專利名稱：一種風電主軸的鍛焊制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種風力發(fā)電機主軸的制造方法，特別是一種風力發(fā)電機主軸的鍛焊 制造方法。
背景技術：
風力發(fā)電機主軸是風電整機的關鍵件，現(xiàn)有的風電主軸一般采用整體鍛壓制造方 法，這有利于保證風力發(fā)電機主軸材料的理化性能、組織結(jié)構均勻性，適宜于惡劣的工作環(huán) 境、較大的交變載荷下運行。當風電機組發(fā)電功率較小，風電主軸重量也較小，采用整體鍛 造方法制造風電主軸對鍛壓設備噸位要求不高。但是，隨著風力發(fā)電功率提高，風電主軸 的重量也隨之較快增加，若仍采用整體鍛造方法制造風電主軸對鍛壓設備噸位要求越來越 高，以至無法實施；特別是大型風電主軸若采用整體鑄造方法，因主軸的組織致密度低，材 料理化性能差，不適合在交變載荷條件下工作。若采用鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊、等離子 焊、激光焊接等方法焊接分體大壁厚鍛件，需要開很大的坡口并填充大量的金屬，而填充金 屬的性能大大低于鍛件性能，易于導致焊縫區(qū)域與鍛件本體性能相差較大，并且焊接過程 大量的熱輸入產(chǎn)生了大的殘余應力和焊接變形，不適合在交變載荷對風電主軸工作，無法 達到大型風電主軸的設計要求。目前為止，還沒有任何可以替代整體鍛壓或?qū)崿F(xiàn)整體鍛壓 效果的風電主軸的制造方法。如何克服現(xiàn)有技術存在的不足，已成為當今風力發(fā)電機主軸 制造領域中亟待解決的重大難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足而提供一種風電主軸的鍛焊制造方法，它 能夠避免因風電主軸重量的增加而對鍛壓設備噸位增加的要求，采用鍛焊后熱處理對焊縫 及其熱影響區(qū)進行消除應力和組織均勻化處理，使鍛焊組合制造風電主軸能夠承受惡劣工 作環(huán)境的交變載荷沖擊，適用于沿?；蚪娕_風巨大沖擊載荷，有利于提高風電機組的 運行穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)本發(fā)明提出的一種風電主軸的鍛焊制造方法，其特征在于風電主軸依次經(jīng)鍛 焊結(jié)構設計、部件鍛壓、機械加工、深熔透焊、質(zhì)量檢測、熱處理、成品檢測工序而制得風電 主軸成品，其中鍛焊結(jié)構設計是依據(jù)鍛壓設備能力和高能電子束焊機深熔焊能力，確定風電主 軸鍛焊各分體結(jié)構部件，其每個分體結(jié)構部件的重量小于鍛壓設備的噸位，焊縫位置和焊 縫深度，依據(jù)高能電子束穿透的最大深度選取風電主軸可分體的位置和焊縫熔深δ 100 250mm ；部件鍛壓是根據(jù)上述風電主軸鍛焊結(jié)構設計的要求，分別鍛壓其分體結(jié)構部件， 對各分體結(jié)構部件進行鍛壓過程溫度控制，鍛壓溫度在850 1180°C范圍，并對各分體結(jié) 構部件進行內(nèi)部質(zhì)量的缺陷檢測；機械加工是對上述風電主軸各分體結(jié)構部件合格鍛件的待焊接面進行車、銑機械加工，使得部件待焊面裝配互相貼合，滿足深熔透焊結(jié)構設計要求；深熔透焊是對上述風電主軸各分體結(jié)構部件待焊接面裝配后，采用高能電子束深 熔焊對待焊接面軸線方向進行軸側(cè)或法蘭側(cè)單面焊接，或者對待焊接面軸線方向進行雙面 焊接，使之成為整體風電主軸毛坯；質(zhì)量檢測是對上述風電主軸毛坯的高能電子束焊縫進行表面質(zhì)量檢測、熔深檢測 和內(nèi)部質(zhì)量檢測；熱處理是對合格的整體風電主軸毛坯進行焊后消除應力的高溫回火熱處理，以及 對焊縫及熱影響區(qū)的組織均勻化熱處理，其熱處理溫度為580 650°C，保溫時間為3 4 小時；成品檢測是對完成上述熱處理的風電主軸毛坯整體進行無損檢測和平行試樣的 組織性能檢測。本發(fā)明對風電主軸的鍛焊制造原理是本發(fā)明利用高能電子束深熔焊具有一次最 大焊透可達250mm厚度鋼的特殊優(yōu)勢，既克服了上述弧焊等其它方法都不能一次焊透30mm 以上厚度的鋼，且弧焊方法多次重復填充金屬和多次焊接，使得焊接熱影響區(qū)很大、殘余應 力很高致使變形很大，焊縫及其鍛件的性能變差等不足，還克服了上述弧焊等其它方法因 填充金屬只能采用強度級別低于鍛件的材料，所以使得焊縫的強度降低，無法適用對風電 主軸制造的不足，使高能電子束一次穿透焊接，焊縫不需要填充其它金屬，其高能電子束流 特性保障了焊縫的熱影響區(qū)很小、殘余應力和變形都很小，焊縫晶粒細小，焊縫質(zhì)量優(yōu)良， 焊縫強度達到甚至超過鍛件本身強度。本發(fā)明充分利用高能電子束流焊接所具有的優(yōu)勢， 將風電主軸設計為分體小噸位鍛件，然后組合焊接成整體風電主軸，再經(jīng)熱處理、檢測等制 得成品，這樣做即可減小一次性鍛壓風電主軸的總重量，相當于提高了現(xiàn)有噸位鍛壓機的 風電主軸生產(chǎn)能力，同時為現(xiàn)有鍛壓設備儲備了制造更大功率的風電主軸的能力。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為第一，本發(fā)明利用了高能電子束的深熔透 焊接性能優(yōu)勢，可將大噸位風電主軸鍛件分體鍛壓，其噸位幾乎減半，然后組焊成為整體風 電主軸，既提高了現(xiàn)有設備鍛壓大功率風電主軸的能力，又擴大了鍛壓設備對鍛壓產(chǎn)品的 適應能力；第二，本發(fā)明對風電主軸采用高能電子束焊接，其焊縫的組織晶粒細小，焊縫強 度高，鍛焊后熱處理對焊縫及其熱影響區(qū)進行消除應力和組織均勻化處理，保障了焊縫區(qū) 域韌性，提高了主軸的綜合力學性能，使風電主軸能夠增加承受惡劣工作環(huán)境的交變載荷 沖擊，適用于沿?；蚪娕_風巨大沖擊載荷，有利于提高風電機組的運行穩(wěn)定性和安全 性；第三，本發(fā)明提高了風電主軸鍛件的材料利用率，降低了制造成本，提高經(jīng)濟效益；第 四，本發(fā)明解決了風力發(fā)電機主軸的制造領域?qū)Υ笮湾憠涸O備依賴的難題，降低了制造門 檻，達到了大型風電主軸高端制造的目的。


圖1是發(fā)明一種風電主軸的鍛焊制造方法的流程示意圖。圖2是本發(fā)明從風電主軸沿軸線方向?qū)嵤┹S側(cè)高能電子束單面焊接的結(jié)構示意 圖。圖3是本發(fā)明從風電主軸沿軸線方向?qū)嵤┓ㄌm側(cè)高能電子束單面焊接的結(jié)構示 意圖。
圖4是本發(fā)明從風電主軸沿軸線方向?qū)嵤└吣茈娮邮p面焊接的結(jié)構示意圖。圖5是本發(fā)明從垂直于風電主軸軸線方向?qū)嵤└吣茈娮邮附拥慕Y(jié)構示意圖。圖6是本發(fā)明三體分體結(jié)構的風電主軸實施高能電子束組焊的結(jié)構示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。根據(jù)本發(fā)明提出的一種風電主軸的鍛焊制造方法，如圖1所示，風電主軸依次經(jīng) 鍛焊結(jié)構設計、部件鍛壓、機械加工、深熔透焊、質(zhì)量檢測、熱處理、成品檢測工序而制得風 電主軸成品。現(xiàn)以如下具體實施例說明實施例1。結(jié)合圖1、圖2、圖3和圖4，以制造本發(fā)明提出的從風電主軸沿軸線方 向?qū)嵤┹S側(cè)或者法蘭側(cè)高能電子束單面或雙面焊接制造1.5QW風電主軸為例，具體步驟 如下步驟1，鍛焊結(jié)構設計。按照風電主軸鍛焊的每個分體結(jié)構部件的重量小于鍛壓 設備的噸位的要求，采用滿足鍛焊結(jié)構設計要求的鍛壓設備和焊縫熔深δ IOOmm的中壓或 高壓的高能電子束深熔焊機，確定風電主軸鍛焊分體結(jié)構部件為Φ1600πιπι空芯法蘭(2)和 Φ750πιπι連芯軸(1)，待焊位置平行軸向且在空芯法蘭(2)壁厚IOOmm處，與連芯軸(1)的 最大直徑Φ 800mm形成焊縫。步驟2，部件鍛壓。根據(jù)上述風電主軸鍛焊結(jié)構設計的要求，分別鍛壓連芯軸(1) 和空芯法蘭O)，并且對連芯軸(1)和空芯法蘭(2)分別進行鍛壓過程溫度控制，鍛壓溫度 在850 1180°C范圍，之后分別進行鍛件的內(nèi)部質(zhì)量的缺陷檢測。步驟3，機械加工。對上述合格的風電主軸的連芯軸(1)和合格的空芯法蘭(2)各 鍛件相互焊接配合面進行車、銑機械加工，達到連芯軸(1)待焊面和空芯法蘭( 待焊面裝 配貼合的深熔透焊結(jié)構設計要求。步驟4，深熔透焊。對完成上述機械加工的風電主軸的連芯軸(1)和空芯法蘭(2) 進行裝配，保證焊接配合面的裝配定位，如圖2所示，采用高能電子束深熔焊，從風電主軸 沿軸線方向?qū)嵤B芯軸(1)和空芯法蘭O)的配合面的軸側(cè)高能電子束單面焊接；或者 如圖3所示，從風電主軸沿軸線方向?qū)嵤B芯軸(1)和空芯法蘭O)的配合面的法蘭側(cè) 高能電子束單面焊接；或者如圖4所示，從風電主軸沿軸線方向?qū)嵤B芯軸(1)和空芯 法蘭O)的配合面的高能電子束雙面焊接；均要求焊縫熔深達到該處空芯法蘭O)的壁厚 100mm，形成深度為IOOmm的焊縫(3)，從而制得1. 5 Ω W整體風電主軸毛坯。步驟5，質(zhì)量檢測。對風電主軸毛坯的高能電子束焊縫C3)進行表面質(zhì)量檢測、熔 深檢測和內(nèi)部質(zhì)量檢測等，保證高能電子束焊縫C3)滿足設計要求。步驟6，熱處理。對質(zhì)量檢測合格的整體風電主軸毛坯進行焊后消除應力的高溫回 火熱處理，以及對焊縫及熱影響區(qū)的組織均勻化熱處理，其熱處理溫度為580 650°C，保 溫時間為3 4小時。步驟7，成品檢測。對完成上述熱處理的風電主軸毛坯進行整體無損檢測和平行試 樣的組織性能檢測，保障風電主軸成品的整體質(zhì)量。實施例2。結(jié)合圖1和圖5，以制造本發(fā)明提出的從垂直于風電主軸軸線方向?qū)嵤?高能電子束焊接制造ι. O Ω W風電主軸為例，具體步驟如下
步驟1，鍛焊結(jié)構設計。按照風電主軸鍛焊的每個分體結(jié)構部件的重量小于等于鍛 壓設備的噸位的要求，采用滿足鍛焊結(jié)構設計要求的鍛壓設備和焊縫熔深δ 193mm的中壓 或高壓的高能電子束深熔焊機，確定風電主軸鍛焊分體結(jié)構部件為Φ1200πιπι實芯法蘭(5) 和Φ 380mm端軸，待焊位置垂直于軸向的環(huán)縫焊接，環(huán)縫熔深在191mm 195mm，該熔深 保障Φ 380mm的端軸部位焊透，形成全透的焊縫(3)。步驟2，部件鍛壓。根據(jù)上述風電主軸鍛焊結(jié)構設計的要求，分別鍛壓端軸(4)和 實芯法蘭(5)，并且對端軸(4)和實芯法蘭(5)分別進行鍛壓過程溫度控制，鍛壓溫度在 850 1180°C范圍，之后分別進行鍛件的內(nèi)部質(zhì)量的缺陷檢測。步驟3，機械加工。對上述合格的風電主軸的端軸(4)和實芯法蘭( 各鍛件相互 焊接配合面進行車、銑機械加工，達到端軸(4)待焊面和實芯法蘭( 待焊面裝配貼合的深 熔透焊結(jié)構設計要求。步驟4，深熔透焊。如圖5所示，對風電主軸的端軸(4)和實芯法蘭(5)進行裝配， 保證焊接配合面的裝配定位，采用高能電子束深熔焊，從風電主軸的直徑方向的對端軸(4) 和實芯法蘭(5)的配合面進行焊接，要求焊縫熔深在191mm 195mm，保障Φ 380mm的端軸 (4)和實芯法蘭( 的配合面焊透，形成全透的焊縫(3)，從而制得1.0 QW整體風電主軸毛 坯。步驟5，質(zhì)量檢測。同實施例1的步驟5。步驟6，熱處理。同實施例1的步驟6。步驟7，成品檢測。同實施例1的步驟7。實施例3。結(jié)合圖1和圖6，以制造本發(fā)明提出的三部件的分體結(jié)構的風電主軸分 二次實施高能電子束深熔透焊制造2. 5QW風電主軸為例，具體步驟如下步驟1，鍛焊結(jié)構設計。按照風電主軸鍛焊的每個分體結(jié)構部件的重量小于鍛壓設 備的噸位的要求，采用滿足鍛焊結(jié)構設計要求的鍛壓設備和焊縫熔深δ 180mm和250mm的 中壓或高壓的高能電子束深熔焊機，確定風電主軸鍛焊分體結(jié)構部件為Φ 1800mm空芯法 蘭O)、芯軸(6)和直徑小于等于Φ500πιπι的端軸G)，形成如圖6所示的二道焊縫，第一道 是待焊位置平行于軸向的空芯法蘭(2)焊縫，其熔深小于等于180mm，第二道是待焊位置垂 直于軸向的環(huán)縫，其熔深小于等于250mm，該二道焊縫熔深保證完全焊透。步驟2，部件鍛壓。根據(jù)上述風電主軸鍛焊結(jié)構設計的要求，分別鍛壓空芯法蘭 O)、芯軸(6)和端軸G)，并且對空芯法蘭O)、芯軸(6)和軸(4)分別進行鍛壓過程溫度 控制，鍛壓溫度在850 1180°C范圍，之后分別進行鍛件的內(nèi)部質(zhì)量的缺陷檢測。步驟3，機械加工。對上述合格的風電主軸的空芯法蘭O)、芯軸(6)和端軸(4) 各鍛件相互焊接配合面進行車、銑機械加工，使得空芯法蘭( 待焊面和芯軸(6)待焊面裝 配貼合、以及芯軸(6)待焊面和端軸(4)待焊面裝配貼合分別達到深熔透焊結(jié)構設計要求。步驟4，深熔透焊。如圖6所示，分別對風電主軸的空芯法蘭O)、芯軸(6)和端軸 (4)進行裝配，分別保證二道焊接配合面的裝配定位；采用高能電子束深熔焊，首先從風電 主軸的直徑方向的對芯軸(6)和端軸的配合面進行焊接，要求焊縫( 熔深略大于軸 焊接位置的半徑，保障芯軸(6)部位焊透；然后焊接空芯法蘭(2)和芯軸(6)的配合面，形 成全透的焊縫(3)；通過二次焊接而制得2. 5 QW整體風電主軸毛坯。步驟5，質(zhì)量檢測。對風電主軸毛坯的二道高能電子束焊縫進行焊縫C3)表面質(zhì)量檢測、熔深檢測和內(nèi)部質(zhì)量檢測等，保證高能電子束焊縫⑶滿足設計要求。步驟6，熱處理。同實施例1的步驟6。步驟7，成品檢測。同實施例1的步驟7。本發(fā)明經(jīng)反復試驗驗證，取得了滿意的應用效果。
權利要求
1. 一種風電主軸的鍛焊制造方法，其特征在于風電主軸依次經(jīng)鍛焊結(jié)構設計、部件鍛 壓、機械加工、深熔透焊、質(zhì)量檢測、熱處理、成品檢測工序而制得風電主軸成品，其中鍛焊結(jié)構設計是依據(jù)鍛壓設備能力和高能電子束焊機深熔焊能力，確定風電主軸鍛焊 各分體結(jié)構部件，其每個分體結(jié)構部件的重量小于鍛壓設備的噸位，焊縫位置和焊縫深度， 依據(jù)高能電子束穿透的最大深度選取風電主軸可分體的位置和焊縫熔深S 100 250mm ； 部件鍛壓是根據(jù)上述風電主軸鍛焊結(jié)構設計的要求，分別鍛壓其分體結(jié)構部件，對每 個分體結(jié)構部件進行鍛壓過程溫度控制，鍛壓溫度在850 1180°C范圍，并對各分體結(jié)構 部件進行內(nèi)部質(zhì)量的缺陷檢測；機械加工是對上述風電主軸各分體結(jié)構部件合格鍛件的待焊接面進行車、銑機械加 工，使得部件待焊面裝配互相貼合，滿足深熔透焊結(jié)構設計要求；深熔透焊是對上述風電主軸各分體結(jié)構部件待焊接面裝配后，采用高能電子束深熔 焊對待焊接面軸線方向進行軸側(cè)或法蘭側(cè)單面焊接，或者對待焊接面軸線方向進行雙面焊 接，使之成為整體風電主軸毛坯；質(zhì)量檢測是對上述風電主軸毛坯的高能電子束焊縫進行表面質(zhì)量檢測、熔深檢測和內(nèi) 部質(zhì)量檢測；熱處理是對合格的整體風電主軸毛坯進行焊后消除應力的高溫回火熱處理，以及對焊 縫及熱影響區(qū)的組織均勻化熱處理，其熱處理溫度為580 650°C，保溫時間為3 4小時； 成品檢測是對完成上述熱處理的風電主軸毛坯整體進行無損檢測和平行試樣的組織 性能檢測。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種風電主軸的鍛焊制造方法，其特征在于風電主軸依次經(jīng)鍛焊結(jié)構設計、部件鍛壓、機械加工、深熔透焊、質(zhì)量檢測、熱處理、成品檢測工序而制得風電主軸成品，其中結(jié)構設計是確定風電主軸分體結(jié)構；部件鍛壓是鍛壓分體結(jié)構部件；機械加工是對待焊接面銑削；深熔透焊是用高能電子束深熔焊焊接；質(zhì)量檢測是檢測焊縫熔深和質(zhì)量；熱處理是消除焊后應力；成品檢測是對毛坯整體性能檢測。本發(fā)明鍛焊制造的風電主軸能夠避免因風電主軸重量的增加對鍛壓設備噸位增加的要求，采用消除焊后應力的熱處理，使風電主軸能夠承受惡劣工作環(huán)境的交變載荷沖擊，適用于沿?；蚪娕_風巨大沖擊載荷，有利于提高風電機組的運行穩(wěn)定性和安全性。
文檔編號B23P23/04GK102114597SQ20091026408
公開日2011年7月6日 申請日期2009年12月30日 優(yōu)先權日2009年12月30日
發(fā)明者周琦, 彭勇, 王克鴻, 葛艷明, 魯磊 申請人:南京理工大學, 江蘇金源鍛造股份有限公司