CN112621000A - 一种闭式叶轮的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种闭式叶轮的加工方法，尤其是一种闭式叶轮的焊接方法，包括以下步骤：加工坡口；打底焊接，采用GTAW在下坡口内进行打底焊接，且焊接不少于两层打底焊道；清根，将焊接处通过铣加工清根，且清根时铣去不少于一层的打底焊道；渗透探伤；焊接上坡口；焊接下坡口；射线探伤；校正；加工定位槽；装配叶片；装配轮盖板组件；装入焊接工装；打底焊接；填充焊接；盖面焊接；整形；消除应力。本发明提供的一种闭式叶轮的焊接方法有效解决了现有闭式叶轮焊接时焊缝质量差和应力集中导致产品寿命短的问题，产品的焊接质量高、应力小、结构稳定，使用寿命长。

Description

一种闭式叶轮的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种闭式叶轮的加工方法，尤其是一种闭式叶轮的焊接方法。
背景技术
闭式叶轮是离心式压缩机最主要的转子部件。离心式压缩机能耗低、稳定性高、无污染、便于全自动控制，广泛应用于石油、化工、冶金、食品、余热回收、环保等行业。压缩机带动叶轮高速旋转，工作转速达到3000rpm以上，将吸入的气体增速，使其动能和静压能同时增加，并在后续的扩压器和排气壳体中进一步增加其静压能以达到压缩介质增温增压的目的。闭式叶轮的叶片与轮背板和轮盖板连接，压缩效率高但制造难度大。目前闭式叶轮主要有以下部件：1轮毂，主要作用是与传动轴连接，提供动力；2进气口，用于导入工作介质；3叶片，提供足够的强度承受工作的离心力，并保证气动性能和减小转动惯量，流道的设计影响压缩机的做功效率；4轮背板，传导旋转动力带动介质旋转；5轮盖板，一般比轮背板薄，封闭介质旋转做功，提高效率。主要部件的形式见工艺附图一。
闭式叶轮旋转时在离心力的作用下，受巨大的切向力和径向力，以及高温蒸汽的热应力，振动应力和腐蚀作用。从相关资料了解到，叶轮的轮背板与轮毂、叶片连接处应力较大，局部区域达到200-300MPa。叶片与进气口连接处局部应力达到300-400MPa。叶轮是转子运动件，需要进行动平衡校正，保证压缩机具有较高的效率和较低的振动噪声。闭式叶轮结构复杂，主要采用焊接的制造方法，但是现有的产品焊接完成后存在焊缝质量差，焊接应力大，结构不稳定，产品振动大，使用寿命短的问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种焊缝质量高、焊接应力小、结构稳定、产品振动小、使用寿命长的一种闭式叶轮的焊接方法，具体技术方案为：
一种闭式叶轮的焊接方法，包括以下步骤：
S110、加工坡口，轮背板的对接焊接处和轮盖板的对接焊接处均加工上坡口和下坡口，所述上坡口和所述下坡口形成X形坡口，所述上坡口位于闭式叶轮的外侧，所述下坡口位于闭式叶轮的内侧，所述上坡口的深度为板厚的0.3～0.4倍；
S120、打底焊接，采用GTAW在下坡口内进行打底焊接，且焊接不少于两层打底焊道；
S130、清根，将焊接处通过铣加工清根，且清根时铣去不少于一层的打底焊道；
S140、渗透探伤，剩余的打底焊道无裂纹；
S150、焊接上坡口，采用GTAW对上坡口进行焊接，焊接时进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接；
S160、焊接下坡口，采用GTAW对下坡口进行焊接，焊接时进行填充焊接和/或盖面焊接；
S170、射线探伤，对所有焊道进行完全探伤，焊道不存在超标气孔、裂纹、未焊透缺陷；
S180、校正，焊接完成的独立的轮背板组件和轮盖板组件用油压机械矫正焊接变形，校正平面；
S190、加工定位槽，在轮背板组件和轮盖板组件上加工用于叶片定位的定位槽；
S200、装配叶片，将加工成型且重量一致的叶片装入到轮背板组件的定位槽内，然后采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S210、装配轮盖板组件，将轮盖板组件的定位槽插到叶片上，并采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S220、装入焊接工装，将闭式叶轮装入到防止焊接变形的焊接工装中；
S230、打底焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行打底焊接；
S240、填充焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行填充焊接；
S250、盖面焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行盖面焊接；
S260、整形；
S270、消除应力，采用振动消除应力。
进一步的，所述上坡口的坡口角度和所述下坡口的坡口角度均为70±2.5°。
进一步的，叶片与轮盖板和轮背板之间的焊脚的宽度不小于叶片或轮背板的厚度。
进一步的，所述定位槽的深度不大于0.5mm。
进一步的，打底焊接时采用直径为2mm的焊丝，焊接电流为130～160A，焊接速度为13～16cm/min，线能量为6～10KJ/cm。
进一步的，填充焊接和盖面焊接时采用直径为2.4mm的焊丝，焊接电流为140～160A，焊接速度为15～20cm/min，线能量为7～12KJ/cm。
进一步的，所述GTAW焊接时，保护气体Ar的纯度为99.99％，流量为10～15L/min；焊接前去除水气并火焰加热到20～50℃。
进一步的，所述GTAW焊接时，焊道之间的温度≤100℃。
进一步的，所述步骤S190和所述步骤S200中，叶片的弧形与定位槽的定位弧线的偏差不大于0.5mm。
进一步的，所述叶片与轮盖板和轮背板之间的角焊的两侧的焊角尺寸偏差不大于2mm。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
本发明提供的一种闭式叶轮的焊接方法有效解决了现有闭式叶轮焊接时焊缝质量差和应力集中导致产品寿命短的问题，产品的焊接质量高、应力小、结构稳定，使用寿命长。
附图说明
图1是闭式叶轮的结构示意图；
图2是轮背板和轮盖板的坡口和焊接示意图；
图3是叶片加工定位槽的结构示意图；
图4是叶片分别与轮背后和轮盖板的焊接示意图。
图中，1、轮毂；2、进气口；3、叶片；4、轮背板；41、定位槽；5、轮盖板。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步说明。
如图1至图4所示，一种闭式叶轮的焊接方法，包括以下步骤：
S110、加工坡口，轮背板的对接焊接处和轮盖板的对接焊接处均加工上坡口和下坡口，所述上坡口和所述下坡口形成X形坡口，所述上坡口位于闭式叶轮的外侧，所述下坡口位于闭式叶轮的内侧，所述上坡口的深度为板厚的0.3～0.4倍；
S120、打底焊接，采用GTAW在下坡口内进行打底焊接，且焊接不少于两层打底焊道；
S130、清根，将焊接处通过铣加工清根，且清根时铣去不少于一层的打底焊道；
S140、渗透探伤，剩余的打底焊道无裂纹；
S150、焊接上坡口，采用GTAW对上坡口进行焊接，焊接时进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接；
S160、焊接下坡口，采用GTAW对下坡口进行焊接，焊接时进行填充焊接和/或盖面焊接；
S170、射线探伤，对所有焊道进行完全探伤，焊道不存在超标气孔、裂纹、未焊透缺陷；
S180、校正，焊接完成的独立的轮背板组件和轮盖板组件用油压机械矫正焊接变形，校正平面；
S190、加工定位槽，在轮背板组件和轮盖板组件上加工用于叶片定位的定位槽；
S200、装配叶片，将加工成型且重量一致的叶片装入到轮背板组件的定位槽内，然后采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S210、装配轮盖板组件，将轮盖板组件的定位槽插到叶片上，并采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S220、装入焊接工装，将闭式叶轮装入到防止焊接变形的焊接工装中；
S230、打底焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行打底焊接；
S240、填充焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行填充焊接；
S250、盖面焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行盖面焊接；
S260、整形；
S270、消除应力，采用振动消除应力。
所述上坡口的坡口角度和所述下坡口的坡口角度均为70±2.5°。根部间隙1～2mm。
叶片与轮盖板和轮背板之间的焊脚的宽度不小于叶片或轮背板的厚度。
所述定位槽的深度不大于0.5mm。
打底焊接时采用直径为2mm的焊丝，焊接电流为130～160A，焊接速度为13～16cm/min，线能量为6～10KJ/cm。
填充焊接和盖面焊接时采用直径为2.4mm的焊丝，焊接电流为140～160A，焊接速度为15～20cm/min，线能量为7～12KJ/cm。
所述GTAW焊接时，保护气体Ar的纯度为99.99％，流量为10～15L/min；焊接前去除水气并火焰加热到20～50℃。
所述GTAW焊接时，焊道之间的温度≤100℃。
所述步骤S190和所述步骤S200中，叶片的弧形与定位槽的定位弧线的偏差不大于0.5mm。
所述叶片与轮盖板和轮背板之间的角焊的两侧的焊角尺寸偏差不大于2mm。
焊接是不均匀的加热过程，存在明显的焊接变形、焊接内应力对母材微观组织、机械性能有影响，焊缝区有粗大的晶粒组织，熔合线区有晶界夹杂物、脆性金属相和组织的不均匀性。叶片与轮背板和轮盖板的T型角焊缝，焊接时焊角根部的熔合，焊角尺寸的大小和成型形状对叶轮的结构强度、结构稳定性、工艺性能、旋转动平衡性能和产品的耐腐蚀性能有重要影响。焊缝的咬边、表面气孔、打磨的尖角等缺陷成为腐蚀性介质聚集和应力集中的起源，会加剧应力腐蚀裂纹的产生，通过采用本发明的焊接方法解决了上述问题。
叶轮、轮盖板和轮背板选用了种超级双相不锈钢材料S32750，双相不锈钢是铁素体和奥氏体混合，具有良好的塑性和韧性，集优良的耐腐蚀、高强度和易于制造加工的性能于一身。双相不锈钢中的高铬、钼和氮使其具有非常好的耐氯化物局部腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀性能；耐酸碱腐蚀性能，大大优于标准奥氏体不锈钢。双相不锈钢的抗拉强度也比316奥氏体不锈钢提高约35％，对闭式叶轮受较大离心力作用的区域的性能提供了保证。
采用手工氩弧焊GTAW焊接方法进行闭式叶轮的焊接，采用小电流，多层多道焊，严格控制焊缝清理和层间温度，保证焊缝金属的强度和耐腐蚀性能。焊前和层间清理：焊缝及边缘10mm打磨清理干净，用酒精擦洗干净，不允许有氧化皮、油污、灰尘。每层焊缝清理去氧化皮。采用多层多道直进焊接。
在轮背板和轮盖板的焊接中去除部分打底焊，打底焊时采用不少于两道的打底焊道，能提高第二到打底焊道的质量。打底焊可能有气孔、未熔合、未焊透，裂纹等缺陷，去除第一个打底焊道和部分第二个打底焊后能有效避免出现这些缺陷，尤其是在去除打底焊超过坡口的根部的打底焊道，有效去除了焊接质量不稳定的打底焊道。清理干净后，进行渗透探伤检验，保证没有裂纹缺陷的情况下再进行另一面的焊接。焊缝在能自由收缩的情况下，焊接残余拉应力比较小，不会损失母材的塑性变形能力，对产品的强度更有保障。
对接焊缝根据国家标准进行100％射线探伤检验，根据标准进行验收，不存在超标的气孔、裂纹、未焊透等缺陷，从而保证产品焊缝的质量，提高闭式叶轮的稳定性和寿命。
如图2所示，轮背板和轮盖板焊接时，先进行打底焊道1和打底焊道2的焊接，然后清根，清根范围为图中虚线所示，将打底焊道1完全清除，并且清除部分第二打底焊道2，然后翻转轮背板或轮盖板，从外侧面进行打底焊道3的焊接，然后进行填充焊接，形成填充焊道4，再进行盖面焊接，形成盖面焊道5，翻转轮背板或轮盖板，从内侧面进行盖面焊道6的焊接。
如图4所示，先在叶片与轮背板之间进行打底焊道1和打底焊道2的焊接，然后在叶片与轮盖板之间进行打底焊道1和打底焊道2的焊接，回到叶片与轮背板之间进行填充焊道3和填充焊道4的焊接，然后在叶片与轮盖板之间进行填充焊道3和填充焊道4的焊接，再次回到叶片与轮盖板之间进行盖面焊道5～10的焊接，最后在叶片与轮背板之间进行盖面焊道5～10的焊接。
叶片的焊接采用T型角焊。第一层打底焊保证熔合均匀，最终的焊角尺寸与叶片等厚，保证承受足够的离心作用力。角焊缝成型均匀连续，表面平滑或内凹的圆弧形状，焊角尺寸上下两侧均匀，避免成型凸起和两侧焊角尺寸偏差大于2mm，不允许存在明显的咬边和成型不良。叶片在进气口和出气的外圆两端角焊缝需圆滑过渡，可以局部焊缝加强，该区域更容易受到介质冲蚀，容易产生焊接裂纹源和腐蚀。
闭式叶轮焊接完成后，先机械矫形，振动消除部分焊接残余应力，使产品更稳定。然后按图进行机加工，保证轮毂与传动轴的装配尺寸，上下盖板的厚度均匀，有利于后续的转子动平衡。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S110、加工坡口，轮背板的对接焊接处和轮盖板的对接焊接处均加工上坡口和下坡口，所述上坡口和所述下坡口形成X形坡口，所述上坡口位于闭式叶轮的外侧，所述下坡口位于闭式叶轮的内侧，所述上坡口的深度为板厚的0.3～0.4倍；
S120、打底焊接，采用GTAW在下坡口内进行打底焊接，且焊接不少于两层打底焊道；
S130、清根，将焊接处通过铣加工清根，且清根时铣去不少于一层的打底焊道；
S140、渗透探伤，剩余的打底焊道无裂纹；
S150、焊接上坡口，采用GTAW对上坡口进行焊接，焊接时进行打底焊接、填充焊接和盖面焊接；
S160、焊接下坡口，采用GTAW对下坡口进行焊接，焊接时进行填充焊接和/或盖面焊接；
S170、射线探伤，对所有焊道进行完全探伤，焊道不存在超标气孔、裂纹、未焊透缺陷；
S180、校正，焊接完成的独立的轮背板组件和轮盖板组件用油压机械矫正焊接变形，校正平面；
S190、加工定位槽，在轮背板组件和轮盖板组件上加工用于叶片定位的定位槽；
S200、装配叶片，将加工成型且重量一致的叶片装入到轮背板组件的定位槽内，然后采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S210、装配轮盖板组件，将轮盖板组件的定位槽插到叶片上，并采用GTAW小电流点焊，焊点均匀圆滑；
S220、装入焊接工装，将闭式叶轮装入到防止焊接变形的焊接工装中；
S230、打底焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行打底焊接；
S240、填充焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行填充焊接；
S250、盖面焊接，采用GTAW在叶片的两侧进行盖面焊接；
S260、整形；
S270、消除应力，采用振动消除应力。
2.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述上坡口的坡口角度和所述下坡口的坡口角度均为70±2.5°。
3.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
叶片与轮盖板和轮背板之间的焊脚的宽度不小于叶片或轮背板的厚度。
4.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述定位槽的深度不大于0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
打底焊接时采用直径为2mm的焊丝，焊接电流为130～160A，焊接速度为13～16cm/min，线能量为6～10KJ/cm。
6.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
填充焊接和盖面焊接时采用直径为2.4mm的焊丝，焊接电流为140～160A，焊接速度为15～20cm/min，线能量为7～12KJ/cm。
7.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述GTAW焊接时，保护气体Ar的纯度为99.99％，流量为10～15L/min；焊接前去除水气并火焰加热到20～50℃。
8.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述GTAW焊接时，焊道之间的温度≤100℃。
9.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述步骤S190和所述步骤S200中，叶片的弧形与定位槽的定位弧线的偏差不大于0.5mm。
10.根据权利要求1所述的一种闭式叶轮的焊接方法，其特征在于，
所述叶片与轮盖板和轮背板之间的角焊的两侧的焊角尺寸偏差不大于2mm。
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