CN1226648A - 成型卡圈及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在被连接端上具有凸缘之类的部件的连接用的钢制成型卡圈。这种成型卡圈具有至少部分地呈锥形向里弯的带焊接点(11、12)的侧壁(13),为了提高连接的承载能力,采用奥氏本钢,这种钢材在环境温度20℃至750℃的范围内比铁素体铸造材料的热膨胀系数至少小0.3·10－6m/m℃。这种夹紧卡圈的制造方法在于,成型卡圈用的材料以带的形式预先调质,并在成型和焊接后,焊接部位进行感应回火,以使组织均匀化。

Description

成型卡圈及其制作方法
本发明涉及一种钢制成型卡圈及其制作方法，这种成型卡圈用于连接在待连接端上具有凸缘之类的部件，其中，该成型卡圈至少具有部分地呈锥形向里弯的侧壁和焊接点。
例如在文献DE 30 38 491 C2、US 3 498 649、US 3 964 773、FR 1 016 629和该申请人编辑的样本“NORMA锥形法兰的连接”1979和1988年以及“带锥形法兰的NORMA成型卡圈”，1996年11月公开的这类已知的成型卡圈是用铁素体或纯奥氏体钢通过纯冷成型，然后焊接而成。但这种钢不耐高温，或具有太高的热膨胀系数18·10-6至22·10-6m/m℃(对奥氏体耐热钢而言)，这样高的热膨胀系数在受热时导致夹紧力损失，从而导致连接部位的不密封性。例如在大型柴油机或燃气轮机的涡轮增压器时目前都是采用铁素体的铸造材料作外壳，这种材料由于其组织结构在20℃至600℃范围内具有一个随温度变化的热膨胀系数10·10-6至14·10-6m/m℃。所以，用铁素体或纯奥化体钢制成的这些已知的成型卡圈以其具有太高的热膨胀系数而不适用于连接在高达750℃的温度范围内工作的这种涡轮增压器的外壳部件或别的在被连接端带凸缘的部件，因为连接部位随温度的不断增加会变得不密封。不密封的连接部位例如在柴油机或燃气轮机的涡轮增压器时会导致严重的功率损失。
此外，不密封的、或松的连接意味着这样的安全危险：一个这样装配的涡轮增压器由于松的外壳连接而可爆裂，从而可导致人员伤害。
本发明旨在提出一种上述那类的成型卡圈及其制造的一种方法。这种卡圈可用铁素体、珠光体铸造材料适用于通流热气的部件，并可在高达750℃的温度范围内满足对密封性和稳定性提出的种种要求。
根据本发明，这个目的是这样实现的：采用马氏体钢，这种钢在温度为20℃至750℃时此铁素体铸造材料的热膨胀系数至少小0.3·10-6m/m℃。
马氏体钢的优点是，即使在很高温度时，例如在通流热气的部件的连接部位如涡轮增压器的外壳部件产生这样高的温度时也具有高的硬度并因而也能承受作用在连接部位上的大的力而不变形。此外，由于根据本发明选择热膨胀系数成型卡圈的膨胀比用铁素体铸造材料制成的用于部件连接的成形卡圈的膨胀小一些。所以通过成型卡圈作用到被连接部件的凸缘上的夹紧力随连接部位的温度的增加而增加，因此，不但由于成型卡圈的较小的变形，而且由于它随温度增加而增加的夹紧力，从而保证了部件的连接及其连接的密封性。所以在成型卡圈用于连接通流热流体的部件时，特别是用于连接涡轮增压器外壳部件或其连接管接头时，不但避免了上述危险，而且还能避迄今为止法兰用螺纹的费事的连接方式，或避免附加使用带有许多螺丝穿过孔的锁紧环。
达到要求性能的钢除了作为主成分的铁外由下列重量百分比的成分组成：碳到0.45％、硅到2.0％、锰到2.0、磷到0.04％、硫到0.04％、铬15％到20％、镍1％到8％、钼到2.5％、钒到0.5％、铝到0.1％、钴到0.1％、铜到0.4％、铅到0.4％、硒到0.1％、碲到0.1％、钛到0.5％、钨到0.1％、锆到0.05％、氧到0.01％、氮到0.01％、铋到0.1％、硼到0.001％、铌到0.05％。
对钢来说，最好控制最高值：碳0.4％、硅0.5％、锰0.8％和钼2.0％；以及控制最低值：镍1.0％、钼0.3％和钒0.25％。
成型卡圈的一种有利的结构在于：它具有至少一个以环形式向后弯曲的夹紧箍和在该夹紧箍上焊接的端段；每个环都穿过一根螺栓，相邻环中的螺栓借助于一个用其螺杆穿过环中的槽的带头的夹紧螺栓连接；每个夹紧箍的里侧上至少焊接一个轴向横截面大致呈帽形的圆环段，其侧壁设置有加固件；两个相邻螺栓的一个具有一个大致呈滴状的横截面，该横截面两边的夹角大致为直角，其中，夹角的一边大致径向向外朝离开卡圈圆周方向延伸，而另一边则沿卡圈的周围方向延伸；包住横截面大致呈滴状的螺栓的环的形状与该横截面配合；夹紧螺栓头支承在离开卡圈圆周延伸的配合环的一边上。这样一种成型卡圈由于其造型而可承受例如在直径达500毫米以上的成型卡圈时可能出现的很高的轴向力，但还由于成型的圆环段的分离构成及其用一个夹紧箍连接而在圆周方向具有足够的柔韧性，以便精确配合被连接部件上凸缘之类的直径。夹紧螺栓头支承在面向它的与一根螺栓的滴形横截面的环配合的一边上具有这样的优点，即在此环中构成的大致等于夹紧螺栓的直径的宽度比在夹紧螺栓头通过该槽时小，所以环能经受较高的夹紧力。这样同时保证了夹紧螺栓头大面积地支承在环的大致径向的一边上而不用它的边承受荷载。
本发明成型卡圈的另一种结构在于：这种成型卡圈具有至少一个环形段，该环形段带有环的形式向后弯的并焊接在环形段上的端段；每个环都有一根螺栓穿过，相邻环中的螺栓借助于一个用其螺杆穿过环中的带头的夹紧螺栓连接；每个环形段轴向横截面大致呈帽形，且侧壁具有加固件；两个相邻螺栓之一具有一个大致呈滴状的横截面，该横截面两边的夹角大致为直角，其中夹角的一边大致径向向外离开卡圈圆周延伸，而另一边则沿卡圈圆周方向延伸；包住横截面大致呈滴形的螺栓的环的形状与该横截面配合，且夹紧螺栓头支承在配合环的离开圆周方向延伸的边上。如果小一些的连接力可通过成型卡圈作用到被连接的部件上时，这种结构不用分开的环形段。
最好通过在上述侧壁上焊接的钢板来构成加固件，这种钢板保证侧壁的很高的抗弯刚度。
在夹紧螺栓头和支承其上的环之间可放一个直径大于螺栓头直径的垫片。这样一个垫片不但方便夹紧螺栓的夹紧，而且还减少了夹紧螺栓头与环的支承在该螺栓头上的一边之间的单位面积压力。
根据本发明，成型卡圈的制造方法包括：成型卡圈用的材料为一种预先调质的带钢的形式，在成型和焊接后，焊接部位进行感应回火，使结构均匀化。通过预先调质达到钢的最佳工艺性能，最好焊接部位在控制冷却后进行感应回火，以减小或避免焊接部位范围内形成裂纹的危险。
在感应回火处理时，可进行少于5分钟的短时间摆动退火，这种退火最好在AC1-温度左右进行，这样，焊接区可达到最佳的组织结构。
下面结合一些优选实施例的附图来详细说明本发明及其诸多改进。其中：
图1表示本发明成型卡圈第一实施例的侧视图；
图2表示图1的剖面Ⅱ-Ⅱ；
图3表示图2相同的视图，但放大比例，且成型卡圈处于夹紧状态，即它已将一个涡轮增压器示出的一段外壳部件的两个凸缘连接在一起；
图4表示本发明成型卡圈第二实施例的相当于图3的视图。
图1至图3所示的成型卡圈由两个大致呈半圆形的夹紧箍1，四根螺栓2、3、两个带头的夹紧螺栓4、两个垫片5、两个大致呈半圆形的圆环段6和在圆环段6两端的卡圈的整个圆周上分布的钢板8形式的加固件组成。
每一个夹紧箍1具有一个呈环形9、10向后弯曲的并在夹紧箍1外面用凸焊11焊接的端段。每个环9、10都穿过一根螺栓2、3。相邻环9、10中的螺栓2、3分别具有一个围绕相应螺栓9、10最大部分延伸的槽，一个夹紧螺栓4用其螺杆穿过该槽，并连接相邻环9、10的螺栓2、3。其中螺栓2具有一个径向的无螺纹的通孔，而螺栓3则具有一个径向的螺纹孔，夹紧螺栓4的螺纹杆穿过该径向螺纹孔。相邻螺栓2、3的一根螺栓2具有一个大致呈滴状的横截面，该横截面两边的一个夹角大致为直角。其中，夹角一边大致径向向外离开卡圈圆周方向延伸，另一边则沿卡圈的圆周方向延伸。包住该螺栓2的环9的形状与该螺栓2的横截面配合，且夹紧螺栓4的头通过一个垫圈5支撑在该环9离开卡圈圆周延伸的一边上。所以该夹紧螺栓4的头通过垫圈5大面积地支撑在与该螺栓头面对的该环9的一边上，并通过这一边支撑在螺栓2上。所以，在夹紧螺栓头通过环9的槽延伸并直接支撑在螺栓2上的情况中，环9中构成的槽可具有一个大致相当于夹紧螺栓4螺杆直径的较小的宽度，因此，该环9承受一个高的夹紧力，该夹紧力等于环10的夹紧力。
在每个夹紧箍1的内侧上通过在整个圆周上分布的焊点12焊接了一个轴向横截面大致呈帽形的圆环段6，该圆环段6的侧壁13具有沿圆周方向延伸的并在轴向沿相反方向内凸出的凸缘14，所以圆环段6的横截面大致相当于一个带帽沿的帽子。这种凸缘14提高了侧壁13的刚度。
此外，侧壁13设置有钢板8形式的加固板。钢板8一方面与侧壁13的凸缘14焊接，另一方面借助于一条焊丝接在夹紧箍1的内侧上。根据这种方式，钢板8附加地增加了侧壁13的刚度，两个通过成型卡圈连接的部件15、16的连接部位在承受高的轴向荷载时产生轴向弯曲。这两个被连接的部件在这里是指柴油机或燃气轮机的涡轮增压器的外壳部件，这种外壳部件用铁素体的铸造材料制成，并经受高达750℃的温度。外壳部件15、16分别具有带截锥形的、在两个外壳部件15、16连接状态中两边背靠的凸缘17、18，而凸缘17、18的相向的两边则用一个波纹状的环形金属密封19进行密封，该密封在这里作为O型密封圈示意示出。圆环段6的侧壁13的斜率相当于凸缘17和18的截锥形边的斜率。圆环段6的内直径D(图1)在成型卡圈夹紧状态中也稍大于凸缘17、18的外直径。凸缘14的内直径d在成型卡圈夹紧的状态中也稍大于凸缘17、18外部的轴向连接的部件15、16的外直径。
但这种成型卡圈不但适用于连接涡轮增压器的外壳部件，而且也适用于连接其他的部件，例如带有相当于凸缘17、18的凸缘的管，特别是有很热的流体(液体、气体或蒸汽)流通的温度高达750℃的部件。
夹紧箍1和圆环段6用的钢为马氏体钢，并在环境温度20℃至750℃时具有至少比铁素体铸造材料小0.3·10-6m/m℃的热膨胀系数。所以成型卡圈至少到750℃温度时比由它连接的部件15、16的膨胀小，并因而保证了至少到这个温度范围时这两个部件的牢固连接。
夹紧箍1具有大约3毫米的厚度和大约30毫米的宽度。圆环段6的钢板和钢板8同样具有大约3毫米的厚度。直径D可为350至550毫米的范围。钢板8大约以15°沿圆周方向延伸。
下面借助于夹紧箍1和圆环段6的实施例来详细说明用在高达750℃的温度的影响下的特殊用途的用马氏体钢按本发明焊接的成型卡圈的制作方法。
夹紧箍1和圆环段6以及钢板8所用材料的主成分铁按下表重量百分比例混合其它的元素：
元素 重量百分比 第1选择方案 第2选择方案 第3选择方案
 C ≤0.45 0.15-0.25 0.20-0.35 ≤0.12
 Si ≤2.0 0.2-0.8 ≤1.4 ≤1.6
 Mn ≤2.0 0.4-1.0 0.4-1.0 ≤1.2
 P ≤0.04 ≤0.025 ≤0.035 ≤0.04
 S ≤0.04 ≤0.015 ≤0.020 ≤0.03
 Cr 15-20 15.5-16.0 16.5-18.0 16-18
 Ni ≥1 2.0-2.5 1.0-1.5 4.0-8.0
 Mo ≤2.5 0.3-0.8 1.0-1.5 1.5-2.5
 V ≤0.5 ≤0.5 0.10-0.15 ≤0.5
 Al ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 Co ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 Cu ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4
 Pb ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4 ≤0.4
 Se ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 Te ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 Ti ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5 ≤0.5
 W ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 Zr ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05
 O2 ≤0.01 ≤0.01 ≤0.01 ≤0.01
 N ≤0.01 ≤0.01 ≤0.01 ≤0.01
 Bi ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1 ≤0.1
 B ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001 ≤0.001
 Nb ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.05
这种混合料在高炉中溶化、浇铸并轧制成带钢。这种热轧宽带钢进一步辗轧、分割(成窄的带钢)、预调质和倒缘(倒角)。在两个轧制道次之间分别进行材料退火。在预调质后，窄带钢进行一次平整，即通过轻微的冷变形轧制到最终尺寸。
平整的窄带钢借助于多次冲压和弯曲过程制成成型卡圈的夹紧箍1和环形段6。同样，钢板8用平整的窄带钢冲压而成。然后通过凸焊点11把环9、10连接到夹紧箍1上，并将夹紧箍1放在一个保温炉中。在这里夹紧箍1在稍微超过马氏体起始温度在2000℃至350℃到感应回火保温。
由于短时间的摆动退火-少于五分钟-最好在AC1-温度(铁碳平衡图的铁素体和奥氏体范围之间的分界线)摆动退火，焊接引起的太多的溶解的碳以纯碳化物析出。这种纯碳化物对容许的拉应力荷载的减小即使在高温时也产生相反的作用，从而提高材料的耐热强度。
以上表第一方案的热拉力试样为例，在下表中对一个炉子调质的试样在不同温度时的0.2％伸长极限和一个用摆动退火的感应调质的试样的0.2％伸长极限进行对比。
试验温度 炉子调质的试样1200牛顿/毫米2 用摆动退火感应调质试样1200牛顿/毫米2
500℃600℃650℃700℃750℃ 430牛顿/毫米2305牛顿/毫米2170牛顿/毫米290牛顿/毫米260牛顿/毫米2 550牛顿/毫米2410牛顿/毫米2230牛顿/毫米2125牛顿/毫米270牛顿/毫米2
环形段6用窄带钢成型并滚轧到要求的直径。在另一次焊接操作中，带圆环段6的预成形的焊接的和回火的夹紧箍1与带有夹紧箍1和圆环段6的钢板8连接。在焊接过程后进行另一次回火处理，以避免形成裂纹和使焊接组织细密化。
然后将单独用钢制作的螺栓2、3分别插入相应的环9和10中，并通过环边缘的短段20的径向压入越过螺栓2、3两端轴向固定在环9、10中。然后可将夹紧螺栓4插入螺栓2、3中。
在图4所示本发明成型卡圈的实施例中取消了夹紧箍1。代替该夹紧箍的是，圆环段6a在其端上同样设置有如第一实施例那样的环9、10和插入该环中的螺栓2、3。此外，取消了第一实施侧壁13a的凸缘14。加固件也是作成钢板8a，该钢板8a在整个圆环段6a外部延伸并焊接在该圆环段上。钢板8a的平面垂直于圆环段6a外部延伸并焊接在该圆环段上。钢板8a的平面垂直于圆环段6a的圆周方向。在圆环段6a的圆周方向内均匀分布设置了多块钢板8a，加固件不用钢板8a也可用从圆环6a的带材径向向外压出的加强筋，并同样也象钢板8a那样分布在整个圆环段6a上。
图4的成型卡圈的制作按图1至图3成型卡圈的相同方式进行，其中，圆环段6a同样象第一实施例的夹紧箍1那样进行制作，并与钢板8a焊接。在钢板8a焊接后也进行一次回火处理，以避免裂纹形成和使焊接组织细密化。
其他的变型例如可这样进行：只用一个夹紧箍1和多于两个圆环段6，或只用一个圆环段6a和只用一个锁紧装置代替两个圆环段6a，该锁紧装置具有两个螺栓2和3、两个环9和10以及夹紧螺栓4，并在锁紧装置径向对面设置一个弯曲部位，在该弯曲部位上凸缘13a中断。
本发明成型卡箍连接特别用在涡轮增压器和排气设备时比现有的螺纹法兰连接大量节省材料和安装时间，因而相应降低费用。

Claims (10)

1．一种在被连接端上具有凸缘(17、18)之类的部件(15、16)的连接用的钢制成型卡圈，这种成型卡圈具有至少部分地呈锥形向里弯曲的侧壁(13；13a)和焊接点(11、12)，其特征在于，采用奥氏体钢，这种钢在环境温度20℃至750℃时比铁素体铸造材料的热膨胀系数至少小0.3·10-6m/m℃。
2．按权利要求1的成型卡圈，其特征在于，所用的钢除了作为主成分的铁外由重量百分比的下列成分组成：碳到0.45％、硅到2.0％、锰到2.0、磷到0.04％、硫到0.04％、铬15％到20％、镍1％到8％、钼到2.5％、钒到0.5％、铝到0.1％、钴到0.1％、铜到0.4％、铅到0.4％、硒到0.1％、碲到0.1％、钛到0.5％、钨到0.1％、锆到0.05％、氧到0.01％、氮到0.01％、铋到0.1％、硼到0.001％、铌到0.05％。
3．按权利要求2的成型卡圈，其特征在于，钢中的最高含量：碳0.4％、硅0.5％、锰0.8％和钼2.0％；最低含量：镍1.0％、钼0.3％和钒0.25％。
4．按权利要求1的成型卡圈，其特征在于，该成型卡圈具有至少一个夹紧箍(1)，该夹紧箍带有一个呈环形(9、10)向后弯曲的并在该夹紧箍(1)上焊接的端段；每个环(9、10)都穿过一根螺栓(2、3)，相邻环(9、10)中的螺栓(2、3)借助于一个用其螺杆穿过环(9、10)中的槽的带头的夹紧螺栓(4)连接；每个夹紧箍(1)的内侧上至少焊接一个轴向横截面大致呈帽形的圆环段6，其侧壁(13)设置有加固件(8)；两个相邻螺栓(2、3)的一个具有一个大致呈滴状的横截面，该横截面两边的夹角大致为直角，其中夹角的一边大致径向向外离开卡圈圆周方向延伸，而另一边则沿卡圈的圆周方向延伸；包住大致呈滴状横截面的螺栓(2)的环(9)的形状与该横截面配合；夹紧螺栓头支承在离开卡圈圆周延伸的配合环(9)的一边上。
5．按权利要求1的成型卡圈，其特征在于，该成型卡圈具有至少一个圆环段(6a)，该圆环段带有环(9、10)形状向后弯曲的并在该圆环段(6a)上焊接的端段，每个环(9、10)都穿过一根螺栓，相邻环(9、10)中的螺栓(2、3)借助于一个用其螺杆穿过环(9、10)中的槽的带头的夹紧螺栓(4)连接；每个环形段(6a)的轴向横截面大致呈帽形并具有加固件(8a)的侧壁(13a)；两个相邻螺栓(2、3)的一个螺栓(2)具有一个大致呈滴状的横截面，该横截面两边的夹角大致为直径，其中，夹角的一边大致径向向外离开卡圈圆周延伸，而另一边则沿卡圈的圆周方向延伸，包住大致呈滴状横截面的螺栓(2)的环(9)的形状与该横截面配合，夹紧螺栓头支承在离开卡圈圆周延伸的配合环(9)的一边上。
6．按权利要求4的成型卡圈，其特征在于，加固件(8；8a)由焊接在上述侧壁(13；13a)上的钢板构成。
7．按权利要求4的成型卡圈，其特征在于，在夹紧螺栓头和支承它的环(9)之间放一个直径大于螺栓头直径的垫片(5)。
8．按权利要求1的成型卡圈的制造方法，其特征在于，该成型卡圈用的材料为一种预先调质的带钢的形式并在成型和焊接后，焊接部位进行感应回火，使组织均匀化。
9．按权利要求8的方法，其特征在于，感应回火处理是一种少于5分钟的短时间摆动退火。
10．按权利要求9的方法，其特征在于，该摆动退火在AC1-温度左右进行。
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