CN103480973B - 一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及汽轮机领域，尤其涉及一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，具体步骤包括点焊进气边，点焊出气边，冷却至室温，全焊进气边，全焊出气边；所述全焊进气边和全焊出气边采用冷金属过渡方法，进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均采用三段式焊接，所述出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝采用两段式焊接。本方法能够减小汽轮机空心叶片焊接过程中热输入、有效控制焊接残余应力和变形、减少冷却时间，减少焊接接头数目、简化焊接操作、提高焊件质量稳定性。对焊接工人的技术要求相对不高，便于国内企业的生产，提高汽轮机核心装备的技术水平和国产化率。采用冷金属过渡方法，以及三段法及其所涉及的“三段？+？三段？+？两段？+？两段”的焊接先后顺序、每段的焊接方法。
Description
技术领域
本发明涉及汽轮机领域，尤其涉及一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法。
背景技术
空心叶片是汽轮机的关键部件，又是最精细、最重要的部件之一。叶片工作条件极苛刻，承受高温、高压、离心力、蒸汽力、蒸汽激振力、腐蚀和振动以及湿蒸汽区水滴冲蚀的共同作用。汽轮机叶片的空气动力学性能、加工几何形状、表面粗糙度、安装间隙及运行工况、结垢等因素均影响汽轮机的效率、出力。汽轮机叶片的结构设计、振动强度及运行方式则对机组的安全可靠性起决定性的影响。
汽轮机第五级空心静叶片的焊接制造是叶片制造的难点。主要原因是汽轮机第五级空心静叶片的空心结构、壁薄、尺寸大，与此同时，叶片整体焊接变形需要极其精确的控制，并且不能存在过大的残余应力，焊接成型成为叶片加工制造的难题。
从焊接残余应力与变形控制的角度，焊接过程采用分段和不同焊接方向的方法，来一定程度抵消残余应力和焊接变形。焊接的分段数越多，其优点是焊接残余应力和焊接变形越小，其缺点是焊接搭头越多、焊接过程越复杂，将导致焊接质量稳定性下降。因此，在保证残余应力和焊接变形满足指标要求的前提下，应尽量减少焊接分段数，以提高焊件质量的稳定性。目前我国很多汽轮机发电设备中的空心静叶片都是国外进口的，例如西门子公司的空心叶片基本是采用激光焊接，其焊接方法热输入量小、热影响区小，其焊接时叶片不易变形，但是进口叶片的价格非常昂贵，导致汽轮机发电设备的制造成本加大。此外，法国阿尔斯通公司的空心叶片主要是采用五段或七段药芯焊接方法，焊接变形能够有效控制，但是由于焊接接头数过多，焊接质量较难控制。
现有对空心叶片进行自动化焊接有如下问题：1、空心叶片为人工装配，每片之间均存在装配误差导致每条焊缝的空间位置不一，重复工作的焊接专机和示教再现型焊接机器人难以满足要求；2、每片空心叶片具有四条彼此不在同一平面内的空间直线焊缝，焊接时难以保证施焊焊缝基本保持水平；3、叶片都具有一个变形量的限制，超过该限制即为不合格产品；4、焊接过程不具有可追溯性，出现问题不能及时发现。
如专利申请号为200810021508，申请日2008年7月30日，名称为“汽轮机空心静叶片焊接制造方法”的发明专利，其技术方案为：本发明为汽轮机空心静叶片焊接制造方法。使用现有的焊接设备，可以生产出高质量的空心叶片，而且对操作工人的技术要求不需要很高，只要焊接工艺评定合格的焊接工人即可，生产成本低，易于国内推广，可以生产出其它牌号钢材和各种截面形状的空心叶片。其特征在于：其按照以下步骤顺序进行，交互点焊进气边、出气边、交互进行出气边打底焊和进气边打底焊、全焊出气边、全焊进气边。
上述专利采用两部件焊接方式，即背弧面零件、内弧面零件。所对应焊道为两道，即叶片前缘（背弧面零件--内弧面零件）、叶片后缘（背弧面零件--内弧面零件）。由于其采用上述结构，所以这种形式将导致焊接方法与工艺的较大差异，不利于整体工艺的统一，增加了焊接的难度。从焊接工艺上，上述专利采用手工钨极氩弧焊，但是钨极氩弧焊存在热输入量大、变形严重、飞溅无法避免等缺陷，不适宜薄板型工件的焊接。上述专利采用两道焊缝，采用焊接方式为五段+五段（简称五段法），这种方式在焊接时，焊接效果不好。
发明内容
为了克服现有的空心叶片焊接方法存在的上述问题，现特别提出一种能够减小汽轮机空心叶片焊接过程中热输入、有效控制焊接变形、减少冷却时间，减少焊接接头数目以保证焊接质量、简化焊接操作、提高焊接质量、提高汽轮机核心装备的安全性的汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：具体步骤包括点焊进气边，点焊出气边，冷却至室温，全焊进气边，全焊出气边；所述全焊进气边和全焊出气边采用冷金属过渡方法，在汽轮机空心静叶片上分布四道焊缝，所述四道焊缝分别为进气边背弧面焊缝，进气边内弧面焊缝，出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝，所述进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均采用三段式焊接，所述出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝采用两段式焊接。
所述点焊进气边具体为采用激光焊接，进气边点焊数为30～45个；
所述点焊出气边具体为采用激光焊接，出气边点焊数为8～15个；
所述激光焊接工艺为激光钎焊，激光束功率为1～4kW，光斑直径为0.3～0.5毫米，焊接速度0.2～4.0毫米/分钟，保护气流量15～20升/分钟。
所述全焊进气边将进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均分为三段焊接，分两次冷却，冷却时间20～30min，采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为叶片的背弧面、内弧面交替焊接，先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段，最后焊中部；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接；焊接中间段时，由靠近叶根方向一端向靠近叶尖一端焊接。
所述全焊出气边将出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝分为两段焊接，分两次冷却；采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接。
所述全焊进气边和所述全焊出气边的焊接工艺为：采用冷金属过渡焊接，电流130～180安，电压20.5～22.5伏，喷嘴直径20～30毫米，保护气体成分为70%～90%的氩气，10%～30%的二氧化碳，保护气体流量15～20升/分钟。
本发明的优点在于：
1、本方法能够减小汽轮机空心叶片焊接过程中热输入、有效控制焊接残余应力和变形、减少冷却时间，减少焊接接头数目、简化焊接操作、提高焊件质量稳定性。对焊接工人的技术要求相对不高，便于国内企业的生产，提高汽轮机核心装备的技术水平和国产化率。采用冷金属过渡方法，以及三段法及其所涉及的“三段+三段+两段+两段”的焊接先后顺序、每段的焊接方法。
2、本发明的冷金属焊接方式，电压、电流的热输入小，减少冷却时间；焊接残余应力和变形能有效控制；采用三段式焊接能减少焊接接头数目、简化焊接操作、提高焊件质量稳定性。
3、本发明采用四部件结构，即背弧面零件、内弧面零件、前缘筋条、出气边后缘零件。所对应焊道为四道，即进气边内弧面焊缝（内弧面零件--前缘筋条）、前缘背弧面焊缝（背弧面零件--前缘筋条）、后缘内弧面焊缝（内弧面零件--出气边后缘零件）、后缘背弧面焊缝（背弧面零件--出气边后缘零件）。
4、本发明冷金属过渡焊接将送丝的运动同熔滴过渡过程相结合，即在熔滴短路时，数字化电源输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，较好的消除了产生飞溅。采用冷金属过渡的焊缝熔深一致，焊缝质量重复精度更高，同时能够减小热输入，有效控制焊接残余变形和残余应力，更适用于薄板和超薄板的焊接。
5、本发明经过仿真分析优化了焊接分段数、焊接方向与焊接工艺参数，并实物焊接，通过焊接工艺评定。这证实了，采用冷金属过渡焊接的三段式焊接方法，比20081002150专利和法国阿尔斯通公司的五段或七段药芯焊接方法更为有效。总体而言，本专利的核心创新点为：采用冷金属过渡焊接方法（热输入量小、热影响区域小），对空心叶片实施三段法焊接（焊接工序简单、焊缝搭头少、质量稳定）。
附图说明
图1为汽轮机第五级空心静叶片结构图。
图2为汽轮机第五级空心静叶片的叶尖端剖面示意图结构示意图。
图3为三段法冷金属过渡焊接分段、焊接顺序以及焊接方向按步骤一至步骤十的先后顺序和指示方向顺次焊接。
背弧面a，内弧曲面b，前缘筋条c，后缘曲面d。
具体实施方式
实施例1
本实施方式的汽轮机空心叶片的结构组成包括，背弧面a，内弧曲面b，前缘筋条c，后缘曲面d。以上件部件将由四条焊缝的连接，制成汽轮机空心叶片。背弧面a和内弧曲面b采用X5CrMoAl12特种叶片钢，厚度均为3.6毫米，后缘曲面d的焊缝侧厚度为6.5毫米,经曲面过渡到焊缝侧的厚度为1.0毫米。四条焊缝分别为：前缘筋条与背弧面焊接，形成进气边背弧面焊缝1；前缘筋条与内弧曲面焊接，形成进气边内弧面焊缝2；后缘曲面与背弧面焊接，形成出气边背弧面焊缝3；后缘曲面与内弧曲面焊接，形成出气边内弧面焊缝4。核电第五级空心静叶片内部空心，进气边背弧面焊缝1和进气边内弧面焊缝2的焊缝长1.2米。
一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：具体步骤包括点焊进气边，点焊出气边，冷却至室温，全焊进气边，全焊出气边；所述全焊进气边和全焊出气边采用冷金属过渡方法，在汽轮机空心静叶片上分布四道焊缝，所述四道焊缝分别为进气边背弧面焊缝，进气边内弧面焊缝，出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝，所述进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均采用三段式焊接，所述出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝采用两段式焊接。
所述点焊进气边具体为采用激光焊接，进气边点焊数为30～45个；
所述点焊出气边具体为采用激光焊接，出气边点焊数为8～15个；
所述激光焊接工艺为激光钎焊，激光束功率为1～4kW，光斑直径为0.3～0.5毫米，焊接速度0.2～4.0毫米/分钟，保护气流量15～20升/分钟。
所述全焊进气边将进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均分为三段焊接，分两次冷却，冷却时间20～30min，采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为叶片的背弧面、内弧面交替焊接，先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段，最后焊中部；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接；焊接中间段时，由靠近叶根方向一端向靠近叶尖一端焊接。
所述全焊出气边将出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝分为两段焊接，分两次冷却；采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接。
本发明采用焊接方式：三段+三段+两段+两段（简称三段法）。
所述全焊进气边和所述全焊出气边的焊接工艺为：采用冷金属过渡焊接，电流130～180安，电压20.5～22.5伏，喷嘴直径20～30毫米，保护气体成分为70%～90%的氩气，10%～30%的二氧化碳，保护气体流量15～20升/分钟。
焊道1为进气边背弧面焊缝（内弧面零件--前缘筋条）、焊道2为进气边内弧面焊缝（背弧面零件--前缘筋条）、焊道3为出气边背弧面焊缝（内弧面零件--出气边后缘零件）、焊道4为出气边内弧面焊缝（背弧面零件--出气边后缘零件）。
焊道1和焊道2各分为三段；焊道3和焊道4各分为两段；大头侧称为叶根，小头侧称为叶尖。
结合图3可知：
步骤一：焊道2--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤二：焊道1--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤三：焊道2--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤四：焊道1--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤五：焊道2--中间段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤六：焊道1--中间段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤七：焊道4--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤八：焊道4--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤九：焊道3--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤十：焊道3--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖段；
实施例2
焊道1为进气边背弧面焊缝（内弧面零件--前缘筋条）、焊道2为进气边内弧面焊缝（背弧面零件--前缘筋条）、焊道3为出气边背弧面焊缝（内弧面零件--出气边后缘零件）、焊道4为出气边内弧面焊缝（背弧面零件--出气边后缘零件）。
焊道1和焊道2各分为三段；焊道3和焊道4各分为两段；大头侧称为叶根，小头侧称为叶尖。
结合图3可知：
步骤一：焊道2--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤二：焊道1--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤三：焊道2--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤四：焊道1--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤五：焊道2--中间段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤六：焊道1--中间段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤七：焊道4--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤八：焊道4--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖侧；
步骤九：焊道3--叶根段，焊接方向：中部向叶根侧；
步骤十：焊道3--叶尖段，焊接方向：中部向叶尖段；
结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的汽轮机空心叶片的结构组成包括，背弧面a，内弧曲面b，前缘筋条c，后缘曲面d。以上件部件将由四条焊缝的连接，制成汽轮机空心叶片。背弧面a和内弧曲面b采用X5CrMoAl12特种叶片钢，厚度均为3.6毫米，后缘曲面d的焊缝侧厚度为6.5毫米,经曲面过渡到焊缝侧的厚度为1.0毫米。四条焊缝分别为：前缘筋条与背弧面焊接，形成进气边背弧面焊缝1；前缘筋条与内弧曲面焊接，形成进气边内弧面焊缝2；后缘曲面与背弧面焊接，形成出气边背弧面焊缝3；后缘曲面与内弧曲面焊接，形成出气边内弧面焊缝4。核电第五级空心静叶片内部空心，进气边背弧面焊缝1和进气边内弧面焊缝2的焊缝长1.2米。
1．第五级空心静叶片的预先点焊。点焊进气边，采用激光焊接，进气边点焊数为20～45个；点焊出气边，采用激光焊接，出气边点焊数为10～12个。其中，激光焊接工艺为：激光钎焊，激光束功率为2～3千瓦，光斑直径为0.4毫米，氩气流量16升/分钟。
2．全焊进气边。将进气边待焊区域均匀分为三段,采用冷金属过渡焊接。将点焊后的第五级空心静叶片置于变位机上，焊接过程如下：
（1）进气边背弧面焊缝1区域朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域1，焊接方向由中部向叶根方向焊接；
（2）焊接完进气边背弧面焊缝1后，无需冷却，操作变位机使进气边内弧面焊缝2朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域2，焊接方向由中部向叶根方向焊接；
（3）无需冷却，立即操作变位机使进气边背弧面焊缝1朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域3，焊接方向由中部向叶尖方向焊接；
（4）无需冷却，立即操作变位机使进气边内弧面焊缝2朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域4，焊接方向由中部向叶尖方向焊接；
（5）冷却20分钟，使叶片整体温度降至室温；
（6）操作变位机使进气边背弧面焊缝1朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域5，焊接方向由中部向叶尖方向焊接；
（7）无需冷却，立即操作变位机使进气边内弧面焊缝2朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域6，焊接方向由中部向叶尖方向焊接，
（8）冷却20分钟，使叶片整体温度降至室温。
3.全焊出气边。将出气边分为两段，采用冷金属过渡焊接。焊接过程如下：
（1）出气边背弧面焊缝3区域朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域7，焊接方向由中部向叶根方向焊接；
（2）保持变位机不动，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域8，焊接方向由中部向叶尖方向焊接；
（3）冷却20分钟，使叶片整体温度降至室温。
（4）出气边背弧面焊缝4区域朝上，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域9，焊接方向由中部向叶根方向焊接；
（5）保持变位机不动，采用冷金属过渡焊接方法焊接区域10，焊接方向由中部向叶尖方向焊接；
（6）冷却20min，使叶片整体温度降至室温。
其中，步骤二和步骤三中的冷金属过渡焊接工艺参数：电流160安，电压21.5伏，喷嘴直径25毫米，保护气体成分为80%氩气、20%二氧化碳，保护气体流量为17升/分钟。
采用此冷金属过渡焊接在提高焊接效率、较少焊接接头的同时，还能够保证空心静叶片的进气边旁变形维持在2～3mm水平。
Claims (7)
1.一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：具体步骤包括点焊进气边，点焊出气边，冷却至室温，全焊进气边，全焊出气边；所述全焊进气边和全焊出气边采用冷金属过渡方法，在汽轮机空心静叶片上分布四道焊缝，所述四道焊缝分别为进气边背弧面焊缝，进气边内弧面焊缝，出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝，所述进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均采用三段式焊接，所述出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝采用两段式焊接。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述点焊进气边具体为采用激光焊接，进气边点焊数为30～45个。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述点焊出气边具体为采用激光焊接，出气边点焊数为8～15个。
4.根据权利要求2或3所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述激光焊接工艺为激光钎焊，激光束功率为1～4kW，光斑直径为0.3～0.5毫米，焊接速度0.2～4.0毫米/分钟，保护气流量15～20升/分钟。
5.根据权利要求1所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述全焊进气边将进气边背弧面焊缝和进气边内弧面焊缝均分为三段焊接，分两次冷却，冷却时间20～30min，采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为叶片的背弧面、内弧面交替焊接，先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段，最后焊中部；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接；焊接中间段时，由靠近叶根方向一端向靠近叶尖一端焊接。
6.根据权利要求1所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述全焊出气边将出气边背弧面焊缝和出气边内弧面焊缝分为两段焊接，分两次冷却；采用直通焊，无需打底焊接工序；具体为先焊背弧面，后焊内弧面；先焊叶根段，再焊叶尖段；焊接叶根段时，由中部向叶根方向焊接；焊接叶尖段时，由中部向叶尖方向焊接。
7.根据权利要求1所述的一种汽轮机空心静叶片冷金属过渡三段焊接方法，其特征在于：所述全焊进气边和所述全焊出气边的焊接工艺为：采用冷金属过渡焊接，电流130～180安，电压20.5～22.5伏，喷嘴直径20～30毫米，保护气体成分为70%～90%的氩气，10%～30%的二氧化碳，保护气体流量15～20升/分钟。
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