专利名称：一种小内径空心主轴的制造方法
技术领域：
本发明涉及主轴铸造的机械加工领域，具体是一种贯流式水轮发电机组或潮汐发电机组等水力发电机组的小内径空心主轴的制造方法。
背景技术：
贯流式水轮发电机组或潮汐发电机组的主轴由于其结构、强度要求，一般采用小内径空心主轴。该小内径主轴需要承载水轮转动部分的重量和内部水流的轴向推力，同时， 小内径主轴两端分别连接水轮机和发电机，关联整个机组的关键部件，并且传递转轮转动产生的扭矩。如图1所示，该类小内径主轴的主要结构特点是1、内径小φ<600πιπι ；2、壁厚大δ >300mm。由于，该部件为转动部件，对其机械性能、疲劳强度要求较高，因此，该小内径主轴的加工制造的强度、质量尤为重要，直接影响整个发电机组的顺利运转。由于，该小内径主轴的尺寸较大、结构特殊，如图1所示，以某贯流机组为例，小内径主轴长度9924mm，内径600mm，外径1250mm，法兰外径2500mm，总重量119吨。其强度要求和加工质量要求较高，现有技术只能采用整轴锻造的方案对其进行制造。在满足锻造质量和生产周期的情况下，该方案是较为成熟的制造方案。但是，由于该小内径主轴的尺寸较大，整轴锻造的制造成本高昂，且制造周期较长，一般供货的周期在一年左右，同时，对厂家制造能力要求非常高，在保证锻造质量的前提下，世界范围内能承接该类小内径主轴锻造的公司只有寥寥几家，根本无法满足水轮发电机组制造周期。因此，水电行业内致力于研究出一种能够将该小内径空心主轴进行分段铸造，再焊接装配的制造方法。水电行业内对于轴类工件进行装配连接的方法，一般是采用窄间隙埋弧焊分段主轴焊接技术。但是，将其运用到此类小内径主轴的焊接时，存在以下几个至今无法解决的困难1、由于该小内径主轴的内径<600mm，焊接操作人员无法进入该小内径主轴的内部，对小内径主轴的接口处进行分段主轴的装配、固定和焊接清根；无损检测人员也难以进行焊缝根部的过程和最终检测。2、埋弧焊技术仅适用于平焊位置，要求在水平位置进行分段主轴装配、焊接。而该类小内径主轴轴身长，水平位置装配时无法准确定位，有效固定，容易在坡口装配时形成错牙，焊接时易产生未熔合等焊接缺陷，同时也会影响小内径主轴焊接完成后的同轴度及端面平行度。3、埋弧自动焊在焊接内径较小轴类产品时，会因焊接面圆弧度太大导致焊剂滑落。焊接过程无法形成有效保护，严重影响焊接质量。4、壁厚δ >300mm，属于超厚截面焊接，形成焊接镕池与操作人员距离过远，操作人员对焊接过程的监控能力大幅降低。因此，水电行业普遍采用的窄间隙埋弧焊分段主轴焊接技术在该类主轴的制造上无法顺利实施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够分段锻造、焊接成型的水轮发电机组的小内径空心主轴的制造方法。
本发明所采用的技术方案是
一种小内径空心主轴的制造方法，所述加工方法先将小内径主轴分为若干段轴段、分别进行分段锻造，焊接成为整体后，再将小内径主轴去应力退火、对其外圆及内圆精加工， 得到成品；所述相邻轴段的焊接接头内侧是装配止口、外侧是焊缝坡口 ；所述焊接分为两个步骤先采用氩弧焊进行打底和根部焊接，再采用埋弧焊填肉、盖面。所述氩弧焊采用立式装焊，即将轴段沿轴向竖直设置、重叠配合安装，且绕其轴线转动，氩弧焊枪头水平设置、对应轴段连接处的焊接接头。所述立式装焊时采用装配工装将轴段配合安装，该装配工装包括底座和柱体，底座是一个圆盘体、设置在水平转胎上，柱体竖直设置在圆盘的上表面上，柱体的外周面对应配合轴段的内壁。所述埋弧焊采用卧式装焊，即将打底和根部焊接后的轴段沿轴向水平设置、且绕其轴线转动，埋弧焊枪头竖直设置、对应轴段连接处的焊接接头。 所述氩弧焊是窄间隙热丝钨极氩弧横焊。所述埋弧焊是窄间隙埋弧自动焊。所述焊缝坡口包括氩弧焊坡口和埋弧焊坡口，两者之间通过双R圆滑过渡连接成为一个台阶状的曲面。所述轴段的分段位置设置在小内径主轴的低应力区。本发明所产生的有益效果是
同时，本发明的小内径空心主轴的制造方法具有以下特点
1、创新的焊接工艺
选择窄间隙热丝自动钨极氩弧焊接技术在横焊位置上进行打底和根部焊接，窄间隙热丝自动钨极氩弧焊的氩弧燃烧非常稳定，容易获得较高的焊缝质量，能有效地保证根部质量；使用氩气保护能很好的保证焊缝成型和质量；通过单独加热焊丝进一步减小热输入， 能有效地减小变形和改善焊缝质量；这对保证分段轴焊接的根部质量至关重要。完成后使用成熟的窄间隙埋弧自动焊进行填肉、盖面，提高生产效率；
2、合理设计的焊接坡口通过计算焊缝综合承载强度和焊接收缩量等，明确焊接坡口各段深度及宽度；
3、合理分段、结合普通超声波检测及衍射时差法超声波检测技术进行焊缝检测，保证焊缝质量；
4、采用立式装配专用工装，保证装配定位准确及保证装配过程安全，解决小内径主轴装焊后同轴度相差太大的问题。本发明使得水力发电机组小内径空心主轴的分段制造能够成为现实，这样大大降低制造成本，缩短小内径主轴制造生产周期，同时保证小内径主轴焊接质量，缓解小内径空心主轴制造瓶颈。
图1是本发明涉及的小内径主轴的结构示意图； 图2是本发明氩弧焊设备、工装的结构示意图3是本发明分段主轴立式装配的流程示意4图4是本发明埋弧焊焊接分段主轴的结构示意图； 图5是本发明焊接接头的结构示意图； 图6是本发明单面焊焊接接头的结构示意图； 图7是本发明单面焊双面成型的结构示意图； 图8是某贯流机分段主轴的结构示意图。图中标号表示1-焊枪支架、2-活动臂、3-氩弧焊焊枪、4-装配工装、5-水平转胎、6-埋弧焊焊枪、7-焊接接头、8-小内径主轴、9-滚轮架、10-轴段、11-拉筋、12-焊缝、 13-背面焊缝，a-小内径主轴内壁、b-止口、C-氩弧焊坡口、d-过渡段、e-埋弧焊坡口。
具体实施例方式如图2 图8所示，本发明是一种小内径空心主轴8的制造方法。本发明涉及的水力发电机组的小内径主轴8的内径小Φ<600πιπι、壁厚大δ >300m，采用现有技术难以分段加工。该方法先将小内径主轴8分为若干段轴段10、分别进行分段锻造，在相邻轴段10的连接处的外侧设置有焊接接头7，对应装配后，再进行焊接连接，使其成为一根整轴。本发明的创新点在于依托先进的焊接设备，采用立式装焊，通过采用氩弧焊进行打底和根部焊接+埋弧焊填肉、盖面的组合焊接工艺，和合理的分段方案、独特的坡口设计、热处理工艺、 加工工艺、探伤工艺，协同完成小内径主轴8的制造加工。一般来说，整个小内径主轴8至少分为2段轴段10来进行锻造，且探伤合格后，再进行装配焊接。分段数量根据各段锻造成本及生产周期来确定，分3 4段为宜。根据小内径主轴8运行时所受综合应力计算，分段位置应避开应力集中部位，一般设置在小内径主轴8上的低应力区。同时，要确认立式装配后，焊缝12的位置应在操作架的极限上升高度内。如图2所示，氩弧焊采用窄间隙热丝自动钨极氩弧焊，且该氩弧焊时采用立式装焊，即将轴段10沿轴向竖直设置、重叠配合安装后，将氩弧焊焊枪3水平设置、对应轴段10 连接处的焊接接头7。窄间隙的氩弧焊焊枪3的标准长度一般< 350mm，本发明需增加长度到500mm，长度的增加带来了氩弧焊焊枪3的连接刚度的下降，使得焊接过程中，氩弧焊焊枪3的枪头抖动幅度较大。同时，该小内径主轴8的壁厚δ >300mm，属于超厚截面焊接，其焊缝12的深度较深，使得钨极氩弧焊的保护气体紊流现象加剧，对焊接过程保护不充分。因此，本发明的氩弧焊焊接设备包括焊枪支架1、活动臂2、氩弧焊焊枪3、装配工装4和水平转胎5 焊枪支架1竖直设置、底部固定在地面上；活动臂2水平设置，一端活动连接在焊枪支架1上、可以在焊枪支架1上上下移动，另一端设置氩弧焊焊枪3、且该氩弧焊焊枪3枪头水平设置、工作面垂直于轴段10连接处的焊接接头7外侧。水平转胎5支承轴段10、并带动其绕轴向中心线转动，且该水平转胎5是一个无极变速的转胎，与氩弧焊焊枪 3联动。装配工装4底部固定连接水平转胎5，配合、固定支承小内径主轴8，使轴段10竖直设置、重叠配合安装在水平转胎5的上表面上。将专用装配工装4固定在水平转胎5上，装配工装4柱体的外径比小内径主轴8的内径小10 20mm，装配工装4的高度高于小内径主轴8装配位置的重心400 500mm。如图3所示，立式装配时，由于小内径主轴8重量较大，使得工件定位困难，且如需大幅度调整也费时费力。因此，本发明特制了一个装配工装4，该装配工装4包括底座和柱体，底座是一个圆盘体、设置在水平转胎5上，圆盘的上表面是一个水平面，柱体竖直设置、 固定连接圆盘的上表面，柱体的外周面对应配合轴段10的内壁。该装配工装4在水平转胎 5上准确定位后，再可靠固定在水平转胎5的上表面上。装配时，首先将轴段10-1套接在柱体上，轴段10-1的下端面与圆盘上表面紧密接触，使得轴段10-1沿轴向竖直设置；然后，在轴段10-2，使轴段10-1和10-2相互对应端面上的焊接接头7对应装配，形成焊缝12 ；装焊后，沿小内径主轴8轴身外圆、跨焊缝12焊接辅助拉筋11，控制焊缝12的收缩量、保障制造过程中安全可靠、控制同轴度、平行度的变化。如此，完成轴段10-1和10-2之间的立式装配，再采用依次进行下去，直到完成整个小内径主轴8的立式装配。在小内径主轴8立式装配时，该装配工装4保证装配定位准确，保证装配过程安全，可将装配误差控制在IOmm以内。氩弧焊焊接过程中，采用热丝自动钨极氩弧焊横焊技术，在预热焊丝和使用脉冲的双重作用下，焊接过程热输入大幅下降但熔池稳定，焊接质量得到极大提高。焊接过程使用了单枪自动换道技术，可连续施焊8 10个小时。本具体实施方式
中，使用摄像头的等视频采集装置，用于观察焊接的实时过程和效果，同时，操作者需要随时注意观察钨极烧损情况，及时更换。利用外围拉筋11加打底层及第2层分段焊接固定小内径主轴8的基本位置，减小整体收缩量及同轴度变化。焊接过程中，为保证安全，需用绝缘吊带将上部轴段10虚挂在行车上，防止上部轴段10倾倒。同时，配备专用磨削工具，对根部焊接中发现的缺陷及时清理。焊接完成后，首先进行无损探伤，采用普通超声波检测结合衍射时差法超声波检测技术，对焊缝12进行检测，避免缺陷漏判、误判。探伤后，拆除外围拉筋11，进行后续焊接。如此，利用窄间隙钨极氩弧焊设备在横焊位置，完成小内径主轴8焊接接头7处的打底和根部焊接，并且探伤合格，完成第一步焊接工序。如图4所示，埋弧焊采用窄间隙埋弧自动焊，且该埋弧焊时采用卧式装焊，即将打底和根部焊接后的小内径主轴8沿轴向水平设置，将埋弧焊焊枪6竖直设置、对应轴段10 连接处的焊接接头7。本发明的埋弧焊焊接设备包括焊枪支架1、活动臂2、埋弧焊焊枪6和滚轮架9 焊枪支架1竖直设置、底部固定在地面上；活动臂2水平设置，一端活动连接在焊枪支架1 上、可以在焊枪支架1上上下移动，另一端设置埋弧焊焊枪6、且该埋弧焊焊枪6枪头竖直设置、工作面垂直于小内径主轴8上的焊缝12。滚轮架9轴向水平设置、水平支承小内径主轴 8，使得小内径主轴8水平设置、且绕轴向中心线在竖直平面内转动，且该滚轮架9与埋弧焊焊枪6联动。第一步焊接工序完成后，通过操作架将小内径主轴8整体装吊至滚轮架9，将焊缝 12预热至107°后，再在平焊位置、进行窄间隙自动埋弧焊坡口段焊接。埋弧焊焊接完成后，首先进行无损探伤，采用普通超声波检测结合衍射时差法的超声波检测技术，对焊缝12 进行检测，避免缺陷漏判、误判。如此，完成小内径主轴8焊接接头7处的填肉和盖面焊接，并且探伤合格，完成第二步焊接工序。如图5所示，在相邻轴段10的连接处的内侧设置有对应的装配止口 b、外侧设置有焊接接头7。装配止口 b设置在小内径主轴内壁a位置上，采用内外止口的模式，约束立式装配的同轴度、端面平行度，装配时仅需微调即可，保证装配精度。焊接接头7的坡口由三段弧面构成，分别为氩弧焊坡口 C、过渡段d和埋弧焊坡口 e，三者圆滑连接成为一个台阶状的曲面。在小内径主轴8进行分段锻造时，每一个轴段10的端面上必须加工出焊接坡口， 即分别对上述三段坡口进行加工氩弧焊坡口 c的深度通过焊缝12的强度计算得出，该焊缝12的强度必须满足小内径主轴8在制造过程(起吊、翻身等冲可能受到的最大载荷。埋弧焊坡口 e的深度为剩余坡口厚度；两者之间的过渡段d采用正反R圆滑过渡。焊缝12的宽度由焊枪的厚度、焊缝12收缩量和焊缝12余量几个因素决定，经过计算得出，坡口角度为1° 2°。坡口设计中，焊缝12收缩量的确定最为重要，如未充分考虑焊缝12的收缩量，在焊接过程中会发生夹枪事件，导致焊接缺陷产生，同时也会产生焊后加工量不足的问题。焊缝12收缩量受止口 b的厚度、装配工艺、焊接规范、小内径主轴 8各段自重等参数影响，焊缝12收缩大约为4 8mm。焊接完成后，应对小内径主轴8进行去应力退火，将小内径主轴8吊至退火炉后需对中间轴段10进行有效支撑，防止退火过程中小内径主轴8发生弯曲变形。根据焊缝12 端面位置，可自制专用机械对小内径主轴8的(内径及外圆)进行精加工，将焊缝12打磨至光滑，再进行无损探伤合格，完成后获得小内径主轴8的成品。针对此特殊设计的焊接接头7，窄间隙自动钨极氩弧焊打底焊接时可以采用2种方案1、采用单面焊根部背面不成形，完成后进行整体加工；2、采用单面焊双面成形技术， 背面不加工或仅加工局部。如图6所示，采用单面焊的窄间隙自动钨极氩弧焊技术焊接。为保证焊缝12的质量，止口 b不能焊透，焊缝12的根部约有1 2mm的钝边，焊接完成后、再对对小内径主轴 8的内圆进行整体加工。如图7所示，采用单面焊双面成型的窄间隙自动钨极氩弧焊技术焊接。将止口 b 焊透，背面焊缝13成型良好，可根据设计要求对其进行局部加工或者不加工。采用本发明方法的要点在于1、将专用装配工装4固定在水平转胎5上，装配工装 4柱体的外径比小内径主轴8的内径小10 20mm，将轴段10_1、10_2……依次套接在装配工装4上，装配工装4的高度高于小内径主轴8装配位置的重心400 500mm。2、利用焊接接头7上的止口 b约束立式装配的同轴度、端面平行度，装配时仅需微调即可。3、装焊后， 沿小内径主轴8轴身外圆、跨焊缝12焊接辅助拉筋11，可以达到控制焊缝12的收缩量、保障制造过程中安全可靠、控制同轴度变化的目的。如图8所示，以某贯流机小内径空心主轴8的分段焊接为操作实例，介绍这种小内径主轴8的加工方法。该小内径主轴8的最大外径尺寸为Φ 2510mm，内径Φ600mm，长度为 9934mm ；重量113848Kg.共分4段锻造。这四段长度分别为轴段10_1为1636mm、轴段10_2 为 5000mm、轴段 10-3 为 1979mm、轴段 10-4 为 1510mm，壁厚为 338mm。具体工艺如下
1、分别锻造出四段轴段10-1、10-2、10-3和10-4，并加工焊接接头7 止口 b厚度为4mm ；氩弧焊坡口 c的深度为20mm、宽度为15 15. 6mm、坡口角度为单边1° ；过渡段d的深度为15. 5mm、宽度15. 6 ^mm ；埋弧焊坡口 e的深度为299mm、宽度为28 37mm，坡口角度为单边1. °。且该焊接接头7的坡口粗糙度要求为3. 2。2、装配首先，立式装配、焊接轴段10-1和轴段10-2，焊接完成后，将轴段10_1+ 轴段10-2吊离水平转胎5 ；然后，立式装配、焊接轴段10-3和轴段10-4，焊接完成后，得到轴段10-3+轴段10-4 ；再将轴段10-1+轴段10-2吊装至轴段10-3+轴段10_4的顶部，使之重叠装配、焊接。单条焊缝12装配完成后，在焊缝12的外围搭焊3件拉筋11，呈120度等边分布。装配同轴度要求< 0. 5mm，水平度< 0. 5mm。立式装配时，也可以先焊接轴段10-1和轴段10-2，再依次分别往上焊接轴段 10-3、轴段10-4，使其成为一根整轴。或者，采取其他顺序。3、钨极氩弧焊坡口 c段焊接分三段焊接打底层及第2层，均为单道焊。完成后拆除拉筋11，补焊未焊位置。然后进行连续焊接，直至完成钨极氩弧焊坡口 C厚度。焊接参数基值电流160 220A，峰值电流200 ^OA,电压12 14V，焊接速度30-70mm/min，送丝速度40-60mm/min。完成后无损探伤合格。4、埋弧自动焊坡口 e段焊接电流450 550A，电压32 36V，焊接速度 360-420mm/min。完成后无损探伤合格。上述步骤2 4中，可以在对轴段10-1+轴段10-2氩弧焊焊接完成后，直接对其之间的焊接接头7进行埋弧焊填肉、盖面，再对完成轴段10-3+轴段10-4的焊接。或者采取其他的顺序、方式。5、焊后去应力退火使用水溶性防氧化涂料保护找正段并在轴段10-2的中间部位支撑后进行去应力退火。退火温度580士 10°C，保温时间16h。完成后进行无损探伤合格。6、加工利用大型立车及深孔钻设备，对小内径主轴8进行外圆及内圆加工。完成后获得主轴成品。
权利要求
1.一种小内径空心主轴的制造方法，所述加工方法先将小内径主轴分为若干段轴段、 分别进行分段锻造，焊接成为整体后，再将小内径主轴去应力退火、对其外圆及内圆精加工，得到成品；其特征在于所述相邻轴段的焊接接头内侧是装配止口、外侧是焊缝坡口 ； 所述焊接分为两个步骤先采用氩弧焊进行打底和根部焊接，再采用埋弧焊填肉、盖面。
2.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述氩弧焊采用立式装焊，即将轴段沿轴向竖直设置、重叠配合安装，且绕其轴线转动，氩弧焊枪头水平设置、对应轴段连接处的焊接接头。
3.根据权利要求2所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述立式装焊时采用装配工装将轴段配合安装，该装配工装包括底座和柱体，底座是一个圆盘体、设置在水平转胎上，柱体竖直设置在圆盘的上表面上，柱体的外周面对应配合轴段的内壁。
4.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述埋弧焊采用卧式装焊，即将打底和根部焊接后的轴段沿轴向水平设置、且绕其轴线转动，埋弧焊枪头竖直设置、对应轴段连接处的焊接接头。
5.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述氩弧焊是窄间隙热丝钨极氩弧横焊。
6.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述埋弧焊是窄间隙埋弧自动焊。
7.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述焊缝坡口包括氩弧焊坡口和埋弧焊坡口，两者之间通过双R圆滑过渡连接成为一个台阶状的曲面。
8.根据权利要求1所述的小内径空心主轴的制造方法，其特征在于所述轴段的分段位置设置在小内径主轴的低应力区。
全文摘要
本发明提供了一种小内径空心主轴的制造方法，所述加工方法先将小内径主轴分为若干段轴段、分别进行分段锻造，焊接成为整体后，再将小内径主轴去应力退火、对其外圆及内圆精加工，得到成品；所述相邻轴段的焊接接头内侧是装配止口、外侧是焊缝坡口；所述焊接分为两个步骤先采用氩弧焊进行打底和根部焊接，再采用埋弧焊填肉、盖面。本发明使得水力发电机组小内径空心主轴的分段加工能够成为现实，这样大大降低制造成本，缩短小内径主轴制造生产周期，同时保证小内径主轴焊接质量，缓解小内径小内径主轴制造瓶颈。
文档编号B23P15/00GK102430893SQ20111027311
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月15日 优先权日2011年9月15日
发明者冯涛, 孙川宁, 王平 申请人:东方电气集团东方电机有限公司