8 300 kW 1E级应急柴油发电机风扇焊接工艺研制

孙亚男

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

国内首台8 300 kW 10 500 V TFH系列核电站1E级应急柴油发电机样机，对标我国“华龙一号”核电站，具有很高的技术附加值，可以为用户、企业创造较大的经济效益和社会效益，为核电行业国产化提供强有力技术保障[1]。上电公司在完善核电质保体系、深入了解核电文化的基础上，通过该项目的开发，提升了我公司核电产品的容量，提高了核电产品覆盖面，为今后核电产品批量制造、保证核电质量打下了坚实基础。

8 300 kW 1E级应急柴油发电机转子为单轴伸、带永磁励磁机结构，轴承档在非法兰端，法兰端为带大风扇结构。此风扇为碳钢Q235-B焊接而成的结构[2]，由喇叭口型的套圈、风叶、圆板组成，如图1所示。套圈喇叭口成型尺寸外径为Φ2 200 mm，内径为Φ1 210 mm。风叶与套圈圆弧面贴合焊接。现设

图1 风扇外形三维视图

计要求套圈为3 mm钢板、圆板为8 mm钢板，且钢板不允许拼接。

1 验证过程及结果

由于我公司无此规格风扇的工艺制造经验，供应商无对应尺寸的压型模具，在样机周期紧张的情况下，需要一套创新性的解决问题的方案。设计、工艺人员集思广益，联合多家供应商开展此风扇的工艺研制工作。

此风扇的焊接工艺主要有三个难点：套圈圆弧成形、套圈平面成形和风扇焊接变形控制。风叶由于端头为直线段滚圆，成型尺寸难以确认；焊接变形控制主要体现在风叶同心度、风扇底板平面度两个方面；套圈成形考虑到材料选择、圆弧成形(喇叭口成型尺寸外径为Φ2 200 mm，内径为Φ1 210 mm，圆弧为R150)和平面成形三个部分，其中圆弧成形是重中之重；材料选择时应满足压形模具的刚性要求；套圈平面成形体现在平面度的偏差大小。

首先解决钢板刚性差、超宽却不允许拼接的问题。经设计人员计算、评审后，将套圈厚度由3 mm改为6 mm，圆板厚度由8 mm改为10 mm，超宽时采用拼接工艺，使用熔化极CO2气体保护焊、ER50-6焊丝进行填充，对拼接处进行磁粉探伤来检查焊缝质量。CO2气体保护焊电流密度高，热量集中，受热面积小，工件焊后变形小。为确保质量，拼接后对钢板进行一次校平工作。

在风扇试制过程中，主要进行了如下工作：

1.1 套圈圆弧成形

对于套圈圆弧成形的方案，工艺人员联合多家供应商集思广益，制定并讨论出了四种可行方案，如表1所示。

表1 四种套圈圆弧成形方案对比

对上述四种方案进行了充分讨论，从周期、成本、尺寸控制、工艺简繁等多方面进行综合对比，决定采用方案2，利用现有压形模具分步成型。并对套圈成形的整个工艺流程进行方案设计，如图2所示。

图2 套圈圆弧成形工艺流程图

计算、评审后将套圈厚度由3 mm改为6 mm。钢板超宽，拼接后进行磁粉探伤，按NB/T 47013.4—2015 Ⅰ级要求考核，保证焊缝质量。在无配套模具的情况下利用现有压形模具分步成型、逐步碾制，成形效果如图3所示。

套圈成形效果差，热处理后尺寸仍无法保证，后

图3 套圈压形实物图

续采用火焰整形[3]。

(1) 将套圈平面部分定位焊焊接于装配平板上，用圆弧测量板测量圆弧度并做好标记。

(2) 与套圈喇叭口圆弧内圆配做工艺撑筋，定位焊固定，喇叭口上端留30 mm余量。

(3) 采用边加热边锤击的方法进行火焰整形，并用蘸水的湿棉布对整形好的部分进行冷却收缩，如图4所示。

图4 火焰整形

待工件冷却后拆除工装平板，目视检查，套圈圆弧R150部分完成。平面部分严重超差，达不到要求的平面度≤4 mm的目标，后续再整形。

1.2 套圈平面成形

上立车测量套圈的平面度，在Φ1 530 mm圆周方向上不平度为1.5 mm，将Φ1 530 mm以外部分用激光切割去除，重新落料钢板，钢板拼接后对焊缝磁粉探伤保证质量，如图5所示。

图5 套圈“开刀”整形

圆弧和平面两部分用工艺撑筋、压板固定好，采用分段对称连续焊的方式焊接[4]，如图6所示。

图6 套圈镶嵌钢板

待工件冷却后去除压板，打磨清理焊缝，镶嵌后钢板的平面未发生明显变形，平面度≤4 mm目标达成。焊接完成后去除压板，保留喇叭口内圆的工艺撑筋，吊运时使用，防止对圆弧面造成破坏。

1.3 风扇焊接变形控制

风扇由套圈、风叶、圆板焊接而成。

风叶图纸端头为直线段滚圆，成型尺寸难以确认。采用风叶与圆弧面配割落料的方法，即落料滚圆1件风叶，检查其与套圈圆弧贴合度，多余部分割除，缺少部分堆焊补齐，直至最佳尺寸。以这一件风叶尺寸为标准，落料成形其余件风叶。在风叶上划线来标识交错断续角焊缝焊接位置。

利用反变形法[5]，通过撑工艺撑筋和搭压板的方式，对风扇焊接变形进行全方位控制，如图7所示。采取如下措施：喇叭口撑十字撑筋及弧形撑筋固定，上端留30 mm余量；套圈平面部分搭压板固定；套圈平面与圆板两平面垂直方向一周均布撑筋固定；每两风叶之间圆周方向亦均布撑筋固定。工艺撑筋、压板固定到位后按图纸完成焊接。

图7 焊接变形控制图

风扇焊接时采用Φ3.2 mm E4303焊条手工电弧焊进行交错断续焊接。手工电弧焊操作灵活，适用于各种空间位置的焊接，通过适时调整电弧位置和运条手势来保证焊缝质量。焊接电流为直流正接，电流在90～120 A，电压在22～26 V。

风扇焊接完成后进行热处理消除应力。装炉应将焊接件底垫平填实，保持装炉平稳，防止松动和变形。装炉应合理，不能叠压，保证炉气正常循环，应避免火焰直接喷射工件表面，以免产生局部过热。按下列加热规范进行操作:

以<80 ℃/h之速度随炉升温，加热至630±20 ℃进行匀热和保温，匀热时间2 h。当炉膛温度与工件温度均匀一致(匀热后)，开始保温，保温时间按有效厚度2.5～3 min/mm计算，至少保温时间3 h。

冷却时以<50 ℃/h之速度随炉缓冷，在<250 ℃时可出炉空冷。出炉后，在工件冷至室温前，禁止放于潮湿的地方或强力吹风。

当所有热电偶指示温度都达到规定值时，开始计算匀热、保温时间。热处理后进行喷丸去除表面氧化物，达到GB/T 8923.1—2011标准中Sa21/2级，即金属表面呈金属光泽，无可见的油、脂和污物，无氧化皮、铁锈、涂层和外来杂质。再进行磁粉探伤检查，磁粉探伤按NB/T 47013.4—2015 Ⅰ级要求考核，保证焊缝质量。最后工件清理干净在喷丸处理后8小时内喷涂底漆，按油漆技术条件油漆后进厂。

1.4 效果确认

风扇焊接完成后使用机床测得数据如图8所示。

图8 风扇平面度测量数据

焊接完成后对风扇进行热处理去除应力，当所有热电偶指示温度都达到600～640 ℃时，开始进行均热+保温，均热2 h，保温3 h。喷丸去除工件表面氧化皮，质量等级均为Sa2.5(GB/T 8923.1—2011)即金属表面呈金属光泽，无可见的油、脂和污物，无氧化皮、铁锈、涂层和外来杂质。磁粉探伤焊缝，测量数据后油漆进厂。

风扇进厂后，在12个风叶位置用600 mm长的刀形样板平尺分别复检了径向、切向(Φ990 mm、Φ1 190 mm、Φ1 390 mm)两个方向的风扇底板平面度，如表2所示。

风扇整体成形较好，达到了风叶同心≤3 mm，风扇底板平面度：①有风叶处平面度≤2 mm，②整体平面度≤4 mm的要求。风扇试制成功。

表2 风扇底板平面度测量数据 mm

1.5 巩固措施

此风扇试制成功后，工艺人员将制造方案及细节再次和供应商技术交底确认，并将内容固化至本厂技术协议中，在“主要质量控制”中着重强调了风扇同心度、平面度要求，实现规范可持续生产。

2 总结

(1) 工艺人员在未投产配套压形模具的情况下，与供应商一起，通过实施新的工艺方案，直接降低了产品的经济成本(16万压形模具费)和时间成本(压形模制造周期2个月)，为企业赢得了先机。

(2) 风扇为电机中的转动件，而风扇焊接是一个热输入较大的工艺过程，此次有效地焊接过程控制达到了以下目标：风叶同心度≤3 mm，风扇底板平面度①有风叶处平面度≤2 mm，②整体平面度≤4 mm。

(3) 通过工艺的固化使工艺技术底蕴更加雄厚，增进了工艺人员团结合作意识，提高了发现问题、解决问题的能力，焊接经验更加丰富。通过本次工艺研制，解决了国内首台8 300 kW 10 500 V TFH系列核电站1E级应急柴油发电机风扇制造难题，得到了业主的肯定，提升了我公司核电产品在国内外的竞争力。