大型動力機械的軸及其軸頸表面的修複方法

2023-06-16 13:36:41 1

專利名稱：大型動力機械的軸及其軸頸表面的修複方法
技術領域：
本發明涉及一種焊接工藝，具體是一種在精加工後的大型動力機械的軸表面堆焊 的方法。
背景技術：
大型動力機械的軸是動力設備的核心傳動部件，其重量及載荷很大，不能採用滾 動軸承，只能採用滑動軸承。大型動力機械，轉子質量大、轉速快，其軸一般採用強度較高的 材料製造。對於高溫工況的動力機械，如汽輪機，軸一般採用含Cr較高的耐熱鋼材料製造， 因Cr的含量較高，硬度較低，轉子軸頸容易磨損。當軸頸的磨損量超過允許值時，整個轉子 就得報廢，造成巨大的損失。由於這種大型軸的尺寸很大，採用現有的熱處理設備，無法對 軸頸表面進行滲碳、滲氮等硬化處理。日本一家公司試圖對這種軸頸表面作硬化處理，以提 高耐磨性，其技術手段是在軸頸表面噴塗一層耐磨塗層。由於塗層與軸不是冶金結合，在轉 子高速運轉時容易脫落，反而將軸瓦表面被拉毛，該方案最後以失敗告終。迄今為止，這種 大型軸的表面均未作任何硬化處理。

發明內容
本發明的目的之一，是提供一種大型動力機械的軸，其軸頸表面有耐磨層，可提高 軸的使用壽命。本發明的目的之二，是提供一種大型動力機械軸頸表面的修複方法，以降低軸的 報廢率。實現上述目的的技術方案是一種大型動力機械的軸，所述軸的軸頸表面有耐磨層，該耐磨層是合金堆焊層，合 金堆焊層的材料與軸的材料可實現冶金結合，合金堆焊層的材料硬度低於軸的材料硬度。所述軸用12Cr材料製成，合金堆焊層是Cr-Mo合金堆焊層。所述Cr-Mo合金堆焊層的厚度為2 8mm。所述Cr-Mo合金堆焊層中Cr的重量份佔Cr-Mo合金總重量的1 2%。一種大型動力機械軸頸表面的修複方法，步驟包括(1)對軸頸部分進行清洗，去除表面的氧化層和油汙；(2)採用微弧等離子堆焊工藝，在軸頸表面堆焊合金堆焊層；(3)堆焊完成後，對軸頸部分回火、去除應力；(4)對軸頸部分進行切削加工，使其尺寸和粗糙度滿足設計要求。所述堆焊採用分層堆焊法，每層的厚度為1. O 2. Omm。所述合金堆焊層是Cr-Mo合金堆焊層，所述Cr-Mo合金堆焊層的第一層是過渡性 的封Cr層，該層的Cr的重量份為2 4% ；布置在封Cr層以上的堆焊層是工作層，該層的 Cr的重量份為1 2%。所述堆焊的層間溫度小於150°C。
所述回火使用履帶加熱器，回火溫度為600 700°C，回火時間為8 12h。本發明產生的有益效果是大型動力機械的軸頸表面硬度提高，軸的使用壽命長。軸頸修復工藝解決了在精加工後的大型軸軸頸表面堆焊的技術難題，成功運用在 1000MW的汽輪機轉子軸頸的修復上。同時，本發明採用堆焊的方法，合金堆焊層與軸是冶金 結合，因此堆焊層表面平整、焊縫質量穩定、工件變形小、厚度較薄，且較薄的堆焊層就能夠 滿足表面硬度和化學成分的相關技術要求。本發明對目前對大型軸的表面硬化處理具有重大意義，易於大規模推廣和使用。
具體實施例方式本發明針對大型動力機械的軸無法採用常規熱處理設備進行軸頸表面硬化處理 的問題，提供一種大型動力機械的軸，該軸的軸頸表面有合金堆焊層，提高了軸頸的耐磨性 能，可延長軸的使用壽命。堆焊的原則是合金堆焊層的材料與軸的材料可實現冶金結合，合金堆焊層的材 料硬度低於軸的材料硬度。依據此原則，可加工出滿足各種工況使用的大型軸。例如汽輪機轉子軸處在高溫工況中，一般用12Cr愛熱剛製造，其軸頸表面耐磨 層可用Cr-Mo合金堆焊，該Cr-Mo合金堆焊層的厚度為2 8mm。針對軸直徑的不同，Cr-Mo 合金堆焊層中的Cr含量也不同，保證Cr元素的重量份佔Cr-Mo合金總重量的1 2%，使 得該Cr-Mo鋼層得表面硬度HV 160 觀0。本發明還提供一種大型軸軸頸的修複方法，是用一種耐磨材料在軸頸表面堆焊起 來，再通過切削恢復原來的尺寸。舊軸修復的技術難點在於，軸的其它部分已經精加工完成，堆焊時的熱量傳導將 是這些部分變形，因此，採用什麼堆焊工藝，才能使軸的溫升最慢、變形最小？例如汽輪機轉子軸的修復，軸頸加工面積大、轉子材料焊接性能較差，用常規的 方法如埋弧焊等無法滿足其變形、堆焊區性能等各方面的要求。因此，要在這種精加工後的 大型軸表面重新作表面處理，並且不能改變該軸的尺寸，加工難度十分大，國內外尚沒有可 行的辦法。本發明對汽輪機的轉子軸頸進行修復，採用以下步驟(1)對轉子的軸頸部分進行清洗，去除表面的氧化層和油汙。採用物理的方法，對 軸頸表面做噴砂如鋼丸或白剛玉，去除表面的氧化層；採用化學清洗液如丙酮等清潔軸頸 表面，去除油汙，並晾乾。(2)採用微弧等離子堆焊工藝，在轉子的軸頸表面堆焊合金堆焊層。由於，12Cr的軸已為精加工狀態，為了保證處理過程中盡可量的減少對於轉子本 身的組織結構的影響及防止轉子的變形，選擇了熱輸入量小、焊縫質量穩定的微弧等離子 堆焊方法。微弧等離子是一種利用等離子弧作為高溫熱源，採用粉末狀或絲極作為填充金 屬的一種熔焊工藝，較一般等離子堆焊的電弧剛度小，使用小電流焊接，其熱輸入量低、焊 縫稀釋率低、熱影響區小、成型美觀、設備小巧靈活、易於實現自動化等優點。微弧等離子方 法其熱量集中、電弧穩定、熔池小，堆焊層稀釋率極低，其熱影響區小於1mm，可用較小的電流45 100A，即可實現穩定焊接，可以不預熱焊接，最大限度控制熱輸入量，是控制焊接變 形的關鍵。同時，本發明方法採用小參數多層多道堆焊，嚴格控制焊接電流及各層厚度，堆焊 層每層的焊接電流電流逐層遞增，為45 100A，堆焊層的厚度為1.0 2. 0mm。第一層為 封Cr層，採用最小參數薄層焊接，為了能夠將基體元素擴散降低到最低的程度，底層電流 值45 55A，堆焊厚度為1. 0 1. 5mm,使得該層的Cr的重量份為2 4%。布置在封Cr 層以上的堆焊層是工作層，可以直接與軸瓦接觸，該層的Cr的重量份為1 2%。堆焊採用微弧等離子自動送絲焊接，焊絲採用ER80S-B2，為無飛濺純淨焊接，焊層 表面平整、美觀。由於12Cr材料熱容量大、傳熱快，本發明採用的焊接電流小，因此，可以連 續施焊，並且層間溫度滿足低於150°C的要求，減少因停弧形成的接頭，影響焊接質量。(3)堆焊完成後，對軸頸部分回火、去除應力。本實施例採用履帶加熱器現場局部 去應力回火，回火溫度為600 700°C，回火時間為8 12h。嚴格控制升、降溫速度，保證 保溫時間，熱處理後現場金相及硬度檢查，回火充分，組織改善，硬度達設計要求。(4)對軸頸部分進行切削加工，使其尺寸和粗糙度滿足設計要求。修復後，檢測汽輪機轉子軸的技術指標變形量檢測變形量彡0. 10mm。無損檢測 各檢測部位均無損傷。以下分別是本發明的兩個具體實施例，以此對本方法進行詳細介紹實施例一對Φ 384的50MW報廢轉子的軸頸表面進行修復、加工堆焊層，採用下表的工作參 數50MW轉子焊層1層2層厚度1. 3mm1. 6mm基體30CrIMolV (Φ384)焊絲ER80S-B2層間溫度<150。C回火履帶現場回火，600 700°CX8 12h50麗轉子的軸頸部分共焊接二層，焊層厚度約2. 8mm，焊接時間約50小時。第一 層用小電流薄層焊接，封Cr效果明顯，Cr的重量份佔該層Cr-Mo合金的2. 22% ；第二層適 當加大焊接參數，Cr的重量份佔該層Cr-Mo合金的1. 22%，滿足軸頸工作面要求。該堆焊過程的層間溫度低於80°C，微弧等離子電弧熱量集中，12Cr轉子材料可不 預熱焊接，工件的變形小。焊接時，將送絲槍安裝在擺動器上，PLC程序控制，可實現自動焊 接，焊層表面平整、光潔，焊接質量可靠，工人勞動強度低。焊前、焊後、回火後測軸頸位置跳動，焊後最大跳動0. 04mm,回火後最終最大跳動5後0. 05mm。回火後，經MT、UT檢測均未發現缺陷。以下是相關檢測結果
權利要求
1.一種大型動力機械的軸，所述軸的軸頸表面有耐磨層，其特徵在於該耐磨層是合 金堆焊層，合金堆焊層的材料與軸的材料可實現冶金結合，合金堆焊層的材料硬度低於軸 的材料硬度。
2.根據權利要求1所述的大型動力機械的軸，其特徵在於所述軸用12Cr材料製成， 合金堆焊層是Cr-Mo合金堆焊層。
3.根據權利要求2所述的大型動力機械的軸，其特徵在於所述Cr-Mo合金堆焊層的 厚度為2 8mm。
4.根據權利要求2所述的大型動力機械的軸，其特徵在於所述Cr-Mo合金堆焊層中 Cr的重量份佔Cr-Mo合金總重量的1 2%。
5.一種大型動力機械軸頸表面的修複方法，其特徵在於步驟包括(1)對軸頸部分進行清洗，去除表面的氧化層和油汙；(2)採用微弧等離子堆焊工藝，在軸頸表面堆焊合金堆焊層；(3)堆焊完成後，對軸頸部分回火、去除應力；(4)對軸頸部分進行切削加工，使其尺寸和粗糙度滿足設計要求。
6.根據權利要求5所述的大型動力機械軸頸表面的修複方法，其特徵在於所述堆焊 採用分層堆焊法，每層的厚度為1. O 2. Omm。
7.根據權利要求5或6所述的大型動力機械軸頸表面的修複方法，其特徵在於所述 合金堆焊層是Cr-Mo合金堆焊層，所述Cr-Mo合金堆焊層的第一層是過渡性的封Cr層，該 層的Cr的重量份為2 4% ；布置在封Cr層以上的堆焊層是工作層，該層的Cr的重量份 為1 2%。
8.根據權利要求5所述的大型動力機械軸頸表面的修複方法，其特徵在於所述堆焊 的層間溫度小於150°C。
9.根據權利要求5所述的大型動力機械軸頸表面的修複方法，其特徵在於所述回火 使用履帶加熱器，回火溫度為600 700°C，回火時間為8 12h。
全文摘要
本發明提供一種大型動力機械的軸，所述軸的軸頸表面有耐磨層，該耐磨層是合金堆焊層。這種大型動力機械軸頸表面的修複方法，步驟包括對軸頸部分進行清洗，去除表面的氧化層和油汙；採用微弧等離子堆焊工藝，在軸頸表面堆焊合金堆焊層；堆焊完成後，對軸頸部分回火、去除應力；對軸頸部分進行切削加工，使其尺寸和粗糙度滿足設計要求。解決了在精加工後的大型軸表面進行表面處理的技術難題。同時，本發明採用堆焊的方法，是冶金結合，因此堆焊層表面平整、焊縫質量穩定、工件變形小、厚度較薄，且較薄的堆焊層就能夠滿足表面硬度和化學成分的相關技術要求。本發明對目前對大型軸的表面修復具有重大意義，易於大規模推廣和使用。
文檔編號B23K10/02GK102052384SQ20101052670
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者吳比, 李勝剛, 王焱, 邱述林, 金硪馨, 鍾成山, 陳興東, 黃嵐 申請人:東方電氣集團東方汽輪機有限公司