一种冲击式转轮3D堆焊方法及结构与流程

本发明属于水轮机领域，尤其涉及一种冲击式转轮3d堆焊方法及结构。

背景技术：

冲击式转轮受交变应力幅值较大，容易产生疲劳破坏，历史上多个电站铸造水斗出现断斗事故。现阶段冲击机组转轮的主要生产方式为锻造加数控加工成型，这种加工方式基本没有材料缺陷，电站运行反馈良好，已是现在冲击转轮生产的主要方式。

转轮材料为不锈钢材质，锻造阻抗太大，国内最大锻造业绩锻件毛坯重量不到40吨，直径不超过4米。目前国内最大冲击式水轮机的单机容量为10几万千瓦，对应转轮最大直径不到4米，可满足现阶段机组生产要求。然而，随着技术的发展和国内电站的需求，急需冲击机组单机扩展到百万千瓦级别，对应整锻毛坯重量将达到200多吨，直径达到6米以上。目前国内最大的自由锻压机（18500吨压力机）理论最大不锈钢锻件生产能力为100吨，产品实际需求已经远远超过设备制造能力。

技术实现要素：

本发明是为了克服现有技术中的上述不足，提供了一种降低锻造难度、满足目前锻造设备制造能力要求的冲击式转轮3d堆焊方法及结构。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种冲击式转轮3d堆焊方法，包括以下步骤：

a.找出水斗和圆盘之间应力较低的区域，在低应力区绘制出堆焊分界线；

b.通过锻造生产圆盘并进行验收；

c.根据堆焊和热处理可能产生的变形量大小，预留出圆盘的加工余量，根据堆焊分界线在锻造圆盘边缘加工形成堆焊分界面；

d.在锻造圆盘边缘的堆焊分界面上进行3d堆焊制造出所有水斗；

e.堆焊出全部水斗后，进行整体去应力热处理，探伤合格后进行精加工。

这样，高应力区的圆盘采用锻造成型，低应力区的水斗采用3d堆焊成型，极大地扩展了转轮的生产能力，使得百万千瓦冲击转轮的生产成为可能。此外由于整锻转轮锻件毛坯和最终转轮的质量比接近3，造成了较大的材料浪费，而采用3d堆焊结构，可有效避免水斗间大量材料的浪费。

作为优选，步骤a中，对转轮进行有限元计算，根据有限元计算结果，找出应力较低的区域。

作为优选，步骤a中，根据锻造厂的制造能力和经济性，确定堆焊分界线的线型，分别为“i”型、“u”型和“v”型。

作为优选，当堆焊分界线选择为“i”型时，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工平行于圆盘轴线的堆焊分界面；步骤d中，在锻造圆盘的堆焊分界面沿平行于堆焊分界面依次向外分层堆焊出水斗结构。

作为优选，当堆焊分界线选择为“u”型时，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工出平行于圆盘轴线的外分界面，在锻造圆盘外边缘的上下两侧加工出垂直于外分界面的上分界面和下分界面；步骤d中，先在上分界面和下分界面进行分层堆焊，直至上分界面和下分界面的堆焊区外侧面与外分界面平齐，之后在堆焊区外侧面和外分界面上向外分层堆焊出水斗结构。

作为优选，当堆焊分界线选择为“v”型时，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工出平行于圆盘轴线的外分界面，在锻造圆盘外边缘的上下两侧加工出相对外分界面倾斜的上分界斜面和下分界斜面；步骤d中，先在上分界斜面和下分界斜面进行分层堆焊，直至上分界斜面和下分界斜面的堆焊区外侧面与外分界面平齐，之后在堆焊区外侧面和外分界面上向外分层堆焊出水斗结构。

一种冲击式转轮3d堆焊结构，包括圆盘，所述圆盘的外缘设有围绕圆盘外圆周等角度排列的水斗连接部，所述水斗连接部的外端设有堆焊分界面，所述堆焊分界面上设有分层堆焊的水斗部，所述水斗部与水斗连接部连接为一体。

作为优选，所述堆焊分界面呈i形，所述堆焊分界面平行于所述圆盘的轴线。

作为优选，所述堆焊分界面呈u形，包括位于水斗连接部外端的外分界面以及位于水斗连接部外端上下两侧的上分界面和下分界面，所述上分界面和下分界面分别垂直于外分界面。

作为优选，所述堆焊分界面呈v形，包括位于水斗连接部外端的外分界面以及位于水斗连接部外端上下两侧的上分界斜面和下分界斜面，所述上分界斜面和下分界斜面分别倾斜于外分界面。

本发明的有益效果是：（1）通过锻造圆盘并在圆盘上堆焊形成水斗结构，将锻造圆盘重量减少到80多吨，符合锻造设备的制造能力要求，降低生产难度；（2）堆焊位置位于低应力区，有效提高水斗根部强度，保证转轮整体可靠性；（3）采用3d堆焊结构，降低水斗成型所需材料，节约生产成本。

附图说明

图1是本发明堆焊分界线选择为“i”型的工艺流程图；

图2是本发明堆焊分界线选择为“u”型的工艺流程图；

图3是本发明堆焊分界线选择为“v”型的工艺流程图；

图4是本发明的一种结构示意图；

图5是本发明实施例1的结构截面图；

图6是本发明实施例1圆盘的结构截面图；

图7是本发明实施例2的结构截面图；

图8是本发明实施例2圆盘的结构截面图；

图9是本发明实施例3的结构截面图；

图10是本发明实施例3圆盘的结构截面图。

图中：圆盘1，水斗连接部1a，堆焊分界面11，上分界面11a，外分界面11b，下分界面11c，上分界斜面111，下分界斜面112，水斗部2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

一种冲击式转轮3d堆焊方法，包括以下步骤：

a.找出水斗和圆盘之间应力较低的区域，在低应力区绘制出堆焊分界线。可根据cfd计算压力分布结果，结合实际如模型试验水压测试数据，对转轮进行有限元计算，找出应力较低的区域。确定堆焊分界线的线型，分别为“i”型、“u”型和“v”型，可根据锻造厂的制造能力和经济性来进行选择。

b.通过锻造生产圆盘并进行验收；

c.根据堆焊和热处理可能产生的变形量大小，预留出圆盘的加工余量，根据堆焊分界线在锻造圆盘边缘加工形成堆焊分界面；

d.在锻造圆盘边缘的堆焊分界面上进行3d堆焊制造出所有水斗。3d堆焊利用机器人系统并采用cmt(coldmetaltransfer)冷金属过渡焊接技术，相对于传统的mig/mag焊接过程而言，热输入小、变形小、无焊渣飞溅、搭桥能力好、焊缝均匀一致、焊接速度高、运行成本低，提高了堆焊质量、减少了加工余量；

e.堆焊出全部水斗后，进行整体去应力热处理，探伤合格后进行精加工。

当堆焊分界线选择为“i”型时，如图1所示，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工平行于圆盘轴线的堆焊分界面；步骤d中，在锻造圆盘的堆焊分界面沿平行于堆焊分界面依次向外分层堆焊出水斗结构。堆焊时采用卧式双轴承回转工作台与机器人系统联合配合进行轨迹插补，堆焊路径平行于堆焊分界面，逐层堆焊出带加工余量的水斗形状，堆焊时焊接位置始终处于顶部，焊接时可有效减少流挂现象产生，有效保证焊接质量和成型效果。

当堆焊分界线选择为“u”型时，如图2所示，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工出平行于圆盘轴线的外分界面，在锻造圆盘外边缘的上下两侧加工出垂直于外分界面的上分界面和下分界面；步骤d中，先在上分界面和下分界面进行分层堆焊，直至上分界面和下分界面的堆焊区外侧面与外分界面平齐，之后在堆焊区外侧面和外分界面上向外分层堆焊出水斗结构。上述各阶段堆焊时利用变位机的回转使焊接位置始终处于顶部，可有效减少流挂现象产生。

当堆焊分界线选择为“v”型时，如图3所示，步骤c中，在锻造圆盘外边缘加工出平行于圆盘轴线的外分界面，在锻造圆盘外边缘的上下两侧加工出相对外分界面倾斜的上分界斜面和下分界斜面；步骤d中，先在上分界斜面和下分界斜面进行分层堆焊，直至上分界斜面和下分界斜面的堆焊区外侧面与外分界面平齐，之后在堆焊区外侧面和外分界面上向外分层堆焊出水斗结构。上述各阶段堆焊时利用变位机的回转使焊接位置始终处于顶部，可有效减少流挂现象产生。

实施例1：

如图4所示的实施例中，一种冲击式转轮3d堆焊结构，包括圆盘1，结合图5、图6所示圆盘1的外缘设有围绕圆盘1外圆周等角度排列的水斗连接部1a，水斗连接部1a凸出于圆盘1的外周，水斗连接部1a的外端设有堆焊分界面11，堆焊分界面11呈i形，堆焊分界面11平行于圆盘1的轴线。堆焊分界面11上设有分层堆焊的水斗部，水斗部与水斗连接部1a连接为一体。

实施例2

实施例2与实施例1的不同之处在于，如图7、图8所示，堆焊分界面11呈u形，包括位于水斗连接部1a外端的外分界面11b以及位于水斗连接部1a外端上下两侧的上分界面11a和下分界面11c，上分界面11a和下分界面11c分别垂直于外分界面11b。

实施例3

实施例3与实施例1的不同之处在于，如图9、图10所示，堆焊分界面11呈v形，包括位于水斗连接部1a外端的外分界面11b以及位于水斗连接部1a外端上下两侧的上分界斜面111和下分界斜面112，上分界斜面111和下分界斜面112分别倾斜于外分界面11b。