大型不銹鋼筒體成型制造技術及變形控制

陳 銳 祁世讓 賀彥鵬 黨艷鋒

（杭州浙富核電設備有限公司，浙江 桐廬 311504）

0 引言

不銹鋼大型筒體類零件一般指的是水電、壓力容器、石化、核電等重大裝備領域的重要關鍵部件。其工藝流程涉及冶金、鍛造、焊接、熱處理、機械加工、測量等工序流程。其質量直接影響重大裝備的運行和安全可靠，同時反應了整個社會制造體系的健全、水平等綜合能力，是重大裝備制造的重要技術指標。該文主要針對直徑較大、高度較高的筒體進行闡述。摸索一條非常規(guī)的不銹鋼大筒體制造技術路線，保證生產制造的順利進行。

1 零件結構說明及工藝性分析

1.1 設計及結構說明

材料為奧氏體不銹鋼（S30408）。整個零件由底板、過渡段、下部筒節(jié)、上部筒節(jié)（含上法蘭）四部分組成，共三條環(huán)焊縫，底板為鍛件，其余均為鋼板；下部筒節(jié)分布6條環(huán)槽，底板的平面度0.1/300mm，整體不超過0.38mm；6條環(huán)槽的同軸度要求0.3mm，如圖1所示。整體焊接完成后，工件整體加工上部法蘭面及內壁上段內孔。

圖1 筒體構造示意圖

1.2 制造工藝性分析

底板采用鍛件加工而成，其余各件采用鋼板卷板、焊接而成。因為工件筒體較深，且底部平面的形位公差有平面度要求，筒體較深（最深環(huán)槽約2700mm），難以在焊接后加工，因此筒體需要分段由下而上逐段焊接。另外由于下部筒節(jié)分布有6組環(huán)槽，且環(huán)槽在焊接完成后同軸度的控制在0.3mm以內，所以制造的難點在于對焊接變形的控制，該文采用高效穩(wěn)定的設備、合理的防變形支撐工裝及底面的變形控制，以達到設計要求；另工件尺寸較高，裝夾及加工困難，需要選擇合適的加工設備，保證整體加工符合設計要求。

2 大型筒體制造影響因素控制

制造過程影響產品質量的因素應該從人、機、料、法、環(huán)5個類別作為一個完整的體系來綜合考慮。1） 人員因素。該類產品一般制作周期較長、經濟價值較高，采用焊接人員安排上應考慮數(shù)量的焊接操作工，若不熟悉該產品工藝操作，極有可能產生焊縫的缺陷，即使采用了高效可靠的設備也會如此。人員對程序、設備的操作應十分熟悉，應該進行各類焊接或者加工的試驗，以穩(wěn)定操作流程及要領。2） 設備的選擇。選擇可靠性較好、性能穩(wěn)定的設備，保證各參數(shù)穩(wěn)定、可靠、可控，特別在特殊工序應用的設備。如熱處理、焊接設備。3） 材料的選擇應經過按照要求的各類檢測、復驗。4） 方法的選擇。一般采取保守穩(wěn)定的工藝方法路線及方案，如新的工藝方案需要經過驗證，可靠穩(wěn)定后才能應用于產品的制造。5） 環(huán)境的影響。光照、溫度、等也要選擇穩(wěn)定可靠的環(huán)境來進行相關作業(yè)。大型筒體制造工藝流程如圖2所示。

圖2 大型筒體制造工藝流程

3 大型筒體制造工藝控制

根據(jù)制造工藝性分析，整個工件分為3組子單元制造，從下往上依次為下底板+過渡段、下部筒節(jié)、上部筒節(jié)。

3.1 下底板+過渡段的制造

因為整個工件筒體焊接完成后內腔較深，下底板上平面在焊接完成后無法加工，所以在過渡段焊接完成后（下部筒節(jié)焊接前），需要最終精加工到位，且加工的平面度要求要高于最終的平面度要求（為后續(xù)焊接變形留出來部分變形裕量）。為降低工件的焊接變形，過渡段焊后需要進行尺寸穩(wěn)定化處理（采取400℃左右的熱處理或振動時效）。同時考慮機床的加工難度，確定最終的加工整體平面度（全部）須控制在0.1mm。

3.2 下部筒節(jié)的焊接及變形分析及控制

下部筒節(jié)焊縫焊接應力有限元分析及結果（如圖3所示）：在環(huán)焊縫位置承受不同焊縫等效周壓時，堆芯底板卸壓槽的應力強度以及堆芯底板平面高差見表1。

圖3 堆芯底板Z向位移云圖

表1 下部筒節(jié)焊縫應力有限元計算結果

由分析及計算結果可知，當滿足堆芯底板應力槽應力小于材料許用應力（115MPa）且堆芯底板平面高差小于0.38mm的要求時，筒體上部第二道焊縫位置所能承受的最大壓力為37MPa。下筒體環(huán)焊縫的焊接可以滿足堆芯底板的平面度控制要求。為減少焊接熔覆量，采用的窄間隙焊接是一種高效、省時、節(jié)能的厚板焊接方法，其優(yōu)點除了縮短焊接時間、減少焊接材料消耗和費用外，還有焊接熱輸入小，可改善接頭焊接韌性和焊接變形，從而提高焊接質量。

下部筒節(jié)由鋼板卷板而成，整圓一條縱焊縫，卷板焊后調形至±3mm之內進行內外圓的粗加工，整體圓度控制在±0.5mm。與過渡段的焊接變形控制措施如下。為控制整體圓度的變形，應減少焊接的熱輸入，減少此處整條環(huán)焊縫的焊接熔敷量，使用窄間隙焊接工藝（采用窄間隙焊接工藝），施焊工藝參數(shù)見表2；焊縫上下兩側應用環(huán)形防變形支撐加固，減小工件的變形量；為保證底板的平面度變形，用剛度較大的防變形工裝固定底板，減小底板的平面度變形。針對工藝控制難點的解決措施，公司引入熱絲TIG窄間隙焊接系統(tǒng)，來保證整個焊接工藝的變形及質量。

表2 窄間隙焊接參數(shù)

第一，針對該工藝設備介紹其焊接系統(tǒng)的組成及特點。窄間隙熱絲TIG焊接設備主要由窄間隙熱絲TIG焊接系統(tǒng)、KM4035操作機、水平回轉臺、攝像系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、背氣保護系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。其中焊接機頭采用進口產品，鎢極可進行±45°的擺動，使電弧朝向側壁，熔池更好地進行融合。焊槍主體采用耐高溫、絕緣PPEK材質，使焊槍可在高溫環(huán)境下長時間工作，且不發(fā)生斷路；焊槍鎢極前后通過特殊設計的出氣口，使保護氣在窄坡口能更好地保護熔池、鎢極；焊槍外部配有二次氣體保護罩，用于焊接位置前后范圍內的保護，排除范圍內的空氣，放置焊縫便面氧化，同時可以加強淺坡口及蓋面焊接時的保護；焊槍、送絲槍、二次氣體保護罩均有冷水循環(huán)，以提高設備在高溫下的焊接能力及可靠性。

第二，焊接坡口的設置。窄間隙焊接的主要工藝特點就是減少熔覆量，降低焊接的熱出入，從而減少工件的焊接變形，同時依據(jù)設備的對應條件設置相應的焊接坡口。該坡口的尺寸應盡量減小，但還要考慮隨著焊層的增加，坡口的變形能包證鎢極與熔池的距離。

3.3 熱處理

一般熱處理制度無通用的標準規(guī)范，應該按照具體的設計及產品技術規(guī)格書要求進行，其中參照核電及壓力容器相關要求，焊后任意熱處理不超過425℃，為使焊后的下部筒節(jié)受熱均勻，且降低焊接殘余應力，采取下部筒節(jié)整體熱處理的工藝措施。工件入爐時底部多點水平墊實，確認底板均勻受力后開始升溫，爐溫均勻性控制在工藝要求以內。下部筒節(jié)熱處理后的變形數(shù)據(jù)檢查參見表3。

表3 底板的平面度（分布圓）檢測數(shù)據(jù)表（單位：mm）

3.4 環(huán)槽的加工

在工件熱處理完成后進行6只環(huán)槽的加工。工藝控制措施如下。因6只環(huán)槽在整體焊接完成后有同軸度的要求，所以整個制造過程要考慮加工、焊接及后續(xù)的局部熱處理對環(huán)槽造成的變形影響。因受設備加工高度的影響，環(huán)槽在上部筒節(jié)焊前加工，6只環(huán)槽采用大型立車加工，圓度、同軸度均控制在0.03mm以內。

3.5 上筒節(jié)的焊接及變形控制

工件上部筒節(jié)位置在最上部，如果焊接過程中其變形過大，將會影響下部筒節(jié)，從而帶來下部筒節(jié)環(huán)槽的變形，引起同軸度超差，所以此時焊接的防變形措施尤其重要。采取的工藝措施如下。焊接采用窄間隙焊接工藝，減少焊材的熔敷量，調整焊接工藝參數(shù)，采用小焊接熱輸入，多層施焊，焊接參數(shù)參見表2。采取的防變形控制措施如下。設計可調整圓度的防變形工裝，焊縫上下位置分別用環(huán)形工裝固定，讓工件均勻受力，控制焊縫上、下止口的圓度一致，且保證在工藝要求的范圍內。調整好上、下筒節(jié)的同軸及水平度符合要求后，鎖緊工裝，再次確認上、下止口的圓度。

3.6 上、下部筒節(jié)環(huán)焊縫的局部熱處理

因整個筒體較高，且圓周尺寸較大，難以使工件整體熱處理，但又要降低或者均勻化焊縫焊接應力，采用合理的焊接程序，控制焊接層間溫度。加強焊接過程中的尺寸檢測，合理調節(jié)焊接的順序盡量控制焊接變形。此條焊縫宜采用局部退火熱處理。采用陶瓷電加熱片進行分區(qū)控制，控制加熱的整體均勻性。采用400℃的熱處理制度。局部熱處理完成后，工件拆除各工裝支撐，在自由狀態(tài)下機床打表檢查工件整體環(huán)槽的圓度及跳動檢查數(shù)據(jù)參見表4。

表4 6只筒體環(huán)槽圓跳動（圓均布）檢測數(shù)據(jù)表（單位：mm）

3.7 筒體的整體加工

該類筒體因圓周尺寸較大、筒壁較薄、高度較高，加工過程變形較大。整體加工選用單柱數(shù)控立車CKX53180對工件的上法蘭平面及內孔進行加工。裝夾方式采用高位卡抓裝夾，保證工件旋轉穩(wěn)定性，整體車削。針對不銹鋼的加工硬化，選擇合適的切削刀具及合理的加工參數(shù)，分為粗、精加工。還需要針對加工應力的釋放，在粗加工后松動高溫卡爪，工件自由狀態(tài)，百分表監(jiān)控裝夾變形，在變形小于0.03的狀態(tài)下重新加緊，進行后續(xù)的精加工。加工參數(shù)具體選擇見表5。

表5 整體加工上法蘭面的車削參數(shù)

4 結論

根據(jù)整體檢測的數(shù)據(jù)分析，上述工藝控制措施按照焊前加工的工藝措施可以滿足設計性能，達到工件的使用要求。對尺寸精度較高的大型筒體類工件，可采用焊前加工的工藝路線，并采用合理的工藝路線和對焊接及防變形做出必要合理的控制措施，可達到設計的高精度要求，大大降低了對特、專用設備的依賴。尤其是對單件小批量的大型筒體制造經濟效益的提高、整個制造周期的縮短有較大的現(xiàn)實意義。