汽轮机叶片的焊接工艺（共6篇）
汽轮机叶片的焊接工艺 篇1
摘要：汽轮机末叶片锁口槽加工过程中, 因机床、刀具的限制, 圆角只能在机床上加工到R10后用扁铲剔除和旋转锉修到R3, 经常出现台阶、尖角。文中采用4倍速主轴增速器使加工锁口槽的机床最大转速由750r/min提高到3000r/min, 用Φ10的硬质合金立铣刀来替代高速钢立铣刀, 加工后的表面粗糙度可达到Ra1.6, 四周圆角可加工到R3。
关键词：过切,加工轨迹,锁口槽,硬质合金立铣刀
1 问题的提出
汽轮机转子叶轮与叶片是通过枞树型、倒T型、双倒T型轮槽等结构来连接的, 其中倒T型、双倒T型轮槽末叶片锁口槽中, 要求四周的圆角为R3, 锁口槽的深度为10～70mm, 表面粗糙度要求为Ra3.2。过去的加工方法是, 在轮槽精车完成后, 上镗床先用准20的立铣刀将四周的直线部分铣准, 受到机床、刀具以及工艺方法的限制, 圆角只能达到R10。再由钳工用扁铲剔除和旋转锉来靠手工完成修到R3。不仅质量差, 经常出现台阶、尖角, 而且加工效率低, 加工周期长, 给叶片的装配增加了困难, 有时导致叶片难以装配。为此, 必须改进锁口槽加工方法。
2 需要解决的问题
我们决定镗床进行加工试验。要想提高锁口槽加工质量及效率, 所有的表面必须全部由机械加工来完成。四周的R3必须用准6的立铣刀加工完成。这样需要解决两个问题:
(1) 切削速度
因为刀具的直径小, 很难达到正常的切削速度。要想提高切削速度, 只能提高主轴的转速。我厂加工锁口槽的机床最大的转速仅为750r/min, 这样要求我们采用主轴增速装置来提高刀具的转速, 提高切削的线速度, 以满足刀具的加工要求。通过调研, 我们选购了日本的一家公司生产的4倍速主轴增速器, 这样可将轴的转速提高到3000r/min, 解决了切削速度低的问题。
(2) 加工刀具
解决了切削速度问题后, 我们选择高精度硬质合金涂层立铣刀进行试验。采用高转速、小切深、大进给量。根据不同的轮槽型线配备了长度不等的准6～准20的高精度硬质合金涂层立铣刀, 取代沿用至今的高速钢立铣刀, 使锁口槽的加工能够高质量、高效率的完成。
3 工艺试验
编制了试验工艺, 通过采用高精度硬质合金刀具进行试验, 并且通过提高刀具的转速来提高切削速度, 加工出了能够达到设计要求的锁口槽, 可以使200MW以下机组的转子锁口槽加工标准化、规范化, 最终做到每一套刀具固定加工某一种型线的锁口槽。
我们首先进行铣削试验, 选择和转子相同材料的转子料头作为试验件进行试切削。步骤如下:
(1) 在主轴上安装强力夹头夹持准16硬质合金立铣刀, 在试验件上铣出与转子轮槽同宽的直槽, 然后按照锁口槽的型线单面留0.5mm余量, 加工锁口槽的轮廓, 通过反复试验, 选择了以下切削参数:准16硬质合金立铣刀, 型号216.34-16045-AC32N1620, 主轴转速750r/min, 切削速度37.68m/min, 进给量Vfx=10mm/min, Vfy=150mm/min。加工后工件表面粗糙度可达到Ra1.6。锁口槽的四边单面留余量0.5mm, 四处圆角为R8。试验结果没有满足图纸要求, 但是加工效率提高了近3倍。
(2) 换上增速器及型号为R216.34-10045-AC22N1620的准10的硬质合金立铣刀, 加工锁口槽的轮廓和R, 单面留加工余量0.20mm。经过试验确定切削参数为:主轴转速1500r/min, 切削速度47.1m/min, Vfx=10mm/min, Vfy=60mm/min。加工后的表面粗糙度可达到Ra1.6。四周圆角可加工到R5。
(3) 换上增速器及型号为R216.42-06030-AP06G1610的准6的硬质合金立铣刀, 精加工锁口槽的轮廓和R。经过试验确定切削参数为:主轴转速2000r/min, 切削速度37.68m/min, Vfx=10mm/min, Vfy=100mm/min。加工后的表面粗糙度Ra值可达到1.6。四周圆角加工到R3。表面粗糙度和尺寸公差完全满足了设计的要求。
(4) 试验前后锁口槽的对比。锁口槽左侧的R用原来的工艺方法可加工到圆角的R10。锁口槽右侧的R用新工艺方法加工到圆角R3。
4 结论
通过T型、倒T型叶轮锁口槽的加工试验, 我们总结出了一整套加工各类型线的方法。根据不同的型线, 选择不同的刀具, 使锁口槽的加工更加标准化、系列化, 使锁口槽的加工能够高质量、高效率的完成。加工完成的工件非常美观, 完全满足了设计要求。在装配时, 不用进行任何修配即可装配, 提高了加工质量、加工效率。解决了我公司锁口槽加工这个瓶颈问题。
大型水轮机转轮叶片的加工工艺 篇2
一、大型水轮机转轮叶片加工工艺的基本思路
近些年, 数控加工技术不断发展, 为水轮机转轮叶片的加工提供了多种加工技术方法, 也为优化其加工工艺提供了良好条件。其中利用龙门铣机床作为主要的数控加工设备是当前转轮叶片加工中较为常见的加工技术。
具体来讲, 利用龙门铣机床进行大型水轮机转轮叶片加工的基本加工思路如下:首先在选择好加工零件的原始铸件后将其运送到加工车间, 其次铸件来料后利用胎具固定叶片, 利用龙门铣机床根据图纸进行加工, 粗加工留余量进行探伤, 合格将工件翻身粗加工另一侧, 留余量探伤, 然后利用激光跟踪仪器检测型线是否符合图纸理论型线, 符合后进行精铣一侧, 然后工件翻身检测另一侧型线, 符合后精铣。在此过程中要尤其注意做好叶片的测量、装卡找正、加工刀具选择和刀位计算等工作, 以确保加工质量。
二、大型水轮机转轮叶片加工技术要点
1 叶片的测量
在转轮叶片的加工过程中, 对叶片进行有效测量的非常重要的一道工序, 并且这一工序应该贯穿于叶片加工的整个过程。只有这样, 才能保证叶片表面的加工精度。一般来讲, 水轮机转轮叶片的表面是一种较为复杂的三维雕塑曲面, 测量起来难度较大, 尤其是在最后的精铣过程中, 对测量结果的精度要求较高, 一般的测量方法和测量仪器很难满足要求。为此需要采用特殊的专业测量工具, 通过直接测量或间接测量的方法完成曲面精度测量。
当然, 在具体的加工过程中, 首先应该对铸件, 即叶片的毛坯进行测量, 以确定其加工余量分布情况, 便于优化龙门铣机床的编程, 同时, 也有利于更加合理的固定铸件在胎具中的位置, 提高加工精度和效率。其次, 在具体的加工过程中, 也应该要进行一定的测量, 主要是为了确定粗加工后的剩余量, 以便于及时调整编程和工件的位置。及时的检测也有利于检测叶片是否出现了变形情况, 以及时调整。最后, 在加工完成之后, 仍然需要进行测量以检验加工是否符合质量要求。
2 正确的在胎具上固定叶片
在利用龙门铣机床进行转轮叶片加工时, 必须要正确的将叶片的毛坯固定在胎具上, 也就是要进行装卡找正。由于叶片本身的形状并不规则, 也没有明显的中心点, 所以对其进行装卡找正, 难度较大。一般应该遵循以下基本装卡原则:首先是要求胎具的强度应该足够大, 因为叶片本身的自重较大, 如果胎具强度不足, 在加工时易出现叶片移动的问题。其次是要求胎具本身应该有较为稳定的支撑点, 以便于确定叶片摆放的重心。再者, 叶片装卡找正时要确保叶片的所有加工部位都在龙门铣机床的有效行程范围内。第四是要求胎具的支撑点必须要可靠, 以避免叶片发生变形。第五是要求在加工过程中采取一定的减振措施。第六是胎具的装卡部位应该灵活易操作。在常规的装卡找正工作中, 常常会使用胎具自身进行找正, 但是实践证明这种找正方法不但无法确保找正效果, 且会耽误较长时间。为此现如今多采用计算机自动三点找正的方法来进行装卡找正, 效果较好。
3 合理选择加工刀具
对于转轮叶片加工而言, 刀具的选择至关重要, 因为若刀具选择不恰当, 不但不利于保证叶片加工的精度, 还可能会对龙门铣机床带来一定的不利影响。一般在大型水轮机转轮叶片的加工中, 多选用硬质合金机卡刀。这种刀具耐磨、抗冲击性能好, 尺寸准确, 刀片可以更换, 比较适合水轮机叶片的加工。刀具形状的选择要根据加工的部位来确定。刀具的尺寸 (刀具直径、刃高、刀杆长度) 由被加工曲面的形状来决定。形状比较平缓、曲率小的曲面, 可采用直径较大的刀具, 以提高加工效率。形状起伏变化大、曲率较大的曲面, 可采用直径较小的刀具, 以避免刀具干涉和过切。总的原则是在不发生刀具干涉的前提下, 尽量采用直径较大的刀具进行加工。对于加工余量分布很不均匀的叶片可考虑采用侧刃较高的刀具, 以避免加工中, 局部位置发生吃刀深度超过刃高的现象。对于被加工曲面或其他曲面和数控铣头发生干涉时, 可考虑采用较长刀杆的刀具进行加工。刀片的形状可根据刀具的不同及粗铣精铣的要求采用三角形、菱形、方形、圆形等不同形状的刀片。
4 刀位计算
刀位计算的主要任务是:首先选定加工坐标系, 然后用三点找正法对叶片的理论造型进行找正定位。在此基础上, 以提高加工效率、保证加工精度和型面质量为原则, 选定刀具、确定走刀方式和刀轴控制方式, 设定走刀方向和排刀方向的精度, 进行刀位轨迹的计算和刀具干涉检查, 最终生成为后置处理用的刀位轨迹数据文件。
结语
总之, 在大型水轮机的转轮叶片加工生产过程中, 加强对其加工精度的控制是非常重要的。一般合格的叶片被加工出来需要经过毛坯、粗加工和精铣三道基本工序, 当然在此过程中还要尤其注意做好叶片的测量工作, 确定最佳的装卡位置, 选择合适的刀具, 进行有效的刀位计算, 以保证叶片的加工效果。
参考文献
[1]李新华, 王旭.瑞丽江电站水轮机转轮叶片加工及工艺探讨[J].机械工程师, 2011 (06) .
[2]王波.水轮机叶片数控加工工艺的关键环节[J].科技咨询导报, 2007 (12) .
汽轮机叶片的焊接工艺 篇3
某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构, 由多个单体叶片组合焊接而成。多联体叶片组件经装配组环, 并通过上下缘板连接内、外环形成风扇静子单元。该组件最初设计采用真空钎焊工艺, 但由于真空钎焊温度为960℃, 处于TC4合金的超塑性温度区域易造成叶身变形大, 无法满足设计要求, 因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。但是, 该组件尺寸精度高, 进、排气边上下缘板同心度为0.05mm, 沿缘板方向长度尺寸精度为0.1mm;缘板安装边变截面台阶差大、圆角小, 台阶差达3mm, 转接圆角仅为R3;同时由于焊缝背面已经加工到最终尺寸, 焊后背面无法通过机械加工消除缺陷, 因此, 电子束焊接该组件难度极大, 在保证零件的焊接质量的前提下, 还必须采取合理的工艺措施控制零件变形, 保证组件尺寸精度要求。
1 叶片材料及结构分析
1.1 叶片材料
TC4 (Ti-6Al-4V) 合金属于 (α+β) 型双相钛合金, 含有6%α稳定元素Al和4%β稳定元素V, 这种合金具有比重轻、比强度高、耐腐蚀和高温抗蠕变等优异的综合性能, 并可通过热处理强化, 广泛应用于航空发动机工作温度在400℃以下的整体叶盘、钛合金叶片以及机匣类组件[1]。
1.2 结构分析
一、二级静子叶片组件上缘板采用电子束拼焊工艺, 下缘板不进行焊接, 焊后严格保证焊缝横向总收缩量控制在0.20mm以内 (组合加工后保证0.10公差) 。其中一级静子叶片组件接头中段厚度为3.5mm, 转接R圆角半径为3mm, 两侧缘板厚度在6.3mm~7.8mm之间, 单侧缘板宽度16mm;二级静子叶片组件接头中段厚度为3.5mm, 转接R圆角半径为3mm, 两侧缘板厚度在6.5mm~7.8mm之间, 单侧缘板宽度12mm。在电子束焊接过程中需根据3个典型厚度临界点分别选择3套工艺规范, 保证接头不等厚区域均能焊透的同时避免背面形成焊漏。同时对于转接圆角处容易形成咬边缺陷的问题, 应通过调节焊接速度、聚焦电流和束流等参数避免咬边缺陷的产生[2]。
2 焊接工艺
2.1 工装夹具
焊接工装在设计上以尽量减少焊接变形为依据, 在能产生焊接变形的方向上都加以限制, 以最大限度地减少焊接变形, 为了避免焊接飞溅物烧伤叶身, 在焊缝反面做了一个U型槽。
2.2 装配定位焊
定位焊前先将单体叶片全部装配在夹具上, 检查装配间隙不大于0.1mm, 必要时可对局部位置进行修配, 保证装配间隙要求。对于装配错边问题, 按照标准规定静子叶片组焊前零件的错边不大于0.1T (T为零件厚度) , 厚度差大时会影响电子束焊接的焊接质量, 因此在进行定位焊之前配做, 测量零件焊接区域的厚度尺寸, 选厚度差异最小的零件组成一组, 尺寸差大于0.1T时, 通过机械打磨焊接截面的临近区域, 使两个零件焊接区域的厚度差控制在0.1T范围内。
焊前采用氩弧焊定位, 每两个叶片之间定位两点, 定位焊长度约10mm左右, 定位焊应保证无裂纹、气孔、夹杂, 焊点颜色应为银白色或淡黄色, 零件表面不能有电弧烧伤, 定位焊点尺寸应尽量小且能被电子束焊缝完全覆盖。
2.3 引弧块和熄弧块
由于叶片缘板厚且长度较小, 直接在零件上起弧势必造成零件焊不透, 而收弧部位会由于收弧太急而产生较大的弧坑, 因此, 在焊缝的两侧安装了引弧块和熄弧块, 采用氩弧焊定位焊的方法使其与叶片连接起来。
2.4 工艺参数验证
焊前将接头及其两侧 (15~20) mm范围内用不锈钢丝刷清理表面, 再用丙酮擦拭, 使焊接表面无油污、水份及其它附着物, 清洗过的接头不许用手接触。工装夹具也要用丙酮仔细进行清理。为了减少焊接变形, 先对每一条焊缝进行电子束焊定位, 然后将焊接顺序设计为先焊接中间的那条焊缝, 再焊接最外边的两条焊缝, 最后焊接其它焊缝, 按照这种焊接顺序, 能够避免从一侧起焊顺序施焊造成最后一条焊缝间隙过大形成焊漏、烧穿、塌陷等焊接缺陷。
根据能量公式 (Q=UI*60/VT≈3122J/mm) , 本次焊接输入能量高, 且焊接速度慢, 造成线输入能量大, 金属熔化充分。焊接完成后, 过高的焊接能量导致基体金属飞出, 焊接飞溅物多;焊缝反面成型不好。高的输入能量也造成焊接变形偏大, 通过数据曲线说明本次焊接变形趋势, 进气边平均每条焊缝焊接变形在0.18mm左右, 排气边平均每条焊缝焊接变形在0.22mm左右, 焊接变形较大。
鉴于第一批次焊接线能量大, 速度慢, 焊接飞溅物多, 焊缝成型不好且变形大的特点, 为了保障焊接深度, 本次基本保持焊接能量不变, 适当增大了焊接速度。焊后目视检查焊缝正、背面成形良好。与第一批次比较能量基本未变, 但焊接速度快, 背面金属熔合不充分, 在打磨掉背面余高后, 在焊接区域的两边边缘处出现了咬边现象, 一般深度在0.1mm~0.4mm左右。进气边平均每条焊缝焊接变形在0.11mm左右, 排气边平均每条焊缝焊接变形在0.15mm左右, 与第一台相比焊接变形减少很多。根据产生的咬边现象, 如果将背面咬边打平, 叶片就要减薄0.2mm~0.4mm, 无法满足设计要求。为了改善这种状况, 又尝试着新的工艺方法, 增加工艺垫板。由于每个叶片都有一定的弧度, 在叶片上直接预留锁底, 在组合装配时, 保证不了焊接间隙控制在0.1mm范围内, 所以在焊缝背面增加了一个工艺垫板, 由于考虑到后续打磨的工作量及可操作性, 同时又能满足焊接要求, 选用了2mm厚3mm宽的TC4板材作为垫板, 采用氩弧焊将其定位焊, 并保证3mm宽的垫板中心尽量对准焊缝中心, 焊接间隙控制在0.1mm以内。
采用上述焊接参数焊接的零件, 焊接完成后把锁底部位全部采用手工打磨的方法将其去掉, 经过打磨焊缝外表面光洁, 经过X光检查没有线性显示及任何超标缺陷, 全部合格。进气边平均每条焊缝焊接变形在0.13mm左右, 排气边平均每条焊缝焊接变形在0.15mm左右, 焊缝成形质量明显改善。
3 结束语
文章针对风扇一、二级静子叶片组件开展了电子束焊接工艺试验研究, 包括工装夹具精密定位、引弧块和熄弧块设计、氩弧焊及电子束焊的精密定位焊以及多个批次的电子束焊接工艺参数试验和成形性分析, 通过引入了成形工艺垫板, 在第三批次试验的电子束焊工艺参数试验中取得了良好的焊缝成形, 保证了焊接质量、控制了焊接变形, 成功实现了风扇一二级静子叶片组件的电子束焊接, 满足了叶片组件工艺的研制需求[3]。
摘要：某发动机风扇一、二级静子叶片组件为双缘板、多联体结构, 材料为TC4合金, 其由数量不等的单个静子叶片组合焊接而成。最初设计采用真空钎焊工艺, 但由于钎焊温度为960℃, 处于TC4合金的超塑性温度区间易造成叶身变形大, 无法满足设计要求, 因此设计最终采用了真空电子束焊工艺。文章主要介绍了一、二级静子叶片的真空电子束焊接工艺过程, 通过夹具固定限位、焊接工艺性设计、工艺参数试验以及焊后变形量测量统计等一系列工艺措施, 成功实现了变截面接头的焊缝成形, 保证了叶片组件尺寸精度, 有效控制焊接变形问题, 消除咬边、烧穿、气孔、局部塌陷等焊接缺陷。
关键词：电子束焊,焊接变形,气孔,焊缝成形
参考文献
[1]尹丽香, 等.TC4钛合金电子束焊接接头高温性能与组织[J].焊接学报, 2007.
[2]《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册 (第二卷) [M].北京:中国标准出版社, 2002.
汽轮机叶片的焊接工艺 篇4
在攀钢发电厂1号机组大修中,发现汽轮机高压缸盖筒体原有角焊缝连接处的有3条裂纹,长度分别为168mm、174mm和245mm。经探伤检查裂纹最深处达24mm,且沿原有角焊缝内侧深度方向延伸。缸盖的材质为ZG20CrMoV,角焊缝两侧的圆筒体厚度δ=60mm,两筒体直径分别为400mm,600mm,由于汽轮机高压缸盖是发电设备系统中的重要部件,直接关系到电力设备的安全运行,一旦出现安全问题后果不堪设想。因此,必须对裂纹缺陷进行修复。
1 裂纹产生原因分析
1.1 焊缝外观成形质量的影响
因原有角焊缝的焊趾处都有不同程度的咬边缺陷,致使在原焊趾处存在应力集中,当有拉应力的作用下就易产生裂纹,裂纹处分布在原有角焊缝与母材过渡的焊趾部位。
1.2 温度应力的影响
在机组的启动和停止过程中会引起较大的温度变化。由于缸盖厚度较大,当机组启动时,内壁温度很快就上升到工作温度,与外壁形成一个明显的温度梯度,内壁金属膨胀受阻,受到压应力的作用,在高温下材料的强度有所降低,这种压应力可导致内壁金属产生压缩塑性变形。当机组缸盖停运冷却恢复到原有状态时,这种压缩变形部分就被保留下来产生一个残余的拉应力。尽管这种塑性变形是很微小的,但在长期交变应力作用下,会对在高温高压条件下工作的金属部件造成损伤的累积,最终导致破坏。特别是当焊缝存在缺陷时,容易在缺陷应力集中点处提早形成裂纹。
1.3 结构应力的影响
由于缸盖位于汽轮机组的中段,体积和厚度都较大,结构应力相对较大,在焊接缸盖角焊缝时,焊缝冷却过程中的收缩受到一定的拘束,焊后焊缝将产生较大的拘束应力。在机组工作载荷的作用下,容易在应力集中点产生裂纹,造成裂纹延伸扩展。
2 焊接性能分析
(1) ZG20CrMoV钢,属低合金耐热钢,是一种热强性较好的铸钢,其化学成分和力学性能表1、表2所示。钢中主要加入了Cr、Mo、V等碳化物合金元素,尤其是加入的强碳化物元素V,能率先与钢中的碳形成稳定而弥散的VC质点,有利于Cr、Mo元素进入固溶体,强化铁素体基体,从而有效地提高了钢的热强性。因而ZG20CrMoV钢具有较好的热强性和组织稳定性,可在530～540℃温度下长期工作。ZG20CrMoV钢的焊接性好坏,可借助于碳当量公式进行估算。根据国际焊接学会推荐的碳当量公式,ZG20CrMoV钢的CE=0.69。碳当量值较大,有较强的淬硬倾向。即当焊接过程中冷却速度快时,焊缝和热影响区的母材上容易产生硬脆的马氏体组织,加上壁厚较大,焊后产生冷裂纹的倾向较大,所以焊接性较差。因此,采取焊前预热,焊接过程中控制层间温度等措施,以降低焊缝冷却速度。
(2)因ZG20CrMoV钢的物理性能与同类低合金钢相比具有导热系数小(100℃时为43.1),线膨胀系数大(常温下为12.18),它对加热和冷却温度及速度等较敏感,在焊接热循环的作用下,会造成较大的焊接应力和变形,增加了产生裂纹的倾向。
(3)由于需修复的裂纹缺陷均处于整体角焊缝中的分散小段,在修复焊补时的焊缝将受到拘束,不能自由地膨胀和收缩,冷却过程会产生较大的收缩拉应力,易于开裂。
(4)有再热裂纹敏感性。在ZG20CrMoV钢中有一定含量的Cr、Mo、V等能起沉淀强化作用的元素,这些元素对产生再热裂纹有较大影响。通过合金元素对钢的再热裂纹敏感性经验公式ΔG=Cr+3.3Mo+8.1V-2,得到ZG20CrMoV钢的ΔG=2.17～3.94。根据数据判断,当ΔG>0时材料就有再热裂纹的敏感性,如果焊接残余应力大时,产生再热裂纹的敏感性更高。
3 焊接材料的选择
(1)高温、高压工作的焊缝,主要是保证焊接材料的化学成分应与被焊材料的化学成分相同或相近。ZG20CrMoV钢,采用手工焊条电弧焊时,一般常采用与母材材质相同的R317焊条焊接。焊前母材须预热300℃～350℃,焊接过程中应控制层间温度,焊后还要进行720℃～750℃高温回火热处理,保温不少于5～6h。因ZG20CrMoV耐热合金铸钢,基体为珠光体+铁素体,它对加热和冷却的速度、温度敏感。如在进行预热及焊后热处理的过程中未严格控制参数时,容易造成铸件内力学性能不均匀,影响使用性能;汽轮机高压缸盖的壁厚、体积较大,服役环境条件差等,对焊缝局部或整体预热、热处理控制难度大,如果出现问题就易造成焊接修复失败,甚至设备报废。所以,通过全面分析比较和综合考虑,决定选用A507奥氏体不锈钢焊条进行焊接修复。A507焊条化学成分和力学性能表3、表4所示。
(2)奥氏体焊条焊接的焊缝金属为奥氏体组织,对焊接ZG20CrMoV钢有以下一些优点:
1)在焊接热循环中奥氏体不发生相变。一般情况下选择奥氏体焊条焊接时,焊前不需预热,焊后不需热处理。
2)奥氏体焊缝金属有良好的塑性和韧性,具有良好的抗裂性能。可吸收焊接过程中产生的应力,并且对氢的溶解度较高,不会在冷却过程中因扩散氢的富集而产生裂纹;它还对开槽的敏感性远较珠光体焊缝低。若在补焊中产生如少量气孔、夹渣等缺陷,在一般情况下,不易产生裂纹,也不易使裂纹延伸扩展。
3)奥氏体焊缝金属屈服极限(Rp0.2)值较ZG20CrMoV钢低约20%,对整个接头的应力水平将起到很大的缓冲作用;
因此,选择A507焊条焊接ZG20CrMoV钢时焊前可以不预热,或者只预热到80℃～150℃;焊后不需进行消除应力热处理,可以避免焊缝再热裂纹的产生;同时简化了焊接工艺,改善施焊条件。A507焊条焊接的焊缝还能满足母材的高温使用性能。
4 焊接工艺措施
4.1 焊前准备
(1)先用Φ8mm的合金钻头在距裂纹末端10mm处钻深度为30mm的止裂孔,以防裂纹继续延伸和扩展。
(2)选择角向砂轮机来清除裂纹缺陷,并修磨成U型坡口形状。然后经渗透无损检测检验无缺陷后,再将坡口两侧30mm范围内的油、锈等清理干净。在保证缺陷彻底清除的前提下,坡口的宽度尽量要小,以减小焊接收缩应力。
(3)施焊前焊条按规定要求进行烘干,并放在100℃的保温筒内随用随取。
(4)焊前在焊缝的周围400mm范围内均匀、缓慢的预热到80℃～100℃,以降低焊接过程中焊缝和热影响区的冷却速度,预热升温速度不超过100℃/h。
4.2 焊接要点
(1)焊接时选择直流焊接电源,反接。采用小规范焊接,焊条不作横向摆动,短弧操作,在熔合良好的情况下提高焊接速度等,以减少热输入量。焊接工艺参数表5所示。
(2)采取多层多道焊。每一道又分两段或三段(短焊缝两段,长焊缝三段)进行退焊,中间接头处应错开至少30mm,使整条焊缝尽量受热均匀,以使应力分布较均匀,图3所示。每两焊道之间的迭压面不小于焊道宽度的1/3,且必须使两侧与母材的过渡区圆滑过渡,熔合良好。
(3)每焊完一段后立即用带圆头的小锤进行锤击(锤重0.5Kg,锤头圆弧直径5mm),先锤击焊道中部,再锤击焊道两侧,达到布满麻点为止,以消除部分应力和改拉应力为压应力。锤击后用10倍的放大镜检查表面,确认无缺陷后继续施焊。
(4)焊接过程中应控制层间温度等于或略高于预热温度,整个焊补过程必须持续进行,中途如因故被迫中断,应重新加热到预热温度后才能继续。
(5)焊补结束后立即用已烘干的石棉覆盖在焊缝表面,使其缓冷,缓慢冷却速度不超过100℃/h。
5 焊后检验和表面处理
(1)外观检查焊缝表面无气孔、夹渣、咬边等缺陷,余高在3mm范围内。
(2)焊缝表面及周围进行渗透检验未发现有裂纹出现。
(3)最后用角向砂轮机修磨焊缝表面余高与原焊缝表面齐平并与边缘熔合处过渡圆滑。
6 结束语
通过对汽轮机缸盖裂纹产生的原因进行分析,对设备的使用环境条件、现场施工情况、材料焊接性能等综合考虑,选用奥氏体焊接材料焊补修复ZG20CrMoV钢的裂纹。焊前不预热,焊后不进行热处理,简化了工艺,改善了施焊条件;采取合理的工艺及措施,减少焊接残余应力,使焊补部位的组织成分一致,防止了裂纹的产生,增强了抗裂性能。设备运行至今未出现裂纹现象,验证了该工艺的可实施性,保证了焊补修复质量,满足了使用性能和安全生产要求。
参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册(第二卷,材料的焊接)[M].机械工业出版社.2001
[2]李亚江等编著.焊接修复技术[M].化学工业出版社.2005
[3]刘云龙.焊接技师手册[M].机械工业出版社.
[4]英采若.熔焊原理及金属材料焊接[M].机械工业出版社.
水轮机主要部件焊接工艺研究 篇5
1 转轮
在各种类型的水轮机转轮中, 以混流式与冲击式转轮最有代表。下面分别叙述它们的焊接特点。
1.1 混流式水轮机转轮
1.1.1 材料转轮钢材为碳钢和马氏体不锈钢两种, 其中高水头式水轮机转轮以用不锈钢居多。
我国为节省不锈钢及避免大面积的堆焊, 使用由碳钢作上冠、下环, 与不锈钢叶片相焊接的异种钢焊接转轮, 其中少量转轮下环也用不锈钢。转轮用碳钢的钢号, 美国为ASTMA27, 日本为SC-46、SCW49, 前苏联为25Mn Si、20Mn Si和08Mn Cu Ni V铸钢。碳素钢板美国为ASTMA516Gr.70, 前苏联为22g, 日本为SM-41、SM50。不锈钢采用0Cr13Ni4~6, 也有用00Cr16Ni5Mo不锈钢的, 但要求用VOD精炼。
1.1.2 常用焊接方法转轮的焊接方法有手工焊、半自动CO2气体保护焊、半自动熔化极氩气保护焊及熔嘴电渣焊多种。
近年来, 大型转轮已开始用弧焊机器人焊接。
1.2 冲击式水轮机转轮
它使用于高水头机组, 转速极高, 对其质量要求也特别严格。水斗与轮毂均为00Cr12Ni3Cu不锈钢。水斗与轮毂在专用太具上组装焊接, 焊后作消除应力热处理。
1.3 轴流转桨式水轮机叶片.
这种水轮机转轮一般有4~6个叶片, 因形状复杂, 一般采用铸造。伴随着转轮直径的增大, 叶片的尺寸和重量也增大, 铸造质量与尺寸公差难于控制, 因而改为铸焊结构。其正、背面的面板带有一定曲率, 且板厚从法兰开始由厚转薄, 需采用模压成形。引内腔空间过窄, 难以焊另一侧角焊缝, 将一侧面分成若干块镶嵌于筋板网格内, 转移成外部焊接。为减少叶片的焊接变形, 应制作叶片的刚性胎架。该胎架连同所焊叶片进炉回火, 并作中间回火。与胎架相接的面板最后焊接, 不回火。
2 座环
座环系在水下工作的水轮机刚性支承件, 大都与蜗壳相焊接。
固定导叶与上、下环的焊接量甚大, T形接头可用熔嘴电渣焊、CO2气体半自动焊或手工焊焊接。当用电渣焊时, 应利用分瓣座环的装焊胎具, 使接头处于基本垂直位置后焊接。采用后两种方法焊接座环时, 当固定导叶焊接断面超过100mm宽时, 焊至50时进炉作消除应力中间回火。固定导叶与上、下环板的角焊缝在修磨圆角后作超声波探伤。
3 蜗壳
它的进口直径达10.5m, 最大重量达500t。因此, 大型的均需分节或分段 (由2~3节焊成一段) 运至电站组焊。
3.1 材料因蜗壳是承压部件, 一般采用综合性能较理想的美国ASTMA517Gr.
F (σs=630MPa) 、日本WEL-TEN62CF (σs=5000MPa) 调制高强钢板。
3.2 工艺特点可预先将各节乃至2~3节预装及加焊拉筋与搭板, 然后取下单独组焊祭坛上。
接头采用不对称 (内侧2/3δ, 外侧1/3δ) X形坡口, 均为外侧清根。但这样的几节组焊必须有效的控制焊接变形, 还不准用火焰矫正。
为缩减蜗壳的焊接工作量, 提高焊接质量与效率, 采取下列措施:
3.2.1 让蜗壳与其外浇筑的混凝土联合受力, 即采取预焊由69×
103KN/m2预应力的支撑, 并在焊后的水压试验过程中以965×103N/m2内应力的情况下浇筑混凝土;
3.2.2 设法用自动、半自动焊在电站组焊蜗壳。
蜗壳电站组焊后, 均不作消除应力热处理。
4 主轴
大型水轮机常采用由锻钢、钢板 (用于制作轴身和滑转子) 与铸或锻钢法兰组焊的主轴。其中以钢板焊接的主轴最有前途。
主轴环缝一般采用埋弧焊焊接, 也有使用熔嘴电渣焊焊接的, 采用预热与后热, 焊后仅作消除应力回火。轴领可有多种形式焊于轴上, 它可以是整环, 也可以分成两半。前者是在法兰装于轴身前套上就位, 用电渣焊或自动埋弧焊焊接;另一种是在主轴和法兰焊后装上, 焊两半纵缝后再以环缝焊于轴上。纵缝拼焊除用自动埋弧焊、半自动CO2焊外, 也可用熔嘴电渣焊, 但后者需在内腔加焊衬板。焊后均只进行消除应力回火。
主轴外的不锈钢套, 可采用两种方式制造。一种是用30mm厚18-8型不锈钢板, 长约900~1000mm, 分两端即两半滚卷成形后, 加工塞焊孔、纵缝坡口及内源。然后套装在轴上, 用纵、环缝与塞焊焊于轴上。要求轴套基本无间隙。另一种是直接用不锈钢带极自动埋弧堆焊焊3层, 可免去制备轴套。两种方式都在焊后无需消除应力热处理。
5 轴流式水轮机转轮室
轴流和贯流式水轮机的转轮室系一环抱于转轮之外, 内腔呈流线形的薄壁环形体。
由于转轮室在转轮水平中心线上方与下方的一定区域内会发生气蚀破坏, 需采取局部保护的措施。目前, 采用气蚀保护措施的焊接转轮室大致有以下三种:
5.1 全部由碳钢组焊, 在回火与内圆汽蚀区粗加工后, 采用焊接操作机借助变位机、滚轮架在内圆给定区作不锈钢自动堆焊。
此类转轮室只适用于直径较小的不分瓣转轮室。
5.2 转轮室壁体采用不锈钢板与碳钢板两种钢材组焊, 外部筋板均用碳钢板。
5.3 壁体采用不锈复合钢板, 在电站组焊的无分半法兰的转轮室。
6 活动导叶
叶以采用焊接居多, 焊接导叶大致有以下三种。
(1) 钢板与圆钢组焊; (2) 铸钢与锻轴组焊; (3) 钢板与锻轴组焊。
第一种导叶体与短轴直接由厚钢板割出, 短轴修割成八角形断面, 作中间加工后, 再焊上长轴。
第二种导叶体与短轴一起铸出, 并在装焊长轴端铸出80mm长一段轴的凸胎, 与长轴组装后, 借钢板将接头制成矩形断面 (厚30mm左右) , 用电渣焊焊接。该结构适用于大型导叶。
第三中导叶体全部由钢板组焊而成, 中间可以无筋板, 也可以加焊4~5根纵向筋板。前者为满足刚性要求需用较厚的板制成弧形面板, 并用电渣焊焊接。后者因内部不大的空间须焊筋板角焊缝, 焊接困难。此时需采取特殊的工艺措施, 即先将筋板与一侧面板组焊, 用压力机校正变形后, 再将另一面板装上, 用特制的隧道自动焊机焊筋板另一侧角焊缝。
导叶轴与轴承连接面 (长轴两处, 短轴一处) 以及导叶体两侧密封面为抗汽蚀与腐蚀, 需用不锈钢保护, 轴颈最好是焊不锈钢套, 也可以进行镀铬或自动堆焊。密封面刨槽后堆焊。有时泄水边端与不锈钢板直接焊接。所有焊接导叶焊后均需作消除应力热处理。
7 焊接效果
经过实践检验, 经过各种焊接工艺的完美结合, 水轮机的运行效果非常好, 在水轮机的焊接中, 最关键是焊接人员的技术水平要高, 操作程序必须流畅快速, 并且按照相关技术要求操作, 就能取得理想的焊接效果。
8 结束语
水轮机在现在水利工程中起着不可忽视的作用, 其焊接工艺显得尤为重要。如何经济快速的把水轮机的各主要部件及附属部件完好的焊接成功, 需要好的焊接工艺和好的焊接技术人员的有效配合。
摘要：水轮机在水利工程中起着不可忽视的作用, 是水力发电的动力机械, 通过水轮机的传轮使水产生动力进而转化为机械能。水轮发电机是水电事业发展的关键设备, 因此对水轮发电机的主要结构部件焊接工艺研究显得极其重要。
关键词：水轮机,焊接
参考文献
[1]贾鹤泉等.运行与管理[M].北京:中国水利水电出版社, 1998.[1]贾鹤泉等.运行与管理[M].北京:中国水利水电出版社, 1998.
汽轮机叶片的焊接工艺 篇6
百万千瓦级超超临界 (USC) 汽轮机机组以高效率和低能耗而著称, 成为反映我国电力工业技术水平的代表性机组。受技术水平的制约, 我国百万千瓦等级超超临界机组的关键大型部件, 如汽轮机转子、叶片等长期依赖进口, 已成为制约现代重大装备制造业发展的瓶颈。叶片是汽轮机的"心脏"零件, 是汽轮机最关键的部件之一, 作为汽轮机中的主要工作部件, 叶片承担着将热能转化为机械能的重要任务。在百万千瓦级超超临界 (USC) 机组运行过程中, 此第一级动叶片在中压缸各级叶片中的工作环境最恶劣。由于受到高压缸流出的汽流冲击, 易产生叶型损失、叶高损失等, 直接影响到整个汽轮机机组的工作效率, 而有效减少这些损失的最好办法之一就是在国产化过程中提高叶片精度等级, 保证产品图纸设计公差要求。
2 工艺分析和质量控制
2.1 中压动叶片结构分析 (如图1)
此动叶片是枞树型叶根型线围带叶片。该叶片由四部分组成:叶根、中间体、型面和叶冠装配面。从结构上看, 此叶片需要加工的部位较多, 加工难点在于叶根、型面、中间体和叶冠型线、叶根中间体汽封尺及装配锁紧槽。主要技术要求有:叶片型面最大厚度偏差±0.1mm;叶冠轴向围带厚度公差±0.025mm;叶冠进、出汽侧公差为±0.05mm;叶根出汽侧叶根中心线公差0~0.05mm。叶根相应的高度允差0.01mm;叶根齿型面与出汽侧面垂直度≤0.03mm, 与背平面平行度≤0.03mm。
2.2 中压动叶片加工工艺方法技术分析
(1) 基准面加工:采用方钢毛坯, 用普通铣床和磨床加工六面体, 包括两侧面、另两侧面与两端面。
(2) 叶根加工:在普通平铣上粗加工, 精加工在强力磨床上完成。
(3) 型面加工:包括铣汽道内、背弧型线、根冠圆角及进出汽边, 采用在五轴联动数控机床一次装夹加工, 以叶根内背径向型面和叶冠顶针孔定位加工保证根冠同轴度。
(4) 装配面及锁紧方槽加工:共由10道工序构成, 包括铣叶根中间体叶冠内径向面型线、叶根中间体锁紧槽、叶根中间体、叶冠背径向面型线。根冠内背径向型线在普通平铣或立铣上加工, 锁紧方槽在数控立铣机床上加工保证产品技术要求。
(5) 汽封尺加工:共由5道工序构成, 包括铣准叶根出汽侧大汽封齿、铣准叶根进汽侧大汽封齿、铣叶根进汽侧小汽封齿。采用普通平铣和立铣上加工。
(6) 钳修抛光各处倒角、型面及根冠圆角。
(7) 叶冠进出汽侧、叶片长度加工:共由4道工序构成:铣准叶冠进汽侧、铣准叶冠出汽侧、锯断、铣准长度, 采用平铣、立铣、锯床进行加工。
2.3 叶片加工过程的质量控制措施
此叶片在质量要求上很高, 工艺上采取了多项措施来控制加工质量, 以保证产品要求。
(1) 打印产品号、炉号、顺序号。在毛坯基准加工完成后, 立即打印上产品号、炉号、顺序号, 避免下序混淆, 在加工掉产品号、炉号、顺序号时立即重新打印上。
(2) 首件检测报告。在首件加工完成后, 收集所有检测数据, 包括型面机床加工完成的三坐标数据和抛光完工三坐标检测数据, 分析数据, 检验合格后方可正式成批生产。
(3) 叶片自检、互检、专检报告。在叶片加工的每道工序中, 要求加工人员按工艺标准的检测表格填写, 必须达到规定公差要求, 如有超差必须马上解决。首件校模必须互检, 并有专检人员检查合格盖章后方可成批生产。
(4) 工序100%检查。如叶根齿形、叶冠内背径向装配面、汽封尺、抛光型面。
(5) 完工检查。完工后必须做100%的检查, 不能出现毛刺、磕碰、装配表面和叶根刮伤。保证完工检查后的叶片符合装机要求。
3 加工技术难点分析
(1) 从工艺方案制定到生产, 难点在于产品图纸的消化吸收方面。此动叶片图纸采用了产品图和公差图分开的系统化设计, 给工艺方案制定带来很多不便。
(2) 锁紧槽加工如图2所示。
此锁紧槽为方槽, 不同于以前生产的由刀具钻头加工的动叶片圆形锁紧槽, 为了克服这个技术难题, 采用数控加工中心加工, 采用准12立铣刀预铣后, 用准6立铣刀数控加工, 保证R3圆角尺寸要求, 由于刀直径只有6mm, 加工时只能少量进给, 避免损坏刀具, 加工工时偏长。
(3) 叶片叶冠装配内背径向面与叶根中心线成角度为8.34°, 由于角度远大于以往所加工的径向角, 而叶冠内背径向尺寸公差只有±0.025mm, 所以为保证叶冠装配型面尺寸公差, 充分利用现有普通机床克服这个工艺难点采用了以下工艺方案:
叶冠内径向型面加工:以加工大背径向平面为基准加工, 保证与叶根、叶根中间体和叶冠与叶根中心线的位置度一致性, 配合虎钳设计斜度垫块与高、低钳口, 在普通平铣机床上保证叶冠内径向面相对于大背径向平面的尺寸公差。
叶冠背径向型面加工:以加工完的叶冠内径向面为基准加工。为把叶冠背径向面摆平, 叶冠内径向面需垫角度为16.68°, 而叶根中间体需垫角度为10.16°, 在此序配合机虎钳设计高低钳口、一块平垫块配合叶冠斜度块主定位和叶根中间体斜度垫块辅助定位组合起来, 保证叶冠背径向型面摆平加工, 保证在普通铣床加工的稳定性。
(4) 汽封尺是保障汽轮机热转换效率的关键部分, 此叶片采用了先进的叶片自带汽封尺设计, 进汽侧部分还有大、小两个汽封尺, 给工艺定制带来了很大困难。
汽封尺如图3所示。
为解决这个工艺难题, 采用了铣加工过程中在动叶片汽封尺圆弧最低和最高点单面放量0.2mm加工, 在动叶片装配后用数控转子立车准汽封尺圆弧的尺寸要求的工艺方案。小汽封尺的最窄面设计尺寸只有0.5mm, 这种工艺方案避免了铣床加工准汽封尺圆弧由于加工基准与叶片装配基准不一致所导致装配后汽封尺错牙漏气, 也节约了大量工时费用。在铣加工过程中, 由于大小汽封尺之间放量后间距只有12.66mm, 但需要加工一侧R5、另一侧R0.8。常用数控刀具不能满足要求, 采购小直径刀具加工效率也很低, 费时费力, 性价比极差。为解决这个问题, 立足现有普通铣床、刀具创新方法, 在工艺安排中分两序, 首先采用可调宽度三面刃铣刀, 调整好工艺要求宽度, 一侧刃磨R5, 一侧刃磨R0.8, 一次铣准凹槽宽度及两侧圆角, 再采用普通30°铣刀刃磨R1.6后, 在平铣机床铣准放量后的小汽封尺斜面, 保证了汽封尺最大尺寸放量0.2mm后的车加工前的要求。在此动叶片装配完成后用大型数控转子立车车准进、出汽侧汽封尺。实际生产证明, 采用这个工艺创新方案后不但有效保证了产品设计要求, 而且有效降低了此动叶片生产的周期和成本。
4 结语