王慶偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

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永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子機(jī)座退火變形的控制

王慶偉

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川618000)

轉(zhuǎn)子機(jī)座采用分部裝配結(jié)合剛性固定的方式進(jìn)行焊接，嚴(yán)格控制退火過程，實(shí)踐證明此方法效果較好，變形得到了控制。

轉(zhuǎn)子機(jī)座；分部裝配；剛性固定；保溫溫度；冷卻速度；退火變形

隨著風(fēng)電裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展，目前的主流機(jī)型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)前景越來越廣闊，轉(zhuǎn)子機(jī)座(以下簡(jiǎn)稱機(jī)座)作為該機(jī)型的核心部件，制造難度較大。機(jī)座是由筒體、法蘭和錐體組成的焊接結(jié)構(gòu)(見圖1)，筒體壁厚50mm，直徑5m，工件高1.5m，重12t。由于其大直徑、薄壁的固有屬性，具有殼體成型橢圓度誤差大、剛性差的特點(diǎn)，在焊后去應(yīng)力退火過程中由于焊接殘余應(yīng)力的釋放及退火過程控制不嚴(yán)將使其產(chǎn)生變形。若機(jī)座變形超差會(huì)導(dǎo)致加工后偏重和壁厚減薄，機(jī)座偏重將加劇電機(jī)運(yùn)行時(shí)的震動(dòng)，機(jī)座壁厚減薄導(dǎo)致強(qiáng)度降低，將影響電機(jī)運(yùn)行時(shí)定轉(zhuǎn)子之間的氣隙。同時(shí)，由于變形超差必須對(duì)機(jī)座進(jìn)行火焰校正，大面積的火焰校正不僅增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，而且降低退火效果，導(dǎo)致機(jī)座精加工后變形。以下對(duì)退火過程中影響機(jī)座退火變形的各個(gè)因素進(jìn)行全面的分析總結(jié)，將轉(zhuǎn)子機(jī)座焊接、退火后筒體橢圓度誤差控制在6mm以內(nèi)，為永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的批量化生產(chǎn)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1　焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和危害

焊接時(shí)在焊件局部產(chǎn)生具有一定溫度梯度的溫度場(chǎng)，焊件高溫區(qū)域需要較大的膨脹伸長量但受到鄰近焊件的約束，焊件內(nèi)將產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力，在焊接過程中隨時(shí)間和溫度的變化而不斷變化，稱之為焊接應(yīng)力。焊接應(yīng)力若達(dá)到鋼材屈服極限將使焊件發(fā)生塑性變形，且在焊件冷卻后一部分應(yīng)力殘存于焊件內(nèi)，稱之為焊接殘余應(yīng)力。

圖1　轉(zhuǎn)子機(jī)座結(jié)構(gòu)三維圖Figure 1　Three-dimensional diagram of rotor frame structure

焊接殘余應(yīng)力是引起焊接結(jié)構(gòu)形位變化的根源，由于焊接殘余應(yīng)力的存在，機(jī)械加工后會(huì)引起構(gòu)件截面形心軸發(fā)生變化，同時(shí)引起焊接殘余應(yīng)力的重新分布，導(dǎo)致加工后產(chǎn)生形位變化，即加工精度發(fā)生變化。因此結(jié)構(gòu)件焊接后要先進(jìn)行消除應(yīng)力處理再進(jìn)行機(jī)械加工。

2　去應(yīng)力退火的原理

目前消除焊接殘余應(yīng)力的方法主要有自然時(shí)效法、錘擊法、焊后熱處理法、振動(dòng)時(shí)效法、超聲波沖擊法(毫克能)及激光沖擊法等。其中焊后熱處理法是應(yīng)用最廣泛的處理工藝。

對(duì)于低碳結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，焊后去應(yīng)力退火是將工件加熱到550～650℃，根據(jù)工件的最大壁厚保溫一定的時(shí)間。去應(yīng)力退火后工件殘余應(yīng)力峰值的降低取決于保溫溫度下金屬材料的屈服強(qiáng)度以及蠕變特性。焊接件屈服強(qiáng)度隨著加熱溫度的升高而降低，當(dāng)屈服強(qiáng)度下降到一定水平，焊接殘余應(yīng)力指標(biāo)大于加熱金屬的屈服強(qiáng)度時(shí)，工件就會(huì)產(chǎn)生局部的塑性變形，從而使焊接件中的焊接殘余應(yīng)力得到釋放。

3　轉(zhuǎn)子機(jī)座去應(yīng)力退火變形的控制措施

3.1降低焊接殘余應(yīng)力水平

(1)從筒體的成型到組裝的各個(gè)工序，都能產(chǎn)生殘余應(yīng)力，其中冷作成型、火焰校形、強(qiáng)力組裝易增大殘余應(yīng)力。

轉(zhuǎn)子機(jī)座筒體卷制成型后應(yīng)進(jìn)行局部火焰校正至圓度≤5mm(成型時(shí)直徑上預(yù)留4mm焊接收縮量)，一端加支撐將筒體圓度調(diào)整至≤3mm后剛性固定，支撐端部呈圓弧狀與筒體內(nèi)壁應(yīng)面接觸，支撐應(yīng)留到退火完成后再去除，以防止工件在自由狀態(tài)下退火變形超差，如圖2和圖3所示。

筒體成型后裝焊前進(jìn)爐進(jìn)行中間消除應(yīng)力熱處理(ISR)580℃±20℃×2h，以消除冷作應(yīng)力和火焰校形應(yīng)力，穩(wěn)定筒體尺寸，避免冷作應(yīng)力、拘束應(yīng)力與焊接殘余應(yīng)力疊加而增加工件宏觀應(yīng)力的幅值。

圖2　筒體成型后火焰校圓Figure 2　Roundness correction by flame　after barrel forming

圖3　筒體校圓后支撐工裝Figure 3　Support tooling after barrel　roundness correction

(2)分部組裝與剛性固定都是控制焊接結(jié)構(gòu)變形常用的方法，但這兩種方法的作用和效果有時(shí)卻恰恰相反。分部組裝焊接具有以下優(yōu)越性：

a)通過分部組裝，能夠有效補(bǔ)償焊縫收縮量。

b)可以提高鉚焊質(zhì)量，改善工人的焊接操作條件。

c)可以有效的減緩焊接的剛性拘束程度，減小焊接應(yīng)力和焊接變形，同時(shí)還可以及時(shí)對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正。

d)可以提高生產(chǎn)面積的利用率，減少和簡(jiǎn)化總裝時(shí)所有的工位數(shù)，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，在批量化生產(chǎn)時(shí)可廣泛采用專用的胎具。

由于分部組裝焊接的一系列優(yōu)點(diǎn)，轉(zhuǎn)子機(jī)座裝焊采取分部組裝的方式?！靶?+序3+序4”先行單獨(dú)裝焊，高度上預(yù)留5mm～8mm焊接收縮量，同時(shí)在“2+項(xiàng)3”之間利用筋板剛性固定，焊后對(duì)法蘭面及錐面進(jìn)行火焰校正，保證二個(gè)法蘭面的平面度≤4mm(如圖4所示)。合格后與“序1筒體”組焊，焊前按圖5所示布置筋板進(jìn)行剛性固定。轉(zhuǎn)子機(jī)座采用分部組裝的方式，可有效緩解整體裝焊的拘束程度，防止焊后去應(yīng)力退火過程中由于高水平應(yīng)力釋放產(chǎn)生較大的變形。

圖4　法蘭與錐體單獨(dú)裝焊圖Figure 4　Separate welding of flange and cone

圖5　轉(zhuǎn)子機(jī)座筒體與組件裝焊示意圖Figure 5　The schematic diagram of welding rotor　frame barrel and assembly

3.2退火裝爐注意事項(xiàng)

(1)熱處理爐應(yīng)按GB/T9452《熱處理爐有效加熱區(qū)測(cè)定方法》進(jìn)行爐溫均勻性檢測(cè)，保證機(jī)座置于熱處理爐的有效加熱區(qū)內(nèi)。測(cè)溫?zé)犭娕?、記錄儀表應(yīng)定期檢定。減少轉(zhuǎn)子機(jī)座各部分的溫差，溫差越小，應(yīng)力去除的越充分和均勻。

(2)裝爐量要合適，配爐時(shí)盡可能將工件壁厚與轉(zhuǎn)子機(jī)座壁厚較為接近的工件裝為一爐。工件的排列和支撐應(yīng)有利于工件均勻加熱，并保證爐內(nèi)氣氛的正常流通。轉(zhuǎn)子機(jī)座離爐壁至少300mm以上，應(yīng)保證火焰不直接噴射到工件上。若分層裝爐應(yīng)遵循“大件不壓小件”、“重件不壓輕件”的原則。

(3)轉(zhuǎn)子機(jī)座應(yīng)調(diào)平且懸空的部位應(yīng)予以支撐10點(diǎn)以上，要求水平度≤4mm，避免工件在自重或壓力的作用下產(chǎn)生較大的變形。轉(zhuǎn)子機(jī)座上的防變形拉筋、筒體支撐應(yīng)保留至退火出爐再去除。

圖6　轉(zhuǎn)子機(jī)座退火裝爐Figure 6　The rotor frame charging for annealing

3.3保溫溫度和保溫時(shí)間

(1)去應(yīng)力退火最重要的是保溫溫度，殘余應(yīng)力因塑性變形或蠕變變形而產(chǎn)生松弛就依賴于保溫溫度，因此溫度的選取就極為重要。溫度過低，工件不可能在短時(shí)間內(nèi)完成局部應(yīng)力松弛的塑形變形；溫度過高，不僅會(huì)使母材和焊縫的力學(xué)性能惡化，還會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形。

針對(duì)碳鋼和低合金鋼去應(yīng)力退火溫度為Ac1-(100～200)℃，一般采用550～650℃。因?yàn)镼345E鋼在600℃左右時(shí)屈服極限已經(jīng)降到最低值，所以將轉(zhuǎn)子機(jī)座退火保溫溫度定為600℃。

(2)保溫時(shí)間是去應(yīng)力退火工藝的一個(gè)重要參數(shù)，消除焊接結(jié)構(gòu)件的殘余應(yīng)力，需要足夠的保溫時(shí)間使局部塑性變形和應(yīng)力釋放過程得以完成。

按照GB/T30583《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》，保溫時(shí)間根據(jù)工件壁厚來計(jì)算最小保溫時(shí)間。針對(duì)Q345母材，保溫溫度為600℃，當(dāng)δ≤50mm時(shí)，最短保溫時(shí)間為(δ/25)h，至少15min；當(dāng)δ>50mm時(shí)，最短保溫時(shí)間為[2+(δ-50)/100]h。

同時(shí)，也可以利用回火參數(shù)P來推算[1]，P=T(20+lgt)。式中，P為回火參數(shù)；T為加熱溫度(K)；t為保溫時(shí)間(h)。由圖7可知，當(dāng)回火參數(shù)P值為(18～19)×103時(shí)，殘余應(yīng)力急劇下降?；鼗饏?shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系見圖8。

圖7　回火參數(shù)與殘余應(yīng)力的關(guān)系Figure 7　Relationship between tempering parameter　and residual stress

按GB/T30583《承壓設(shè)備焊后熱處理規(guī)程》,轉(zhuǎn)子機(jī)座去應(yīng)力退火最短保溫時(shí)間應(yīng)為2.3h。按回火參數(shù)推算，P取18×103，T取873K，計(jì)算可得保溫時(shí)間為4.2h。

實(shí)際生產(chǎn)中通常沿用(5～7)min/mm來確定保溫時(shí)間，轉(zhuǎn)子機(jī)座退火保溫時(shí)間選取6h～8h。已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)要求及理論推算。但是在非特定情況下，保溫時(shí)間過長對(duì)工件無益：

a)在同一保溫溫度下，保溫時(shí)間越長，焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度和屈服點(diǎn)下降越嚴(yán)重。

b)能源消耗較大，生產(chǎn)成本較高，不利用提高設(shè)備的利用率。

c)薄壁工件長時(shí)間處于軟化的狀態(tài)下，容易產(chǎn)生熱處理變形。

(3)綜上所述，將轉(zhuǎn)子機(jī)座焊后去應(yīng)力退火的保溫溫度和保溫時(shí)間定為600℃×4h，保溫階段以件溫為準(zhǔn)。

3.4升溫速度和冷卻速度

(1)在去應(yīng)力退火升溫的過程中，隨鋼材的化學(xué)成分、外形尺寸、原始組織和熱處理工藝的不同要求，對(duì)加熱速度也應(yīng)有不同的規(guī)定。在考慮焊接件加熱速度時(shí)應(yīng)注意：

a)脆性大的焊接件加熱速度應(yīng)低一些，塑形高的焊接件加熱速度可相應(yīng)加大。

b)焊接件內(nèi)形狀復(fù)雜，截面相差比較懸殊的，加熱速度宜慢一些。

c)對(duì)大尺寸或厚板焊件，為避免加熱不均勻，宜采用較慢的加熱速度。

d)焊接件加熱前有較大的殘余應(yīng)力，在強(qiáng)力組裝時(shí)，當(dāng)加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力方向一致時(shí)，易導(dǎo)致工件變形開裂。這時(shí)，加熱速度應(yīng)慢一些。

(2)鋼材在退火后剛開始冷卻時(shí)，冷卻速度如果過大會(huì)造成表面和內(nèi)部之間的溫差太大，在這種情況下引起的應(yīng)力有超過鋼材屈服點(diǎn)的危險(xiǎn)。如果由于熱應(yīng)力造成了永久變形，新的應(yīng)力在鋼材冷卻到室溫后將保留下來。即使熱應(yīng)力沒有達(dá)到引起工件變形的程度，附加的熱應(yīng)力也會(huì)大大降低去應(yīng)力退火的效果甚至前功盡棄，使工件在自然時(shí)效或加工后因殘余應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生變形超差。對(duì)于大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件，應(yīng)放慢冷卻速度，最好采用200×25/δ(℃/h)的冷卻速度[1]。

(3)根據(jù)以上分析結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，為保證轉(zhuǎn)子機(jī)座的去應(yīng)力效果，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，做如下規(guī)定：工件200℃入爐，升溫速度≤(70±10)℃/h；降溫速度≤(60±10)℃/h，工件150℃出爐后空冷，升、降溫階段以爐溫為準(zhǔn)。

4　去應(yīng)力退火工藝的實(shí)施及驗(yàn)證

4.1退火工藝的實(shí)施

根據(jù)上述分析，制定轉(zhuǎn)子機(jī)座去應(yīng)力退火工藝曲線，如圖8所示。對(duì)5件轉(zhuǎn)子機(jī)座實(shí)施此工藝，同時(shí)執(zhí)行上述的各項(xiàng)控制措施。

圖8　轉(zhuǎn)子機(jī)座去應(yīng)力退火曲線Figure 8　Annealing curve of the rotor frame stress relief

轉(zhuǎn)子機(jī)座出爐后肉眼或放大鏡檢查焊縫有無裂紋，檢查工件變形是否超差。對(duì)變形超差的局部允許校正3處～4處，校正長度不超過25cm。變形量較大導(dǎo)致火焰校正量過大的機(jī)座應(yīng)再次進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

4.2驗(yàn)證結(jié)果

(a)

(b)

(c)圖9　筒體圓度數(shù)據(jù)Figure 9　Barrel roundness data

圖10　筒體垂直度數(shù)據(jù)Figure 10　Barrel perpendicularity data

根據(jù)優(yōu)化后的裝焊順序及熱處理工藝，對(duì)5件經(jīng)退火后的轉(zhuǎn)子機(jī)座進(jìn)行出爐后的圓周尺寸及垂直度檢測(cè)，均一次交檢合格。筒體圓度和垂直度可控制在4mm～6mm，實(shí)踐證明效果較好。其中1件沿筒體軸向檢測(cè)3處的圓周尺寸及垂直度檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖9～圖10所示。

5　結(jié)論

(1)對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)座焊接結(jié)構(gòu)件，采用分部裝配的方式，結(jié)合剛性固定的方法，可有效降低焊接殘余應(yīng)力的水平，減少去應(yīng)力退火過程中的變形。

(2)按要求定期對(duì)熱處理爐進(jìn)行爐溫均勻性檢測(cè)，保證機(jī)座在退火時(shí)處于有效加熱區(qū)內(nèi)，從而減小工件各部分的溫差，保證充分、均勻的去除焊接殘余應(yīng)力。

(3)針對(duì)轉(zhuǎn)子機(jī)座部件，在一定的保溫溫度下，保溫溫度不宜過長，4h完全滿足要求，避免機(jī)座長時(shí)間在軟化的狀態(tài)下變形超差。

(4)為防止轉(zhuǎn)子機(jī)座在去應(yīng)力退火過程中產(chǎn)生變形和殘余熱應(yīng)力，應(yīng)嚴(yán)格控制升溫速度和冷卻速度，尤其是降溫速度的控制應(yīng)引起關(guān)注，同時(shí)應(yīng)注意在爐冷卻至150℃以下才可出爐空冷。

[1]陳泰偉.壓力容器焊后熱處理技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2002:56-66.

編輯李韋螢

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

王慶偉 (1983—)，男，工程碩士，工程師，主要從事壓力容器、風(fēng)電結(jié)構(gòu)件的焊接工藝和質(zhì)量控制相關(guān)工作。

TG156.2

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