大型軸流壓縮機(jī)焊接輪轂的工藝研究與應(yīng)用

[摘" " 要]某大型軸流壓縮機(jī)組的焊接輪轂首次采用完全封閉的焊接結(jié)構(gòu)，針對KMN與HG785異種鋼的結(jié)構(gòu)焊縫開展了焊接工藝評定，確定了手工電弧焊與氣體保護(hù)焊的組合焊接方法，確保了焊接輪轂的施焊工藝及性能要求。焊接輪轂的結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，制造精度嚴(yán)苛，構(gòu)成焊接輪轂的焊縫總數(shù)約近千余條，總長度約30余m，拼裝、焊接等過程容易出現(xiàn)焊接變形，通過制定基于輔助工裝的拼裝方案與剛性支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)用，完成了焊接輪轂高標(biāo)準(zhǔn)、高品質(zhì)的加工制造，滿足了用戶的使用要求。

[關(guān)鍵詞]大型軸流壓縮機(jī);焊接輪轂;焊接工藝;輔助工裝;吊具

[中圖分類號]TP214 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

1 前言

2015年初，沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司承制的某大型軸流壓縮機(jī)組的焊接輪轂首次采用KMN+HG785異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)合焊接輪轂設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與內(nèi)、外所有焊縫必須焊接的需求，制定了支撐體與焊接輪轂分體拼裝—焊接制造的總體工藝方案。焊接輪轂采用異種鋼焊接結(jié)構(gòu)，KMN材料屬于2Cr-1Mo型鉻鉬耐熱鋼[1]，HG785材料屬于低碳貝氏體調(diào)質(zhì)鋼，兩者均具有淬硬傾向[2]，在焊接過程中容易出現(xiàn)冷裂紋或延遲裂紋[3];根據(jù)KMN與HG785兩種材料實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的熱處理過程不同，采用部分-整體的方式進(jìn)行制造，首先支撐體單獨(dú)加工制造，再以支撐體為找正基準(zhǔn)，使用定位拼裝用輔助工裝，按照同軸要求分別拼裝、焊接外筒體以及兩者之間環(huán)形筋板、徑向筋板等件，實(shí)現(xiàn)焊接輪轂所有焊縫的焊接與檢驗(yàn)要求。

2 焊接輪轂的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式

焊接輪轂的總級數(shù)為4級，劃分為兩個(gè)焊接輪轂組件，焊接輪轂屬于超大、超重的內(nèi)外雙層筒體的封閉焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜。內(nèi)筒體又稱為支撐體，由內(nèi)筒節(jié)與端法蘭盤焊接而成，如圖1所示。支撐體與外筒體同軸度≤2.0mm，葉片座開孔位置等分度≤1‰°，且相對于支撐體上開孔同軸度亦≤2.0mm，故各部位之間的形位公差要求十分嚴(yán)苛。

3 焊接輪轂的拼裝組立方案

3.1 內(nèi)、外筒體基于輔助工裝定位拼裝的組立方案

3.1.1 支撐體、外筒體配合定位輔助工裝的改進(jìn)設(shè)計(jì)

支撐體為配合輔助工裝應(yīng)用，在支撐體上分別設(shè)置專用的定位止口以及輔助工裝把合孔。結(jié)合支撐體、外筒體拼裝組立的同軸度為1.0mm的要求，支撐體上下端面分別設(shè)置與輔助工裝進(jìn)行裝配的凸面定位止口，兩者為0.4～0.5mm間隙配合關(guān)系;同時(shí)預(yù)設(shè)置12-M30或Φ32mm把合安裝孔，兩者通過M30螺栓組進(jìn)行定位裝配、把合固定。外筒體與輔助工裝亦采用止口定位裝配方式進(jìn)行組立，其止口間隙亦為0.4～0.5mm。

3.1.2 支撐體、外筒體定位拼裝輔助工裝的設(shè)計(jì)研制

輔助工裝主要由定位止口盤與支撐吊耳進(jìn)行焊接而成，其中一側(cè)的定位止口盤包括轉(zhuǎn)化止口盤。兩者亦通過間隙止口進(jìn)行把合裝配而成。根據(jù)焊接輪轂的起吊轉(zhuǎn)運(yùn)、軸向翻轉(zhuǎn)等工作需求，各支撐吊耳與定位止口盤采用對稱分布、坡口焊接的方式進(jìn)行制造，支撐吊耳數(shù)量為4件，沿切向互成90°方位布置，對向布置的支撐吊耳間距為2800mm。定位止口盤的外圓直徑為3800mm，與支撐體、外筒體的拼裝位置分別采用凹面止口的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，且相互配合止口間隙為0.2～0.25mm，定位止口盤與支撐體兩者之間采用12-M30螺栓組進(jìn)行裝配、把合固定，如圖2所示。

此外，通過對稱布置的支撐耳板可進(jìn)行焊接輪轂的吊運(yùn)、翻轉(zhuǎn)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)焊接輪轂在圓周方向的滾動(dòng)，以滿足各葉片座水平焊接的位置要求，避免焊接輪轂在制造過程出現(xiàn)磕碰劃傷與吊裝變形的現(xiàn)象。

3.1.3 內(nèi)、外筒體基于輔助工裝同軸定位拼裝過程

首先在鉚工平臺(tái)上將輔助工裝放置于等高墊鐵上，使定位止口盤處于近似水平狀態(tài)。首先，根據(jù)支撐體與外筒體的高度差值，在定位止口盤上安裝轉(zhuǎn)換止口盤，確保輔助工裝的安裝就位;其次，將外筒體預(yù)先安裝在轉(zhuǎn)化止口盤的凸面止口上，調(diào)整葉片座開孔中心線與轉(zhuǎn)換止口盤的中心線嚴(yán)格對齊，以確保葉片座的拼裝角度要求;最后，將支撐體安裝定位止口盤的凸面止口上，調(diào)整支撐體上開孔的中心線與定位止口盤中心線嚴(yán)格對齊，如圖3所示。

3.2 葉片座基于輔助工裝定位拼裝的組立方案

3.2.1 支撐體、葉片座配合輔助工裝使用的結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

支撐體為配合輔助工裝應(yīng)用，在支撐體外圓上設(shè)置專用的徑向把合孔，即在支撐體圓周方向上設(shè)計(jì)、加工配合輔助工裝使用的等分定位開孔，其數(shù)量為26-Φ90mm把合孔，外圓側(cè)Φ90mm開孔。為配合工裝使用，加工擴(kuò)鏜為Φ100mm定位止口窩，止口窩深度為20mm，該位置與輔助工裝采用間隙配合關(guān)系，其間隙為0.4～0.5mm。

3.2.2 葉片座定位拼裝用輔助工裝的設(shè)計(jì)研制

結(jié)合葉片座與支撐體同軸拼裝以及焊后拆卸的制造需求，葉片座定位輔助工裝采用上下兩節(jié)通過柱銷進(jìn)行裝配把合的結(jié)構(gòu)。以葉片座軸端面與支撐體外圓處Φ100mm止口窩的距離作為輔助工裝的組裝長度，組裝后長度為504.5mm，滿足圖紙的間距要求;輔助工裝與葉片座的拼裝位置采用凸面止口，兩者的配合間隙為0.25～0.3mm;輔助工裝與支撐體Φ100mm止口窩亦采用凸面止口，兩者裝配間隙亦為0.25～0.3mm，如圖4所示。

葉片座定位拼裝用輔助工裝，可以進(jìn)行葉片座與支撐體等分開孔的同軸定位拼裝，在焊接過程中該輔助工裝亦作為支撐工裝使用，以確保各葉片座相對位置固定，不產(chǎn)生徑向的位移變化，達(dá)到提高焊接輪轂內(nèi)、外筒體剛性支撐的目的，以防止焊接變形。

3.2.3 葉片座基于輔助工裝的定位拼裝過程

首先，將葉片座定位輔助工裝的柱銷拆除，調(diào)整輔助工裝縮至最小長度，利用天車自上而下將輔助工裝預(yù)先放置在內(nèi)、外筒體之間，使用軸端把合螺母將其牢固安裝在支撐體圓周方向26-Φ100mm定位止口窩中;再沿徑向向外側(cè)拉伸法蘭盤，調(diào)整至工裝所需的長度尺寸504.5mm，利用柱銷進(jìn)行裝配固定，安裝就位;其次，采用由外向內(nèi)的推裝方式安裝各葉片座，將葉片座水平起吊穿過外筒體的等分開孔，將其推裝至輔助工裝法蘭盤軸端面的凸面止口上，利用塞尺沿圓周方向按對稱四點(diǎn)檢查兩者的貼合間隙，確保其間隙值≤0.2mm，如圖5所示。

4 焊接輪轂的焊接工藝

焊接輪轂采用KMN與HG785異種鋼的焊接結(jié)構(gòu)，結(jié)合焊接輪轂的強(qiáng)度要求，在消應(yīng)力后的屈服強(qiáng)度不低于540MPa，采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）和手工電弧焊（SMAW）兩種方法進(jìn)行焊接，分別采用ER110S-G焊絲與CHH407A焊條。

焊接輪轂支撐體的材料為KMN，內(nèi)筒節(jié)與端法蘭盤采用T形焊縫接頭，兩者采用K形對接焊縫接頭形式，采用手工電弧焊（SMAW）進(jìn)行焊接，具體焊接工藝參數(shù)見表1。

焊接輪轂材料包括KMN與HG785，各零件之間采用搭接或者插接的角焊縫接頭形式，采用氣體保護(hù)焊（GMAW）進(jìn)行KMN與HG785異種鋼或HG785同材料焊接，見表2。

5 焊接輪轂消應(yīng)力處理

焊接輪轂在焊接后，應(yīng)立即整體進(jìn)爐進(jìn)行600±10℃高溫消應(yīng)力處理，進(jìn)爐的初始爐溫不低于350℃，加熱速度≤70℃/h，恒溫的保溫時(shí)間為8～10h，然后隨爐進(jìn)行冷卻，冷卻速度≤50℃/h。待爐內(nèi)溫度冷卻至300℃，出爐空冷至室溫。焊接輪轂消應(yīng)力曲線如圖6所示。

6 結(jié)論

針對焊接輪轂特殊的封閉焊接結(jié)構(gòu)以及嚴(yán)苛形位、尺寸精度要求，采用優(yōu)化焊接輪轂的制造工藝路線，基于輔助工裝進(jìn)行同軸定位組立拼裝，開發(fā)適用KMN與HG785異種鋼的焊接工藝以及整體進(jìn)爐消應(yīng)力處理等工藝技術(shù)方案。

（1）針對支撐體與外筒體的拼裝組立、葉片座與支撐體開孔的拼裝組立的關(guān)鍵過程，提出了基于輔助工裝進(jìn)行同軸定位拼裝的新式拼裝法，確保了焊接輪轂各部形位公差與尺寸精度要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)圖紙規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求。

（2）葉片座的同軸拼裝輔助工裝在焊接輪轂的焊接過程中起到了固定葉片座，增加焊接輪轂整體剛性的支撐作用，且通過輔助工裝應(yīng)用，達(dá)到了調(diào)整葉片座水平位置焊接的要求。

（3）按照ASME標(biāo)準(zhǔn)第IX卷要求，進(jìn)行KMN與HG785異種鋼對接焊縫的焊接工藝評定試驗(yàn)，分別完成了滿足焊接輪轂力學(xué)性能使用要求的兩種焊接工藝規(guī)范，細(xì)化了焊接過程的焊接工藝參數(shù)以及實(shí)施焊接的操作要點(diǎn)，提高了焊接輪轂各焊縫一次著色探傷合格的通過率。

參考文獻(xiàn)

[1] 王玨. 珠光體耐熱鋼再熱裂紋的防治[J]. 石油工程建設(shè)，1999，25（6）：11-14.

[2] 李佳庭， 鞠小虎， 王建. 鉻鉬鋼管現(xiàn)場焊接裂紋防止措施[J]. 科學(xué)中國人，2015，3（11）：12-20.

[3] 王玉亮. 石油化工管道焊接工藝與質(zhì)量控制[J]. 科技視窗，2015，1（7）：6-11.

作者簡介

郝建國（1982—），男，遼寧葫蘆島人，本科，高級工程師，主要從事離心鼓壓風(fēng)機(jī)、軸流壓縮機(jī)的鉚焊工藝方案設(shè)計(jì)與生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)。