風機葉片堆焊工藝研究

摘　要：目的　提高風機葉片的壽命。方法　為改變葉片表面耐磨性能，對其進行強化處理。選擇了強化方法及材料，確定了工藝及措施，并運用于生產實際。結果　葉片壽命提高 4 倍左右，保證了風機在一個大修期內不會因磨損而造成停機。結論　作者研究得出的堆焊技術，經生產實際檢驗，是切實可行的，可以推廣至同類應用場合。
關鍵詞：風機葉片；壽命；堆焊

 

引　言

鍋爐是火力發電的動力源。排粉機、 引風機（統稱風機）是鍋爐機組中的重要組成設備。排粉機用于輸送煤粉；引風機用來抽吸煙氣，使其經煙囪排煙。太原一電廠 1#～8# 鍋爐機組的風機葉輪，在工作過程中，因轉速高（1 480 r/min 以上），且承受一定的風壓，葉片會受到塵埃顆粒及煙氣的摩擦與腐蝕作用，一般運行 7 個月左右，就會發生葉片被沖刷磨穿現象，導致葉輪壽命下降，需要停機檢修。這會造成相應的鍋爐機組停止運行，不僅增加了工人維修的勞動強度，加大了裝拆費用、 備品備件用量及相應費用，更為嚴重的是停機會影響發電量，造成嚴重的經濟損失及社會影響。

如何提高風機葉片的壽命（zui起碼在鍋爐的一個大修期內不發生磨損破壞），是迫切需要解決的一個重要問題。作者根據風機使用的工作條件，對葉片磨損原因進行了分析，基于提高葉輪葉片壽命的需要，對葉片表面進行強化處理。選擇了堆焊方法及堆焊材料，確定了堆焊工藝，并應用于生產實際，取得了令人滿意的效果。

1　風機葉輪結構及技術要求

鍋爐機組的風機規格一般不統一，葉輪直徑在 （1 600～2 000） mm 之間。作者以直徑 1 600 mm 的排粉機葉輪為例加以說明。圖 1 為葉輪結構示意圖。


圖 1　葉輪結構示意圖
Fig.1　Scheme of the fan blade

對葉輪的技術要求：
（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） 經靜、 動平衡校正。

2　葉片強化方法及材料的選擇

磨損是一種與材料表面狀態有關的現象。要提高葉輪的壽命，必須對葉片表面進行強化，使其能經受住磨損。

2.1　磨損原因分析

作者現場考察了已磨損葉片的表面狀況，發現磨損zui嚴重的部位已成豁口狀（局部磨穿），稍嚴重部位已磨成薄刃狀，其他部位的表面磨成一道道微細溝槽。根據現場工作條件，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，在風壓作用下，對高速運轉的葉片表面進行了顯微切削，造成了葉片的磨損[1]。

2.2　選擇強化方法

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

在試板上分別進行了氧乙炔噴焊與電弧堆焊的對比試驗。噴焊（噴涂后重溶）加熱速度慢、 加熱時間長，導致試件變形嚴重，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的堆焊材料進行了對比試驗，結果如表 1 所示。
表 1　堆焊材料對比試驗
序號 生產地 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　堆焊工藝及結果

3.1　堆焊工藝

工藝是影響堆焊質量的重要因素。根據對葉輪的要求，把堆焊葉片的工藝重點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，進行了工藝試驗。作者分別采用不同規范參數對各組試件堆焊，然后比較各組的硬度值結果，選擇出較理想的工藝規范。

試驗時，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，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。試驗結果如表 2 所示。
表 2　工藝規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

作者認為：采用第 3 試件組的工藝規范效果。

為減少母材熔化量，應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才能找到*組合。

焊工操作時需注意以下兩點：

（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，在驗收時不僅需作靜、動平衡試驗，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，產生焊接應力，導致焊接變形等，故還需采取適當工藝措施，才能把葉輪變形控制在公差范圍內[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，轉動葉輪，在對稱葉片相應位置，堆焊另一粉塊，順序如圖 2 所示。如此循環往復，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，熱應力變小。這與降低稀釋率的要求是一致的。

3.2　結　果

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

4　結　論

經實際生產考驗，該堆焊技術是切實可行的，可以大大提高風機葉片的使用壽命，該技術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：材料成型加工.
丁京濱（華北工學院 材料工程系，山西 太原 030051）
曹海燕（太原理工大學，山西 太原 030024）
張保富（太原一電廠，山西 太原 030024）