風(fēng)機(jī)葉片堆焊工藝研究

摘　要：目的　提高風(fēng)機(jī)葉片的壽命。方法　為改變?nèi)~片表面耐磨性能，對其進(jìn)行強(qiáng)化處理。選擇了強(qiáng)化方法及材料，確定了工藝及措施，并運(yùn)用于生產(chǎn)實(shí)際。結(jié)果　葉片壽命提高 4 倍左右，保證了風(fēng)機(jī)在一個大修期內(nèi)不會因磨損而造成停機(jī)。結(jié)論　作者研究得出的堆焊技術(shù)，經(jīng)生產(chǎn)實(shí)際檢驗(yàn)，是切實(shí)可行的，可以推廣至同類應(yīng)用場合。
關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)葉片；壽命；堆焊

 

引　言

鍋爐是火力發(fā)電的動力源。排粉機(jī)、 引風(fēng)機(jī)（統(tǒng)稱風(fēng)機(jī)）是鍋爐機(jī)組中的重要組成設(shè)備。排粉機(jī)用于輸送煤粉；引風(fēng)機(jī)用來抽吸煙氣，使其經(jīng)煙囪排煙。太原一電廠 1#～8# 鍋爐機(jī)組的風(fēng)機(jī)葉輪，在工作過程中，因轉(zhuǎn)速高（1 480 r/min 以上），且承受一定的風(fēng)壓，葉片會受到塵埃顆粒及煙氣的摩擦與腐蝕作用，一般運(yùn)行 7 個月左右，就會發(fā)生葉片被沖刷磨穿現(xiàn)象，導(dǎo)致葉輪壽命下降，需要停機(jī)檢修。這會造成相應(yīng)的鍋爐機(jī)組停止運(yùn)行，不僅增加了工人維修的勞動強(qiáng)度，加大了裝拆費(fèi)用、 備品備件用量及相應(yīng)費(fèi)用，更為嚴(yán)重的是停機(jī)會影響發(fā)電量，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失及社會影響。

如何提高風(fēng)機(jī)葉片的壽命（zui起碼在鍋爐的一個大修期內(nèi)不發(fā)生磨損破壞），是迫切需要解決的一個重要問題。作者根據(jù)風(fēng)機(jī)使用的工作條件，對葉片磨損原因進(jìn)行了分析，基于提高葉輪葉片壽命的需要，對葉片表面進(jìn)行強(qiáng)化處理。選擇了堆焊方法及堆焊材料，確定了堆焊工藝，并應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，取得了令人滿意的效果。

1　風(fēng)機(jī)葉輪結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求

鍋爐機(jī)組的風(fēng)機(jī)規(guī)格一般不統(tǒng)一，葉輪直徑在 （1 600～2 000） mm 之間。作者以直徑 1 600 mm 的排粉機(jī)葉輪為例加以說明。圖 1 為葉輪結(jié)構(gòu)示意圖。


圖 1　葉輪結(jié)構(gòu)示意圖
Fig.1　Scheme of the fan blade

對葉輪的技術(shù)要求：
（1） 后盤不平度≤0.5/100；
（2） 后盤外圓處端跳偏差≤4 mm；
（3） 圓盤外圓處徑跳偏差≤3 mm；
（4） 錐形前盤外圓處端跳偏差≤6 mm；
（5） 葉片出口工作面對后盤的不垂直度偏差≤1/100；
（6） 經(jīng)靜、 動平衡校正。

2　葉片強(qiáng)化方法及材料的選擇

磨損是一種與材料表面狀態(tài)有關(guān)的現(xiàn)象。要提高葉輪的壽命，必須對葉片表面進(jìn)行強(qiáng)化，使其能經(jīng)受住磨損。

2.1　磨損原因分析

作者現(xiàn)場考察了已磨損葉片的表面狀況，發(fā)現(xiàn)磨損zui嚴(yán)重的部位已成豁口狀（局部磨穿），稍嚴(yán)重部位已磨成薄刃狀，其他部位的表面磨成一道道微細(xì)溝槽。根據(jù)現(xiàn)場工作條件，判定葉輪受到磨料磨損、 沖蝕磨損、 熱磨損等多重作用。其中，主要是受到磨料磨損，即微小的塵埃和煤灰等顆粒，在風(fēng)壓作用下，對高速運(yùn)轉(zhuǎn)的葉片表面進(jìn)行了顯微切削，造成了葉片的磨損[1]。

2.2　選擇強(qiáng)化方法

就一般情況而言，對工件表面進(jìn)行強(qiáng)化的方法有多種，如滲碳、 刷鍍及等離子噴涂等。針對風(fēng)機(jī)的使用工況及現(xiàn)場條件，可行的方法僅有氧乙炔噴焊及電弧堆焊。

在試板上分別進(jìn)行了氧乙炔噴焊與電弧堆焊的對比試驗(yàn)。噴焊（噴涂后重溶）加熱速度慢、 加熱時間長，導(dǎo)致試件變形嚴(yán)重，但稀釋率較低；而電弧堆焊加熱時間短，試件變形較小，但稀釋率較高。因葉輪的形狀及剛度等原因，葉輪變形后校形較困難，加之在生產(chǎn)制造葉輪的過程中，葉輪本身已有一定的制造偏差，故為保證葉輪的尺寸及形位偏差這一基本要求，采用變形較小的電弧堆焊方法。

2.3　選擇材料

受磨料磨損的工件，一般選用碳化鎢或高鉻合金鑄鐵作為堆焊材料。但采用電弧堆焊的方法，會使碳化鎢原始顆粒大部分熔化，在堆焊層析出硬度并不算高的含鎢復(fù)合化合物，影響耐磨性的提高；而采用高鉻合金鑄鐵作為堆焊材料，可使堆焊層含有 Cr7C3 高硬相，且其價格比碳化鎢便宜[2，3]。作者分別選擇了牡丹江、 天津、 哈爾濱三個廠家生產(chǎn)的堆焊材料進(jìn)行了對比試驗(yàn)，結(jié)果如表 1 所示。
表 1　堆焊材料對比試驗(yàn)
序號 生產(chǎn)地 合金體系 堆焊后硬度 表面狀況
1# 牡丹江 Fe-Cr-B HRC>50 積瘤狀
2# 天　津 Cr-Ni-Si HRC43 平整
3# 哈爾濱 Fe-Cr-B HRC>50 平整

從表 1 可以看出，1# 材料堆焊后表面硬度高，但焊接工藝性能差，堆焊層表面呈“積瘤狀”、 不平滑；為避免在葉輪使用過程中，在“積瘤”處“掛灰”，破壞葉輪動平衡，故不采用。2# 材料堆焊后，雖然表面成型較平滑，但其硬度較低，因其耐磨性較差，故也不采用。3# 材料無論在表面成型，還是在表面硬度方面均較好，故選其為堆焊材料。

3　堆焊工藝及結(jié)果

3.1　堆焊工藝

工藝是影響堆焊質(zhì)量的重要因素。根據(jù)對葉輪的要求，把堆焊葉片的工藝重點(diǎn)放在了降低稀釋率和減少焊后變形這兩個方面。

3.1.1　降低稀釋率

堆焊層的稀釋率，反映了堆焊層中母材熔入數(shù)量的百分比。葉輪母材一般為 Q235 或 16 Mn。母材熔化后對耐磨合金材料起稀釋作用，會降低堆焊層合金化的效果，影響耐磨性。

在保證母材與耐磨合金相互熔合的前提下，降低稀釋率就是減少母材熔化量。為此，在正式堆焊葉輪前，進(jìn)行了工藝試驗(yàn)。作者分別采用不同規(guī)范參數(shù)對各組試件堆焊，然后比較各組的硬度值結(jié)果，選擇出較理想的工藝規(guī)范。

試驗(yàn)時，把試件分成 6 組，每組 3 塊試板，試板尺寸為 120 mm×50 mm×6 mm；材質(zhì)與葉輪相同，均為 Q235；耐磨合金粉塊尺寸為 90 mm×30 mm× 3 mm；使用 AX1-500 直流弧焊機(jī)，采用直流正接（正接較反接熔深淺）；用直徑 10 mm 碳精棒作電極（電極直徑大，可減小電流密度）；特制加長焊把（減少碳弧對人體的烘烤）。每塊試板上堆焊一塊耐磨合金粉塊，堆焊層硬度值按每組試件平均值記錄。試驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示。
表 2　工藝規(guī)范對堆焊層硬度的影響
試件組 電流I/A 電壓 U/V 焊接時間 硬度（HRC）
1 280～300 25～30 2′15″ 54
2 300～320 25～30 1′50″ 58
3 330～350 25～30 1′30″ 61
4 360～380 25～30 1′20″ 53
5 400～420 25～30 1′05″ 58
6 430～450 25～30 58″ 56

作者認(rèn)為：采用第 3 試件組的工藝規(guī)范效果。

為減少母材熔化量，應(yīng)注意使堆焊電流減小、 電壓降低、 堆焊速度加快；但堆焊電流過小，會使耐磨合金粉塊不易熔化，導(dǎo)致堆焊速度減慢。欲使堆焊速度加快，又需加大堆焊電流。這一矛盾只有通過試驗(yàn)才能找到*組合。

焊工操作時需注意以下兩點(diǎn)：

（1） 電弧擺動幅度盡量小，以剛超出粉塊邊緣為宜，但不可咬邊；
（2） 采用坡度為 5°～10° 的下坡焊，使熔池流動方向與施焊方向一致。

3.1.2　控制葉輪變形量

堆焊后的葉輪，在驗(yàn)收時不僅需作靜、動平衡試驗(yàn)，還需各表面的尺寸、 形狀及位置滿足偏差要求。由于堆焊會使葉輪受熱不均勻，產(chǎn)生焊接應(yīng)力，導(dǎo)致焊接變形等，故還需采取適當(dāng)工藝措施，才能把葉輪變形控制在公差范圍內(nèi)[4，5]。

在堆焊時采取了以下工藝措施：

（1） 保證焊接順序

在每一葉片上堆焊完一塊粉塊后，轉(zhuǎn)動葉輪，在對稱葉片相應(yīng)位置，堆焊另一粉塊，順序如圖 2 所示。如此循環(huán)往復(fù)，直至把各葉片堆焊完畢。以此順序堆焊，可使葉輪前、 后盤均勻收縮，并可避免熱應(yīng)力過于集中，減少焊接變形。

圖 2　堆焊粉塊順序示意圖

（2） 錘擊焊縫

葉輪變形是由于堆焊層在冷卻過程中發(fā)生縱向、 橫向收縮造成的。每堆焊完一粉塊，用小錘輕擊，延展堆焊層，可補(bǔ)償部分收縮量，減少變形。

（3） 減少線能量

減小線能量能使葉片受到的熱輸入量減少，熱應(yīng)力變小。這與降低稀釋率的要求是一致的。

3.2　結(jié)　果

采用上述工藝措施，對葉輪進(jìn)行堆焊。焊后檢查，葉輪變形量在技術(shù)要求范圍內(nèi)，并用便攜式硬度計(jì)對各葉片堆焊層進(jìn)行抽查，測得各點(diǎn) HRC>56。
電廠運(yùn)行表明，堆焊后的風(fēng)機(jī)葉片壽命提高 4 倍左右，避免了葉輪在鍋爐的一個大修期內(nèi)，因葉片磨損而造成更換或修理，保證了機(jī)組的正常工作，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4　結(jié)　論

經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)考驗(yàn)，該堆焊技術(shù)是切實(shí)可行的，可以大大提高風(fēng)機(jī)葉片的使用壽命，該技術(shù)適用于承受磨料磨損的其他工件。

丁京濱（1955-），男，工程師.從事專業(yè)：材料成型加工.
丁京濱（華北工學(xué)院 材料工程系，山西 太原 030051）
曹海燕（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）
張保富（太原一電廠，山西 太原 030024）