劉其中

(岳陽石油化工總廠廣播電視大學(xué),巴陵石化職工培訓(xùn)學(xué)校,湖南岳陽 414014)

進(jìn)口物料風(fēng)機葉輪改造的不銹鋼焊接工藝措施

劉其中＊

(岳陽石油化工總廠廣播電視大學(xué),巴陵石化職工培訓(xùn)學(xué)校,湖南岳陽 414014)

本文介紹了一種用于輸送橡膠產(chǎn)品的物料風(fēng)機葉輪改造的不銹鋼焊接工藝措施。針對其在高速旋轉(zhuǎn)中易產(chǎn)生撕裂損傷等現(xiàn)象,從葉片材質(zhì)、強度及焊接制作工藝等方面進(jìn)行了探討,制定了相應(yīng)的葉輪改造焊接工藝方案,經(jīng)檢測葉輪各項指標(biāo)符合要求,使用壽命優(yōu)于進(jìn)口葉輪。

風(fēng)機葉輪;改造;焊接性;焊接工藝措施

一、前言

某石化公司引進(jìn)的一條 SBS后處理生產(chǎn)線中,用于輸送橡膠產(chǎn)品的物料風(fēng)機葉輪在運轉(zhuǎn)一段時間之后,撕裂損傷較為嚴(yán)重,加之葉輪動平衡要求較高,一旦動平衡破壞,振動、噪聲變大,并對傳動系統(tǒng)形成沖擊,損壞軸承座等部件,因此需要更換新葉輪。進(jìn)口備件供貨周期長、價格昂貴,而且使用時間也只有一年半左右。為推進(jìn)進(jìn)口設(shè)備國產(chǎn)化改造工作,降低成本,保證生產(chǎn),本文從葉片材質(zhì)選擇,焊接變形控制,焊接工藝措施等方面進(jìn)行了闡述,以期完成對物料風(fēng)機葉輪的改造。

二、進(jìn)口物料風(fēng)機葉輪分析

國外進(jìn)口物料風(fēng)機葉輪采用直葉半開式設(shè)計,轉(zhuǎn)速為 2900rpm,線速度達(dá) 97m/s,由不銹鋼板和輪轂組合焊接而成,在 5mm厚的底板上均勻焊接 8塊與底板呈 90°角、厚度 4mm的葉片。由于該葉輪有較高的轉(zhuǎn)速,須進(jìn)行動平衡測試,制造上對葉片的垂直度、分布誤差及焊接工藝等均有嚴(yán)格要求。

圖1 物料風(fēng)機葉輪剖面圖

進(jìn)口葉輪的損壞主要發(fā)生在葉輪葉片末端,連續(xù)工作易發(fā)生疲勞變形,沿受力方向彎曲,造成葉輪平衡破壞。雖然及時更換后有校正的可能,但校正后需外協(xié)重做動平衡,不僅費時費力,更重要的原因是校正后的葉輪使用時間會很短,還會發(fā)生葉片末端被撕裂的嚴(yán)重狀況。國產(chǎn)化改造的葉輪除了有動平衡被破壞的現(xiàn)象外,更多的是葉片末端的斷裂,有小塊斷裂、有沿焊縫開裂再撕裂葉片等。

1.進(jìn)口葉輪材質(zhì)焊接性分析。進(jìn)口葉輪材質(zhì)為00Cr17Ni14Mo2,國產(chǎn)化改造葉輪用的材質(zhì)是0Cr18Ni9,同屬奧氏體不銹鋼,對于風(fēng)機葉輪的焊接,必須考慮奧氏體不銹鋼焊接特性帶來的兩個方面的問題:焊接裂紋與焊接變形。

焊接裂紋:奧氏體不銹鋼焊接接頭易發(fā)生焊接裂紋,這種裂紋是在焊接過程中高溫狀態(tài)下形成的。這種裂紋不僅存在于焊接弧坑區(qū),也大量存在于熱影響區(qū)。由于奧氏體不銹鋼的熱導(dǎo)率小,線膨脹系數(shù)大,焊縫金屬凝固期間存在較大的拉應(yīng)力,這是產(chǎn)生凝固裂紋的必要條件。在焊接區(qū)由液相到固相的凝固期,必將要承受較大的拉應(yīng)力,從而造成在弧坑區(qū)、熱影響區(qū)形成各種各樣的熱裂紋。特別是葉輪葉片采用兩面焊接,正面焊接與反面焊接使焊縫與熱影響區(qū)產(chǎn)生熱裂的傾向更為嚴(yán)重。

焊接變形:奧氏體不銹鋼有著良好的塑性和韌性,從而使它具有良好的加工性能,特別是沖壓、彎折成型等等方面。但是由于它導(dǎo)熱系數(shù)小而線膨脹系數(shù)大,自由狀態(tài)下焊接易產(chǎn)生較大的變形。制造過程中曾出現(xiàn)葉輪葉片組焊完后,8mm的底板已嚴(yán)重變形,從葉輪正面看,葉輪的四周向上翹起,向上翹起的最大尺寸為 11mm。這一變形將整個葉輪的8片葉片及底板均被拉扯變形。葉輪底板產(chǎn)生的是一種撓曲變形,由縱向收縮變形和橫向收縮變形共同作用產(chǎn)生。而葉輪葉片的受力狀況遠(yuǎn)比底板復(fù)雜,葉片不但要受到中心根部的拉力,更多則是葉輪底板四周向上翹曲給葉片外端、以致整個葉片均受到巨大的擠壓,這種擠壓力是葉片下部 (焊接邊)向葉片上部傳遞的,使 4mm寬的葉片向上翹曲了近10mm,這時不銹鋼葉片金屬內(nèi)部的晶粒組織等將發(fā)生一系列改變。這些改變對風(fēng)機葉輪的綜合性能將造成損害,在應(yīng)力交變的作用下所產(chǎn)生的裂紋,也將成為該葉片的疲勞源。

2.制造工藝分析。葉輪是由葉片和輪轂組焊而成,葉輪加工技術(shù)的關(guān)鍵是動平衡要求高,所以加工手段很重要。葉片和輪轂可采用比較成熟的加工技術(shù),如葉片采用成型工藝加工,輪轂采用數(shù)控機床加工,因此,單個葉片和輪轂的質(zhì)量完全能滿足工藝要求,而影響葉輪質(zhì)量好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于組焊環(huán)節(jié)。在整個制造工藝流程中經(jīng)過認(rèn)真的檢查與分析,發(fā)現(xiàn)有下列方面值得改進(jìn)與完善,并應(yīng)采取一定的措施控制焊接變形。

一是焊接方法。國產(chǎn)克隆葉輪采用的鎢極氬弧焊,氬弧焊是在產(chǎn)生電弧的同時,電弧空間通以惰性氣體保護(hù),從而使焊件與焊條不發(fā)生氧化等化學(xué)反應(yīng)的一種較好又普遍的焊接方法。但是鎢極氬弧焊電弧熱功率低、焊接速度較慢、熱影響區(qū)較寬等這一系列的特點,對奧氏體不銹鋼材料本身的電阻率高、線膨脹系數(shù)大、熱導(dǎo)率低這些特點而言,使焊件產(chǎn)生嚴(yán)重地變形,這點從金相圖中得到了明顯的證實。另外由于鎢極氬弧焊焊接奧氏體不銹鋼時冷卻速度慢,焊縫及熱影響區(qū)冷卻過程中在 400-800℃的危險區(qū)間停留時間較長,使得焊縫及熱影響區(qū)極具應(yīng)力腐蝕開裂的傾向。這種開裂的形成與擴展與拉應(yīng)力方向垂直,與風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)方向也呈垂直狀況,當(dāng)開裂擴展到某一深度時,將造成葉輪失效。

圖2 葉片殘塊的金相圖

二是提高葉輪強度。曾考慮采用結(jié)構(gòu)上加反向支撐的方式,但是這樣不可避免地會使流道發(fā)生變化,產(chǎn)生物料"死角",而物料風(fēng)機葉輪采用半開式設(shè)計的一個重要原因就是避免產(chǎn)生物料"死角"。因此最終決定從尺寸上增加葉片厚度,而如果厚度增加不大,難以保證效果,增加大了,重量勢必增加過多,可能對風(fēng)機運行造成不利影響,考慮到葉片末端所受力矩最大,結(jié)構(gòu)上也最薄弱,而葉片輪轂端所受力矩遠(yuǎn)小于葉片末端,又與輪轂相聯(lián),結(jié)構(gòu)上較強,綜合分析后,確定將原 4mm的等厚葉片更改為輪轂端 3mm,逐漸加厚至末端的 7mm。這樣,對流道和其它參數(shù)基本無影響,整個葉輪重量也增加不多,對風(fēng)機運行的影響很小,而葉片末端的抗沖擊能力卻有顯著增強。

三、焊接工藝措施

1.工裝精確定位與中心軸套焊接。設(shè)計專用焊接工裝,通過專用焊接工裝的緊固系統(tǒng),將葉輪牢牢地緊固在厚 40mm的模板上。緊固系統(tǒng)分兩部份,一是在葉輪周邊的 8片葉片被 8個凹型塊用螺栓緊固在模板上,二是葉輪中心用一個 8爪壓塊將 8片葉片的根部通過螺栓緊固在模板上。設(shè)計專用工裝的目的是通過機械緊固的手段,將葉輪焊接變形控制在最小的范圍內(nèi),達(dá)到葉輪在焊接后不需要經(jīng)過強力的機械校正,按正常工序加工后即可滿足葉輪的尺寸要求。試驗結(jié)果表明,專用工裝的使用,對解決葉輪在焊接中的變形,起到了十分重要的作用,但單純靠工裝仍難以達(dá)到上述目的,因為在使用工裝前,先將葉輪邊緣點焊在模板上,但葉片焊接后所有點焊點全部拉裂脫焊,說明在焊接工藝等其他方面還需進(jìn)一步采取措施。

圖3 專用工裝示意圖

2.焊接過程散熱控制。奧氏體不銹鋼的導(dǎo)熱性差,焊接過程中焊件溫度上升很快,而高溫又引起高的線膨脹而使焊件產(chǎn)生變形,因此焊接溫度是引起變形的重要因素。為此制定了水冷工藝來控制焊件溫度:將專用工裝與葉輪底板平放在一個有水的容器內(nèi),并使葉輪底板大部分浸泡在水中,這樣焊接產(chǎn)生的高溫,能及時在水中擴散,同時讓冷卻水處于流動狀態(tài)更快地將熱量帶走。水冷工藝有效降低了焊件的溫度,減少了葉輪焊接熱應(yīng)力,對減少葉輪的焊接形變起到極其顯著的作用。

3.采用焊條電弧焊?？紤]到鎢極氬弧焊對葉輪葉片焊接的不利影響,因此選用焊條電弧焊來取代鎢極氬弧焊,主要是考慮該焊接速度較快、熱影響區(qū)較小,在確保焊接質(zhì)量的前提下,焊條電弧焊有利于控制葉輪的變形。

4.焊接工藝控制。為了更好的控制焊接溫度急劇上升,減少葉輪變形,確定了以下焊接工藝措施:一是保證焊接順序。根據(jù)葉輪分布狀況,以順序焊、對稱焊、斷續(xù)焊工藝措施,制定焊接施焊順序,可使葉輪前、后盤均勻收縮,并可避免熱應(yīng)力過于集中,減少焊接變形。順序焊要根據(jù)葉輪在焊接時應(yīng)力的分布與方向,并根據(jù)葉輪施工順序的需求,將葉輪底板與輪轂焊好,根據(jù)先焊內(nèi)后焊外的原則,確定先焊葉片的根部與中心輪轂的連接,這時葉片呈自由狀態(tài)產(chǎn)生的應(yīng)力不會影響到葉片的變形。再將葉片底部長約 50-60mm焊好,這時葉片已焊接在葉輪底板上,應(yīng)力已經(jīng)產(chǎn)生,但前端呈自由狀態(tài),不會有大的影響。后面的焊接都遵此原則,由內(nèi)向外,分段進(jìn)行。對稱焊要在葉片焊接時,焊完一條焊縫后,應(yīng)選擇對面的一條焊縫進(jìn)行焊接,或者兩個焊工在對面位置同時進(jìn)行雙面焊縫的焊接。這樣有利于溫度場的均布,不致使熱量集中在葉片一側(cè)區(qū)域,引起該側(cè)區(qū)域內(nèi)熱應(yīng)力集中而產(chǎn)生更大地變形。斷續(xù)焊要對底邊長 270mm的風(fēng)機葉輪葉片分 2-3次焊完。這是因為奧氏體不銹鋼的熱膨脹系數(shù)較大的緣故,即讓熱膨脹值分段釋放,減少熱應(yīng)力引起膨脹 -收縮過程中葉輪產(chǎn)生的變形。二是錘擊焊縫。葉輪變形是由于焊接后在冷卻過程中發(fā)生縱向、橫向收縮造成的。每焊完一處,用小錘輕擊,延展焊層,可補償部分收縮量,減少變形。三是減少線能量。減小線能量能使葉片受到的熱輸入量減少,熱應(yīng)力變小。

四、葉輪檢測結(jié)果

新研制的葉輪投運后,焊縫質(zhì)量、動平衡要求等方面均達(dá)到預(yù)期效果。一是變形控制。焊接變形的大小是考驗新工藝成敗的關(guān)鍵。測量葉輪背板的平直度,即可知葉輪變形度。測量結(jié)果為葉輪邊緣對葉輪中心的彎曲度為 1-2mm,個別點達(dá) 3mm。在整個生產(chǎn)研制過程中,所有操作基本到位,但當(dāng)焊接完后,仍可以看到葉輪邊緣有少許翹曲。根據(jù)工藝設(shè)計底板毛坯厚度為 8mm,預(yù)留有 3mm加工余量,也就是說該變形值控制在允許范圍內(nèi),基本上通過機械加工就能消除變形。二是焊縫質(zhì)量。焊縫經(jīng)打磨后,未發(fā)現(xiàn)有明顯的焊接缺陷。三是葉輪尺寸。葉輪精加工后,所有尺寸均符合圖紙要求。四是動平衡,采用配重法做動平衡調(diào)試,結(jié)果符合要求。

五、生產(chǎn)運行

新研制的葉輪投用后,經(jīng)實際運行考核,結(jié)果表明:風(fēng)機運行平穩(wěn),無劇烈振動,噪音測試為 50～55分貝;電機額定電流為 76A,運行電流在 48A左右,與進(jìn)口葉輪基本相同;用至今已連續(xù)平穩(wěn)運行了三年,超過了進(jìn)口葉輪的使用壽命。

六、結(jié)束語

新研制的葉輪投運后,使用壽命已優(yōu)于進(jìn)口;節(jié)約了可觀的成本費用;研制過程中使用的焊接工藝、冷卻工藝和專用工裝設(shè)計等使焊接變形處于可控范圍,從而避免了采用傳統(tǒng)機械校正變形的方法帶來的工件裂紋傾向,為同類不銹鋼工件的焊接變形控制和裂紋控制提供了借鑒。

[1]王文翰.焊接技術(shù)手冊[M].鄭州:河南科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[2]張其樞,堵耀庭.不銹鋼焊接 [M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

On the Stainless SteelWelding ProcessMeasures of the Transformation of Imported Impeller

L IU Qi-zhong

Introduces amaterial used for the transmission of rubberproducts in stainless steel fan impellerweldingprocess transformation initiatives.For its high-speed rotation and so easy to produce tear injury,from the leafmaterial,strength andwelding production process,etc.were discussed and for mulated the corresponding Impellerwelding technology program,the detection of the impeller to meet the requirements of the indicators,the use of Impeller has been better than the imports.

Fan Impeller;transformation;welding;welding processmeasures

TG457.11

A

1009-5152(2011)02-0070-03

2011-06-01

劉其中 (1971- ),男,岳陽石油化工總廠廣播電視大學(xué)、巴陵石化職工培訓(xùn)學(xué)校講師。