永磁直驱风力发电机转子机座退火变形的控制

王庆伟

(东方电气集团东方电机有限公司，四川618000)



永磁直驱风力发电机转子机座退火变形的控制

王庆伟

(东方电气集团东方电机有限公司，四川618000)

转子机座采用分部装配结合刚性固定的方式进行焊接，严格控制退火过程，实践证明此方法效果较好，变形得到了控制。

转子机座；分部装配；刚性固定；保温温度；冷却速度；退火变形

随着风电装备制造业的迅猛发展，目前的主流机型永磁直驱风力发电机市场前景越来越广阔，转子机座(以下简称机座)作为该机型的核心部件，制造难度较大。机座是由筒体、法兰和锥体组成的焊接结构(见图1)，筒体壁厚50mm，直径5m，工件高1.5m，重12t。由于其大直径、薄壁的固有属性，具有壳体成型椭圆度误差大、刚性差的特点，在焊后去应力退火过程中由于焊接残余应力的释放及退火过程控制不严将使其产生变形。若机座变形超差会导致加工后偏重和壁厚减薄，机座偏重将加剧电机运行时的震动，机座壁厚减薄导致强度降低，将影响电机运行时定转子之间的气隙。同时，由于变形超差必须对机座进行火焰校正，大面积的火焰校正不仅增加了劳动强度，而且降低退火效果，导致机座精加工后变形。以下对退火过程中影响机座退火变形的各个因素进行全面的分析总结，将转子机座焊接、退火后筒体椭圆度误差控制在6mm以内，为永磁直驱风力发电机的批量化生产打下坚实的基础。

1　焊接残余应力的产生和危害

焊接时在焊件局部产生具有一定温度梯度的温度场，焊件高温区域需要较大的膨胀伸长量但受到邻近焊件的约束，焊件内将产生较高的温度应力，在焊接过程中随时间和温度的变化而不断变化，称之为焊接应力。焊接应力若达到钢材屈服极限将使焊件发生塑性变形，且在焊件冷却后一部分应力残存于焊件内，称之为焊接残余应力。

图1　转子机座结构三维图Figure 1　Three-dimensional diagram of rotor frame structure

焊接残余应力是引起焊接结构形位变化的根源，由于焊接残余应力的存在，机械加工后会引起构件截面形心轴发生变化，同时引起焊接残余应力的重新分布，导致加工后产生形位变化，即加工精度发生变化。因此结构件焊接后要先进行消除应力处理再进行机械加工。

2　去应力退火的原理

目前消除焊接残余应力的方法主要有自然时效法、锤击法、焊后热处理法、振动时效法、超声波冲击法(毫克能)及激光冲击法等。其中焊后热处理法是应用最广泛的处理工艺。

对于低碳结构钢和合金结构钢，焊后去应力退火是将工件加热到550～650℃，根据工件的最大壁厚保温一定的时间。去应力退火后工件残余应力峰值的降低取决于保温温度下金属材料的屈服强度以及蠕变特性。焊接件屈服强度随着加热温度的升高而降低，当屈服强度下降到一定水平，焊接残余应力指标大于加热金属的屈服强度时，工件就会产生局部的塑性变形，从而使焊接件中的焊接残余应力得到释放。

3　转子机座去应力退火变形的控制措施

3.1降低焊接残余应力水平

(1)从筒体的成型到组装的各个工序，都能产生残余应力，其中冷作成型、火焰校形、强力组装易增大残余应力。

转子机座筒体卷制成型后应进行局部火焰校正至圆度≤5mm(成型时直径上预留4mm焊接收缩量)，一端加支撑将筒体圆度调整至≤3mm后刚性固定，支撑端部呈圆弧状与筒体内壁应面接触，支撑应留到退火完成后再去除，以防止工件在自由状态下退火变形超差，如图2和图3所示。

筒体成型后装焊前进炉进行中间消除应力热处理(ISR)580℃±20℃×2h，以消除冷作应力和火焰校形应力，稳定筒体尺寸，避免冷作应力、拘束应力与焊接残余应力叠加而增加工件宏观应力的幅值。

图2　筒体成型后火焰校圆Figure 2　Roundness correction by flame　after barrel forming

图3　筒体校圆后支撑工装Figure 3　Support tooling after barrel　roundness correction

(2)分部组装与刚性固定都是控制焊接结构变形常用的方法，但这两种方法的作用和效果有时却恰恰相反。分部组装焊接具有以下优越性：

a)通过分部组装，能够有效补偿焊缝收缩量。

b)可以提高铆焊质量，改善工人的焊接操作条件。

c)可以有效的减缓焊接的刚性拘束程度，减小焊接应力和焊接变形，同时还可以及时对焊接变形进行矫正。

d)可以提高生产面积的利用率，减少和简化总装时所有的工位数，缩短产品的生产周期，在批量化生产时可广泛采用专用的胎具。

由于分部组装焊接的一系列优点，转子机座装焊采取分部组装的方式。“序2+序3+序4”先行单独装焊，高度上预留5mm～8mm焊接收缩量，同时在“2+项3”之间利用筋板刚性固定，焊后对法兰面及锥面进行火焰校正，保证二个法兰面的平面度≤4mm(如图4所示)。合格后与“序1筒体”组焊，焊前按图5所示布置筋板进行刚性固定。转子机座采用分部组装的方式，可有效缓解整体装焊的拘束程度，防止焊后去应力退火过程中由于高水平应力释放产生较大的变形。

图4　法兰与锥体单独装焊图Figure 4　Separate welding of flange and cone

图5　转子机座筒体与组件装焊示意图Figure 5　The schematic diagram of welding rotor　frame barrel and assembly

3.2退火装炉注意事项

(1)热处理炉应按GB/T9452《热处理炉有效加热区测定方法》进行炉温均匀性检测，保证机座置于热处理炉的有效加热区内。测温热电偶、记录仪表应定期检定。减少转子机座各部分的温差，温差越小，应力去除的越充分和均匀。

(2)装炉量要合适，配炉时尽可能将工件壁厚与转子机座壁厚较为接近的工件装为一炉。工件的排列和支撑应有利于工件均匀加热，并保证炉内气氛的正常流通。转子机座离炉壁至少300mm以上，应保证火焰不直接喷射到工件上。若分层装炉应遵循“大件不压小件”、“重件不压轻件”的原则。

(3)转子机座应调平且悬空的部位应予以支撑10点以上，要求水平度≤4mm，避免工件在自重或压力的作用下产生较大的变形。转子机座上的防变形拉筋、筒体支撑应保留至退火出炉再去除。

图6　转子机座退火装炉Figure 6　The rotor frame charging for annealing

3.3保温温度和保温时间

(1)去应力退火最重要的是保温温度，残余应力因塑性变形或蠕变变形而产生松弛就依赖于保温温度，因此温度的选取就极为重要。温度过低，工件不可能在短时间内完成局部应力松弛的塑形变形；温度过高，不仅会使母材和焊缝的力学性能恶化，还会产生较大的弯曲变形。

针对碳钢和低合金钢去应力退火温度为Ac1-(100～200)℃，一般采用550～650℃。因为Q345E钢在600℃左右时屈服极限已经降到最低值，所以将转子机座退火保温温度定为600℃。

(2)保温时间是去应力退火工艺的一个重要参数，消除焊接结构件的残余应力，需要足够的保温时间使局部塑性变形和应力释放过程得以完成。

按照GB/T30583《承压设备焊后热处理规程》，保温时间根据工件壁厚来计算最小保温时间。针对Q345母材，保温温度为600℃，当δ≤50mm时，最短保温时间为(δ/25)h，至少15min；当δ>50mm时，最短保温时间为[2+(δ-50)/100]h。

同时，也可以利用回火参数P来推算[1]，P=T(20+lgt)。式中，P为回火参数；T为加热温度(K)；t为保温时间(h)。由图7可知，当回火参数P值为(18～19)×103时，残余应力急剧下降。回火参数与残余应力的关系见图8。

图7　回火参数与残余应力的关系Figure 7　Relationship between tempering parameter　and residual stress

按GB/T30583《承压设备焊后热处理规程》,转子机座去应力退火最短保温时间应为2.3h。按回火参数推算，P取18×103，T取873K，计算可得保温时间为4.2h。

实际生产中通常沿用(5～7)min/mm来确定保温时间，转子机座退火保温时间选取6h～8h。已经远远超出标准要求及理论推算。但是在非特定情况下，保温时间过长对工件无益：

a)在同一保温温度下，保温时间越长，焊缝金属的抗拉强度和屈服点下降越严重。

b)能源消耗较大，生产成本较高，不利用提高设备的利用率。

c)薄壁工件长时间处于软化的状态下，容易产生热处理变形。

(3)综上所述，将转子机座焊后去应力退火的保温温度和保温时间定为600℃×4h，保温阶段以件温为准。

3.4升温速度和冷却速度

(1)在去应力退火升温的过程中，随钢材的化学成分、外形尺寸、原始组织和热处理工艺的不同要求，对加热速度也应有不同的规定。在考虑焊接件加热速度时应注意：

a)脆性大的焊接件加热速度应低一些，塑形高的焊接件加热速度可相应加大。

b)焊接件内形状复杂，截面相差比较悬殊的，加热速度宜慢一些。

c)对大尺寸或厚板焊件，为避免加热不均匀，宜采用较慢的加热速度。

d)焊接件加热前有较大的残余应力，在强力组装时，当加热产生的热应力与内应力方向一致时，易导致工件变形开裂。这时，加热速度应慢一些。

(2)钢材在退火后刚开始冷却时，冷却速度如果过大会造成表面和内部之间的温差太大，在这种情况下引起的应力有超过钢材屈服点的危险。如果由于热应力造成了永久变形，新的应力在钢材冷却到室温后将保留下来。即使热应力没有达到引起工件变形的程度，附加的热应力也会大大降低去应力退火的效果甚至前功尽弃，使工件在自然时效或加工后因残余应力的释放而产生变形超差。对于大尺寸复杂结构的工件，应放慢冷却速度，最好采用200×25/δ(℃/h)的冷却速度[1]。

(3)根据以上分析结合实际生产情况，为保证转子机座的去应力效果，同时考虑经济性，做如下规定：工件200℃入炉，升温速度≤(70±10)℃/h；降温速度≤(60±10)℃/h，工件150℃出炉后空冷，升、降温阶段以炉温为准。

4　去应力退火工艺的实施及验证

4.1退火工艺的实施

根据上述分析，制定转子机座去应力退火工艺曲线，如图8所示。对5件转子机座实施此工艺，同时执行上述的各项控制措施。

图8　转子机座去应力退火曲线Figure 8　Annealing curve of the rotor frame stress relief

转子机座出炉后肉眼或放大镜检查焊缝有无裂纹，检查工件变形是否超差。对变形超差的局部允许校正3处～4处，校正长度不超过25cm。变形量较大导致火焰校正量过大的机座应再次进行消除应力热处理。

4.2验证结果

(a)

(b)

(c)图9　筒体圆度数据Figure 9　Barrel roundness data

图10　筒体垂直度数据Figure 10　Barrel perpendicularity data

根据优化后的装焊顺序及热处理工艺，对5件经退火后的转子机座进行出炉后的圆周尺寸及垂直度检测，均一次交检合格。筒体圆度和垂直度可控制在4mm～6mm，实践证明效果较好。其中1件沿筒体轴向检测3处的圆周尺寸及垂直度检测数据如图9～图10所示。

5　结论

(1)对转子机座焊接结构件，采用分部装配的方式，结合刚性固定的方法，可有效降低焊接残余应力的水平，减少去应力退火过程中的变形。

(2)按要求定期对热处理炉进行炉温均匀性检测，保证机座在退火时处于有效加热区内，从而减小工件各部分的温差，保证充分、均匀的去除焊接残余应力。

(3)针对转子机座部件，在一定的保温温度下，保温温度不宜过长，4h完全满足要求，避免机座长时间在软化的状态下变形超差。

(4)为防止转子机座在去应力退火过程中产生变形和残余热应力，应严格控制升温速度和冷却速度，尤其是降温速度的控制应引起关注，同时应注意在炉冷却至150℃以下才可出炉空冷。

[1]陈泰伟.压力容器焊后热处理技术[M].北京：中国石化出版社，2002:56-66.

编辑李韦萤

Control of Annealing Deformation of Permanent Magnet Direct Drive Wind Power Generator Rotor Frame

Wang Qingwei

Rotorframehasbeenweldedbythemannerofassemblingandrigidfixing,andannealingprocesshasbeencontrolledstrictly.Thepracticecanprovethattheeffectofthemethodisgoodandthedeformationiscontrolled.

rotorframe;assembling;rigidfixing;holdingtemperature;coolingspeed;annealingdeformation

2016—06—21

王庆伟 (1983—)，男，工程硕士，工程师，主要从事压力容器、风电结构件的焊接工艺和质量控制相关工作。

TG156.2

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