关键词：20SiMn钢；水轮机主轴；补焊

本文中的水轮机主轴两件，材质20SiMn，原图要求在主轴法兰Ф1165mm圆周均布16-Ф60mm的孔，实际生产法兰按18-Ф40mm孔部分加工，1#件相邻加工出7个Ф40mm的7～38mm深的孔；2#件对称加工出8个Ф40mm的29～45mm深的孔(见图1)，各孔尺寸见表1，已经满足不了主轴精加工尺寸要求。由于主轴已到交货状态，时间紧迫，为节约成本挽救损失拟采用补焊方法进行修复。

表1  1#件和2#件各孔深度(mm)

编号	h1	h2	h3	h4	h4	h6	h7	h8
1#	10	12	38	10	7	9	7
2#	35	38	36	45	29	30	32	38

图1 1#和2#件待焊孔位置及深度图       

1焊接性分析

   主轴材质为锻件用结构钢20SiMn，其具体成份见表2。

表2  1#件和2#件的化学成份（%）

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	V
1#	0.22	0.62	1.14	0.009	0.0020	0.06	0.10	0.05	0.04	<0.002
2#	0.21	0.64	1.16	0.009	0.0020	0.06	0.11	0.05	0.04	<0.002

    经计算碳当量Ce=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15=0.42，材料的可焊性较好，为防止出现冷裂纹，采取适当预热措施，再加上技术熟练、经验丰富的焊工补焊是完全可行的。

2焊前准备
2.1模拟实验

   为保证补焊过程万无一失，预先进行一次模拟实际补焊坡口的补焊实验。选相近的材料用气刨挖出Ф40mm左右的孔，深40～50mm，用规定的焊接规范进行补焊。焊后进行UT、MT检查，确认焊缝没有裂纹、夹渣、气孔等缺陷，此外通过实验可以确定合适的补焊工艺参数及焊道布置(模拟试件见图2)。

2.2坡口准备

      

            图2 焊前模拟实验                            图3 坡口示意图

2.3焊接方法与材料的选择

根据孔的直径和深度尺寸选择了富氩气体保护手工半自动电弧焊。在选用填充材料时，应遵守以下原则^{[1]符合：GB/T10045-2001 E501T-1(相当：AWS A5.20 E71T-1)，电弧柔和稳定、脱渣容易、飞溅小、成形良好。适用于平焊、横焊，可进行全位置焊接，焊接效率高，焊缝金属经微合金化元素韧化处理低温韧性优良，内在质量稳定可靠。最重要的是其熔敷金属力学性能与20SiMn钢相近，保证焊后性能。}

：采用低匹配，这有利于降低焊接残余应力；焊材的工艺性能要求特别好，以防止夹渣、气孔等缺陷；熔敷金属应具有高塑性和高韧性，以使焊缝产生适当的变形来减少焊接残余应力；最好选用组织相同的焊接材料，以减少因组织膨胀系数不同而产生的附加应力。据此选择了抗裂性好、韧性高的药芯焊丝，AT-YJ502Q(E501T-1) Ф1.6mm。该焊丝

3补焊工艺                                                                             

3.1补焊现场应配备风把、小磨头砂轮、接触式测温仪等工具和仪器并在合适位置放稳。尽量使法兰有一角度（把待焊法兰一端垫起一定高度）以便焊接操作，补焊孔尽量在11～13点的位置。另外由于主轴已到交货状态，在调运、装炉、摆放时注意保护加工面不要造成明显的磕碰伤。

3.2焊接参数：Ф1.6mm 焊丝，焊接电流 290～330A，富氩气体(Ar80%＋CO₂20%)流量20～25L/min，焊接电压 28～33V，干伸长 20～25mm。

3.3补焊工作开始后无特殊情况应连续进行。底层的补焊要特别注意焊缝与母材的熔合情况，根部和搭接处不得产生夹渣缺陷。补焊时采用单道多层操作(见图4)严禁摆动，严格控制层间温度，防止补焊区过热，每层焊缝厚度应小于6mm，以减小焊接应力。补焊时每层要用风把振动一遍，在焊道表面上应看到明显锤击痕迹，以求达到释放焊接应力的目的。

3.4主轴1#件的补焊顺序是h2、h4、h6、h1、h5、h7，主轴2#号件的补焊顺序是h2、h4、h1、h6、h8、h5、h7。为了减小补焊量和补焊带来的应力，1号件h3孔和2号件的h3孔不焊。

3.5注意事项：为防止出现焊接裂纹，保证焊接质量，补焊前应用煤气局部预热主轴待焊法兰处至120～150℃。焊接过程中补焊区温度低于100℃时应用煤气补充加热至120℃以上再焊。补焊时起、收弧及运条要特别注意孔壁上侧的熔合情况，确保焊透和不产生夹渣等缺陷。补焊时一旦发现熔合不良尤其是裂纹时应立即停止焊接，视情况采用砂轮或磨头清除干净后再焊。用气体保护焊补焊完成后，对坡口边缘的咬边和低点部位用氩弧焊补焊平整。焊后用煤气加热补焊部位至300～350℃。1小时后用石棉毡覆盖保温缓冷。

4 焊后检验及热处理

补焊完成48 小时后，对补焊区表面打磨平整，按照主轴技术条件(JB/T1270-2002)中的无损检测要求，分别进行UT 和MT检查，并按照上述技术条件中不低于主轴的标准进行验收。为了防止母材的性能受到影响，在焊后进行消应力热处理时所采用的热处理温度必须低于母材的最后一次性能热处理温度^[2]。因此验收合格后整体进炉执行560±10℃×5小时消除应力热处理，加热工艺(见图5)。消应力热处理后再次按上述标准进行UT和MT检查，最终验收合格。

    

           
5结束语

5.1 20SiMn钢可焊性较好，选用抗裂性好，韧性高的AT-YJ502Q(E501T-1) 药芯焊丝，采用合适的焊接参数，再加上严格的焊前预热及焊后消应力热处理措施，补焊区质量完全满足产品技术要求。

5.2 实践证明针对主轴法兰孔机加错位制定的补焊工艺是可行的的，经补焊的两根主轴已发往用户投入使用，目前运行良好。

参考文献

[1] 葛兆祥，李夕强，张学诚．300MW发电机大轴磨损焊接修复研究[J]．焊接技术， 2001，30(9)，87～

89．

[2] 王立新，徐英辉，赵云志．大型水轮机叶片补焊技术[J]．一重技术，2005，1，27～29．