CN102114597A - 一种风电主轴的锻焊制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风电主轴的锻焊制造方法，其特征在于风电主轴依次经锻焊结构设计、部件锻压、机械加工、深熔透焊、质量检测、热处理、成品检测工序而制得风电主轴成品，其中：结构设计是确定风电主轴分体结构；部件锻压是锻压分体结构部件；机械加工是对待焊接面铣削；深熔透焊是用高能电子束深熔焊焊接；质量检测是检测焊缝熔深和质量；热处理是消除焊后应力；成品检测是对毛坯整体性能检测。本发明锻焊制造的风电主轴能够避免因风电主轴重量的增加对锻压设备吨位增加的要求，采用消除焊后应力的热处理，使风电主轴能够承受恶劣工作环境的交变载荷冲击，适用于沿海或近海强台风巨大冲击载荷，有利于提高风电机组的运行稳定性和安全性。

Description

一种风电主轴的锻焊制造方法

技术领域

本发明涉及一种风力发电机主轴的制造方法，特别是一种风力发电机主轴的锻焊制造方法。

背景技术

风力发电机主轴是风电整机的关键件，现有的风电主轴一般采用整体锻压制造方法，这有利于保证风力发电机主轴材料的理化性能、组织结构均匀性，适宜于恶劣的工作环境、较大的交变载荷下运行。当风电机组发电功率较小，风电主轴重量也较小，采用整体锻造方法制造风电主轴对锻压设备吨位要求不高。但是，随着风力发电功率提高，风电主轴的重量也随之较快增加，若仍采用整体锻造方法制造风电主轴对锻压设备吨位要求越来越高，以至无法实施；特别是大型风电主轴若采用整体铸造方法，因主轴的组织致密度低，材料理化性能差，不适合在交变载荷条件下工作。若采用钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、等离子焊、激光焊接等方法焊接分体大壁厚锻件，需要开很大的坡口并填充大量的金属，而填充金属的性能大大低于锻件性能，易于导致焊缝区域与锻件本体性能相差较大，并且焊接过程大量的热输入产生了大的残余应力和焊接变形，不适合在交变载荷对风电主轴工作，无法达到大型风电主轴的设计要求。目前为止，还没有任何可以替代整体锻压或实现整体锻压效果的风电主轴的制造方法。如何克服现有技术存在的不足，已成为当今风力发电机主轴制造领域中亟待解决的重大难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种风电主轴的锻焊制造方法，它能够避免因风电主轴重量的增加而对锻压设备吨位增加的要求，采用锻焊后热处理对焊缝及其热影响区进行消除应力和组织均匀化处理，使锻焊组合制造风电主轴能够承受恶劣工作环境的交变载荷冲击，适用于沿海或近海强台风巨大冲击载荷，有利于提高风电机组的运行稳定性和安全性。

根据本发明提出的一种风电主轴的锻焊制造方法，其特征在于风电主轴依次经锻焊结构设计、部件锻压、机械加工、深熔透焊、质量检测、热处理、成品检测工序而制得风电主轴成品，其中：

锻焊结构设计是依据锻压设备能力和高能电子束焊机深熔焊能力，确定风电主轴锻焊各分体结构部件，其每个分体结构部件的重量小于锻压设备的吨位，焊缝位置和焊缝深度，依据高能电子束穿透的最大深度选取风电主轴可分体的位置和焊缝熔深δ100～250mm；

部件锻压是根据上述风电主轴锻焊结构设计的要求，分别锻压其分体结构部件，对各分体结构部件进行锻压过程温度控制，锻压温度在850～1180℃范围，并对各分体结构部件进行内部质量的缺陷检测；

机械加工是对上述风电主轴各分体结构部件合格锻件的待焊接面进行车、铣机械加工，使得部件待焊面装配互相贴合，满足深熔透焊结构设计要求；

深熔透焊是对上述风电主轴各分体结构部件待焊接面装配后，采用高能电子束深熔焊对待焊接面轴线方向进行轴侧或法兰侧单面焊接，或者对待焊接面轴线方向进行双面焊接，使之成为整体风电主轴毛坯；

质量检测是对上述风电主轴毛坯的高能电子束焊缝进行表面质量检测、熔深检测和内部质量检测；

热处理是对合格的整体风电主轴毛坯进行焊后消除应力的高温回火热处理，以及对焊缝及热影响区的组织均匀化热处理，其热处理温度为580～650℃，保温时间为3～4小时；

成品检测是对完成上述热处理的风电主轴毛坯整体进行无损检测和平行试样的组织性能检测。

本发明对风电主轴的锻焊制造原理是：本发明利用高能电子束深熔焊具有一次最大焊透可达250mm厚度钢的特殊优势，既克服了上述弧焊等其它方法都不能一次焊透30mm以上厚度的钢，且弧焊方法多次重复填充金属和多次焊接，使得焊接热影响区很大、残余应力很高致使变形很大，焊缝及其锻件的性能变差等不足，还克服了上述弧焊等其它方法因填充金属只能采用强度级别低于锻件的材料，所以使得焊缝的强度降低，无法适用对风电主轴制造的不足，使高能电子束一次穿透焊接，焊缝不需要填充其它金属，其高能电子束流特性保障了焊缝的热影响区很小、残余应力和变形都很小，焊缝晶粒细小，焊缝质量优良，焊缝强度达到甚至超过锻件本身强度。本发明充分利用高能电子束流焊接所具有的优势，将风电主轴设计为分体小吨位锻件，然后组合焊接成整体风电主轴，再经热处理、检测等制得成品，这样做即可减小一次性锻压风电主轴的总重量，相当于提高了现有吨位锻压机的风电主轴生产能力，同时为现有锻压设备储备了制造更大功率的风电主轴的能力。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：第一，本发明利用了高能电子束的深熔透焊接性能优势，可将大吨位风电主轴锻件分体锻压，其吨位几乎减半，然后组焊成为整体风电主轴，既提高了现有设备锻压大功率风电主轴的能力，又扩大了锻压设备对锻压产品的适应能力；第二，本发明对风电主轴采用高能电子束焊接，其焊缝的组织晶粒细小，焊缝强度高，锻焊后热处理对焊缝及其热影响区进行消除应力和组织均匀化处理，保障了焊缝区域韧性，提高了主轴的综合力学性能，使风电主轴能够增加承受恶劣工作环境的交变载荷冲击，适用于沿海或近海强台风巨大冲击载荷，有利于提高风电机组的运行稳定性和安全性；第三，本发明提高了风电主轴锻件的材料利用率，降低了制造成本，提高经济效益；第四，本发明解决了风力发电机主轴的制造领域对大型锻压设备依赖的难题，降低了制造门槛，达到了大型风电主轴高端制造的目的。

附图说明

图1是发明一种风电主轴的锻焊制造方法的流程示意图。

图2是本发明从风电主轴沿轴线方向实施轴侧高能电子束单面焊接的结构示意图。

图3是本发明从风电主轴沿轴线方向实施法兰侧高能电子束单面焊接的结构示意图。

图4是本发明从风电主轴沿轴线方向实施高能电子束双面焊接的结构示意图。

图5是本发明从垂直于风电主轴轴线方向实施高能电子束焊接的结构示意图。

图6是本发明三体分体结构的风电主轴实施高能电子束组焊的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

根据本发明提出的一种风电主轴的锻焊制造方法，如图1所示，风电主轴依次经锻焊结构设计、部件锻压、机械加工、深熔透焊、质量检测、热处理、成品检测工序而制得风电主轴成品。现以如下具体实施例说明：

实施例1。结合图1、图2、图3和图4，以制造本发明提出的从风电主轴沿轴线方向实施轴侧或者法兰侧高能电子束单面或双面焊接制造1.5ΩW风电主轴为例，具体步骤如下：

步骤1，锻焊结构设计。按照风电主轴锻焊的每个分体结构部件的重量小于锻压设备的吨位的要求，采用满足锻焊结构设计要求的锻压设备和焊缝熔深δ100mm的中压或高压的高能电子束深熔焊机，确定风电主轴锻焊分体结构部件为Φ1600mm空芯法兰(2)和Φ750mm连芯轴(1)，待焊位置平行轴向且在空芯法兰(2)壁厚100mm处，与连芯轴(1)的最大直径Φ800mm形成焊缝。

步骤2，部件锻压。根据上述风电主轴锻焊结构设计的要求，分别锻压连芯轴(1)和空芯法兰(2)，并且对连芯轴(1)和空芯法兰(2)分别进行锻压过程温度控制，锻压温度在850～1180℃范围，之后分别进行锻件的内部质量的缺陷检测。

步骤3，机械加工。对上述合格的风电主轴的连芯轴(1)和合格的空芯法兰(2)各锻件相互焊接配合面进行车、铣机械加工，达到连芯轴(1)待焊面和空芯法兰(2)待焊面装配贴合的深熔透焊结构设计要求。

步骤4，深熔透焊。对完成上述机械加工的风电主轴的连芯轴(1)和空芯法兰(2)进行装配，保证焊接配合面的装配定位，如图2所示，采用高能电子束深熔焊，从风电主轴沿轴线方向实施对连芯轴(1)和空芯法兰(2)的配合面的轴侧高能电子束单面焊接；或者如图3所示，从风电主轴沿轴线方向实施对连芯轴(1)和空芯法兰(2)的配合面的法兰侧高能电子束单面焊接；或者如图4所示，从风电主轴沿轴线方向实施对连芯轴(1)和空芯法兰(2)的配合面的高能电子束双面焊接；均要求焊缝熔深达到该处空芯法兰(2)的壁厚100mm，形成深度为100mm的焊缝(3)，从而制得1.5ΩW整体风电主轴毛坯。

步骤5，质量检测。对风电主轴毛坯的高能电子束焊缝(3)进行表面质量检测、熔深检测和内部质量检测等，保证高能电子束焊缝(3)满足设计要求。

步骤6，热处理。对质量检测合格的整体风电主轴毛坯进行焊后消除应力的高温回火热处理，以及对焊缝及热影响区的组织均匀化热处理，其热处理温度为580～650℃，保温时间为3～4小时。

步骤7，成品检测。对完成上述热处理的风电主轴毛坯进行整体无损检测和平行试样的组织性能检测，保障风电主轴成品的整体质量。

实施例2。结合图1和图5，以制造本发明提出的从垂直于风电主轴轴线方向实施高能电子束焊接制造1.0ΩW风电主轴为例，具体步骤如下：

步骤1，锻焊结构设计。按照风电主轴锻焊的每个分体结构部件的重量小于等于锻压设备的吨位的要求，采用满足锻焊结构设计要求的锻压设备和焊缝熔深δ193mm的中压或高压的高能电子束深熔焊机，确定风电主轴锻焊分体结构部件为Φ1200mm实芯法兰(5)和Φ380mm端轴(4)，待焊位置垂直于轴向的环缝焊接，环缝熔深在191mm～195mm，该熔深保障Φ380mm的端轴部位焊透，形成全透的焊缝(3)。

步骤2，部件锻压。根据上述风电主轴锻焊结构设计的要求，分别锻压端轴(4)和实芯法兰(5)，并且对端轴(4)和实芯法兰(5)分别进行锻压过程温度控制，锻压温度在850～1180℃范围，之后分别进行锻件的内部质量的缺陷检测。

步骤3，机械加工。对上述合格的风电主轴的端轴(4)和实芯法兰(5)各锻件相互焊接配合面进行车、铣机械加工，达到端轴(4)待焊面和实芯法兰(5)待焊面装配贴合的深熔透焊结构设计要求。

步骤4，深熔透焊。如图5所示，对风电主轴的端轴(4)和实芯法兰(5)进行装配，保证焊接配合面的装配定位，采用高能电子束深熔焊，从风电主轴的直径方向的对端轴(4)和实芯法兰(5)的配合面进行焊接，要求焊缝熔深在191mm～195mm，保障Φ380mm的端轴(4)和实芯法兰(5)的配合面焊透，形成全透的焊缝(3)，从而制得1.0ΩW整体风电主轴毛坯。

步骤5，质量检测。同实施例1的步骤5。

步骤6，热处理。同实施例1的步骤6。

步骤7，成品检测。同实施例1的步骤7。

实施例3。结合图1和图6，以制造本发明提出的三部件的分体结构的风电主轴分二次实施高能电子束深熔透焊制造2.5ΩW风电主轴为例，具体步骤如下：

步骤1，锻焊结构设计。按照风电主轴锻焊的每个分体结构部件的重量小于锻压设备的吨位的要求，采用满足锻焊结构设计要求的锻压设备和焊缝熔深δ180mm和250mm的中压或高压的高能电子束深熔焊机，确定风电主轴锻焊分体结构部件为Φ1800mm空芯法兰(2)、芯轴(6)和直径小于等于Φ500mm的端轴(4)，形成如图6所示的二道焊缝，第一道是待焊位置平行于轴向的空芯法兰(2)焊缝，其熔深小于等于180mm，第二道是待焊位置垂直于轴向的环缝，其熔深小于等于250mm，该二道焊缝熔深保证完全焊透。

步骤2，部件锻压。根据上述风电主轴锻焊结构设计的要求，分别锻压空芯法兰(2)、芯轴(6)和端轴(4)，并且对空芯法兰(2)、芯轴(6)和轴(4)分别进行锻压过程温度控制，锻压温度在850～1180℃范围，之后分别进行锻件的内部质量的缺陷检测。

步骤3，机械加工。对上述合格的风电主轴的空芯法兰(2)、芯轴(6)和端轴(4)各锻件相互焊接配合面进行车、铣机械加工，使得空芯法兰(2)待焊面和芯轴(6)待焊面装配贴合、以及芯轴(6)待焊面和端轴(4)待焊面装配贴合分别达到深熔透焊结构设计要求。

步骤4，深熔透焊。如图6所示，分别对风电主轴的空芯法兰(2)、芯轴(6)和端轴(4)进行装配，分别保证二道焊接配合面的装配定位；采用高能电子束深熔焊，首先从风电主轴的直径方向的对芯轴(6)和端轴(4)的配合面进行焊接，要求焊缝(3)熔深略大于轴焊接位置的半径，保障芯轴(6)部位焊透；然后焊接空芯法兰(2)和芯轴(6)的配合面，形成全透的焊缝(3)；通过二次焊接而制得2.5ΩW整体风电主轴毛坯。

步骤5，质量检测。对风电主轴毛坯的二道高能电子束焊缝进行焊缝(3)表面质量检测、熔深检测和内部质量检测等，保证高能电子束焊缝(3)满足设计要求。

步骤6，热处理。同实施例1的步骤6。

步骤7，成品检测。同实施例1的步骤7。

本发明经反复试验验证，取得了满意的应用效果。

Claims (1)

1.一种风电主轴的锻焊制造方法，其特征在于风电主轴依次经锻焊结构设计、部件锻压、机械加工、深熔透焊、质量检测、热处理、成品检测工序而制得风电主轴成品，其中：

锻焊结构设计是依据锻压设备能力和高能电子束焊机深熔焊能力，确定风电主轴锻焊各分体结构部件，其每个分体结构部件的重量小于锻压设备的吨位，焊缝位置和焊缝深度，依据高能电子束穿透的最大深度选取风电主轴可分体的位置和焊缝熔深δ100～250mm；

部件锻压是根据上述风电主轴锻焊结构设计的要求，分别锻压其分体结构部件，对每个分体结构部件进行锻压过程温度控制，锻压温度在850～1180℃范围，并对各分体结构部件进行内部质量的缺陷检测；

机械加工是对上述风电主轴各分体结构部件合格锻件的待焊接面进行车、铣机械加工，使得部件待焊面装配互相贴合，满足深熔透焊结构设计要求；

深熔透焊是对上述风电主轴各分体结构部件待焊接面装配后，采用高能电子束深熔焊对待焊接面轴线方向进行轴侧或法兰侧单面焊接，或者对待焊接面轴线方向进行双面焊接，使之成为整体风电主轴毛坯；

质量检测是对上述风电主轴毛坯的高能电子束焊缝进行表面质量检测、熔深检测和内部质量检测；

热处理是对合格的整体风电主轴毛坯进行焊后消除应力的高温回火热处理，以及对焊缝及热影响区的组织均匀化热处理，其热处理温度为580～650℃，保温时间为3～4小时；

成品检测是对完成上述热处理的风电主轴毛坯整体进行无损检测和平行试样的组织性能检测。

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