CN102052384B - 大型动力机械的轴及其轴颈表面的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大型动力机械的轴，所述轴的轴颈表面有耐磨层，该耐磨层是合金堆焊层。这种大型动力机械轴颈表面的修复方法，步骤包括：对轴颈部分进行清洗，去除表面的氧化层和油污；采用微弧等离子堆焊工艺，在轴颈表面堆焊合金堆焊层；堆焊完成后，对轴颈部分回火、去除应力；对轴颈部分进行切削加工，使其尺寸和粗糙度满足设计要求。解决了在精加工后的大型轴表面进行表面处理的技术难题。同时，本发明采用堆焊的方法，是冶金结合，因此堆焊层表面平整、焊缝质量稳定、工件变形小、厚度较薄，且较薄的堆焊层就能够满足表面硬度和化学成分的相关技术要求。本发明对目前对大型轴的表面修复具有重大意义，易于大规模推广和使用。

Description

大型动力机械的轴及其轴颈表面的修复方法

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，具体是一种在精加工后的大型动力机械的轴表面堆焊的方法。

背景技术

大型动力机械的轴是动力设备的核心传动部件，其重量及载荷很大，不能采用滚动轴承，只能采用滑动轴承。大型动力机械，转子质量大、转速快，其轴一般采用强度较高的材料制造。对于高温工况的动力机械，如汽轮机，轴一般采用含Cr较高的耐热钢材料制造，因Cr的含量较高，硬度较低，转子轴颈容易磨损。当轴颈的磨损量超过允许值时，整个转子就得报废，造成巨大的损失。由于这种大型轴的尺寸很大，采用现有的热处理设备，无法对轴颈表面进行渗碳、渗氮等硬化处理。日本一家公司试图对这种轴颈表面作硬化处理，以提高耐磨性，其技术手段是在轴颈表面喷涂一层耐磨涂层。由于涂层与轴不是冶金结合，在转子高速运转时容易脱落，反而将轴瓦表面被拉毛，该方案最后以失败告终。迄今为止，这种大型轴的表面均未作任何硬化处理。

发明内容

本发明的目的之一，是提供一种大型动力机械的轴，其轴颈表面有耐磨层，可提高轴的使用寿命。

本发明的目的之二，是提供一种大型动力机械轴颈表面的修复方法，以降低轴的报废率。

实现上述目的的技术方案是：

一种大型动力机械的轴，所述轴的轴颈表面有耐磨层，该耐磨层是合金堆焊层，合金堆焊层的材料与轴的材料可实现冶金结合，合金堆焊层的材料硬度低于轴的材料硬度。

所述轴用12Cr材料制成，合金堆焊层是Cr-Mo合金堆焊层。

所述Cr-Mo合金堆焊层的厚度为2～8mm。

所述Cr-Mo合金堆焊层中：Cr的重量份占Cr-Mo合金总重量的1～2％。

一种大型动力机械轴颈表面的修复方法，步骤包括：

(1)对轴颈部分进行清洗，去除表面的氧化层和油污；

(2)采用微弧等离子堆焊工艺，在轴颈表面堆焊合金堆焊层；

(3)堆焊完成后，对轴颈部分回火、去除应力；

(4)对轴颈部分进行切削加工，使其尺寸和粗糙度满足设计要求。

所述堆焊采用分层堆焊法，每层的厚度为1.0～2.0mm。

所述合金堆焊层是Cr-Mo合金堆焊层，所述Cr-Mo合金堆焊层的第一层是过渡性的封Cr层，该层的Cr的重量份为2～4％；布置在封Cr层以上的堆焊层是工作层，该层的Cr的重量份为1～2％。

所述堆焊的层间温度小于150℃。

所述回火使用履带加热器，回火温度为600～700℃，回火时间为8～12h。

本发明产生的有益效果是：

大型动力机械的轴颈表面硬度提高，轴的使用寿命长。

轴颈修复工艺解决了在精加工后的大型轴轴颈表面堆焊的技术难题，成功运用在1000MW的汽轮机转子轴颈的修复上。同时，本发明采用堆焊的方法，合金堆焊层与轴是冶金结合，因此堆焊层表面平整、焊缝质量稳定、工件变形小、厚度较薄，且较薄的堆焊层就能够满足表面硬度和化学成分的相关技术要求。

本发明对目前对大型轴的表面硬化处理具有重大意义，易于大规模推广和使用。

具体实施方式

本发明针对大型动力机械的轴无法采用常规热处理设备进行轴颈表面硬化处理的问题，提供一种大型动力机械的轴，该轴的轴颈表面有合金堆焊层，提高了轴颈的耐磨性能，可延长轴的使用寿命。

堆焊的原则是：合金堆焊层的材料与轴的材料可实现冶金结合，合金堆焊层的材料硬度低于轴的材料硬度。

依据此原则，可加工出满足各种工况使用的大型轴。

例如：汽轮机转子轴处在高温工况中，一般用12Cr爱热刚制造，其轴颈表面耐磨层可用Cr-Mo合金堆焊，该Cr-Mo合金堆焊层的厚度为2～8mm。针对轴直径的不同，Cr-Mo合金堆焊层中的Cr含量也不同，保证Cr元素的重量份占Cr-Mo合金总重量的1～2％，使得该Cr-Mo钢层得表面硬度HV：160～280。

本发明还提供一种大型轴轴颈的修复方法，是用一种耐磨材料在轴颈表面堆焊起来，再通过切削恢复原来的尺寸。

旧轴修复的技术难点在于，轴的其它部分已经精加工完成，堆焊时的热量传导将是这些部分变形，因此，采用什么堆焊工艺，才能使轴的温升最慢、变形最小？

例如：汽轮机转子轴的修复，轴颈加工面积大、转子材料焊接性能较差，用常规的方法如埋弧焊等无法满足其变形、堆焊区性能等各方面的要求。因此，要在这种精加工后的大型轴表面重新作表面处理，并且不能改变该轴的尺寸，加工难度十分大，国内外尚没有可行的办法。

本发明对汽轮机的转子轴颈进行修复，采用以下步骤：

(1)对转子的轴颈部分进行清洗，去除表面的氧化层和油污。采用物理的方法，对轴颈表面做喷砂如钢丸或白刚玉，去除表面的氧化层；采用化学清洗液如丙酮等清洁轴颈表面，去除油污，并晾干。

(2)采用微弧等离子堆焊工艺，在转子的轴颈表面堆焊合金堆焊层。

由于，12Cr的轴已为精加工状态，为了保证处理过程中尽可量的减少对于转子本身的组织结构的影响及防止转子的变形，选择了热输入量小、焊缝质量稳定的微弧等离子堆焊方法。微弧等离子是一种利用等离子弧作为高温热源，采用粉末状或丝极作为填充金属的一种熔焊工艺，较一般等离子堆焊的电弧刚度小，使用小电流焊接，其热输入量低、焊缝稀释率低、热影响区小、成型美观、设备小巧灵活、易于实现自动化等优点。微弧等离子方法其热量集中、电弧稳定、熔池小，堆焊层稀释率极低，其热影响区小于1mm，可用较小的电流45～100A，即可实现稳定焊接，可以不预热焊接，最大限度控制热输入量，是控制焊接变形的关键。

同时，本发明方法采用小参数多层多道堆焊，严格控制焊接电流及各层厚度，堆焊层每层的焊接电流电流逐层递增，为45～100A，堆焊层的厚度为1.0～2.0mm。第一层为封Cr层，采用最小参数薄层焊接，为了能够将基体元素扩散降低到最低的程度，底层电流值45～55A，堆焊厚度为1.0～1.5mm，使得该层的Cr的重量份为2～4％。布置在封Cr层以上的堆焊层是工作层，可以直接与轴瓦接触，该层的Cr的重量份为1～2％。

堆焊采用微弧等离子自动送丝焊接，焊丝采用ER80S-B2，为无飞溅纯净焊接，焊层表面平整、美观。由于12Cr材料热容量大、传热快，本发明采用的焊接电流小，因此，可以连续施焊，并且层间温度满足低于150℃的要求，减少因停弧形成的接头，影响焊接质量。

(3)堆焊完成后，对轴颈部分回火、去除应力。本实施例采用履带加热器现场局部去应力回火，回火温度为600～700℃，回火时间为8～12h。严格控制升、降温速度，保证保温时间，热处理后现场金相及硬度检查，回火充分，组织改善，硬度达设计要求。

(4)对轴颈部分进行切削加工，使其尺寸和粗糙度满足设计要求。

修复后，检测汽轮机转子轴的技术指标：

变形量检测  变形量≤0.10mm。

无损检测    各检测部位均无损伤。

以下分别是本发明的两个具体实施例，以此对本方法进行详细介绍：

实施例一：

对Φ384的50MW报废转子的轴颈表面进行修复、加工堆焊层，采用下表的工作参数：

50MW转子的轴颈部分共焊接二层，焊层厚度约2.8mm，焊接时间约50小时。第一层用小电流薄层焊接，封Cr效果明显，Cr的重量份占该层Cr-Mo合金的2.22％；第二层适当加大焊接参数，Cr的重量份占该层Cr-Mo合金的1.22％，满足轴颈工作面要求。

该堆焊过程的层间温度低于80℃，微弧等离子电弧热量集中，12Cr转子材料可不预热焊接，工件的变形小。焊接时，将送丝枪安装在摆动器上，PLC程序控制，可实现自动焊接，焊层表面平整、光洁，焊接质量可靠，工人劳动强度低。

焊前、焊后、回火后测轴颈位置跳动，焊后最大跳动0.04mm，回火后最终最大跳动后0.05mm。回火后，经MT、UT检测均未发现缺陷。

以下是相关检测结果：

1、低倍硬度检查结果：

在堆焊层随机取样5点，硬度分别为：209、186、202、202、202；

在堆焊过渡层随机取样2点，硬度分别为：205、222；

在热影响区随机取样5点，硬度分别为：319、309、317、306、319；

在转子轴颈处基材随机取样6点，硬度分别为：304、299、302、297、274、306。

2、轴颈堆焊区的硬度：

堆焊层硬度：219～254；

热影响区硬度：272～325；

转子轴颈处基材硬度：254～299。

3、拉伸试验结果：

Rp0.2N/mm2	RmN/mm2	A％	Z％	断裂部位
					455	600	18.6	71	焊肉
530	595	19	53	焊肉

4、冲击试验结果：

5、金相检查：各区域组织

位置	转子轴颈处基材	热影响区	焊肉
				组织	回火马氏体	回火马氏体	回火贝氏体

实施例二：在1000MW的汽轮机中压转子的轴颈上加工堆焊层，轴颈分为高压端和低压端两部分，高压端堆焊4层Cr-Mo钢、低压端堆焊3层Cr-Mo钢，1000MW中压转子的两个轴颈直径尺寸及堆焊面积较大，采用小电流薄层焊接，焊接总时间约250小时。分层焊接，焊接参数逐层递增以保证焊层厚度的同时加快效率。因热输入量小，转子本体散热快，可以连续堆焊，层间温度低于80℃，减少焊接接头，保证质量。高压端轴颈堆焊完立即进行现场去应力回火，完成后再进行低压端轴颈堆焊。

以下是检测参数：

变形量检测：对转子的多个截面进行跳动检测，得出变形量，其工件变形量≤0.10mm。

无损检测：堆焊层车削见光后进行硬度检测及金相组织检测，车削余量为0.5mm、0.3mm、0.1mm及到精加工尺寸后进行PT及磁粉检查，检验标准按转子堆焊有关标准执行。

上述实例只是为了说明本发明，并不限定本发明的保护范围，本发明的保护范围由权利要求限定。

Claims (3)

1.一种大型动力机械轴颈表面的修复方法，其特征在于：步骤包括：

(1)对轴颈部分进行清洗，去除表面的氧化层和油污；

(2)采用微弧等离子堆焊工艺，在轴颈表面堆焊合金堆焊层；所述堆焊采用分层堆焊法，每层的厚度为1.0～2.0mm，每层的焊接电流逐层递增、为45～100A；具体的：所述合金堆焊层是Cr-Mo合金堆焊层，所述Cr-Mo合金堆焊层的第一层是过渡性的封Cr层，封Cr层采用最小参数薄层焊接，底层电流值45～55A，堆焊厚度为1.0～1.5mm，该层的Cr的重量份为2～4％；布置在封Cr层以上的堆焊层是工作层，该层的Cr的重量份为1～2％；

(3)堆焊完成后，对轴颈部分回火、去除应力；

(4)对轴颈部分进行切削加工，使其尺寸和粗糙度满足设计要求。

2.根据权利要求1所述的大型动力机械轴颈表面的修复方法，其特征在于：所述堆焊的层间温度小于150℃。

3.根据权利要求1所述的大型动力机械轴颈表面的修复方法，其特征在于：所述回火使用履带加热器，回火温度为600～700℃，回火时间为8～12h。