亭子口升船机卷筒体结构焊接技术

张建中 张振华

1. 概述

嘉陵江亭子口水利枢纽是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程。升船机布置在枢纽右岸，采用钢丝绳卷扬全平衡垂直提升形式，过船规模2×500t级，最大提升高度85.4m，船厢有效水域116.0m×12.0m×2.5m（长×宽×水深），船厢结构、设备及厢内水体总重约6 250t。升船机主提升设备的卷筒组主要由卷筒体、卷筒轴、花键套、制动盘、轴承座、钢丝绳压板及连接件等组成。卷筒体为钢板冷弯焊接结构，通过两侧的轮辐、轮毂支承在卷筒轴上。

2. 项目特点

亭子口升船机卷筒结构如图1所示。卷筒体的卷制和焊接是本项目的难点。整个卷筒体焊缝集中，封闭焊缝较多，钢板厚度较大，因此在焊接工艺上必须严格控制。卷筒体和轮幅板采用Q345B，卷筒体板厚107mm（余留7mm加工余量）, 轮幅板Ⅰ厚75mm（余留5mm加工余量）；轮毂采用35锻钢，均属于低合金高强钢，焊接性良好，其焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输入较为敏感，热影响区淬硬倾向较大，对氢致裂纹敏感性较大，同时该部位焊缝集中，填充量大，结构形式较复杂，焊接热输入大，焊接应力大，主要会产生裂纹及焊接变形等问题。为避免裂纹产生和保证尺寸的稳定，为后道加工工序提供质量保证，所以对卷筒体部位焊接工艺提出了很高的要求。

3. 焊接工艺确定

（1）结构及材料因素分析 卷筒体刚性较大，焊接时因应力无处释放，将产生较大拘束应力，易产生裂纹。筒体在卷弧过程中，内壁受压，外壁受拉，内部会产生应力；焊缝距圆筒的端面较近，在焊接过程中，钢板受热及焊缝收缩将会产生拉应力。卷筒外壁钢板较厚，在生产轧制过程中容易在钢板的中间部位沿轧制方向形成层状非金属夹杂物。焊丝、焊剂受潮未烘干，坡口表面有水、锈、油污等，容易产生气孔。

（2）焊缝质量要求 根据设计图样的要求，焊缝质量要求如下：不允许有裂纹、夹渣、气孔、焊瘤及飞溅等；焊缝余高≤3 mm，咬边深度≤0.5mm，且连续长度≤100mm；所有对接焊缝和组合焊缝为Ⅰ类焊缝。进行100%UT探伤检测，按25%的比例进行 TOFD复验。

（3）焊接方法及材料选择 焊接方法：主要采用熔化极CO2气体保护焊和埋弧焊。由于焊接部件板厚较大，焊接量大，并且环缝较多，所以适于采用连续焊接，焊缝打底选用脉冲焊机。

焊接材料：药芯焊丝气体保护焊选用ER501T—1焊丝，φ1.2mm；焊接电流：200~280A，电弧电压：23~28V；焊接热输入≤38kJ/cm。

埋弧焊选用H10Mn2焊丝，φ4.0mm；焊剂：HJ101；焊接电流：550~660A，电弧电压：29~36V，焊接热输入≤45kJ/cm。

（4）焊前准备及工艺要求 坡口开制：对接纵缝和环缝坡口形式为双Y形，组装后环缝内外坡口边宽度55mm（见图1a）；组装后纵缝内侧坡口边宽度55mm，外侧坡口边宽45mm（见图1b）。轮辐板I与轮毂I以及轮辐板II与轮毂II和卷筒体为对接焊缝组合。对接焊缝坡口形式为双Y形，组合焊缝坡口形式为双J形，留2mm钝边，轮辐板坡口采用机加工方式（见图1c、1d）。

焊缝清理：清除焊道两侧50mm范围内的熔渣、铁锈、油污及水迹等污物，清理后的焊道表面必须露出金属光泽。

预热温度：100~120℃；预热宽度为焊道中心两侧各200mm范围；背缝清根前同样需要预热；用表面温度计在焊道中心两侧50mm处对称测量，测量点不少于3对；层间温度不低于预热温度，且不高于200℃；焊缝预热时，用温度控制箱和陶瓷加热器加热，并辅以烤枪进行预热，温度控制到位。

填充焊和盖面焊要采用多层多道焊接，除打底和盖面焊外，中间各层在焊接时伴以小锤锤击消除应力，或者用风铲对焊缝进行锤击，使焊道表面得以伸展，减少焊接应力，避免裂纹产生。

卷筒结构上除对接焊缝需要进行中间过程的超声波探伤外，其他组合焊缝的焊接须连续操作一次完成，要求三班作业连续焊，需配备能操作气刨的焊工，技术质检员进行全程监控。

4. 焊接工艺

（1）总体装配焊接顺序 卷筒结构的装配及焊接总体顺序如下：第一，单个卷筒卷制拼装完毕，先进行纵缝的焊接。第一道封底焊采用CO2气体保护焊，内外填充焊及盖面采用埋弧焊的直缝焊。

第二，两个单卷筒组装完成后进行环缝的焊接。第一道封底焊采用CO2气体保护焊，内外的填充及盖面焊在焊接滚轮架上采用埋弧焊。

第三，进行轮辐板I（II）和轮毂I（II）单件组装后的环形对接缝的焊接，第一道封底焊采用CO2气体保护焊，正反面填充焊及盖面采用埋弧焊的环形焊。

第四，进行轮辐板I、II和卷筒体组合焊的焊接，采用CO2气体保护焊和埋弧焊。

第五，焊接筋板与轮辐板和轮毂的组合焊缝，采用CO2气体保护焊。

（2）卷筒体纵缝和环缝的焊接 卷筒体纵缝和环缝的焊接，纵缝第一道封底焊采用CO2气体保护焊，内外填充及盖面焊采用埋弧焊的直缝焊。环缝第一道封底焊采用CO2气体保护焊，内外的填充焊及盖面在焊接滚轮架上采用埋弧焊的焊接方法。

焊接顺序如下：

第一，在定位加固焊完成后，从内侧开始焊接，第一道和第二道先CO2气体保护焊打底，环缝由二人从中间对称往两侧退步施焊。

第二，内侧第三层焊开始采用埋弧焊逐层逐道施焊，当内填充坡口焊缝厚度达到30mm左右时，转背面清根。

第三，用碳弧气刨在卷筒体外侧进行清根，并对其焊道进行打磨清理，将焊道表面碳层清理干净露出金属光泽后，采用埋弧焊逐层逐道施焊，当外侧焊道填充量厚度达到20mm左右，总焊缝厚度50mm左右，暂停施焊。

第四，焊接完成24h后，对已焊部分焊缝按DL5019规范的一类焊缝要求进行超声波探伤检测。检测合格后重新预热，筒体内侧焊缝采用埋弧焊逐层施焊完成，最后将筒体外侧的焊缝逐层逐道焊完，中间不再中断焊接。

图1 焊缝坡口示意

第五，对卷筒整条焊缝按DL5019规范的一类焊缝要求进行探伤检测。

（3）轮辐板与轮毂的焊接 先按图样要求进行装配，注意轮辐板与轮毂端面留出机加工余量，平焊位置进行焊接。

第一，轮辐板与轮毂装配检查合格后进行焊接；将坡口未定位焊侧朝上（装配工艺要求定位焊在小坡口侧），按规定要求进行预热。

第二，第一道打底焊由一名焊工分段退步进行焊接，采用脉冲气体保护焊。

第三，第二层开始采用埋弧焊，利用特制的焊接轨道和改装的焊接小车逐层施焊，要求每层焊接接头应错开15~20mm。第二、三层一道焊接完成。

第四，第四层开始，每层由二道焊接完成，当焊缝填充量达到焊道深度的一半时，即填充坡口焊缝厚度达到25mm左右，转背面清根。

第五，用碳弧气刨对背缝进行清根，并对焊道进行打磨清理，将焊道表面碳层清理干净直至露出金属光泽。进行反面焊缝的焊接，采用埋弧焊逐层进行焊接，当焊缝总厚度40mm左右，即反面坡口深度剩余10mm左右时，翻面转向正面焊缝的焊接。

第六，逐层逐道完成正面的外填充焊和盖面焊缝，盖面层焊缝由三道焊接完成。再翻面逐层逐道完成反面的填充和盖面焊。

第七，焊后24h，对已完成的焊道按DL5019规范要求的一类焊缝进行超声波探伤检测。

（4）轮辐板与卷筒体的焊接 轮辐板（轮毂）与卷筒体装配检查合格后进行焊接（要求装配点焊在外侧坡口侧），卷筒体处于卧式，用焊接滚轮架进行支承。轮辐板与卷筒体的焊接，由两名焊工采用气体保护焊分段对称焊接，始终处于立焊位。焊缝圆周分成四个象限（见图2）。

先焊接一、三象限内侧焊缝，第一道打底焊采用脉冲气体保护焊，由两名焊工分段对称进行焊接。第二层开始逐层逐道施焊，要求每层焊接接头应错开15~20mm，打底焊二层和填充焊二层，焊缝厚度在20mm左右；在外侧气刨清根，打磨后进行焊接，焊接三层焊缝。此后的填充焊缝，内外各布置一名焊工，左右部位对称进行焊接，将整条焊缝焊接达到45mm的厚度。

然后进行第二、四象限焊缝的焊接，方法同第一步。两人对称完成第一、三象限内填充焊缝的焊接，只留最后一道盖面焊缝；两人对称完成第二、四象限内填充焊缝的焊接，也只留最后一道盖面焊缝。最后一道盖面焊缝，里、外各布置一名焊工，左右对称完成盖面焊缝的焊接。

焊接完成24h后，对已完成的焊道按DL5019规范要求的一类焊缝进行超声波探伤检查。

（5）筋板的焊接 内外环缝焊接完后，再装配内侧筋板，采用CO2气体保护焊进行焊接，二人在对称焊缝位置施焊。

5. 焊缝消应力处理

该卷筒体结构的两端焊缝集中，板厚较大，考虑到制造条件，采取的消应力处理措施主要有以下几点：①在坡口设计上，为减少焊缝填充量，采用机加工坡口，控制坡口开口端尺寸。②焊前预热焊后缓冷措施，避免产生裂纹。清除焊接区水分，避免产生气孔和氢致延迟裂纹。合理安排装配和焊接的顺序，有利于控制焊接变形。③焊接过程控制热输入，采用分层分区、退步焊和多层多道焊。④为保证焊缝根部母材的熔合，采用高效脉冲焊机进行焊接；中间填充焊和盖面焊采用热输入较小的气体保护焊方法；中间层焊接过程，配合锤击消除焊接应力。⑤除纵缝和环缝采用二次探伤的工艺外，其他组合焊缝均须一次性完成焊接，中间不允许中断。⑥所有焊接完成后，按预定工艺进行消应力退火处理。

6. 结语

对完成的16个卷筒结构的质量检查分析，所有焊缝进行100%UT、PT检测，一次合格率达到96%。每条焊缝抽检25%进行TOFT检测，均达到要求。焊缝外观无咬边、焊瘤及弧坑等成形不良缺陷。经检测各项结构尺寸符合图样要求，有效保证了下一道加工工序的质量。

图2 焊缝象限的划分