2023年12月18日发(作者：)

工艺与测试　大型发电机转子２５Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍ０Ｖ氩弧焊补焊工艺　李　波　蔺福民　全玉强　顾　臻　陈金龙　徐２上海市焊接协会（２０００７０）　峰　吴祖乾　１上海电气电站设备有限公司发电机厂（２００２４０）　ＧＴＡＷ　Ｒｅｐａｉｒ－ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｌａｒｇｅ－ｓｉｚｅ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｒｏｔｏｒ　Ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ　ＬＩＢｏ　ＬＩＮＦｕｍｉｎｇ　ＱＵＡＮ　Ｙｕｑｉａｎｇ　ＧＵＺｈｅｎ　ＣＨＥＮＪｉｎｌｏｎｇ　ＸＵＦｅｎｇ　Ｚｈｕｑｉａｎ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｐｌａｎｔ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ　摘　要：使用脉冲氩弧焊方法对大型发电机转子　２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ－￣＂焊，通过对４种焊接材料的甄选，确定了　与不同深度缺陷匹配的焊材选择方案。研究了脉冲氩弧　焊补焊接头的力学性能及金相组织，结果表明焊缝的抗　拉强度与冲击功达到与母材基本相近，通过合适的后热　碳调质钢转子，以满足高强高导磁高冲击韧性要　求。发电机转子尺寸较大，１　０００　Ｍｗ以上汽轮发　电机转子直径可达１．７　ｍ，长１５　ｍ以上，且结构复　杂，本体上有数十条辐射槽，圆周方向还有相当　数量的通风槽。由于制造流程复杂，生产过程中　偶发因加工故障或嵌线事故造成的转子本体损　伤，发电机在电厂运行过程中，也有可能发生轴　处理也可以在一定程度上降低热影响区的淬硬倾向。脉　冲氩弧焊补焊接头性能可以满足转子运行工况要求。　关键词：汽轮发电机转子补焊氩弧焊　中图分类号：ＴＭ３０５文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１３．０５．０１２　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ－ＴＩＧ　ｗａｓ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｃｏｎｄｕｃｔ　ｔｈｅ　ｒｅｐａｉｒ－ｗｅｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ—・ｓｉｚｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｇｅｎｅｒａ・－　ｔｏｒ　ｒｏｔｏｒ　ｍａｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ．Ａ　ｐｒｏｐｅｒ　ｐｒｏｇｒａｍ　ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｎｅ　ａｎｏｔｈｅｒ　ａｍｏｎｇ　４　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｂａｓｅｄ　ｕｐｏｎ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｅｆｅｃｔ　ｄｅｐｔｈ．　Ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎｄ　ｑｕｅｎｃｈ　ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｕｌｓｅ－ＴＩＧ　ｗｅｒｅ　ｓｔｕｄｉｅｄ，ｃｏｍｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　颈或其它位置的磨损。有些损伤的发生位置对发　电机运行性能可能产生显著影响，必须选择适　当的方法进行转子修复。　１　转子补焊　汽轮发电机转子的尺寸修复目前较常见的　修复方法有微弧冷焊、激光熔覆、ＣＯ２气体保护　焊、焊条电弧焊及氩弧焊等。比较几种修复方　法，微弧冷焊基本原理为储能焊，利用高电流使　旋转的焊材与被焊工件产生动态短路，在工件上　形成堆焊层。堆焊过程的热输入基本可忽略，无　ｔｈｅ　ｗｅｌｄ　ｊｏｉｎｔ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ａｎｄ　ｉｍｐａｃｔ　ａｂｉｌｉｔｙ　ａｐｐｒｏａｃｈｅｄ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｏｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｓｅ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ．Ｑｕｅｎｃｈ　ｈａｒｄｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｔ—ａｆｆｅｃｔｅｄ　ｚｏｎｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｉｎｔｏ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｌｅｖｅｌ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒ　ａｆｔｅｒ－ｈｅａｔｉｎｇ　ｔｒｅａｔｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｏｆ　ｒｏ—　ｔｏｒ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｐａｉｒ－ｗｅｌｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ　ｐｕｌｓｅ－ＴＩＧ，ｍｅｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｏｔｏｒ．　残余应力，但由于微弧冷焊只有局部显微融化，　没有形成传统熔化焊的连续熔池，虽然在焊点处　与基体可以达到冶金结合，但宏观沉积层中无法　消除微小缩孑Ｌ等缺陷…。激光熔覆使用激光束熔　化基体表面的粉末状涂层材料，与基体材料形成　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｒｂｉｎｅ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｒｏｔｏｒ　ｒｅｐａｉｒ－ｗｅｌｄｉｎｇ　ＧＴＡＷ　大型汽轮发电机普遍使用２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ中　・４２・２０１３年第５期《电机技术》　

冶金结合，熔覆精度高，需要专用的涂层粉末，自　动化程度高，但修复成本高昂【　。其余ＣＯ２气体　保护焊、焊条电弧焊及氩弧焊均属于常规焊接　方法，在实际生产中均有过运用。　２　２５Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍ０Ｖ的焊接性　转子锻件２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ属于高强钢，化学成　分见表１，力学性能见表２。　表１　２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ化学成分　表２　２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ转子锻件力学性能　抗拉强度　／ＭＰａ　≥７６０　屈服强度　２／ＭＰａ　６６Ｏ～７６０　伸长率　≥１７％　断面收缩率　≥５Ｏ％　纵向　９０　冲击功Ａｋｖ／Ｊ　切向　９０　径向　９０　脆性转变温度ＦＡＴＴ５０　≤ｌ２℃　２５ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢因ｃｒ、Ｎｉ含量较高，淬透性　好，碳当量ＣＥ≈１．１％，热裂纹敏感指数约３．５，可　推断其焊接性较差，必须采用预热及后热等工艺　措施。转子锻件制造过程需经整体调制处理，整　根锻件淬火前需８００￣Ｃ保温在２４　ｈ以上，回火温度　也需６００￣Ｃ保温约４０　ｈ以上。但转子在发电机制　造厂或电厂现场补焊后不具备整体热处理条件，　也无法在局部进行原锻件所需的高温回火处理，　考虑转子内部的绝缘材料耐受温度，可行的回火　温度将不超过４００￣Ｃ。转子补焊的关键是在可行　的加热温度内，实现优异的焊接结合，焊缝应保　证转子运行的力学性能要求，及满足转子本身高　导磁要求。　３材料及工艺　针对汽轮发电机转子最常出现的缺陷类　型，确定试验补焊缺陷深度范围在０～６０　ｍｍ内的　槽型缺陷与圆孔型缺陷。使用ｕ型槽试板，坡口　工艺与测试　深度分８　ｍｍ，１５　ｍｍ，３０　ｍｍ三种。设计要求补　焊接头抗拉强度Ｒ　＞６４６　ＭＰａ，室温冲击韧性　Ａｋｖ＞￣７６Ｊ，．１２℃冲击韧性，见表３。　根据ＣｒＮｉＭｏＶ低合金高强钢的焊接性，选用　ＭｎＮｉＭｏ类的焊接材料，它具有与ＣｒＮｉＭｏＶ钢相　当但稍低的抗拉强度，又有较高的冲击韧性。为　配合不同深度缺陷的补焊，共试验了４种牌号焊　丝，在３０　ｍｍ深度缺陷试样上，其熔敷金属的典　型力学性能及与２５ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ母材焊接时接头　力学性能亦见表３。　表３焊丝熔敷金属及其在２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ母材３０　ｍｍ　缺陷深度上焊缝接头力学性能　熔敷金属　熔敷金属　焊接接头　焊缝接头　焊丝　抗拉强度　冲击功Ａｋ抗拉强度　冲击功／Ｊ　Ｒ　／ＭＰａ　ｖ／Ｊ　／ＭＰａ　２０℃　。ｌ２℃　ＭｎＮｉＭＯ．１　６１０　—５Ｏ℃　１４０　６７２　２８５　１７８　ＭｎＮｉＭＯ一２　５８０　．８０℃　ｌ２５　６７１　３０２　２６５　ＭｎＮｉＭＯ一３　６６０　２Ｏ℃　１６Ｏ　７７９　２８０　２７２　ＭｎＮｉＭＯ．４　７００　．２Ｏ℃　１２０　８４０　２９０　２９３　为尽量减小热影响区范围，补焊工艺选择脉　冲氩弧焊，焊接参数见表４。为改善焊缝韧性，缓　解接头冷裂纹倾向，在焊接过程中利用下一层焊　道对上一层焊道进行回火，焊接下一层焊道前需　对上一层焊道进行适当打磨，除清理氧化层作用　外也提高下一层焊缝对前一层焊缝的回火效果。　除打底与盖面层外，每一道焊完后均使用锤击减　小焊脚处残余应力。　表４不同深度缺陷修复适用的焊丝匹配　坡口深Ｊ童／ｍｍ　选用焊丝　ｌ５～６０　ＭｎＮｉＭｏ一２打底，ＭｎＮｉＭｏ．３或ＭｎＮｉＭｏ．１填充　８～１５　ＭｎＮｉＭＯ．２　＜８　ＭｎＮｉＭＯ．２　综合不同牌号焊丝在各不同深度焊缝的力　学性能数据，考虑强度与韧性的平衡匹配，对各　种深度缺陷推荐的焊丝匹配，见表４。　根据表４对不同缺陷推荐的焊丝匹配，对各　不同深度试板再次进行工艺试验，验证焊丝匹配　原则的科学性。脉冲氩弧焊焊接的工艺参数，见　表５。试样焊接完成后，首先对试样进行渗透探　伤、超声波检测，合格后加工成拉伸、冲击、金相　《电机技术》２０１３年第５期．４３．　

工艺与测试　和硬度试样。各项测试均使用ＡＳＭＥ　ＩＸ标准。　表５脉冲氩弧焊焊接参数　基值　４０　焊接电流，Ａ　峰值　１４０　占空比　３５％　频率／Ｈｚ　ｌ　焊接速度（ｍｍ／ｍｉｎ）　３９　氩气流量（Ｌ／ｍｉｎ）　１４　预热温度／￣Ｃ　２００　层间温度／℃　２００　后热温度／℃　２００／３ｈ，空冷　４　试验结果　４．１常规力学性能试验结果　以３０　ｍｍ深度缺陷试样为例，试样经渗透探　伤表明，焊缝未出现裂纹及其它缺陷。经超声波　探伤证明内部无未焊透、未熔合、气孔或其它缺　陷。　试样的力学性能数据见表６。抗拉强度达到　母材的９３％，满足补焊大于８５％要求，强度已经　接近母材。同时，冲击功在常温及．１２￣Ｃ数据差别　较小，也远高于母材锻件大于９０　Ｊ的要求。　表６　３０　ｍｍ深度试样采用推荐焊丝搭配接头性能　抗拉强度　焊缝冲击功Ａｋｖ／Ｊ　试样编号　／ＭＰａ　２０＂Ｃ　１　１２￣Ｃ　１ｌ１１Ｏ５１３　７１２　２９３／２８６／３１７　ｌｌ　　３２０／２９４／２８９　试样的硬度分布曲线如图１，接头的热影响　区宽度约２　ｍｍ，母材硬度在ＨＶ２６０左右。焊缝本　身的硬度值普遍在ＨＶ３００，进入热影响区后，由　于容易生成淬硬组织，使得硬度有明显的上升，　普遍在ＨＶ３６０～ＨＶ４００范围内。　４．２金相分析结果　焊缝及热影响区的过热区组织均为针状的　回火马氏体与粒状贝氏体，晶粒较细。由于是多　层多道焊，下层焊层受上层焊层的回火作用，力　学性能较优。根据《高强钢焊接预热温度的选择　原则》【３Ｊ，２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢的Ｍｓ点为３２０￣Ｃ，Ｍｆ　点为１９０￣Ｃ，Ａ　１为７１０￣Ｃ，６４０￣Ｃ回火时可达到塑韧　・４４・２０１３年第５期《电机技术》　７００　一　　・－４－－低于焊缝表面５ｍｍ　６００｝—－ｏ一高于捍缝根部５ｍｍ　建　廿，　＆；　、　—　营　热　～母材——　——焊缝——　髫　——母材——　区　图１焊后接头的硬度分布　性最大值［训。不超过２００￣Ｃ的后热温度，无法消除　马氏体组织，但可以通过延长后热时间或在表面　多堆焊一定厚度的回火焊道，来促进焊缝中马氏　体中的碳，以碳化物形式析出，降低晶格畸变程　度，从而降低热影响区的淬硬程度。焊缝接头硬　度值通过适当的后热处理可降至ＨＶ４００以—　５　转子修复　某电厂在制３００　ＭＷ转子，在嵌线过程中与　工件磕碰，造成轴承档位置出现一处　６深２　ｍｍ　凹坑及其它两处划痕，无法满足轴承　由密封要　求。按照本文所述的脉冲氩弧焊轴补焊技术对　转子碰伤处进行补焊，通过控制焊接材料、焊接　温度及正确的操作方法，保证了补焊焊缝的质　量。补焊结束后对转子补焊处进行现场金相评　定，评定结果表明补焊焊缝质量满足转子工况要　求。　６　结论　（１）２５ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ转子锻件在预热温度超　过２００￣Ｃ时，通过选择适当的ＭｎＮｉＭｏ类焊材及　特定的脉冲氩弧焊参数，可以实现良好的焊接质　量，抗拉强度与冲击功均与母材相近。　（２）焊接接头热影响区约２～３　ｍｍ，该区域　存在明显的淬硬倾向，ＨＶ硬度最高值高于母材　平均值约１５０。通过适当的后热工艺处理可将热　影响区的最高硬度降至ＨＶ４００以—Ｆ。　（３）焊缝及热影响区的回火组织基本为针　（下转第４７页）　

工艺与测试　表１　５种防止轴电流方法的比较　绝缘形式　原理　优点　缺点　破坏轴电流形成条件，防止转轴、　绝缘轴承　１、绝缘比较彻底，完全消除轴电流。　１、成本高，是普通轴承ｌＯ倍以上。　端盖、轴承、机座等零件形成有轴　２、绝缘轴承为整体采购，安装与普通轴　２、轴承绝缘层容易损伤。　电流流经的闭合通路。　承一样，装配方便。　１、绝缘比较彻底，基本消除轴电流。　３、轴承规格有限，难于采购。　绝缘轴承套　同上　２、绝缘轴承套基本专业厂家制作，且需　１、绝缘配制要求较高，工艺复杂。　要加工，安装与普通轴承一样，装配方　２、绝缘层容易损伤。　便。　１、绝缘配制要求较高，工艺复杂。　１、绝缘比较彻底，基本消除轴电流。　绝缘轴承室　同上　２、绝缘层容易损伤。　进行精加工，工艺复杂。　４、成本较高，每件绝缘内套３０００元以上。　２、绝缘内套由专业厂家制作，且需要加　３、绝缘内套需与外套套装，且冷却后否　工，安装与普通轴承一样，装配方便。　“轴”绝缘　同上　１、绝缘喷镀要求较高，工艺复杂。　２、绝缘轴承套基本专业厂家制作，且需　要加２、绝缘层容易损伤。　工，安装与普通轴承一样，装配方　便３、成本较高，每件喷镀价格２０００元左右。　。　１、绝缘比较彻底，基本消除轴电流。　消除轴上的感应电势，防止轴承　１、结构工艺简单、可靠、美观。　安装碳刷　内、外圈有电位差。　２、维护、安装方便。　３、成本低。　使用范围不广基本使用在大型电机上。　构原因以”轴”绝缘为主，运行中效果良好。　３　结语　防止电机产生轴电流的方法较多，结构形　式也较多，在应用时，要根据电机的结构加以选　择，只有合理的绝缘结构，才能达到绝缘效果，　才能使装配简单、成本降低、外形美观。　图５带炭刷的轴承　（收稿日期：２０１３．Ｏ１—１５）　（上接第４４页）　状的回火马氏体＋粒状贝氏体，相对母材的回火　应用［Ｊ］．２００９，２８（３）：１７－２０．　索氏体组织更加粗大，但仍具有较好的力学性　能。　参　考　文　献　［３］焦馥杰．低组配焊接接头的强度［Ｊ】ｌ焊接学报，１９８４，１２（５）：　２０７—２１２．　［４］吴新丽，牛靖，董俊明．回火温度对２５Ｃｒ２Ｎｉ４ＭｏＶ钢组织和性　能的影Ｉｌｌ￣［Ｊ］．材料热处理技术，２００８，３７（２０）：７６－７８．　（收稿日期：２０１３．０４．１０）　【ｌ】黄小鸥，汪瑞军．大型发电机转子轴径磨损的电火花堆焊修复　［Ｊ］．２０００，２９（６）：１７—１８．　［２］王一博，应丽霞，董国君等．激光熔覆技术研究进展及其工业　作者简介：李波，男，１９８２年５月生，研究生，工程师，现从事焊接研　究工作。　《电机技术》２０１３年第５期・４７・