中國葛洲壩集團(tuán)機械船舶有限公司 （湖北宜昌 443007） 張建中 李麗麗

1.概述

向家壩水電站工程的6臺固定卷揚式啟閉機設(shè)備用途情況如下。

（1） 2×6500kN雙吊點固定卷揚式啟閉機一臺，下閘蓄水前：安裝在6#導(dǎo)流底孔進(jìn)口364.00m高程排架上的平臺上。下閘蓄水后：拆分成兩臺6500kN單吊點固定卷揚式啟閉機，安裝至左岸沖沙孔進(jìn)口408.00m高程排架上的機房內(nèi)。

下閘蓄水前：用于啟閉6#導(dǎo)流底孔進(jìn)口雙吊點封堵門。下閘蓄水后：用于分別啟閉左岸沖沙孔進(jìn)口單吊點檢修門和單吊點事故門。

（2）2×4500kN固定卷揚式啟閉機一臺，安裝在6#導(dǎo)流底孔出口320.00m高程排架上的平臺上，用于啟閉6#導(dǎo)流底孔出口工作閘門。

（3）2×2500kN固定卷揚式啟閉機共4臺，分別安裝在地下廠房尾水洞出口324.00m高程排架上的啟閉機房內(nèi)，用于啟閉地下廠房尾水洞出口的4扇檢修門。

2.工程特點

固定卷揚式啟閉機的制造難點及重點是：卷筒的卷制和焊接技術(shù)；卷筒繩槽的加工技術(shù)。卷筒厚板縱縫對接和環(huán)縫對接常采用焊接滾輪架+埋弧焊的方法，其工藝技術(shù)非常成熟。本項目重點對卷筒腹板與筒體和卷筒轂形成的組合焊縫進(jìn)行研究，由于該部位焊縫集中，封閉焊縫較多，鋼板又厚，所以在焊接工藝上必須嚴(yán)格控制。

3.結(jié)構(gòu)特征及材料分析

向家壩2×6500kN雙吊點固定卷揚式啟閉機卷筒結(jié)構(gòu)如圖1所示。其腹板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ與筒體的組合焊縫為二類焊透型焊縫，腹板與卷筒轂、軸套形成的組合焊縫為二類焊透型焊縫。腹板及筒體采用Q345B，卷筒轂采用Q345B鍛鋼，軸套采用35鍛鋼。三種材質(zhì)屬于低合金高強鋼，焊接性良好，其焊接熱影響區(qū)組織與性能的變化對焊接熱輸入較為敏感，熱影響區(qū)淬硬傾向較大，對氫致裂紋敏感性較大，同時因為焊接量大，結(jié)構(gòu)形式較復(fù)雜，焊接熱輸入大，焊接應(yīng)力大，往往會產(chǎn)生焊接變形和裂紋等問題，因此對焊接工藝提出了很高的要求。

圖1 2×6500kN雙吊點固定卷揚式啟閉機卷筒結(jié)構(gòu)

4.焊接工藝制定考慮的因素

（1）結(jié)構(gòu)分析 從圖1中可以看出，卷筒體剛度較大，焊接時應(yīng)力無處釋放，將產(chǎn)生較大拘束應(yīng)力，易產(chǎn)生裂紋。卷筒在卷弧過程中，筒體內(nèi)壁受壓、外壁受拉，內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力；焊縫距圓筒的端面較近，在焊接過程中，鋼板受熱及焊縫收縮將會產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（2）材料因素 卷筒外壁鋼板較厚，在生產(chǎn)軋制過程中容易在鋼板的中間部位沿軋制方向形成層狀非金屬夾雜物。焊條、焊絲、焊劑受潮未烘干，坡口表面有水、銹、油污等，會容易產(chǎn)生氣孔。

（3）其他因素 焊前不預(yù)熱，焊后沒有緩冷措施，將容易產(chǎn)生裂紋。焊接區(qū)的水分將會產(chǎn)生氣孔和氫致延遲裂紋。工件焊接量大，熱輸入大，如果焊接順序不合理易產(chǎn)生焊接變形。

5.焊接工藝的確定

（1）焊接方法的選擇 焊接方法有焊條電弧焊、熔化極CO2氣體保護(hù)焊。由于工件厚度大，焊接量大，并且都是環(huán)焊縫，故適用于采用連續(xù)焊接，焊縫打底及內(nèi)填充和中間填充部分焊縫采用焊條電弧焊，外填充及蓋面焊采用CO2氣體保護(hù)。

（2）焊接材料及要求 ①打底焊和內(nèi)第一層填充焊縫：采用J427焊條電弧焊。②中間填充焊縫：采用J507焊條電弧焊。③外填充及蓋面焊縫：采用ER501T－1藥芯焊絲氣體保護(hù)焊。④焊接材料烘焙。J427：經(jīng)300～350℃烘焙1h；J507：必須經(jīng)350～430℃烘焙1h，烘陪后的焊條必須保存在100～150℃的恒溫箱內(nèi)，焊條表面的藥皮不得有脫落和明顯的裂紋。施焊時，待用的焊條必須存放在具有電源的保溫筒內(nèi)，隨用隨取。存放于保溫筒內(nèi)的焊條超出4h時必須重新烘焙，重復(fù)烘焙的次數(shù)不得超過兩次。⑤焊縫的填充如圖2所示，腹板的總厚度90mm（80mm、50mm）；打底和中間30mm（20mm）內(nèi)填充材料為J427和J507焊條；腹板30～70mm（20～40mm）的填充材料為J507；腹板70～90/80mm（40～50mm）的填充材料為ER501T－1。

圖2 腹板焊縫填充

（3）焊接工藝及要求 第一，腹板坡口開制，因為腹板與軸套和筒體連接焊縫為二類焊縫，坡口開制在腹板上，采用K形坡口，留5mm鈍邊，腹板坡口開制采用機加工方式，坡口形式如圖3所示。

圖3 腹板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ坡口示意

第二，焊縫清理：清除焊道兩側(cè)50mm范圍內(nèi)的熔渣、鐵銹、油污、水跡等污物，清理后的焊道表面必須露出金屬光澤。

第三，預(yù)熱溫度150～180℃，預(yù)熱寬度為焊道中心兩側(cè)各200mm范圍，背面焊縫清根前同樣需要預(yù)熱，用表面溫度計在焊道中心兩側(cè)50mm處對稱測量，測量點≥3對；層間溫度：不低于預(yù)熱溫度，且≤200℃；后熱：焊后立即進(jìn)行后熱消氫處理，后熱溫度為250～350℃，保溫時間≥2h，保溫后關(guān)閉電源，并用保溫棉包裹緩冷。焊縫預(yù)熱時，用溫度控制箱和陶瓷加熱器加熱，并輔以烤槍進(jìn)行預(yù)熱，溫度控制到位。

第四，焊接位置：卷筒臥放在焊接滾輪架上，始終處于立焊位焊接。

第五，焊接參數(shù)：打底焊：焊條φ3.2mm，焊接電流100～120A，電弧電壓23～25V。后續(xù)各層焊縫焊條φ4mm，焊接電流160～180A，電弧電壓25～28V。氣體保護(hù)焊焊絲φ1.2mm，焊接電流230～250A，電弧電壓24～28V，焊絲干伸長度18～20mm。

第六，填充焊和蓋面焊要采用多層多道焊接，除打底和蓋面焊外，中間各層在焊接時伴以小錘錘擊消除應(yīng)力，或者用風(fēng)鏟對焊縫進(jìn)行錘擊，使焊道表面得以伸展，以補償焊縫的收縮，減少焊接應(yīng)力，避免產(chǎn)生裂紋。

第七，卷筒的焊接必需連續(xù)操作一次完成，要求三班作業(yè)連續(xù)焊，在焊工的人員配備上要求能操作氣刨的焊工，技術(shù)質(zhì)檢員進(jìn)行全程監(jiān)控。

6.焊接

（1）焊接順序 第一步先焊接腹板Ⅱ、Ⅲ與軸套的組合焊縫，第二步再焊接腹板Ⅰ與卷筒轂的組合焊縫，第三步焊接三塊腹板與筒體的組合焊縫，所有焊縫合格后，再裝焊肋板。

（2）內(nèi)圈焊縫焊接 先焊接內(nèi)圈環(huán)焊縫，為了避免焊接過程中應(yīng)力集中，焊前將整圈焊縫分四個象限進(jìn)行焊接，兩名焊工對稱在立焊位進(jìn)行焊接。

第一，先焊接一、三象限外側(cè)焊縫，打底焊兩層和填充焊兩層，焊縫厚度在20mm左右；在內(nèi)側(cè)氣刨清根，打磨后進(jìn)行焊接，焊接3層焊縫。此后的填充焊縫，內(nèi)外各布置一名焊工左右部位對稱進(jìn)行焊接，使整條焊縫焊接達(dá)到50mm的厚度。

第二，進(jìn)行第二、四象限焊縫的焊接，方法同第一項。

第三，兩人對稱完成第一、三象限內(nèi)填充焊縫的焊接，只留最后一道蓋面焊縫；兩人對稱完成第二、四象限內(nèi)填充焊縫的焊接，也只留最后一道蓋面焊縫。

第四，最后一道蓋面焊縫，里外各布置一名焊工，左右對稱完成蓋面焊縫的焊接。

（3）外圈環(huán)縫的焊接 內(nèi)圈焊縫焊接結(jié)束后再進(jìn)行外圈焊縫的焊接，目的是減少焊接應(yīng)力，外圈環(huán)縫焊接與內(nèi)圈環(huán)縫相同。

（4）肋板的焊接 內(nèi)外環(huán)縫焊接完后，再裝配內(nèi)側(cè)肋板，采用CO2體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。

7.檢測

對焊縫進(jìn)行UT、PT檢測，一次合格率100%。焊縫表面無咬邊、焊瘤、弧坑等成形不良缺陷。

8.結(jié)語

對于焊接剛度較大的工件，主要是要解決焊接應(yīng)力大、容易產(chǎn)生裂紋和焊接變形等問題，通過上述組合焊縫焊接工藝的應(yīng)用，其焊縫質(zhì)量好，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，為今后焊接同類結(jié)構(gòu)件提供了借鑒。