焊接在水轮发电机及叶轮上的应用

水轮发电机组结构水轮发电机组的基本原理是利用水流能，通过水轮机转换成机械能，再通过发电机产生电能。水轮发电机组的结构设计除发电机外，大部分焊接结构件主要采用碳钢、低合金钢、低合金高强钢和马氏体不锈钢等材料。

一、水电机组的焊接

1．半自动气体保护焊

哈电是从20世纪60年代初开始试验研究CO 2气体保护焊，起步比较早。在70年代初开始和哈工大合作开发了NBC—500型晶闸管CO2保护焊电源，这种高效率且在抗裂纹性能上也表现十分优越的焊接方法很快开始大量推广使用。通过不断的生产实践，逐步过渡到采用富氩混合气体保护焊，取代了单一的CO2保护气体，改善了熔滴过渡形式，提高了电弧的稳定性。

随着焊接工艺的不断完善和气体保护焊焊接材料品种的增加及工艺性的提高，气体保护焊方法的优点逐渐得到了充分的体现。到了80年代中期，手工焊基本上被气体保护焊取代。国内同行业在半自动气体保护焊的开发和应用较哈电晚5～10年时间。

由于水电机组的种类多，结构复杂，在采用自动焊方面有一定的局限性，而这种半自动气体保护焊接方法则充分发挥了高效率和具有一定灵活性的优势，在水电机组的制造中发挥了巨大的作用。

2．带极埋弧自动堆焊

水轮机有一部分部件是在水下工作，硬质砂粒对水轮机部件过流表面造成了连续的磨削及空泡溃灭在部件上引起的空蚀破坏，形成两种不同的破坏过程。我国多泥沙河流较多，年平均输砂量在1000万t以上的河流就有115条，其中以黄河流域最为严重。中国有几十个电站的100多台机组存在着较严重的泥沙磨蚀危害，特别在汛期对水轮机的过流部件磨损相当严重（见图4），已经威胁到机组的安全稳定运行。为了解决这个问题，同行业在焊接材料、焊接方法等方面做了较多的研究。

（1）对过流部件采用不锈钢材料 为了降低成本，对一个部件的易磨损的局部采用不锈钢材料，其余采用碳钢材料，整体部件为异种钢焊接结构。

（2）在部件的过流表面堆焊高硬度不锈钢耐磨材料 1987年，带极埋弧自动堆焊工艺方法首先在云南的鲁布革水电站开始应用（见图5），部件为普通碳钢或低合金钢焊接结构。堆焊层由两种焊接材料组成，从堆焊效率和堆焊质量综合考虑，焊带尺寸选择0.5mm×60mm，底层采用高铬-镍材料进行堆焊，目的是防止合金稀释，堆焊厚度一般在6～8mm， 然后在此基础上再堆焊高硬度的马氏体焊接材料，堆焊层厚度最终达到13～15mm , 堆焊后的硬度可达380～400HBS，效果较好。

图5 鲁布革水轮机顶盖过流表面堆焊

先期的堆焊材料焊带和焊剂主要依赖进口，后期这种工艺方法陆续应用在广西的天生桥电站、岩滩电站及湖北的隔河岩电站及四川的映秀弯等电站，并开始大量使用国产的焊带和焊剂，质量也比较好。

（３）研究应用抗磨损和空蚀的不锈钢材料 在70年代，我国一直采用碳钢和奥氏体不锈钢材料，而国外已经开始使用以0Cr13Ni4Mo为代表的高强度马氏体不锈钢材料。在制造葛洲坝机组时我公司与北钢院合作开发了相近的0Cr13Ni6Mo钢，后期又开发了0Cr13Ni5Mo钢，并在80年代以后生产的水电机组中得到了大量的应用。

3．喷涂特殊材料

采用喷涂特殊材料来解决磨损和空蚀问题，在国内外采用这种工艺方法很多，主要有超高音速喷涂、合金粉末喷焊或喷涂、非金属涂层等。在水电机组中应用喷涂技术比较典型的有河南小浪底、山西万家寨、西藏羊卓雍湖电站水轮机。

小浪底水轮机的过机泥沙成分以石英为主（约占 90%），对水轮机部件产生很强的破坏作用，为解决这个问题，小浪底水轮机制造时采用热喷涂碳化钨涂层技术进行防护，以达到降低磨损，延长大修周期的目的。

热喷涂碳化钨涂层技术的工作原理是使用特殊设备，利用惰性气体输送喷涂粉末，经过高温燃烧室加温、加压，产生高速离子流，冲击被喷涂部件，在其表面形成一定厚度的硬化层。工作时焰流温度高达3000℃，粒子流速可达1000～1200m/s。

经过高温、高速，使涂层与部件表面提高结合强度（一般在70～130MPa），表面硬度可达70HRC以上。

比较而言，这种技术的应用效果比较好，而之所以应用并不广泛，其主要原因是该项技术实现起来成本较高。

小浪底机组经过运行，特别是经过汛期的运行后，出现了涂层不同程度的脱落现象，从脱落的部位上分析，主要是涂层的结合强度低，抗空蚀能力差。

4．窄间隙埋弧焊

目前，窄间隙埋弧自动焊已作为成熟的焊接技术，具有焊接效率高、节省焊接材料、焊接质量优良的特点。哈电最初从90年代初从瑞典的伊萨公司引进窄间隙埋弧自动焊成套设备，从美国购买了250t的二手焊接变位机。当时是考虑用于三峡转轮大型铸件的拼焊，因为转轮上冠的重量在130t左右，对于这样的大型铸件，国内没有整体铸造能力，需分瓣铸造后再采用焊接的方法焊接成整体，焊接接头的最大厚度为420mm。

由于三峡工程的发电设备采取国际招标，业主要求发电设备必须在国外采购，韩国的韩重具备整体铸造能力，因此对于转轮上冠就不存在焊接的问题。哈电在窄间隙埋弧自动焊的应用方面主要是大型轴类零件或类似的部件，水轮发电机的转子中心体就是其中的一个。

转子中心体一般由中心圆筒和两端的锻件法兰组装、焊接，也相当水轮发电机组轴系的一部分，见图6。中心圆筒由180mm左右的钢板通过辊板机热辊成形，加工制备窄间隙焊接坡口，配以无级变速且防轴向移动滚轮架，以获得高质量的焊接接头。

图6 三峡转子中心体窄间隙埋弧焊

目前，哈电正在进行三峡水轮机轴的窄间隙焊接工艺研究。三峡水轮机轴直径为4000mm,长度为6700mm。三峡左岸的水轮机大轴基本是在国外定货，由于国内机电工业的快速发展，大型轴锻件定货困难，而且价格奇高，所以在三峡右岸的水轮机大轴拟分段采购轴锻件，然后焊接成整体。

5. 微弧等离子焊接

三峡发电机制造过程中制造难度较大的部件是水冷定子线圈。一台发电机的定子线棒为1080根，每根线棒上有2个水盒焊口、2个水接头焊口、12个不锈钢空心导线焊口。其中，不锈钢空心导线（壁厚为1mm）的排列密集，操作空间狭小，焊接难度很大。而空心导线的焊口最终是被封焊在水盒里面的，如果焊缝出现质量问题是很难修复的，甚至会导致整根线棒报废。国外公司在制造同类产品时，曾在焊接机器人工作站采用自动焊方法，但由于工艺方法不成熟，定子线棒的焊接质量很不理想，产品的返修率高达30%。

我公司在生产时借鉴了国外的制造经验，采用了微束等离子弧焊接方法，为满足产品使用的可靠性，做了较多的工艺性试验并通过模拟试验件进行工艺参数验证，对试验件做了解剖检验，证明接头质量优良，外观成形也很美观。

二、焊接材料的发展变化

在水电产品部件中，转轮的焊接相对来说是比较复杂的，这里有很多焊接难题还有待焊接领域和材料领域的专家做更深入的研究工作来解决。

水轮机转轮在水轮发电机组中是一个关键部件。转轮的材料也经历了一个渐变的过程：普通铸钢、异种钢（易气蚀、磨损部位采用不锈钢，其他部位采用普通铸钢）、奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢；焊接材料也随着母材的变化而改变。

国外从70年代已经开始在转轮上使用高强度的马氏体不锈钢材料，而我国是在80年代逐渐开始应用，当时不锈钢材料的价格还比较昂贵，为了降低机组造价，也大量采用异种钢焊接结构，哈电和东电在国内的许多大型水电站采用了异种钢焊接结构的转轮，由于材料性能的差异，导致了焊接接头焊后存在较高的残余应力，机组运行期间，焊缝区经常出现开裂现象，影响机组的安全稳定运行。

由于水力设计和产品制造工艺技术的进步，水电机组的容量越来越大，国内外针对13—5型马氏体不锈钢转轮，所采用的焊接材料基本上有以下三类：

（1）奥氏体型焊材，即Cr25-Ni13(309型)和Cr18- Ni14(316型)。

（2）马氏体型焊材，即Cr13-Ni4(410NiMo型)。

（3）三相组织焊材，即Cr17-Ni6。

国外厂商在焊接13—5型马氏体不锈钢转轮时，对焊接材料仅有前两种选择，一种是低匹配，采用309或316型的奥氏体型焊材，美国VOITH公司为小浪底水电站在现场焊接的转轮就采用了E309LT1—1这种焊接材料，转轮焊接后不进行热处理；另一种就是采用410NiMo 型的马氏体焊材。

采用309或316型的奥氏体焊材时，可获得良好的焊接工艺性能，可以在不预热或低温预热的情况下施焊，焊接接头的焊接性好，产生焊接裂纹几率低。不足之处是用奥氏体焊接马氏体母材属于异材质焊接，接头的残余应力较高。

采用410NiMo型马氏体焊材焊接13—5型马氏体不锈钢，焊接残余应力低，变形小。焊接接头可获得与母材非常接近的性能指标，产品的使用性能良好。不利之处是焊接工艺要求严格，焊工施焊条件较差，出现焊接裂纹的几率较高。

Cr17-Ni6型三相组织焊材是自行研制并具有中国特色的焊接材料，主要是针对转轮在运行过程中经常出现的裂纹问题，来改善其焊接接头的塑、韧性。介于奥氏体和马氏体焊材之间，焊缝金属显微组织为M+A+F。此焊材的焊接性比410NiMo好，焊接接头的力学性能指标比309和316型焊材高。

1986年在鲁布革水电站的转轮使用了超低碳的 0Cr16Ni5Mo钢，这种材料具有较好的焊接性能，采用进口的沉淀硬化型马氏体焊接材料，牌号为Cr17-Ni4。目前机组已运行多年，抗气蚀、泥沙磨损状况良好。1988年由国务院重大办、沈阳铸造研究所、哈尔滨电机厂共同合作研制了国产0Cr16Ni5Mo钢，铸件采用VOD精炼,焊接采用国产的0Cr17Ni6Mo 三相组织焊接材料，转轮用于广西的天生桥水电站。

针对三峡这样的大型转轮，国外厂商的一致意见是选用同材质410NiMo型的焊材。

前面已讲到，这种焊材的焊接性较差，焊接过程中对工艺参数的要求非常严格。

经多年的试验研究，国内在410NiMo型焊材的体系上开发了新型的HS13/5L焊接材料作为技术储备。该焊接材料是由哈尔滨焊接研究所和哈电公司多年联合研制的HS13/5型马氏体不锈钢焊丝，该材料的研制是国家自然科学基金委员会与国家机械工业局技术发展基金委员会联合资助项目，历时多年并在由小到大的机组上应用，最终的目标是用于三峡转轮的焊接。2001年为广西岩滩水电站30万kW机组增容改造转轮焊接时使用，为将该焊接材料用于三峡转轮提供了有力的技术支持。

三、水电机组的自动化焊接应用

水电机组的种类较多，目前根据水头划分，生产制造较多的有冲击式、混流式、轴流式、贯流式和可逆式（水泵）机组。由于每个电站机组的台数较少，特征差别大，很难形成系列产品，自然也就很难形成专业化生产；另外一个原因是产品的结构比较复杂，这就使焊接自动化的应用受到制约。对于一般的结构件焊接，正如前边介绍的主要以半自动气体保护焊和埋弧自动焊为主。 　

哈电在制造三峡左岸的水轮机过程中，通过与国外公司合作，采用埋弧自动焊用于三峡转轮的焊接，虽然只实现部分接头的焊接，但对于转轮这样一个特殊部件的焊接，还是迈出了具有重大意义的一步。

在转轮焊接中首次采用了埋弧自动焊，焊接时使用了两台“焊接机器人”，严格的说是焊接工作站系统（见图7）。这两套焊接工作站系统主要用于叶片与上冠侧正、背面坡口的焊接，由于埋弧焊对焊接位置要求比较严格，叶片的正背面坡口不能同时焊接。这两套焊接工作站系统是瑞典的ESAB公司和英国的NUM公司针对三峡转轮的焊接专门开发研制的。其中机械、焊接设备部分由ESAB公司研制，电控、数控系统由英国的NUM公司研制。

（1）自动焊设备的组成 机械部分的主体是由焊接操作架及6个轴的机械驱动、限位防护等组成；电控部分的主体为CNC、NUM1060系统及伺服单元、伺服马达、电源、传感元和电保护等。

（2）焊接设备 LAF1250焊接电源、A2-A6焊接控制器、送丝机构、焊剂的烘干输送回收、三轴焊接机头（单极双丝）及管路、传感元件和仪表等。

（3）辅助部分 压缩空气供给系统、监视器和各类指示灯等。

该焊接设备的操作架有X、Y、Z 三个自由度，焊枪有U、V、C三个自由度，因此可以对6个轴以示教的方式进行编程，编程系统使用的是PLC应用程序。在程序运行过程中除了机头的行走轨迹外，焊接起弧、收弧、焊剂的供给及回收等都由CNC控制，通过示教编程来实现。与程序同步运行的内容大部分是焊接参数，这些焊接参数设置在A2-A6焊接程序控制器中，包括焊接电压、焊接电流、焊接速度、热输入量、焊丝参数、电压衰减补偿和系统配置参数等，其中焊接电压、焊接电流、焊接速度可以实现在线调节。

图7 埋弧焊工作站进行三峡转轮焊接

为了实现转轮的埋弧自动焊接，我公司转化设计并制造了转轮焊接变位机，这是转轮采用自动焊整套系统的一个主要部分。三峡转轮重450t（见图8），每台转轮焊接消耗焊接材料近12t，自动焊完成的焊接工作量约占1/3，其余部分的焊接工作量依靠半自动气体保护焊完成。

由于焊接工作量大，埋弧自动焊充分体现了高质量和高效率的优势，但对于转轮焊接而言以及焊接方法的局限，完成的工作量还很少。为此，从2001年开始，哈电与哈尔滨焊接所威德焊接自动化工程公司、哈尔滨工业大学合作，为三峡转轮焊接开发了弧焊机器人工作站(见图9)，这在水电设备焊接的历史上迈出了具有重大意义的一步。这个项目在研究开发阶段期间，得到了哈尔滨电机厂　

图8 焊接后待发运的三峡转轮

极大关注，并给予具体的指导和帮助。比较起来，弧焊机器人更具柔性和智能化，更适合转轮的焊接，但焊接效率要比埋弧焊低。目前，机器人工作站的全部制造工作已经完成，即将在三峡右岸机组的转轮焊接中使用，由于转轮叶片为边截面流线型，焊缝的最大截面厚度为260mm，焊接坡口的尺寸也是随叶片的型线而变化，所以已经完成的软件编程工作还需要在实际应用中进一步完善，最大限度地拓展应用空间。

图9 弧焊机器人进行多层、多道焊接工艺试验

哈电公司在三峡左电站14台机组中，共承担了6台水轮机转轮的制造任务。其中三台转轮的焊接，全部采用了国产焊接材料。目前，采用国产材料焊接的转轮已有两台安装运行。哈电公司在国产化研究及应用方面迈出了关键的一大步。另有其他三峡部件的焊接，如水轮机的活动导叶，年消耗HS13/5型马氏体不锈钢埋弧和气保焊丝近60t，不但为国家节约了大量的外汇，同时也促进了民族工业的发展和进步。其他同行业厂在选择焊接材料上还基本依赖于进口。

四、水轮发电机组部件的现场焊接

由于机组容量的加大，部件的结构尺寸和重量也相应加大。对于机组的大部分部件，整体运输到工地几乎是不可能的，这就需要在现场完成大型部件的组装和焊接工作。

1．水轮机涡壳的现场焊接

在水轮机部件中，涡壳的现场焊接工作量无疑是最大的（见图10）。以三峡电站为例，水轮机涡壳总重9800t，进口最大直径12.4m，钢板厚度在28～67mm，钢板材质为NK-HITEN610U2低合金高强钢。每台涡壳焊缝总长度12600m，消耗焊条约185 t，且这部分工作是在机坑内进行，受现场条件和自身结构的限制，到目前为止还是采用焊条电弧焊。在90年代初期，曾经有施工单位采用半自动焊接方法，焊接材料使用自保护药芯焊丝，但由于焊工的技能和环境的影响，效果并不理想。随着焊接综合技术的提高，在大型涡壳的焊接上实现半自动焊和埋弧自动焊是可行的。

图10 水轮机涡壳与座环的现场安装、焊接

2．水轮机引水钢管的焊接

三峡电站有26条引水压力钢管，直径12.4m，钢板厚度为26～54mm，无论就其工作量或对焊接质量可靠性来说，都在水电站金属结构中占有极为重要的地位。而目前国内水电站压力钢管的焊接还主要依靠焊条电弧焊来完成，故焊接生产率低，焊接质量取决于人工的操作技能，劳动强度大，因此采用自动焊是必然的发展方向。

对于直径较小的压力钢管，一般是对部分焊缝采用埋弧焊完成，剩余的焊接工作及钢管连接焊缝在安装工位上完成。由于焊接工作量过大，很多安装单位都寻求采用自动焊和半自动焊的方法来实施焊接。经过水电建设安装单位的不断探索、研究和工艺性试验，采用富氩气体保护电弧焊、使用脉冲电源并研制自动焊辅助装备，实现了自动焊接。

3．水轮发电机定、转子支架的现场焊接

作为水电设备的制造厂，为了解决大型部件的现场焊接变形控制和焊接产生的应力问题，一直在做积极的探索和研究。哈电公司于1987年7月在红石电站的首台转子支架上进行了焊接试验（机组相对小），焊接采用焊条电弧焊，由于焊接变形控制不当，转子支架焊接后变形较大，后序进行了处理。为了解决这个问题，在厂内做了较多的焊接试验，决定采用MIG半自动气体保护焊接方法，并在岩滩水电站圆盘式转子支架焊接时开始应用。岩滩水电站水轮发电机组为30万kW，发电机转子直径为16m，由于传统的多支臂结构不能满足其刚度要求，因而转子支架采用了圆盘式结构，由中心体和10个扇形体组成，分别发运到工地，在工地组焊成整体，见图11、图12。

图11 转子支架的组装

图12 发电机转子现场吊装

哈电公司为施工单位的焊工做了焊接操作技能培训并经考试合格，同时为了确保现场的焊接质量（重点是控制焊接变形），在关键部位设置了100块千分表来监视焊接变形，焊接后对相关尺寸采用千分尺进行测量，变形的控制效果较为理想。

通过多年的电站现场焊接大型部件的经验积累，工艺日臻成熟。为十几个大型水电站提供了高质量的产品。

五、结语

随着我国经济的发展及对能源的需求，水电建设也将会有更大的发展，机组的容量也会越来越大，将有更多的新材料被开发及应用。焊接作为机械制造行业最重要的工艺手段，其焊接材料、设备和工艺装备也必将与其他行业同步提高。目前在水电制造行业，高效率焊接方法和焊接自动化应用程度还较低，这就给焊接工艺技术、焊接工艺装备提供了一定的发展空间。相信在广大焊接工作者的不懈努力下，必将在不同的应用领域取得更大的成绩。