CN103862146B - 燃气轮机燃烧器内筒体制造方法及工装 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种燃气轮机燃烧器内筒体制造方法及其焊接工装，其特点是，借助工装实现N-2-1定位法和对称分段跳焊法，能将燃气轮机燃烧器内筒之类的薄壁筒体的焊接变形控制在1mm之内。

Description

燃气轮机燃烧器内筒体制造方法及工装

技术领域

本发明涉及汽轮机制造方法，具体涉及一种燃气轮机燃烧器内筒体制造方法及工装。

背景技术

我国自主开发的燃气轮机，其燃烧器采用特殊结构设计，内部有一个薄壁筒体，该薄壁筒体的壁厚δ1.5～6mm、内径Φ300～600mm、筒长400～800mm，材料是镍基合金，制造时，先用卷板机将镍基合金板材弯卷成筒状，有一条纵向对接焊缝，再将该焊缝焊接起来。制造过程中，有如下工艺难点：

1、由于薄壁筒体焊接变形具有复杂性、多元性，加之某些材料在高温下极易氧化，需依靠一种带背氩保护的刚性装焊工装来控制其变形。以往，此类薄壁件焊接多采用琴键气动夹具，其对筒体的装夹定位方式不利于控制焊接变形，且夹具刚性不足导致筒体装夹后有挠度和扭曲，会加剧焊接变形，很难达到设计要求，再有，该夹具背氩保护困难，制造成本高。

2、由于镍基合金的固有特性，它的焊接性很差，焊缝中焊料金属不容易湿润展开，流动性差，焊接工艺难度大。

以上困难导致该筒体合格率低，制造成本高。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种燃气轮机燃烧器内筒体制造方法及工装，可有效地克服制造中的困难，提高产品合格率，缩短制造周期，降低制造成本。

本发明的技术方案是：

一种燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，该筒体材料为镍基合金，壁厚δ1.5～6mm、内径Φ300～600mm、筒长400～800mm，制造步骤如下：

1）、按计算尺寸下料镍基合金板，在对接边上切出焊接坡口；

2）、上卷板机卷成扁筒状，其截面轮廓为长孔形状，筒壁由一对平面板和一对半圆弧曲面板围成，对接焊缝位于一块平面板的纵向中线上，焊接坡口向外；

3）、按如下步骤焊接该对接焊缝：

a.基于N-2-1定位原理，借助工装，在筒体法向设置至少3个定位点，在筒体切向设置2个定位点，在筒体轴向设置1个定位点，通过这些定位点将筒体固定；

b.采用对称分段跳焊法，将焊缝划分成若干个段，通过焊接有限元分析软件SYSWELD找出焊缝的最优分段数量及焊接顺序，先按点焊分段数量及焊接顺序逐一将分段节点压紧，施以点焊，直至焊完所有分段节点；再按分段焊分段数量及焊接顺序逐一焊各个焊接段，直至焊完整条对接焊缝；

4)、打磨焊缝，使其与筒体内、外柱面齐平；

5）、上滚圆机滚圆，消除各个方向的变形；

6）、固溶热处理，改善筒体塑性；

7）、用油压机矫形，使其椭圆度符合要求。

步骤3）中，焊接前对焊缝坡口内外表面50mm范围内进行清理，采用磨光机打磨去除氧化膜直至露出金属光泽，再用丙酮进行擦洗，去除油污、毛刺、氧化皮等有害物质。

步骤3）中，所述分段焊采用单面焊双面成型的方法，分多层焊接，至少两层，层间温度不超过90℃。

所述焊接坡口角度15°～45°，底部间隙0.7～2mm。

用于上述方法的工装，包括由从上至下依次设置的上压板部件、背氩板部件、支架部件；

所述上压板部件包括重叠布置的压板及其紫铜垫板，压板居上，在板面上开有竖直贯通压板及其紫铜垫板的焊枪槽，在焊枪槽两侧分别设有一排螺纹通孔，孔内配有紧定螺钉，两排螺纹通孔相对于焊枪槽对称布置，每排紧定螺钉数量至少三个，作为筒体法向定位点；在焊枪槽的一侧设有两个工艺搭子，固定在压板上，该工艺搭子顶住筒体外壁，作为筒体切向定位点；

所述背氩板部件包括重叠布置的背氩板及其紫铜垫板，紫铜垫板居上，紫铜垫板的顶面作为装夹筒体的定位基准面，在紫铜垫板的尾端设有一个限位台阶，用于顶住筒体的一端，作为筒体轴向定位点，该定位点与上述法向、切向定位点共同实现N-2-1定位原理；在背氩板的顶面沿其中线开有沟槽，该沟槽与紫铜垫板合围构成背氩腔室；在紫铜垫板中线两侧，开有两排小孔，相对于中线对称布置，作为氩气进入焊缝的通道；在背氩板的四个角部分别设有连接螺栓，其螺柱贯穿紫铜垫板、上压板部件，拧紧螺母，可将上压板部件与背氩板部件固定。

所述两排小孔的排间距离略小于焊缝底部宽度，每排小孔在纵向均匀分布，两排小孔相向呈Z字形交错布置，使得氩气均匀进入焊缝两侧；

在焊枪槽两端外侧的压板板面上，分别刻有中线标志线a，该中线标志线a与焊枪槽的中线重合；在焊枪槽两端外侧的垫板板面上，分别刻有中线标志线b，该中线标志线b与中线标志线a对应；在紫铜板上刻有中线标志线c，在筒体固定后，中线标志线a、b、c在垂直方向的投影重合；

所述焊枪槽是“V”形截面的斜面槽，斜面倾角45°；

所述螺纹通孔是螺纹沉孔，相应地，紧定螺钉是内六角沉头螺钉。

所述支架部件包括支架、滑轮组、铰链；所述支架由一个矩形底框和一对梯形边框组焊构成，两边框的顶面作为安装上压板部件、背氩板部件的基准面，在一个边框的顶面上设有铰链，所述背氩板部件的尾端通过铰链与边框铰接；在另一个边框的顶面上设有滑轮组，该滑轮组具有重叠布置的上滑轮和下滑轮，其中，下滑轮固定在边框的顶面上，上滑轮与氩板部件的首端连接，上、下滑轮之间互不连接，使背氩板部件的首端成为自由端，可以升降，与支架开、合。

所述滑轮组、铰链的有效高度相同，使筒体定位基准面即背氩板的紫铜垫板的顶面处于水平状态。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用N-2-1定位法和对称分段跳焊法，能将焊接变形控制在1mm之内。

N-2-1定位原理（N-2-1locatingprinciple）是由CaiW.等人于1996年在采用变分法确定传统3-2-1定位夹具定位点位置的基础上针对柔性薄板零件在法向方向易变形的特点提出来的，其主要思想为：第一基准面上设置多于三个定位点去限制这一方向（即筒体法线方向）的变形，即第一基准面定位点数N≥3；同时由于夹紧处作用点极小的几何偏差都可能导致薄板件产生巨大的挠度和潜在的不稳定性，故禁止在正反两面同时设置定位点。对称分段跳焊法是薄壁工件焊接的优选工艺，本发明焊将最优的定位方法和最优的焊接工艺结合起来，且工装的结构刚性也很好，可最大限度地控制焊接变形，能将焊接变形控制在1mm之内。

2、背氩保护效果好，焊缝背面均无氧化，焊缝均满足质量标准要求。

3、装焊工装生产周期短、成本低廉、坚固耐用、操作简便。

4、工装具有通用性，可用于各种薄壁筒体工工件焊接纵向焊缝。

附图说明

图1为本工装的整体结构示意图；

图2为本工装的上压板部件结构示意图；

图3为本工装的背氩板部件结构示意图；

图4为工装的支架部件结构示意图；

图5为工装的工作状态示意图。

图1--图5中：1、上压板部件；2、背氩板部件；3、支架部件；11、上压板；12、紧定螺钉；13、上压板紫铜垫板；14、工艺搭子；15、焊枪槽；16、标线a；17、标线b；18、螺纹通孔；21、背氩板；22、背氩板紫铜垫板；23、背氩腔室；24、台阶；25、标线c；31、滑轮组；32、铰链；33、支架。

图6是预弯筒体的截面轮廓示意图；

图7是对称分段跳焊示意图。

具体实施方式

首先制造焊接工装，如图1、图2、图3所示：本工装包括由从上至下依次设置的上压板部件1、背氩板部件2和支架部件3组成。

所述上压板部件1包括重叠布置的压板11及其紫铜垫板13，压板11居上，板面上开有竖直贯通压板11、紫铜垫板13的焊枪槽15，在焊枪槽15两侧分别设有一排螺纹通孔18，孔内配有紧定螺钉12，两排螺纹通孔18相对于焊枪槽15对称布置，每排紧定螺钉12数量至少3个，作为筒体法向定位点；在焊枪槽15的一侧设有两个工艺搭子14，固定在压板11上，该工艺搭子14顶住筒体外壁，作为筒体切向定位点。

所述背氩板部件2包括重叠布置的背氩板21及其紫铜垫板22，紫铜垫板22居上，紫铜垫板22的顶面作为装夹筒体的定位基准面，在紫铜垫板22的尾端设有一个限位台阶24，用于顶住筒体的一端，作为筒体轴向定位点，该定位点与上述法向、切向定位点共同实现N-2-1定位原理；在背氩板21的顶面沿其中线开有纵向贯通的沟槽，该沟槽与紫铜垫板22合围构成背氩腔室23；在紫铜垫板22中线两侧，开有两排小孔，相对于中线对称布置，作为氩气进入焊缝的通道；在背氩板21的四个角部分别设有连接螺栓，其螺柱贯穿紫铜垫板22、上压板部件1，拧紧螺母，可将上压板部件1与背氩板部件2固定。

在上压板部件1和背氩板部件2中分别设置紫铜垫板13、22，是为了保护筒体表面不被划伤。

上述构造中，焊枪槽15最好是“V”形截面的斜面槽，斜面倾角45°，以便观察焊缝熔池的情况。螺纹通孔18最好为螺纹沉孔，相应地，紧定螺钉12用内六角沉头螺钉，使其结构紧凑，便于装夹操作，旋螺钉时互不干扰。

在焊枪槽15两端外侧的压板11板面上，分别刻有中线标志线a16，该中线标志线a16与焊枪槽15的中线重合，便于在装夹筒体时对位。

在焊枪槽15两端外侧的紫铜垫板13板面上，分别刻有中线标志线b17，该中线标志线b17与中线标志线a16对应，便于在安装压板11和紫铜垫板13时对位。

在紫铜垫板22上刻有中线标志线c25，便于在安装筒体时背氩板部件2与上压板部件1对中。在筒体固定后，中线标志a16、b17、c25在垂直方向的投影重合。

如图4所示：所述支架部件3包括支架33、滑轮组31、铰链32；所述支架33由一个矩形底框和一对梯形边框组焊构成，两边框的顶面作为安装上压板部件1、背氩板部件2的基准面，在一个边框的顶面上设有铰链32，所述背氩板部件2的尾端通过铰链32与边框铰接；在另一个边框的顶面上设有滑轮组31，该滑轮组31具有重叠布置的上滑轮和下滑轮，其中，下滑轮固定在边框的顶面上，上滑轮与背氩板部件2的首端连接，上滑轮、下滑轮之间互不连接，使背氩板部件2的首端成为自由端，可以升降，与支架开、合，以便使用时放进筒体。滑轮组31、铰链32的有效高度相同，使筒体定位基准面即紫铜垫板22的顶面处于水平状态。

如图5所示，该工装安装使用顺序如下：

（1）、卸下上压板部件1上的螺母，取下上压板部件1。

（2）、提起背氩板部件2的自由端，将待焊薄壁筒体自滑轮组31的两组滑轮之间的空隙送入，然后放下背氩板部件2的自由端。

（3）、调整待焊薄壁筒***置，使其一端与限位台阶24接触，实现轴向定位，再装上压板部件1，使筒体的外壁与两个工艺搭子14接触，实现切向定位。

（4）、将焊缝两侧的紧定螺钉拧紧，压实焊缝对接边，实现法向定位；

（5）、通入氩气后，根据分段点焊的分段节点数量和焊接顺序，逐一对分段节点施以点焊，直至焊完所有分段节点；

（6）、通入氩气后，根据分段焊的分段数量和焊接顺序，逐一对每段施焊，直至焊完整条焊缝，焊后按逆向安装顺序取出筒体。

本燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，步骤如下：

1）、按计算尺寸下料镍基合金板，在对接边上切出焊接坡口；

2）、上卷板机卷成扁筒状，其截面轮廓为长孔形状，见图6，筒壁由一对平面板和一对半圆弧曲面板围成，对接焊缝位于一块平面板的纵向中线上，焊接坡口向外；

3）、按如下步骤焊接该对接焊缝：

a.基于N-2-1定位原理，借助工装，在筒体法向设置至少3个定位点，在筒体切向设置2个定位点，在筒体轴向设置1个定位点，通过这些定位点将筒体固定。

b.采用对称分段跳焊法，如图7所示，将焊缝划分成若干个段，通过焊接有限元分析软件SYSWELD找出焊缝的最优分段数量及焊接顺序，先按点焊分段数量及焊接顺序逐一将分段节点压紧，施以点焊，直至焊完所有分段节点；再按分段焊分段数量及焊接顺序逐一焊各个焊接段，直至焊完整条焊缝。由于筒体结构所限焊缝背面无法清根，故纵焊缝采用单面焊双面成型的方法进行施焊。镍基合金的流动性差，为避免焊接缺陷的产生，需要低热输入量，采用多层多道手工钨极氩弧焊，焊缝必须严格采取背面充氩保护措施防止背面氧化，以保证焊接质量。例如焊接一段长度为200mm的纵焊缝，每段焊缝长度e值在30mm至40mm之间较为合理，则可分为6段进行焊接，对接焊缝坡口角度可取15°～45°，无钝边。首先将两对接焊缝坡口边缘与装焊工装中心线找中，根部间隙取0.7～2mm较为合理，自中间向两边压紧紧定螺钉，将两对接薄板压紧找平。按点焊顺序图依次按顺序点焊，点焊前应注意两对接坡口处是否平行，防止错边。焊完所有分段节点后，再按分段焊顺序图进行分段焊接，每段分层施焊，至少焊两层，直至焊完整条焊缝。

影响焊接质量的主要问题有：

①热裂纹的敏感性

焊接时易产生热裂纹，如凝固裂纹、多边化裂纹和高温失塑裂纹，热裂纹发生在高温下，常温下不再扩展。要提高焊缝的抗裂能力和耐腐蚀性能，需特别注意焊前焊接区的彻底清洁及工件的清理，避免有害杂质熔入焊缝。

②敏化温度

采用高热输入焊接镍基耐蚀合金可能产生不利影响。由于敏化温度区内晶界易发生贫Cr、贫Mo现象，导致晶间腐蚀和应力腐蚀倾向发生，应选择小的焊接线能量和避免在敏化温度区间停留时间过长是保证获得优质焊接接头的有效措施。了防止焊缝和热影响区的晶粒长大和碳化物的析出，应控制层间温度，一般不超过90℃。

③液态焊缝金属的流动性差。

镍基合金焊缝金属不容易湿润展开，即使增大焊接电流也不能改进焊缝金属的流动性，反而起着有害作用，这是镍基耐蚀合金的固有特性。焊接电流超过规定的范围不仅使熔池过热，增大热裂纹敏感性，而且使焊缝金属中的脱氧剂蒸发，出现气孔。由于焊缝金属流动性差，不易流到焊缝两边，因此为获得良好的焊缝成形，采用小摆动工艺，焊工在摆动到每一侧极限位置时，要稍停顿一下，以避免咬边。

④气孔

尽可能的清理坡口表面油脂、氧化物、杂质，选择合适的保护气体流量，在无风、无粉尘的环境中施焊，均可以有效的减少气孔生成的几率。清洁是焊接抗腐蚀镍基合金中一个最重要的方面。

⑤合适的焊接速度

焊接速度过快，导致熔池金属未与母材充分地熔合。焊接速度过慢，焊缝金属线能量过大，热影响区产生过热组织，晶粒粗大，焊接接头物理性能下降。

4)、打磨焊缝，磨掉焊疤，使其与筒体内、外柱面齐平；

5）、上滚床滚圆，消除各个方向的变形；滚圆时滚床下辊包裹防火布进行保护，防止划伤筒体，滚圆后用内径千分尺测量筒体各个方向的内径，检验其圆柱度。

6）、固溶热处理，改善筒体塑性，使其轮廓形状保持稳定。

7）、由于该镍基合金筒体圆柱度要求较高，普通滚床无法达到此精度，故在滚床滚圆后还需进一步校圆，采用内衬校圆工装，用油压机再次矫形，使其圆柱度符合要求。

Claims (10)

1.一种燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，该筒体材料为镍基合金，壁厚δ1.5～6mm、内径Φ300～600mm、筒长400～800mm，制造步骤如下：

1）、按计算尺寸下料镍基合金板，在对接边上切出焊接坡口；

2）、上卷板机卷成扁筒状，其截面轮廓为长孔形状，筒壁由一对平面板和一对半圆弧曲面板围成，对接焊缝位于一块平面板的纵向中线上，焊接坡口向外；

3）、按如下步骤焊接该对接焊缝：

a.基于N-2-1定位原理，借助工装，在筒体法向设置至少3个定位点，在筒体切向设置2个定位点，在筒体轴向设置1个定位点，通过这些定位点将筒体固定；

b.采用对称分段跳焊法，将焊缝划分成若干个段，通过焊接有限元分析软件SYSWELD找出焊缝的最优分段数量及焊接顺序，先按点焊分段数量及焊接顺序逐一将分段节点压紧，施以点焊，直至焊完所有分段节点；再按分段焊分段数量及焊接顺序逐一焊各个焊接段，直至焊完整条对接焊缝；

4)、打磨焊缝，使其与筒体内、外柱面齐平；

5）、上滚圆机滚圆，消除各个方向的变形；

6）、固溶热处理，改善筒体塑性；

7）、用油压机矫形，使其椭圆度符合要求。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，其特征在于：步骤3）中，焊接前对焊缝坡口内外表面50mm范围内进行清理，采用磨光机打磨去除氧化膜直至露出金属光泽，再用丙酮进行擦洗，去除油污、毛刺、氧化皮有害物质。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述焊缝焊接带背氩保护。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，其特征在于：步骤3）中，所述分段焊采用单面焊双面成型的方法，分多层焊接，至少两层。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，其特征在于：所述分多层焊接的层间温度不超过90℃。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机燃烧器内筒体制造方法，其特征在于：所述焊接坡口角度1５°～４５°，底部间隙0.7～2mm。

7.用于权利要求1～6任一项所述方法的工装，包括由从上至下依次设置的上压板部件、背氩板部件、支架部件；

所述上压板部件包括重叠布置的压板及其紫铜垫板，压板居上，在板面上开有竖直贯通压板及其紫铜垫板的焊枪槽，在焊枪槽两侧分别设有一排螺纹通孔，孔内配有紧定螺钉，两排螺纹通孔相对于焊枪槽对称布置，每排紧定螺钉数量至少三个，作为筒体法向定位点；在焊枪槽的一侧设有两个工艺搭子，固定在压板上，该工艺搭子顶住筒体外壁，作为筒体切向定位点；

所述背氩板部件包括重叠布置的背氩板及其紫铜垫板，紫铜垫板居上，紫铜垫板的顶面作为装夹筒体的定位基准面，在紫铜垫板的尾端设有一个限位台阶，用于顶住筒体的一端，作为筒体轴向定位点，该定位点与上述法向、切向定位点共同实现N-2-1定位原理；在背氩板的顶面沿其中线开有沟槽，该沟槽与紫铜垫板合围构成背氩腔室；在紫铜垫板中线两侧，开有两排小孔，相对于中线对称布置，作为氩气进入焊缝的通道；在背氩板的四个角部分别设有连接螺栓，其螺柱贯穿紫铜垫板、上压板部件，拧紧螺母，可将上压板部件与背氩板部件固定。

8.根据权利要求7所述的工装，其特征在于：

所述两排小孔的排间距离略小于焊缝底部宽度，每排小孔在纵向均匀分布，两排小孔相向呈Z字形交错布置，使得氩气均匀进入焊缝两侧；

在焊枪槽两端外侧的压板板面上，分别刻有中线标志线a，该中线标志线a与焊枪槽的中线重合；在焊枪槽两端外侧的垫板板面上，分别刻有中线标志线b，该中线标志线b与中线标志线a对应；在紫铜板上刻有中线标志线c，在筒体固定后，中线标志线a、b、c在垂直方向的投影重合；

所述焊枪槽是“V”形截面的斜面槽，斜面倾角45°；

所述螺纹通孔是螺纹沉孔，相应地，紧定螺钉是内六角沉头螺钉。

9.根据权利要求7所述的工装，其特征在于：所述支架部件包括支架、滑轮组、铰链；所述支架由一个矩形底框和一对梯形边框组焊构成，两边框的顶面作为安装上压板部件、背氩板部件的基准面，在一个边框的顶面上设有铰链，所述背氩板部件的尾端通过铰链与边框铰接；在另一个边框的顶面上设有滑轮组，该滑轮组具有重叠布置的上滑轮和下滑轮，其中，下滑轮固定在边框的顶面上，上滑轮与背氩板部件的首端连接，上、下滑轮之间互不连接，使背氩板部件的首端成为自由端，可以升降，与支架开、合。

10.根据权利要求9所述的工装，其特征在于：所述滑轮组、铰链的有效高度相同，使筒体定位基准面即背氩板的紫铜垫板的顶面处于水平状态。