用于生产转子的工艺 【技术领域】
本发明涉及一种用于生产转子、 特别是用于产生和 / 或转换动能和 / 或电能的发 电机或涡轮转子的工艺。 【背景技术】
已知通过将单独的、 经过加工的圆盘焊接在一起以形成一个单元来生产蒸汽轮机 或燃气轮机的大型涡轮机的转子。例如， 在 H 595 011 中描述了用于生产转子的现有技术 常规步骤。根据此文献， 通过以分步方式将单独的圆盘结合在一起来装配转子。在该工艺 中， 首先将待结合的两个圆盘彼此压靠、 加热并且然后焊接在一起。然后， 通过重复所述的 三个步骤逐步安装更多圆盘， 直到整个转子完成为止。 所有步骤在共同的加热设备中执行。 EP 0 604 754 A1 公开了一种用于从单独的标准化转子零件生产涡轮转子的工艺， 该转子 零件已关于彼此同时生产， 以最大限度地减少最终生产步骤。 用于通过上述公知工艺生产转子的所有生产系统必须是为最终产品尺寸设计的。 构成此类大型制造装置是昂贵的， 因为这些处于物理上可行的临界值， 并且只能通过高昂 的技术费用构成。另外， 大型制造装置对于生产小型转子在技术上不适合并且在财务上不 经济。 EP 0 604 754 A1 中也说明这种缺点。 为了满足变化无常的市场需求， 需要最高可行 的灵活性。
DE 23 24 388 说明了在竖直转子轴线的情形中产生高质量根部接缝需要复杂和 昂贵的焊接工艺， 并且当竖直安装大型转子时， 除不可控性以外， 可能出现技术难题。 DE 23 24 388 中提出的又一缺点是转子必须在温热状态下通过公知工艺从竖直位置转移到水平 位置， 其中将所有圆盘按顺序装配在转子的竖直位置并且通过根部焊缝焊接在一起。DE 23 24 388 提到简化技术工艺流程、 增加劳动生产率和减少资本投资的目的。在 DE 23 24 388 中， 通过在水平位置装配并焊接转子使得在装配操作之后不需要重新设置来实现这些目的。
CH 595 011 描述了使用 TIG(Tungsten Insert Gas， 钨极惰性气体 ) 焊接工艺在 水平方向上将一个圆盘与下一圆盘结合， 并且执行埋弧焊 (SAW) 工艺来填充剩下的槽。在 此情形中， 以分步方式将一个圆盘与另一圆盘结合， 接下来， 在将下一圆盘轴向附接在水平 方向上并且重复程序之前进行预热、 预焊接和终结焊接。此文献说明了在每个预焊接操作 之后必须将加热箱的尺寸延长至圆盘堆叠的新长度以进行终结焊接， 或者必须匹配逐步增 加的转子长度， 因为所有生产步骤都是在共同的设备中执行的。 CH 595011 公开在任一情形 中都可将两个另外的圆盘预热和预焊接使得然后在任一情形中都能够借助于埋弧焊工艺 同时填充两个槽， 因为埋弧焊工艺持续很长时间。加热箱的尺寸因此在任何情况下都能够 通过两个元件一同膨胀。 最终， 在已以分步方式将所有圆盘焊接上时， 对转子进行应力消除 退火工艺并且然后进行超声检测。
【发明内容】
相应地， 本发明基于开发克服现有技术的缺点的用于生产转子的工艺的目的。通过提供用于生产转子的工艺实现此目的， 该转子是通过将盘形和 / 或鼓形的元 件 ( 特别是圆盘 ) 焊接在一起而制成， 其中使用一装置将这些圆盘沿纵向轴线 A 按顺序轴 向结合在一起， 并且在两级焊接工艺中焊接这些圆盘。 根据本发明的第一实施例， 在竖直方 向上轴向堆叠圆盘。随后在被堆叠的圆盘的该竖直定向上进行第一焊接工艺， 接下来是在 被堆叠的圆盘的水平定向上的第二焊接工艺， 其优选地不同于第一焊接工艺。
竖直定向应被理解为意味着圆盘的纵向轴线定向在竖直方向上， 而水平定向相应 地意味着圆盘的纵向轴线的水平定向。因此在竖直方向上将圆盘同轴地堆叠在彼此的顶 部。
本发明的核心因此在于提出一种用于生产转子的工艺， 其包括用于将转子元件焊 接在一起的两级工艺， 不同的生产步骤在转子的纵向轴线的不同定向上执行。
此生产工艺使得可采用更大的尺寸构成转子， 大于使用锻造工艺的整体式轴。与 现有技术相比， 因此仅需为更大的转子尺寸设计单独的生产系统。
根据又一优选实施例， 第一焊接工艺， 也被称为预焊接， 是根部焊接工艺， 特别优 选钨极惰性气体焊接工艺， 而第二焊接工艺为填充焊接工艺， 特别优选埋弧焊工艺， 最优选 双丝串联窄间隙工艺。 在根部焊接工艺期间， 两个相邻的圆盘之间的槽仅在深度上， 即靠近 圆盘的中心孔被充分密封， 使得该叠圆盘能够倾斜。 大多数槽在预焊接之后保持未被填充。 在填充焊接工艺期间， 槽被填充， 这一般借助于形式为至少一根焊丝的附加材料来完成。
在第二焊接工艺之后， 并且如果适当， 在材料去除车削操作 (turningoperation) 之后， 转子有利地进行退火并且优选地附加进行质量检测操作。质量检测操作例如借助于 超声波执行。
根据又一优选实施例， 将圆盘在水平位置进行粗车削并且然后在竖直方向上被堆 叠在彼此的顶部达到预定尺寸或长度。 优选地当已结合在一起的圆盘的纵向轴线仍处于竖 直定向上时仅执行第一焊接工艺。 被堆叠的圆盘， 其通过第一焊接工艺进行预焊接， 然后倾 斜回到水平位置， 并且然后在被堆叠的圆盘上执行第二焊接工艺， 其纵向轴线 A 被水平定 向。
第二焊接工艺优选地接下来是使被预焊接、 被堆叠的圆盘倾斜回到竖直位置， 并 且当它们的纵向轴线在水平定向上时， 对这些圆盘进行热处理， 特别是应力消除退火工艺， 热处理优选地在退火炉中进行或就地进行。
根据本发明的又一优选实施例， 在热处理之后， 使已被彼此焊接的圆盘倾斜回到 水平位置， 然后当它们的纵向轴线处于水平定向上时， 如果合适， 优选地对这些圆盘进行材 料去除车削操作并且优选地特别是通过超声波进行附加的质量检测操作。
本发明的又一优选实施例的特征在于， 在已通过将被堆叠的圆盘焊接在一起而制 成转子之后， 对转子进行局部热处理， 特别优选局部应力消除退火工艺， 仅对在焊接工艺期 间产生的焊缝进行退火， 其中特别是使用感应元件和 / 或电阻元件。这使得可避免使用大 的加热室， 并且这在生产工艺期间能够降低成本。
另外， 在最后生产步骤， 在转子上， 优选地在局部部位， 特别优选地仅在焊缝处， 能 够通过超声波执行质量保证操作。这意味着无需使用与整个转子的尺寸匹配的退火炉。这 同样使得可降低成本。
根据下一个优选实施例， 在第一焊接工艺期间和 / 或在第二焊接工艺期间使用至少一条辅助丝。 该附加材料， 其形式为焊丝， 能够从转子、 圆盘或锻造元件的基部材料提取。 这种同质性是特别有利的。基部材料和 / 或焊丝的材料优选 “低合金、 耐热、 超净 NiCrMo 等 级” 。
如已在导言中提及， 根据本发明的工艺具有并非所有生产机器都必须足够大以便 它们能够容纳转子的整体长度的优点。根据又一优选实施例， 大致被竖直定向的生产系统 和大致被水平定向的生产系统适合容纳转子的总长度。其它生产系统能够更小。
根据本发明特别优选的实施例， 通过将从圆盘制成的两个转子半体焊接在一起形 成转子。根据又一优选实施例， 将优选至少两个、 优选三到十个、 特别优选五到七个圆盘结 合在一起以形成转子半体。 圆盘优选地在竖直定向上被堆叠在彼此的顶部直到达到转子半 体的预定长度为止。以这种方式装配的转子半体优选地通过如权利要求 1-7 中任一项所述 的工艺进行生产。 在此情形下， 每个转子半体具有基部和本体， 第一转子半体的基部被焊接 在第二转子半体的根部上。
转子优选地通过在两级焊接工艺中将两个预制转子半体焊接在一起制成。 在此情 形下， 如果当转子半体的纵向轴线处于竖直定向上时执行第一焊接工艺， 并且当转子半体 的纵向轴线处于水平定向上时执行第二焊接工艺则是有利的。 这两个转子有利地通过首先 执行根部焊接工艺 ( 优选钨极惰性气体焊接工艺 )， 并且然后执行填充焊接工艺 ( 优选埋弧 焊工艺 ) 而被结合在一起。 本发明的又一优选实施例， 其中将两个转子半体焊接在一起以形成转子， 特征在 于， 在第一焊接工艺中在竖直定向上预焊接从两个转子半体装配而成的转子， 使被预焊接 的转子倾斜到水平位置并且随后在第二焊接工艺中在水平定向上进行加工。 然后使转子倾 斜回到竖直位置， 转子在竖直定向上进行应力消除退火工艺， 优选地仅在局部部位进行， 特 别优选地仅在焊接部位进行。在热处理之前， 如果适合， 取决于相应机器的定向， 可将转子 附加进行材料去除车削操作， 这可在转子的水平位置或竖直位置中执行。
根据本发明特别优选的实施例， 转子包括长度相等的两个转子半体。 然而， 转子还 可从不同长度的两个转子半体装配而成， 即， 这些转子半体例如从不同数量的圆盘装配而 成。
根据本发明的多级生产工艺特别涉及包括预制转子半体的转子的生产。 转子半体 优选地通过将单独粗车削和加工的圆盘焊接在一起而进行生产， 这在与其它转子半体生产 的同时逐步发生。 粗车削和装配单独圆盘的以形成转子半体、 每个转子半体的预焊接、 终结 焊接 (finish-welding) 和热处理的加工步骤优选地在这些预制的转子半体被焊接在一起 以形成转子之前全部完成。 优选地在将两个半体焊接在一起以形成转子单元之前完全预加 工每个转子半体， 并且随后仅在生产工艺结束时将转子作为一体进行加工。
在优选根部焊接工艺、 特别优选 TIG 焊接工艺的第一焊接工艺期间， 以及在优选 填充焊接工艺、 特别优选埋弧焊工艺的第二焊接工艺期间， 使用诸如辅助丝的附加材料都 是有利的。该焊丝有利地由与单独的锻造零件例如圆盘相同的材料组成。该丝因此能够 从转子元件或焊接的发电机的基部材料提取。如果基部材料是所谓的 “低合金、 耐热、 超净 NiCrMo 等级” 则是特别有利的。
【附图说明】下面结合附图基于示例性实施例更详细地说明本发明， 在附图中 ：
图 1 是第一生产步骤、 或单独圆盘的粗车削的示意图 ；
图 2 是第二和第三生产步骤、 或从单独的圆盘构成转子半体、 以及其中通过 TIG 焊 接工艺预焊接转子半体的第一焊接工艺的示意图 ；
图 3 是第四生产步骤或第二焊接工艺的示意图， 其中预焊接的转子半体随后通过 埋弧焊工艺进行加工 ；
图 4 是第五生产步骤或预制的转子半体在应力消除退火炉中的热处理的示意图 ；
图 5 是第六和第七生产步骤、 或转子半体的终结加工 (finish-processing) 以及 通过超声波监控质量的示意图 ；
图 6 是第八和第九生产步骤、 或装配两个半体半体以形成转子以及在两个转子半 体的接触面预焊接的示意图 ；
图 7 是第十生产步骤或转子的终结焊接的示意图 ； 以及
图 8 是第十一和第十二生产步骤、 或转子的局部热处理以及质量监控的示意图。
附图标记列表 ：
1a 第一转子半体
1b 第二转子半体 2 转子 3 夹紧装置 4 车床 5 用于根部焊接的第一焊机， TIG 焊机 6 用于填充焊接的第二焊接机器， 埋弧焊机 7 用于应力消除退火的退火炉 8 局部应力消除退火装置 9 紧固唇缘的接触部位 10 感应元件和 / 或电阻元件 11 1a/1b 的基部 12 1a/1b 的本体 A 1a、 1b 和 2 的纵向轴线 L 1a 或 1b 的长度 L’ 2 的长度【具体实施方式】
图 1 是第一生产步骤的示意图， 其中对第一部分或单独的圆盘进行粗车削。圆盘 应被理解为意味着转子 2 相对于转子 2 的纵向轴线 A 的轴向区段， 其中圆盘的轴向长度也 可大于其直径， 这样圆盘还完全有可能是鼓形转子元件。圆盘优选地具有中心孔。将这种 类型的圆盘大致水平地夹紧在机器中以关于所述圆盘的纵向轴线 A 在轴向上进行粗车削， 夹紧优选地在两个夹爪之间实现。当它被夹紧在相关机器中的同时， 圆盘优选地关于其纵 向轴线 A 自由旋转。
图 2 是第二和第三生产步骤、 或从单独的圆盘构成转子半体 1a 以及第一焊接工艺的示意图。与 DE 23 24 388 中的推荐相反， 首先将粗车削后的圆盘相对于圆盘的纵向轴线 A 在基本上竖直的位置被轴向堆叠在彼此的顶部。已被结合在一起的圆盘的数量根据转子 的尺寸变化。 一般将至少两个、 优选地三到约十个圆盘、 特别优选地五到七个圆盘安放在彼 此的顶部上， 并且这些圆盘然后共同形成转子半体。一般在竖直方向上以金字塔的方式堆 叠单独的圆盘。圆盘可具有不同直径。该堆叠圆盘的最底下的圆盘优选地为具有最大外径 的圆盘。为了说明转子尺寸， 在图 2 中的左手侧上在顶部示出一个人。从该图能推导， 如在 此所示， 转子半体约为成人身高的五倍。如果假设成人的平均身高是约 1.60-1.80 米， 则转 子半体 1a、 1b 的轴向长度达约八至九米。然而， 取决于将多少圆盘结合在一起并且取决于 待生产的机器的尺寸， 转子半体 1a、 1b 的轴向长度能够是约二到十二米， 优选四到十米， 特 别优选约七到九米。 整个转子 2 的长度然后为从 4 到 24 米， 优选 8 到 20 米， 特别优选 14-18 米。在本文中， 转子半体 1a、 1b 应被理解为意味着组成整个转子 2 的长度的 50％的轴向转 子部分、 以及组成整个转子 2 的不同比例的转子部分。因此， 并非绝对需要通过将长度相等 的两个转子半体 1a、 1b 结合在一起而形成转子 2 ； 取而代之， 一个转子半体 1a、 1b 也可以具 有比另一半体更多或更少的圆盘。
在圆柱形圆盘的中心设置了偏移， 即， 圆盘的顶侧设有中心环形伸出部或紧固唇 缘， 其插入在竖直方向上安放在顶部上的下一个圆盘的底侧上对应的中心环形凹部或槽 中。下一个圆盘的顶侧又设有环形伸出部， 其能够插入在轴向上的竖直位置安放在顶部上 的再下一个圆盘的底侧上对应的环形凹部中。然而， 圆盘也能够经由相邻圆盘之间其它可 堆叠、 对应的结构进行堆叠。 在圆盘筒体的径向上测量， 将在两个相邻堆叠的圆盘之间焊接的槽的深度一般为 约 100-500mm， 优选 250-400mm， 特别优选约 300mm。槽在轴向上的宽度约为 10-30mm， 优选 约 20mm。
在第一焊接工艺中， 单独的圆盘的紧固唇缘， 其总是处于基本上竖直的位置， 然后 在预焊接工艺中在槽的深度中被焊接在一起。 该第一焊接工艺， 其对应于根部焊接工艺， 优 选为自动钨极惰性气体 (TIG) 焊接工艺。两个相邻圆盘之间的重叠偏移提供了焊接材料， 优选地连同作为附加材料的至少一根焊丝一起。该焊接工艺向下执行到周围剩余槽的约 10-30mm 处， 并且两个相邻圆盘之间的槽除具有 9-15mm 宽度的环外填充有附加材料。宽周 槽因此保持基本上是空的。因此， 预焊接基本上用来准备用于倾斜到水平位置的 “圆盘堆 叠” 。 环形焊缝在中心孔周围基本上被密封， 这样相邻圆盘在单独的圆盘之间的槽的深度暂 时粘在一起， 并且因此这些圆盘能够倾斜而不会使该 “圆盘堆叠” 倒塌。
在钨极惰性气体 (TIG) 焊接工艺期间， 用作热源的电弧在不可熔钨电极与工件之 间燃烧。惰性保护气体保护熔化的焊接材料免受周围空气。在根据本发明的 TIG 焊接的应 用中， 供应从与待焊接的元件的基部材料相同的材料制成的实心丝作为附加材料。
在图 3 中示意性地示出的第四生产步骤中， 转子半体， 其优选地如上所述通过 TIG 焊接工艺进行预焊接， 随后在对应于填充焊接工艺的第二焊接工艺中、 优选地在埋弧 焊 (SAW) 工艺中进行加工。为此， 使预焊接的转子半体从竖直位置倾斜到基本上水平的位 置。在 TIG 焊接工艺之后保持的环形槽或窄间隙槽或填充焊缝优选地在计算机控制下进行 填充， 并且优选地使用用于窄间隙的自动焊接和焊缝定位系统， 优选地在 AC 电流采用两根 丝， 即双丝串联窄间隙焊接工艺。这些丝优选地从与基部材料相同的材料即圆盘本身的材
料提取。 埋弧焊 (SAW) 工艺是全机械弧焊工艺， 其中在焊粉下燃烧的电弧将附加的焊接材 料熔化掉。作为焊渣层， 熔化的粉末保护焊池免于空气进入并提高焊缝的质量。根据本发 明， 埋弧焊工艺特别与作为埋弧窄间隙焊接工艺设置的双丝串联焊接工艺相关。埋弧焊工 艺的主要优点在于它基本上无排放的事实， 因为电弧在粉末层内燃烧并且仅释放少量气 体， 而且还在于它具有高热效率和很少的故障源。
然后将终结焊接， 并且如果适当将车削后的转子半体传递回到竖直位置， 以在第 五生产步骤中进行热处理 ( 焊接后热处理， PWHT)， 如图 4 中示意性地示出。这优选地以退 火炉中应力消除退火的形式发生。
应力消除退火用来减少通过焊接或通过随后的不规则冷却制成的钢结构的内 部应力。在不具备应力消除退火生产步骤的情况下， 这种内部应力将导致进一步处理和 / 或随后的热处理期间与扭曲有关的几何偏差或甚至折断。在应力消除退火期间， 诸如 强度和延展性的其它材料特性未被明显改变。应力消除退火通常在 500 ℃ -750 ℃、 优选 550℃ -650℃的温度范围内在退火炉中执行， 材料开始根据应力塑性屈服。 退火之后是随后 在炉中的缓慢和受控制的冷却。 在焊接期间使用由与圆盘本身相同的材料制成的焊丝作为 附加材料与退火期间可能的最均匀的条件的优点相关。
在这种热处理后， 使已完全预制成的终结处理的转子半体倾斜回到水平位置 ( 参 见图 5)。在该水平位置， 转子半体进行可能的终结加工以及通过超声波的质量监控 ( 无损 检测， NDT 检测 )( 第六和第七生产步骤 )。转子半体的模块化生产使得可在恰当的时间识 别缺陷， 这里特别是在相关的转子半体上确定这些缺陷， 并且修复这些缺陷。
优选地对每个转子半体执行到现在为止描述的生产步骤。换句话说， 能够在并联 加工中以这种方式预制这些转子半体， 或根据图 1-5 所示的前述生产步骤制造每个转子半 体。
图 6 是第八生产步骤的示意图， 其中将两个预制的转子半体结合在一起。该生产 步骤优选地在与在图 2 中示出的第二和第三处理步骤相同的系统中执行。这里， 转子半体 被 “背靠背” 地安装在彼此之上， 即， 一个转子半体的基部接触第二转子半体的基部。基部 应该理解为意味着第一圆盘的底侧， 其将在第二生产步骤中形成的圆盘堆叠中在底部位于 右侧。
在该竖直位置， 两个转子半体之间的接触面之间的槽在第九处理步骤中被预焊 接。与转子半体的生产中一样并且对于将该堆叠圆盘焊接在一起而言， 这优选地通过自动 TIG 焊接工艺发生。
为了执行在图 7 所示的下一个 ( 第十 ) 生产步骤， 已通过将两个转子结合在一起 而形成的转子必须从基本上竖直的位置倾斜回到基本上水平的位置。如上所述， 在水平位 置， 然后在更新的填充焊接工艺中对转子进行终结焊接。当从单独的圆盘生产单独的转子 半体时该最后的焊接工艺优选地又对应于第二焊接工艺， 即， 优选地又对应于埋弧焊工艺。
如图 8 中示意性地示出， 最终执行第十一和第十二生产步骤。这里， 将转子特别是 在其焊接区域中进行局部热处理。在该部位未执行优选采用的应力消除退火工艺， 与转子 半体在退火炉中进行热处理以便处理整个工件的情况不一样， 而是仅在转子的局部部位进 行热处理。这种应力消除退火的集中通过感应元件和电阻元件实现。这无需如在常规应力
消除退火工艺的情形中所需的大型加热箱。在某些情形下， 热处理可接下来是转子的材料 去除车削操作或终结加工。
另外， 对完成的转子进行最终质量监控 (NDT 检测 )， 其优选地通过超声波执行。