CN115890039A - 一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法，所包括以下步骤：S1、初加工：在第一片方钢上加工出背弧板背面型线和上坡面；在第二片方钢上加工出内弧板背面型线和下坡面；S2、焊前清理；S3、装配：将第一片方钢和第二片方钢进行配合组装，背弧板背面型线和内弧板背面型线相对准，上坡面和下坡面形成焊接坡口；S4、预热：确定是否进行预热；S5、焊接：将第一片方钢和第二片方钢焊接好；S6、粗加工：在第一片方钢上进行背弧板正面型线粗加工，在第二片方钢上进行内弧板正面型线粗加工；S7、焊缝检查，如有缺陷，则进行补焊；S8、焊后热处理；S9、精加工：对背弧板粗坯和内弧板粗坯进行精加工，得到合格的背弧板和内弧板；S10、最终检验。

Description

一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法

技术领域

本发明涉及汽轮机领域，具体涉及一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法。

背景技术

汽轮机空心叶片因具有中空疏水结构而大幅提高了叶片的耐腐蚀性能、蒸汽效率，同时又因其质量轻、材料利用率高、成本低等优势而成为未来叶片的发展方向，广泛应用于各类超临界及超超临界等汽轮机组。汽轮机空心叶片由内弧板和背弧板构成，两边分别为进汽边和出汽边，叶片壁厚不均匀，弯曲程度不同，整体形状复杂，尺寸精度要求很高，因此汽轮机空心叶片制造技术是汽轮机的核心技术。

汽轮机空心叶片制造方法常见有铸造或成型焊接。铸造空心叶片通常采用精密铸造，需要设计专用模具，成本较高。成型焊接空心叶片一般采用两块板材冲压形成内弧薄板和背弧薄板后，再配合焊接，需要设计专用冲压模具和焊接工装，适合大批量生产，否则成本也较高。针对小批量、多品类的空心叶片制造，以上两种方法成本均较高。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法，能够节省铸造模具、成型模具及焊接工装费用和周期，实现了小批量、多品类、短周期的汽轮机空心叶片生产制造。

为实现上述目的，本发明提供一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法，所述空心叶片包括内弧板和背弧板，所述焊接制造方法包括以下步骤：

S1、初加工：选择两片方钢进行加工，在第一片方钢上加工出背弧板背面型线，背弧板背面型线的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出向外侧倾斜的上坡面；在第二片方钢上加工出内弧板背面型线，内弧板背面型线的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出下坡面；

S2、焊前清理：对第一片方钢和第二片方钢进行焊前打磨清理；

S3、装配：将第一片方钢和第二片方钢进行配合组装，背弧板背面型线和内弧板背面型线相对准，上坡面和下坡面相对，两者间形成焊接坡口；

S4、预热：根据方钢的材质，确定是否进行预热；

S5、焊接：在焊接坡口处进行焊接，将第一片方钢和第二片方钢焊接好，形成焊接件；

S6、粗加工：按照图纸设计要求，对焊接件进行加工，在第一片方钢上进行背弧板正面型线粗加工，并留有加工余量，得到背弧板粗坯，在第二片方钢上进行内弧板正面型线粗加工，并留有加工余量，得到内弧板粗坯；

S7、焊缝检查：检查背弧板粗坯和内弧板粗坯之间的焊缝，如有缺陷，则进行补焊；

S8、焊后热处理：根据方钢的材质，选择是否进行焊后热处理；

S9、精加工：按照图纸设计要求，对背弧板粗坯和内弧板粗坯进行精加工，得到合格的背弧板和内弧板，从而得到空心叶片；

S10、最终检验：对空心叶片进行无损检测，确保符合图纸和探伤标准要求。

进一步地，两片方钢都为马氏体不锈钢或者奥氏体不锈钢。

进一步地，所述步骤S1中，上坡面的倾斜角度为0°～100°，下坡面向外倾斜的角度为0°～100°，并且确保步骤S3中装配后上坡面和下坡面之间的焊接坡口角度为45-100°；同时在背弧板背面型线和内弧板背面型线的左右两侧尖角处还加工出钝边。

进一步地，当方钢为马氏体不锈钢时，在步骤S4中需预热至80～260℃，并且在步骤S5中焊接时工件温度不低于80℃；当方钢为奥氏体不锈钢时，在步骤S4中无需预热。

进一步地，所述步骤S3中，组装时，对两片方钢采用压板进行固定以减少后续焊接变形。

进一步地，所述步骤S5中，采用的焊接方法包括钨极氩弧焊、焊条电弧焊、气体保护焊中的一种或几种组合方式，焊接材料选择与方钢母材同成分的焊接材料，或者与母材不同成分的奥氏体不锈钢、镍基合金焊接材料。

进一步地，所述步骤S6中，背弧板正面型线粗加工和内弧板正面型线粗加工时的加工余量都为0.5～5mm。

进一步地，在步骤S7中，焊缝检查包括外观检查，渗透探伤和尺寸检验，补焊时，采用与步骤S5中相同的焊接方法和焊接参数。

进一步地，在步骤S8中，马氏体不锈钢的需进行焊后热处理，500～680℃保温4～10h；奥氏体不锈钢的无需进行焊后热处理。

进一步地，在步骤S10中，无损检测包括外观检查、尺寸检查和渗透探伤，如有缺陷进行补焊，缓冷至室温后采用手工打磨或机加工方法加工焊缝至符合图纸和探伤要求。

如上所述，本发明涉及的焊接制造方法，具有以下有益效果：

通过先在两片方钢上分别加工出背弧板背面型线和内弧板背面型线，以及加工相应焊接坡面，之后两片方钢进行配合并焊接，最后对焊接件进行背弧板正面型线和内弧板正面型线加工，这种空心叶片代替目前采用铸造或成型焊接的空心叶片，其焊缝接头力学性能和尺寸规格满足产品工况要求，节省了铸造模具、成型模具及焊接工装费用和周期，实现了小批量、多品类、短周期的汽轮机空心叶片生产制造，尤其适用于当下工业透平等短平快项目，为今后空心叶片制造提供了全新的解决方案，为今后空心叶片制造提供了全新的解决方案。综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

附图说明

图1为本发明的焊接制造方法的结构变化示意图。

图2为本发明的焊接制造方法制造马氏体不锈钢空心叶片的流程示意图。

图3为本发明的焊接制造方法制造奥氏体不锈钢空心叶片的流程示意图。

元件标号说明

1 第一片方钢

2 第二片方钢

3 背弧板

3a 背弧板背面型线

3b 背弧板正面型线

4 内弧板

4a 内弧板背面型线

4b 内弧板正面型线

5 上坡面

6 下坡面

7 焊接坡口

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书附图所绘的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参见图1至图3，本发明提供了一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法，空心叶片包括内弧板4和背弧板3，焊接制造方法包括以下步骤：

S1、初加工：选择两片方钢进行加工，在第一片方钢1上加工出背弧板背面型线3a，背弧板背面型线3a的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出向外侧倾斜的上坡面5；在第二片方钢2上加工出内弧板背面型线4a，内弧板背面型线4a的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出下坡面6。具体地汽轮机空心叶片常采用马氏体不锈钢或者奥氏体不锈钢材质的，也即两片方钢都为马氏体不锈钢或者奥氏体不锈钢。

在本实施例中，第一片方钢1上的上坡面5的倾斜角度为0°～100°，第二片方钢2上的下坡面6向外倾斜的倾斜角度为0°～100°，并且保证装配后上坡面5和下坡面6之间的焊接坡口角度为45-100°。此外，在背弧板背面型线3a的左右两侧尖角处还加工出钝边，钝边宽度小于3mm，同时在内弧板背面型线4a的左右两侧尖角处还加工出钝边，钝边宽度小于3mm。初加工完成后的结构参见图1(b)所示。

S2、焊前清理：对第一片方钢1和第二片方钢2进行焊前打磨清理，包括对第一片方钢1上的背弧板背面型线3a、上坡面5及其附近区域进行打磨、除油、以及除锈处理，清理影响焊接的杂物，对第二片方钢2上的内弧板背面型线4a、下坡面6及其附近区域进行打磨、除油、以及除锈处理，清理影响焊接的杂物，为焊接做好准备。

S3、装配：将第一片方钢1和第二片方钢2进行配合组装，背弧板背面型线3a和内弧板背面型线4a相对准，两者之间即形成空心叶片的内腔，上坡面5和下坡面6相对，两者间形成焊接坡口7。优选地，组装时，对两片方钢组采用压板进行固定以减少后续焊接变形，组装后的结构参见图1(c)所示。

在本步骤中，在配合组装时，背弧板背面型线3a两侧的钝边和内弧板背面型线4a两侧的钝边保持相对，根据后续焊接方式的不同，两者钝边之间可以接触或者留有间隙，并且该间隙小于3mm。钝边有利于组装时两片方钢的接触，并有利于焊接。

S4、预热：根据方钢的材质，确定是否进行预热。具体地，当方钢为12Cr13或12Cr12Mo等马氏体不锈钢时，需预热至80～260℃，当方钢为06Cr19Ni10等奥氏体不锈钢时，无需预热。

S5、焊接：在焊接坡口7处进行焊接，将第一片方钢1和第二片方钢2焊接好，形成焊接件，其结构参见图1(d)所示。采用的焊接方法可包括钨极氩弧焊、焊条电弧焊、气体保护焊中的一种或几种组合方式，焊接材料选择与方钢母材同成分的焊接材料，或者与母材不同成分的奥氏体不锈钢、镍基合金焊接材料，焊接过程中交替对进汽边和出汽边焊缝进行焊接以减少焊接变形。

具体地，当方钢为12Cr13或12Cr12Mo等马氏体不锈钢时，焊接时工件温度不低于80℃，焊后工件需缓冷至80～150℃保温2～4h，使热影响区组织全部完成马氏体转变，之后对工件进行250～350℃后热。

S6、粗加工：按照图纸设计要求，可用机加工等方式对焊接件进行加工，在第一片方钢1上进行背弧板正面型线3b粗加工，并留有加工余量，该加工余量优选为0.5～5mm，得到背弧板粗坯，在第二片方钢2上进行内弧板正面型线4b粗加工，并留有加工余量，该加工余量优选为0.5～5mm，得到内弧板粗坯。

S7、焊缝检查：检查背弧板粗坯和内弧板粗坯之间的焊缝，如有缺陷，则进行补焊。其中，检查内容包括对焊缝进行外观检查，渗透探伤及尺寸检验，补焊时，采用与步骤S5中相同的焊接方法和焊接参数，如有预热需要，还需要进行焊前预热，具体地，参见图2，当方钢为12Cr13或12Cr12Mo等马氏体不锈钢时，挖出缺陷后，回到步骤S4进行预热处理，再进行补焊、粗加工、焊缝检查，直至焊缝检查合格；参见图3，当方钢为06Cr19Ni10等奥氏体不锈钢时，挖出缺陷后，无需预热，直接回到焊接步骤，然后再粗加工、焊缝检查，直至焊缝检查合格。

S8、焊后热处理：根据方钢的材质，选择是否进行焊后热处理；具体地，当方钢为12Cr13或12Cr12Mo等马氏体不锈钢时，需进行焊后热处理，500～680℃保温4～10h；当方钢为06Cr19Ni10等奥氏体不锈钢时，无需进行焊后热处理。

S9、精加工：按照图纸设计要求，对背弧板粗坯和内弧板粗坯进行精加工，背弧板粗坯上加工出背弧板正面型线3b，在内弧板粗坯上加工出内弧板正面型线4b，得到合格的背弧板3和内弧板4，从而得到空心叶片，其结构参见图1(e)所示。

S10、最终检验：对空心叶片进行无损检测，确保符合图纸和探伤标准要求。其中无损检测的内容包括外观检查、尺寸检查和渗透探伤等，可采用测厚仪对加工后的空心叶片进行内弧板4和外弧板厚度检查，厚度公差应符合±0.5mm的设计要求。

检测时如有缺陷进行补焊，补焊时方法、焊接材料和焊接参数同上述步骤，参见图2和图3，具体地，需要补焊时，先挖除缺陷，然后再经过焊前清理、预热和焊接，然后缓冷至室温后采用手工打磨或机加工方法加工焊缝至符合图纸和探伤要求，直至最后检测合格，合格后空心叶片可作为合格产品进入后续道序。

本发明涉及的汽轮机空心叶片的焊接制造方法，提供了一种新的制造方法，先在两片方钢上分别加工出背弧板背面型线3a和内弧板背面型线4a，以及相应焊接坡面，之后两片方钢进行配合并焊接，最后对焊接件进行背弧板正面型线3b和内弧板正面型线4b加工，这种空心叶片代替目前采用铸造或成型焊接的空心叶片，其焊缝接头力学性能和尺寸规格满足产品工况要求，节省了铸造模具、成型模具及焊接工装费用和周期，实现了小批量、多品类、短周期的汽轮机空心叶片生产制造，尤其适用于当下工业透平等短平快项目，为今后空心叶片制造提供了全新的解决方案，为今后空心叶片制造提供了全新的解决方案。综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具有高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种汽轮机空心叶片的焊接制造方法，所述空心叶片包括内弧板(4)和背弧板(3)，其特征在于：所述焊接制造方法包括以下步骤：

S1、初加工：选择两片方钢进行加工，在第一片方钢(1)上加工出背弧板背面型线(3a)，背弧板背面型线(3a)的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出向外侧倾斜的上坡面(5)；在第二片方钢(2)上加工出内弧板背面型线(4a)，内弧板背面型线(4a)的左右两侧为出汽边和进汽边，在出汽边和进汽边两处都加工出下坡面(6)；

S2、焊前清理：对第一片方钢(1)和第二片方钢(2)进行焊前打磨清理；

S3、装配：将第一片方钢(1)和第二片方钢(2)进行配合组装，背弧板背面型线(3a)和内弧板背面型线(4a)相对准，上坡面(5)和下坡面(6)相对，两者间形成焊接坡口(7)；

S4、预热：根据方钢的材质，确定是否进行预热；

S5、焊接：在焊接坡口(7)处进行焊接，将第一片方钢(1)和第二片方钢(2)焊接好，形成焊接件；

S6、粗加工：按照图纸设计要求，对焊接件进行加工，在第一片方钢(1)上进行背弧板正面型线(3b)粗加工，并留有加工余量，得到背弧板粗坯，在第二片方钢(2)上进行内弧板正面型线(4b)粗加工，并留有加工余量，得到内弧板粗坯；

S7、焊缝检查：检查背弧板粗坯和内弧板粗坯之间的焊缝，如有缺陷，则进行补焊；

S8、焊后热处理：根据方钢的材质，选择是否进行焊后热处理；

S9、精加工：按照图纸设计要求，对背弧板粗坯和内弧板粗坯进行精加工，得到合格的背弧板(3)和内弧板(4)，从而得到空心叶片；

S10、最终检验：对空心叶片进行无损检测，确保符合图纸和探伤标准要求。

2.根据权利要求1所述的焊接制造方法，其特征在于：两片方钢都为马氏体不锈钢或者奥氏体不锈钢。

3.根据权利要求1所述的焊接制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，上坡面(5)的倾斜角度为0°～100°，下坡面(6)向外倾斜的角度为0°～100°，并且确保步骤S3中装配后上坡面(5)和下坡面(6)之间的焊接坡口(7)角度为45-100°；同时在背弧板背面型线(3a)和内弧板背面型线(4a)的左右两侧尖角处还加工出钝边。

4.根据权利要求2所述的焊接制造方法，其特征在于：当方钢为马氏体不锈钢时，在步骤S4中需预热至80～260℃，并且在步骤S5中焊接时工件温度不低于80℃；当方钢为奥氏体不锈钢时，在步骤S4中无需预热。

5.根据权利要求1所述的焊接制造方法，其特征在于：所述步骤S3中，组装时，对两片方钢采用压板进行固定以减少后续焊接变形。

6.根据权利要求2所述的焊接制造方法，其特征在于：所述步骤S5中，采用的焊接方法包括钨极氩弧焊、焊条电弧焊、气体保护焊中的一种或几种组合方式，焊接材料选择与方钢母材同成分的焊接材料，或者与母材不同成分的奥氏体不锈钢、镍基合金焊接材料。

7.根据权利要求5所述的焊接制造方法，其特征在于：所述步骤S6中，背弧板正面型线(3b)粗加工和内弧板正面型线(4b)粗加工时的加工余量都为0.5～5mm。

8.根据权利要求1所述的焊接制造方法，其特征在于：在步骤S7中，焊缝检查包括外观检查，渗透探伤和尺寸检验，补焊时，采用与步骤S5中相同的焊接方法和焊接参数。

9.根据权利要求2所述的焊接制造方法，其特征在于：在步骤S8中，马氏体不锈钢的需进行焊后热处理，500～680℃保温4～10h；奥氏体不锈钢的无需进行焊后热处理。

10.根据权利要求1所述的焊接制造方法，其特征在于：在步骤S10中，无损检测包括外观检查、尺寸检查和渗透探伤，如有缺陷进行补焊，缓冷至室温后采用手工打磨或机加工方法加工焊缝至符合图纸和探伤要求。

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