不锈钢转轮室焊接变形控制的研究

(整期优先)网络出版时间:2022-08-26
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不锈钢转轮室焊接变形控制的研究

任关良

身份证号:330121196410310310

摘  要: 分瓣不锈钢转轮室,采用全不锈钢304L材料焊接而成,转轮室本体由80mm钢板分10块压制后焊接而成,本文介绍通过压形控制,焊接接头的设计,焊接次序的控制,柔性支撑与钢性支撑相结合,焊后消应处理的方法,解决了该工件焊接变形大的问题,其着重点为焊接次序的控制。

关键词: 转轮室、304L、焊接接头、焊接次序、柔性支撑、钢性支撑、焊后消应处理、最小厚度

一、前言

众所周知,大型结构件的焊接变形控制是一个难题,而大型水轮发电机组中的水轮机转轮室就是一个典型的大型结构件,其焊接变形控制是转轮室制作成败的关键。La Sarcelle 项目转轮室设计为大直径,大壁厚,全奥氏体不锈钢的焊接结构,具有焊接收缩量大,焊接变形大,焊接残余内应力不易完全消除的特点。不适当的焊接、热处理控制工艺容易使不锈钢产生焊接变形和晶间腐蚀,因此在生产过程中,尽量控制焊接变形与减少焊接内应力是本转轮室制造的难点,也是控制的关键所在。

在工程实践中我们针对大型转轮室焊接变形控制进行了全面的分析研究,通过压形控制,焊接接头的设计,焊接次序的控制,柔性支撑与钢性支撑相结合,焊后消应处理的方法,很好地解决了该工件焊接变形的控制问题。

二、La Sarcelle项目转轮室概况

转轮室高3315mm,直径ø7930mm,转轮室由本体、上法兰、下环体、及外部5圈环筋组成,所有部件材料均为304L钢板,转轮室分两瓣制造,转轮室本体由80mm钢板分10块拼焊而成,焊后内表面加工成多段组合的球面,转轮室最终壁厚不小于65mm。

转轮室结构见附图:(把高度、直径、厚度尺寸标上去)

        

    1:转轮室合缝面,2:转轮室本体拼焊缝,3:上法兰,4:环筋,5:转轮室本体,

6:下圆环

三、变形分析

转轮室关键是:本体组合拼焊成圆形部件后,内腔尺寸必须按加工图纸所标注的各球面和锥面尺寸留有加工余量,并且加工后转轮室壁厚最小厚度不小于65mm。这就要求转轮室组合拼焊成圆形部件后,其内腔各项尺寸不能大于图纸的加工尺寸,也不能比加工尺寸小15mm,所以控制转轮室焊接变形就显得尤为重要。

1、转轮室本体由10块压形后,拼后成两半圆中间加合缝面,本体由3 球面加锥面而成,焊缝的纵向收缩与横向收缩引起转轮室的变形。

2、转轮室的5条环筋的纵向收缩引起的变形。

四、转轮室本体准备

1、模压成形:筒体分10瓣采用上下压模热压成形,压形温度1100~1200℃

2、定形处理:成形后压模内,1000T压力机压至200℃以下出模

3、固溶处理:1020±20℃保温4h

4、样板及3D检查

五、焊接工艺措施

1、采用分步焊接的方法,先焊本体序5,本体压形后,按下图拼成整圆,拼缝处采用同材质的30mm钢板搭块作为支撑,在高度方向共设3层,内开设R150的内孔便于焊接,其目的是防止焊缝的角变形,但有一定的柔性,即柔性支撑,柔性支撑的目的是在焊接过程中尽量使其应力得到释放,但又能控制其变形方向。(另外要把两个半圆开口处的刚性支撑也描述一下)如下图示2左:(图示2的字体放大一点,便于看清楚)(另可以加一个局部放大图注明搭块并标注R150尺寸)

2、采用分段退步焊,如图示2右,焊缝分为6 段,焊接的次序按1、2、3、4、5、6次序进行 ,层与层之间的焊缝接头错开100mm;(加一张表示一条纵向焊缝的图,标注出六段及焊接顺序)

3、对称施焊,转轮室本体由8人同时进行施焊,如图示2:A、B、C、D、E、F、G;

4、采用两面交替焊接的方法:转轮室坡口,内侧为2/3,外侧为1/3,如图示A1先焊内侧坡口的1/2,A2将外侧焊满,A3 将内侧焊满,B、C、D、E、F、G均依此进行;

5、焊接方法:多层窄道小电流的焊接方法,立焊的电流比平焊与横焊小,立焊更能控制焊接变形,采用立向上的焊接方法,如图示2右,

6、焊接参数:采用GMAW的焊接方法,参数见下表:

焊接方法

极性

焊材

气体

流量L/min

电流(A)

电压(V)

速度cm/min

GMAW

DCEP

Ø1.2ER308L

98%Ar+2%O2

15~20

170~220

23~28

20~35

7、序5本体焊接后进行检查

焊缝进行射线检查,本体内腔采用样板和3D检测,局部超差部份进行火焰整型;

8、环筋的焊接

8.1、刚性支撑,合格的本体按下图加上刚性支撑

 

8.2、按图装上各环筋与上法兰及下锥体

    8.3、各环筋的焊接次序按图示3左(5环筋的焊接次序)

    8.4、8人退步对称施焊,如图示3右

    8.5、焊接位置平焊+横焊,焊接参数见下表:

焊接方法

极性

焊材

气体

流量L/min

电流(A)

电压(V)

速度cm/min

GMAW

DCEP

Ø1.2ER308L

98%Ar+2%O2

15~20

220~280

25~32

30~50

9、焊后热处理

此转轮室材料为奥氏体不锈钢304L,要求抗晶间腐蚀。常规热处理工艺,不可避免材料的晶间腐蚀,而通过焊后中温热处理

的方法工艺,避开奥氏体425-815之间的晶间敏感区同时又能消除焊接应力。热处理曲线如下:

六、检查结果

1、焊后转轮室本体取样,采用GB/T4334-2008标准方法E,试验溶液配比:17%CuSO4+6%H2SO4试验时间16h,进行晶间腐蚀试验符合标准要求;

2、最终转轮室金加工后所有尺寸符合图纸要求,保证了壁厚不小于65mm的要求;

产品如附照片:

六、结束语

     优化焊接接头的设计,结合柔性支撑与钢性支撑,通过合理的焊接次序,焊后消应处理的方法,能解决大型复杂变形工件的焊接变形控制问题。同时通过获得发明专利的中温热处理工艺,使该工件材料304L的晶间腐蚀问题得到解决,提高了该工件的使用寿命。

参考文献

1《焊接手册》中国机械工程学会焊接学会(第3版)

2《焊接结构》田锡唐 机械工业出版社

3《焊接冶金学》周振丰 机械工业出版社

4《焊接数据资料手册》 李智诚等  中国物资出版社