方法，确定了该零件的焊接工艺、焊接参数以及热处理规范。通过实际应用，变形控制与焊接质量达到预期效果。

关键词：双混流转轮，装配、焊接工艺。

1、 引言

充分利用水力资源一直是水力机械研究者追求的目标，一种被称为双混流水轮机的新型水力机械已经开始产业化。双混流水轮机的核心部件被称为双混流转轮，该部件结构极其复杂，尺寸精度高、焊缝要求高，焊接难度大。在制造过程中，控制焊接变形与确保焊接质量尤为关键。能否高质量地制造出双混流转轮，成为双混流水轮机能否量产的关键。

本文从双混流转轮结构入手，分析变形的影响因素以及保证质量的因素，并对这些影响因素进行了验证试验，找到了影响双混流转轮焊接变形因素和解决焊接质量保证的方法。采用合理分装、顺序焊接、筛选焊材以及优化焊接参数等工艺，确保了双混流转轮的制造质量。

2、 双混流转轮结构特点与制造要求

双混流转轮结构以玛乌兹转轮为例，最大直径760mm。但结构复杂，是由1个上冠，2个下环，中间有26片叶片组焊而成的，（如图1，图2，图3）重为2232Kg，叶片坡口由加工而成。这种双混流转轮的直径小、空间小，结构反而如此复杂，从而使制造难度变大，制造周期变长。

图1，玛乌兹转轮的上冠：

图2，玛乌兹转轮的下环：

图3，玛乌兹转轮

3、 影响焊接变形与焊接质量因素分析与验证

双混流转轮的下环、叶片是上下完全对称的，假如装焊过程中不协调，不对称，那么在焊接过程中就很容易产生扭曲变形，影响生产工艺流程的正常进行，影响结构的尺寸精度与外形。焊后矫正残余变形的工序，费工、耗资，不但延误生产周期，生产成本上升，还会引起产品质量不稳定等诸多不良后果。由于双混流转轮上下两组叶片与上冠、下环间的开档尺寸均应满足设计要求，就要求在装配及焊接过程中要严格控制转轮的变形，合理控制转轮的分装顺序，合理控制焊接的方向和顺序。

4、 合理分装工艺的确定

玛乌兹转轮采用二次装焊的工艺方法。

4.1为了防止分装的不对称性，叶片用三维检测与图纸要求相符并校对叶片编号及坯重。

4.2根据叶片称重编号进行分布配对，并复检。预装1#-5#叶片用三维检测确定与图纸相符，点焊。装配时叶片与下环间隙0-3mm。便于清根焊透，并作为焊接收缩余量。

4.3分别装配1#-13#叶片-左与其中一个下环，及1#-13#叶片-右与另一个下环如图4），检查进口叶距及开档尺寸，出水边开口按断面检查各档尺寸。根据检查记录表作焊前检测报告。

图4，叶片-左与其中一个下环，叶片-右与另一个下环：

4.4 对两组叶片与下环分别装焊后，对叶片变形情况检查及进出水边开挡检查并记录。如有尺寸不符合公差要求，对其变形进行校正。

4.5 如以上的分部件尺寸精度满足要求，进行装上冠（如图5）：把转轮的2个分部件放在平台上，要求水平，装配上冠，叶片与上冠间隙0-3mm便于清根焊缝，并作为焊接收缩余量。作焊前质量检验记录。

图5，转轮组合件装配上冠：

4.6 整体装焊后检查测量进水口叶距及出水边各档断面开口值。通过控制各部件尺寸，再控制组合件的尺寸的分装工艺来保证转轮的质量控制。

5、顺序焊接工艺的确定

玛乌兹转轮采用二次分焊的焊接工艺方法。即2组叶片与2片下环分别进行焊接并热处理后，再二次焊接叶片与上冠处的焊缝。

5.1 刚开始焊接前对转轮进行加固，尤其是下环的进出水边要求加固牢固，防止叶片产生扭曲变形。弧坑处要求填满，避免出现冷裂纹。

5.2采用对称施焊法并根据每条焊缝长度分段退步焊接，上坡窄道焊。先焊叶片凹面与下环坡口，再焊叶片与下环外侧坡口，焊至坡口1/3--1/2深度，再将叶片凸面与上冠坡口清根，PT检查清根区域合格后焊接至1/2深，转轮侧翻，清根转轮下环与叶片凹面焊缝，PT，直至坡口焊平。坡口焊满以后R的堆焊根据R样板的不同而变化，注意焊缝咬边的控制。随时观察叶片变形情况并检查进出水边开挡尺寸，并做好记录，方便调整焊接顺序。

6、 筛选焊材与确定焊材

转轮就焊接材料而言，一般采用同种或相匹配的材料如：PZ6166、410NiMo焊丝等，有些同种刚焊接在屈服点满足使用要求的情况下，为了增大塑性储备也采用奥氏体型不锈钢焊接材料。

玛乌兹双混流转轮的上冠、下环材料为ZG06Cr13Ni4Mo，叶片为04Cr13Ni5Mo，是一种超低碳马氏体不锈钢的铸焊结构转轮。超低碳马氏体不锈钢,具有良好的强度、韧性、可焊性及耐磨耐腐蚀性能。公司依据ASME规范第Ⅸ卷的工艺评定要求进行试件的准备、焊接和试验，确定AWS SFA5.9 ER410NiMo不锈钢实心焊丝用于98%Ar+2%CO2气体保护焊接转轮所获得的接头力学性能合格，满足使用性能要求，而且采用此焊丝焊接，工艺性能良好，焊接效率高，成本相对较低，而且产品的质量和进度均满足要求。

7、 焊接参数

焊接规范参数主要包括：电流、电压、预热温度、层间温度等。玛乌兹双混流转轮焊接区域须采用电加热将转轮加热到80度后才开始焊接。

转轮的焊接实际上包括了平焊、横焊、立焊等位置，因此电流电压的调节范围是比较宽的，电流在130-280A，电压在21-32V。但电流、电压的匹配决定于熔滴的过渡形式，采用何种过渡形式将直接影响到焊接的质量。

8、 焊后热处理规范

双混流转轮根据二次分装分焊，须进行二次进炉热处理：自由升温100℃后以每小时不大于30℃速率升到去应力温度，580℃±10℃保温时间为2小时，保温后缓冷不大于30℃/小时至200度，后空冷至常温。

9、 结果与结论

9.1玛乌兹双混流转轮通过合理的装配、焊接工艺获得了满足图纸要求的尺寸及精度。

9.2 玛乌兹双混流转轮通过二次装焊及二次退火，在每次的装焊后及退火后进行4次100%超声波探伤，从而保证了最终UT的合格率，保证了转轮的焊接质量。

参考文献

1、 ASME锅炉及压力容器规范 第Ⅸ卷 焊接和钎接评定 2013

2、 中国机械工程学会焊接学会.焊接手册.机械工业出版社,2000