高精薄壁細管組件裝焊及精控技術研究

戚德高，熊建坤，張峻銘，文仲波，伍敏

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

高精薄壁細管組件裝焊及精控技術研究

戚德高，熊建坤，張峻銘，文仲波，伍敏

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

高精薄壁細管組件有著超長、超細、空間復雜且狹小的特點，其裝配精度和焊接變形是其制造的關鍵難題。文章針對組件的特點，對其裝焊精度影響因素進行分析，并利用有限元軟件對焊接過程進行模擬分析，重點從薄壁細管組件的結構特點及材料特性出發，圍繞裝配精度的提高、焊接變形的控制、焊接質量的保證等方面進行了詳細的論述，為該類零件的裝焊提供了理論依據和實踐指導。

奧氏體不銹鋼，焊接變形，鎢極氬弧焊，工裝設計

0 引言

隨著裝焊制造水平和工藝的提高，焊接零部件越來越走向了高精度領域。為實現焊后難加工部件的制造，待焊零件的精度越來越高，裝焊后的尺寸精度要求甚至達到了加工級的精度水平，焊縫質量要求高，焊接制造難度極大。本組件屬于公司首次進行制造，零部件結構和材料均區別于汽輪機及以往公司曾經制造過的產品，只有部分與某事業部承擔的民核產品有一定的相似度；在焊接過程中，其制造精度要求控制在毫米級水平，本文從薄壁細管組件的結構出發，結合其工藝流程、制造難點及解決方案等方面對其裝焊技術進行了詳細論述，最終實現了該組件的成功裝焊。

1 高精薄壁細管組件介紹

1.1 組件結構介紹

組件1結構如圖1所示，由6種零件組成，零件總數達14件之多。各零件以件1（法蘭）為主體，軸向焊接多個小直徑接管，形成3根均布盲孔接管和1根細長接管。件1直徑為Φ210，接管直徑有Φ35×2.5、Φ18×2兩種類型。結構件整體尺寸不大，焊縫多且軸向距離近。

圖1 組件1結構示意圖

組件2結構見圖2，為兩組細長直管與法蘭焊接進而裝焊成雙層半密閉式管結構，直管主要有Φ22×3、Φ68×6兩種類型，組件長度達1 061 mm，焊縫集中在組件兩端位置。

圖2 組件2結構示意圖

以上組件都有著精度高、薄壁、長徑比大的特點。產品焊縫主要為管對接型環焊縫，待焊零件為精加工件，設計時未考慮焊接變形及焊后加工余量，需根據不同的產品結構圖設計合理的裝焊圖，使之在滿足焊后加工的前提下，盡可能減少加工余量，并且需要嚴格控制焊接變形，滿足焊后加工要求。

1.2 組件的材料介紹

組件的零件材質主要為06Cr18Ni11Ti奧氏體不銹鋼，這類鋼具有良好的韌性、耐蝕性和無磁性，在氧化性和還原性介質中耐蝕性均較好，其化學成分詳見表1。

表1 材料化學成分

2 主要工藝流程

針對高精薄壁細管組件結構特點，制定圖3所示的裝焊工藝流程。

圖3 細管組件工藝流程

3 制造難點及解決方案

3.1 裝配難點及解決方案

3.1.1 裝配難點

（1）細桿組件焊縫主要為管對接環焊縫，零件本身無法實現高精度對中裝配。

（2）組件1中件2～件5軸向尺寸小，多個零件裝配同軸度的保證。

（3）組件1中件2～件5形成的套管組件之間的裝配精度保證。

3.1.2 解決方案

（1）利于裝配的坡口設計

產品焊縫均為60°對接坡口，直接裝焊無法達到設計要求的同軸度，故需要焊后的再次精加工去除少量余量來保證?？紤]到組件內徑加工較外徑容易，初步按照內徑余量單邊2.5 mm，外徑余量單邊2 mm，利用內徑加工余量將對接焊縫設計為帶配合止口的形式，如圖4所示。焊縫的橫向收縮變形量可通過經驗公式（1）計算[1]:

式中:ΔB—焊縫的橫向收縮值；

AW—焊縫的橫截面積；

t—待焊管材厚度。

止口的根部間隙參考經驗公式計算設計，將焊縫橫截面積，管材厚度代入公式，計算得出橫向收縮值為0.86 mm，結合經驗取根部間隙1 mm。

圖4 帶止口管對接坡口設計示意圖

（2）專用裝配工裝設計

結合組件2中件2～件5尺寸結構特點，設計圖5所示的V型鐵裝焊工裝，以加工過的零件外圓作為定位基準，保證件2～件5的裝配同軸度，同時方便焊接操作。

圖5 V型鐵示意圖

組件1中套管組件與件1裝配時，設計圖6所示裝配工裝，法蘭就位于V型鐵上，并軸向固定，通過內撐件定位裝配套管組件，套管組件端部用蓋板組件再次固定，確保套管組件相對位置精度，并起到一定焊接變形控制作用。同時，端部蓋板可以起到焊后變形的檢測作用，如蓋板無法裝入套管組件端部，則對偏差的套管組件焊縫進行局部加熱進行校型。內撐件用于套管組件與法蘭裝焊時的精確定位，為防止焊接變形導致內撐件無法取出，點焊牢固后將內撐件抽離焊縫位置。內撐件設計有背氬保護的充氣孔，可起到焊縫的背氬保護。

圖6 套管組件與件1裝焊工裝

3.2 焊接變形難點及解決方案

焊接時，隨著溫度的增加，屈服強度降低，熱應力增加；熱應力和塑性應變的不均勻分布導致焊接殘余應力的出現。而焊接工藝和剛性固定情況直接影響焊接殘余應力的分布。焊接變形分為縱向收縮變形、橫向收縮變形、彎曲變形、角變形、波浪變形等。對于該組件的焊接，難以控制的是橫向收縮變形不均勻引起的各零件軸線的傾斜[2]。

3.2.1 焊接方法選取

由于產品的材質主要為奧氏體不銹鋼，導熱系數?。槠胀ㄌ间摰?/2左右）、線性膨脹系數大（比碳鋼大50%），在自由狀態下焊接時極易出現焊接變形，造成形位公差達不到設計要求。焊接過程中焊件所受熱量越多，則受熱的體積越大，焊接件變形的程度就越嚴重。綜合考慮焊接線能量、被焊接件的焊接結構特征的影響，同時兼顧焊接效率以及實際操作經驗，該項目零部件的焊接方法選擇鎢極惰性氣體保護焊(TIG焊)，保護氣體為99.99%的高純度氬氣。該焊接方法具有電弧穩定、焊縫成型均勻和美觀、性能優良等優點，降低了熱輸入量和熔池的過熱度，減少了焊接熱影響區的范圍，有利于控制焊接變形[3]。結合零件的材料，焊材選擇ER308L，并進行了相應的焊接工藝評定。

3.2.2 焊接順序及參數選取

環焊縫的焊接順序對減小焊接變形有關鍵的作用，所分段數越多，則接頭出現缺陷的概率就越大，且焊接難度和操作性就越大。針對上述產品的結構尺寸，通過有限元焊接模擬方式確定出理論的最佳分段方式，如圖7所示。直徑小于50 mm的環焊縫采取8點點焊、8段焊接方式進行分段焊接，直徑大于50 mm的環焊縫采取12點點焊、12段焊的方式進行點焊和分段焊接，從理論上減小焊縫內應力，減小焊接變形。

圖7 環焊縫分段點焊圖

單位體積內的焊接熱輸入量是控制焊接殘余應力以及防止焊接變形的最主要參數。焊接方法確定后，在滿足焊接接頭力學性能的前提下，選用焊接線能量較低的焊接方法，可有效防止焊接變形[4]。對于多層多道焊，前幾道焊接所造成的焊接變形較大，尤其是前l／3坡口，因此，初始幾道的焊接熱輸入量應盡可能小，而為了提高焊接效率，后面幾道的焊接可以適當提高焊接電流，確立焊接工藝參數如表2所示。

表2 環焊縫氬弧焊焊接參數

3.2.3 剛性焊接工裝設計與運用

（1）X型鐵與平臺結合應用

對于組件中直筒段與法蘭端部焊縫結構形式，通過焊縫的止口結構以及本身的搭接結構，軸向有3～10 mm不等的配合面起到定位作用。因此該類焊縫采取豎直裝配后定位焊，然后將定位焊組件直筒段置于兩個X型支撐鐵之間，而X型鐵放置于精加工平板上，通過X型鐵確保套管放置的水平，如圖8所示。通過角尺放置于支撐鐵所在的精加工平面，檢測法蘭面相對于直筒段的垂直度，可起到檢驗裝配精度的作用。在焊接過程中也可通過角尺實時檢測監控，如發現垂直度超差，則相應地調整焊接順序，控制焊接變形。

圖8 X型支撐裝焊示意圖

（2）小管對接外箍剛性約束

對于組件中直徑小于30 mm，無法設計帶止口的對接環焊縫的零件，創造性地設計了外箍式的裝焊工裝，既解決了小管對接的裝配問題，又控制了焊接變形。外箍工裝如圖9所示。

圖9 內套管與上端焊件裝焊工裝

夾持套為外箍定位主體結構，分為兩半，通過卡環及緊固螺栓把待焊工件裝配到一起，保證裝配的同軸度。夾持套開有焊接位置的窗口可以進行焊接操作，待窗口部位焊接完成后可以旋轉夾持套，焊接其余位置焊縫。

3.2.4 焊接變形的糾正

組件結構的焊接變形主要為接管軸線的相互傾斜，如圖10所示。管類結構的校型采用機械方式進行矯正，可能會帶來管徑的偏差，起不到真正的校型作用。焊接變形主要是內應力分布不均造成的，故采取熱校型的方式可以達到很好的效果[5]。

圖10 焊接變形糾正示意圖

在細管零件產生角變形的最內側位置圓周方向長度為30 mm范圍內用自熔的方式將焊縫進行重熔，改善焊縫內應力分布，冷卻后可起到校型的作用[6]。

4 焊接質量難點及解決方案

4.1 熱裂紋

奧氏體焊縫金屬的熱裂紋敏感性較大，因為奧氏體鋼易形成方向性很強的粗大柱狀組織，造成雜質偏析和缺陷聚集，這些雜質又能與Ni形成低熔點共晶體，增大脆性溫度區間，形成液態薄膜；另外奧氏體鋼的熱導率小且線膨脹系數大，在焊接的不均勻加熱和冷卻條件下，焊接接頭形成較大的拉應力，因此，在焊縫處易產生熱裂紋。要提高焊縫的抗裂能力和耐腐蝕能力，需特別注意焊前待焊部位的徹底清潔，避免有害雜質熔入焊縫[7]。

4.2 氣孔

分段、點焊的方式利于焊縫應力分布均勻化，控制焊接變形，但對焊縫內部質量卻是一個不利因素，造成了焊縫接頭增多，在接頭處極易出現氣孔、夾渣缺陷。因此，焊接前需盡可能清理坡口表面的油脂、氧化物、雜質，選擇合適的保護氣體流量，在無風、無粉塵的環境中施焊，將焊縫接頭位置用小直徑氣動旋轉銼進行焊接前焊縫接頭位置打磨至金屬本色后，再焊接可減少氣孔出現的可能。

4.3 未熔合

帶止口環焊縫焊接后，加工去除內孔的止口，然后進行了RT檢驗，結果顯示部分焊縫根部有未熔合的缺陷，小管對接后的焊縫也出現了RT檢驗不合格的情況。結合實際焊接過程分析，對焊縫進行了點焊和分段，在分段接頭位置極易產生未熔合等焊接缺陷，且60°焊接坡口和1 mm的根部間隙在實際焊接操作過程中不利于焊槍擺動和根部焊縫成型。因此，首先對焊縫結構進行了調整，將坡口角度改為一邊30°、一邊40°的非對稱坡口形式，一方面有利于保證焊接操作和焊縫質量，另一方面不過多增加焊縫橫截面積，避免焊接變形的增加。其次，裝配時適當增大坡口根部間隙，保證焊縫的根部熔透，最終使得焊縫RT檢驗合格。

5 焊接變形數據分析

焊接過程中對組件1的裝配尺寸進行了跟蹤測量記錄，用于焊接變形的觀測和糾正。對組件1主要測量套管組件相對于法蘭面的垂直度，件6相對于法蘭面的垂直度。測量時在被測件的0°和90°兩個方向分別測量，通過高度尺與塞尺配合，分點焊裝配、打底層焊縫焊接、蓋面焊縫焊接和熱校型四次測量，結果見表3。

表3 組件1焊接變形測量值

從表中數據來看，焊接變形主要出現在第一層焊縫的焊接（最大值達到了0.85 mm），這說明在第一層焊接時，合理的焊接順序和焊接參數對組件的變形控制有著重要的作用。通過變形焊縫的重熔，使應力均布的方式起到一定程度的校型作用（最大校型量為0.28 mm）。通過裝配工裝、多點分段焊接和焊后校型的方式，最終將套管組件焊后相對于法蘭面垂直度控制在0.67 mm以下，焊接變形得到了有效控制，變形小于2 mm的加工余量。

6 總結

（1）對于精加工奧氏體不銹鋼零件的焊接，鎢極氬弧焊有效降低了熱輸入量和熔池的過熱度，可減少焊接熱影響區的范圍，有利于焊縫的成型和焊接變形的控制。

（2）對于多層多道環焊縫，打底層焊接是變形控制的關鍵，在保證根部熔透的前提下盡量降低熱輸入，嚴格控制層間溫度。

（3）將低應力無變形理論應用在產品制造中，即焊縫低溫重熔方式，改變應力分布方式，來精控焊接變形。

（4）利用內徑的加工余量設計帶止口的焊縫結構，提高零件裝配精度。

[1]田錫唐.焊接結構[M].北京：機械工業出版社，1991.

[2]周岐，王亞君.焊接工藝與操作技巧叢書[M].沈陽：遼寧工業技術出版社，2011.

[3]陳裕川.焊接工藝設計與實例分析[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4]中國機械工程學會.焊接手冊：1,2,3卷：3版[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5]李亞江．焊接冶金學——材料焊接性[M].北京：機械工業出版社，2006．

[6]曾攀.有限元分析及應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[7]付積和，孫玉林．焊接數據資料手冊[M].北京：機械工業出版社，1994．

Study for Welding Assembly and Precision Control Technology of High Precision Thin-walled Pipe Fittings

Qi Degao，Xiong Jiankun，Zhang Junming，Wen Zhongbo，Wu Min

（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

High precision thin-walled pipe fittings have the characteristics of super long,superfine,complex and narrow space. Precision assembly and welding deformation are the key problems of its manufacture.According to the characteristics of the components,the paper analyzes the factors of the assembly welding accuracy,and uses finite element software to simulate the welding process.This article first introduces the structural characteristics of high precision thin-walled pipe fittings and then discusses the improve ment the assembly,welding deformation control and welding quality assurance in detailed,which provides a theoretical basis and practical guidance for the assembly and welding about this class parts.

austenitic stainless steel，welding deformation，TIG，tooling design

TG444

B

1674-9987（2017）02-0021-05

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.02.006

戚德高（1986-），男，工程師，2009年畢業于北京理工大學機械設計制造及自動化專業，主要從事汽輪機零部件裝焊制造工藝研究。