某大型高速風洞不銹鋼薄壁收縮段成形工藝

楊曉峰，馬東平，富泉，李多，黃上甫

1.中國空氣動力研究與發展中心 四川綿陽 621000

2.武漢重型機床集團有限公司 湖北武漢 430000

1 序言

某大型高速風洞為國家重大基礎設施建設項目，是我國航空航天領域自主創新和跨越式發展不可或缺的設備，建設意義重大、影響深遠。收縮段是確保高速風洞流場品質的關鍵部段，常規風洞的收縮段常采用碳素鋼材質，大口徑收縮段常采用縱橫筋板定形，焊接薄壁蒙皮的方式制作，但由于成形精度較低，所以對流場有一定的影響。為了確保某大型高速風洞良好的流場品質，同時由于特殊工況的需要，所以該入口7m量級的大口徑薄壁收縮段采用不銹鋼材質，其外側筋板稀疏，壁厚從入口到出口漸變，內型面精度要求較高。另外，由于不銹鋼具有比碳素鋼較大的回彈特性，所以這種不銹鋼大口徑薄壁少筋復雜曲面結構件，采用傳統常規的制作工藝無法滿足成形需要，國內也尚無可借鑒的經驗。因此，研究探索新的成形工藝勢在必行。

2 收縮段結構特點及成形難點

2.1 結構特點

如圖1所示，收縮段主體結構主要包括殼體、環筋、分段法蘭等。收縮段入口截面為帶大圓角矩形，長為7000mm，寬為3000mm；出口截面為帶小圓角矩形，長為4000mm，寬為2600mm，軸向長度為1600mm，材質為304L不銹鋼，凈重8t。收縮段自入口起軸向970mm段殼體厚度為20mm，之后500mm段殼體厚度由20mm漸變至40mm，最后150mm段殼體厚度為40mm。主體結構沿軸線方向設置3個環筋，高度約200mm，板厚為20mm，環筋間距約為500mm，要求內型面加工精度為0.25mm，機加工前焊接成形型面精度控制目標為3～10mm。

圖1 收縮段三維結構

2.2 成形難點

該收縮段屬于大口徑薄壁少筋剛度低的結構件，需分瓣模壓后再拼焊成形。由于不銹鋼相對碳素鋼在模壓時冷作硬化效應顯著，有強烈的回彈特性，因此分瓣方案、單瓣精準成形、多瓣拼接定形難度大，鉚裝過程需采用合理的工裝支撐和預置焊接收縮量來控制焊接變形；且圓弧角為馬鞍狀雙曲型面，需制作專用壓制模具。

由于奧氏體不銹鋼溫度敏化的特點和熱裂紋敏感性，所以焊接變形大，精度難以保證。為此，焊前須進行焊接工藝試驗，根據材料特性和構件特點合理選用焊接坡口和焊接參數，焊接過程須嚴格控制層間溫度，采取對稱施焊、反變形焊接等措施，來控制焊接變形并保證焊接質量[1，2]。

3 常規高速風洞收縮段的成形方法

3.1 框架蒙皮成形

如圖2所示，常溫1m量級以上高速風洞的收縮段，采用沿軸向和徑向筋板定形后用蒙皮覆蓋的方式成形。但是，受制于筋板焊接后變形以及蒙皮自身型面精度，收縮段整體型面成形精度較差，流道精度在±15mm，不利于保障流場品質。

圖2 框架蒙皮型面收縮段

3.2 分瓣模壓拼焊成形

常溫1m量級以下高速風洞的收縮段可采用分瓣成形然后拼焊的方式，成形后再通過機加工可保證型面精度達到0.5mm以內，某0.6m高速風洞的收縮段如圖3所示。該結構件采用8瓣成形，馬鞍形圓角段采用鍛件機加工成形，優點是成形后壁厚和型面有保證；缺點是材料利用率太低，加工周期長，僅適合制造小口徑的收縮段。

圖3 某0.6m高速風洞的收縮段

4 不銹鋼薄壁收縮段成形工藝

4.1 工藝路線及分瓣方案

不銹鋼薄壁收縮段成形工藝路線為：分瓣成形→鉚裝→焊接→熱處理→型面檢測。

根據收縮段結構特點以及制作經驗，采用分瓣模壓再拼焊成形，去應力后再通過機加工達到型面精度的工藝方法。為了減少焊縫，根據曲面收縮段型面特點，分瓣方案如圖4所示，即分成4個單曲面板和4個圓弧角雙曲面板拼焊的形式。針對收縮段壁厚由20mm漸變為40mm的要求，結合焊接變形和機加工余量，采用50mm鋼板整體下料后壓彎成形，控制單瓣成形內型面余量為3～10mm。

圖4 分瓣方案

4.2 單曲面成形

4個單曲面板內型面曲面呈線性變化，成形難度較小，因此使用通用折彎模具壓制成形。按圖樣計算各面展開尺寸，根據截面數據制作加工檢驗樣板，反復校形即可實現，如圖5所示。

圖5 單曲面成形檢測

4.3 雙曲面成形

因4個圓弧角內型面為雙曲面，曲面復雜，且弧長較短，故需采用分步多次模壓成形。為了驗證模壓可行性和模壓所能達到的型面精度，采用不同規格的碳素鋼板材模壓并檢測其成形精度，根據驗證結果不斷修正模具的型面。多次模壓試驗結果表明，針對細長型的圓弧角，分成兩段加工，大頭端采用35mm板材，小頭端采用45mm板材，壓制成形后再拼焊成一體的方案是最可靠的，同時放樣下料周邊要加放50～100mm余量，成形加工結束再切割余量，雙曲面成形過程如圖6所示。雙曲面成形模具采用加密的框架結構，模具型面經過機加工，型面準確且剛度高，可以反復模壓和校形，成形后再采用樣箱檢驗確認，如圖7所示。

圖6 雙曲面成形過程

圖7 雙曲面成形模具和檢驗樣箱

4.4 工裝定形鉚裝拼焊

單曲面和雙曲面經過模壓、人工時效再反復模壓整形，確保每個分瓣型面曲率穩定，測量合格后即可進入鉚裝拼焊工序。

鉚裝拼焊工序要保證多個分瓣間的相對空間位置：首先，在平臺上放樣劃十字中心線、法蘭內側輪廓線、法蘭外側輪廓線、殼體大頭外側輪廓線及殼體小頭內側投影輪廓線定位。然后，根據前期焊接工藝研究，結合收縮段結構和材質特性，鉚裝時預放了10mm焊接收縮余量。殼體與工裝貼合，按劃線位置調整法蘭和殼體相對位置，采用定位焊固定。為了確保多個型面組合后的空間幾何尺寸，專門制作了確保型面的定形工裝。定形工裝分為內金字塔形框架和外圓角C形框架，且都經過了精加工，可以將多瓣準確定位。

4.5 焊接工藝及變形控制

收縮段焊縫及其熱影響區低溫（77K）沖擊吸收能量（V型缺口）不低于50J。通過研究，最終確定選用ER317L焊絲，采用TIG打底+MAG填充蓋面+TIG重熔的焊接方法，接頭坡口形式如圖8所示，焊接參數見表1。按定位焊、加固焊、打底焊、填充焊及蓋面焊等順序焊接，同時在焊接過程采用多層多道焊，每道焊縫層間溫度控制在80℃以下，以防止焊接過程熱輸入溫度過高，導致焊縫內部產生硫化物。焊接過程采用多層多道焊接，平焊焊道寬≤12mm、橫焊焊道寬≤15mm、立焊焊道寬≤18mm，根據零件特點和焊縫情況首選平焊或采用搭建工裝將焊縫處于平焊或船形焊狀態進行焊接。非必要和特殊情況外不采用立焊焊接，盡量保證焊縫處于最佳位置狀態焊接。合理的焊接參數和優化的施焊方法，保證了焊縫及其熱影響區低溫沖擊吸收能量要求。沖擊吸收能量檢測結果見表2。

表2 沖擊吸收能量檢測結果（77K）

圖8 接頭坡口形式

表1 焊接參數

收縮段不銹鋼材質和結構剛度低是產生焊接變形的主要因素。不銹鋼因熱導率小，熱膨脹系數大，故焊后易產生較大的內應力，導致焊接變形。收縮段外部縱向加強筋很少，導致焊接時的剛度低。焊接時縱向焊縫橫向收縮后，引起收縮段出入口向內收縮變形；由于焊接斷面大，輸入熱量多，所以必然引起較大的縱向收縮，使得收縮段產生扭曲變形。為控制收縮段焊接變形和保證焊縫質量，除了采用分布、對稱、多次翻面焊接外，還采取了焊接工裝加內支撐的反變形措施，確保焊縫收縮和變形是對稱的，以防止零件變形集中到一個方向發展和應力的不對稱。

4.6 熱處理

消除焊接應力的方法有錘擊法、振動法、預熱法、局部或整體高溫回火法、溫差拉伸法等。對于不銹鋼結構件，GB 150—2011《壓力容器》中沒有明確要求，為去除不銹鋼收縮段結構件焊接應力，做了大量熱處理工藝研究，最終確定熱處理溫度為（560±10）℃，升溫速度≤80℃/h，保溫1h，裝爐、出爐溫度均≤200℃，熱處理工藝曲線如圖9所示。該熱處理工藝兼顧了確保沖擊吸收能量高和去應力最大化的結果。熱處理設備選用箱式電阻爐（控溫精度±5℃），保證收縮段受熱均勻。熱處理過程中內支撐工裝不拆除，可減少熱處理變形。

圖9 熱處理工藝曲線

4.7 收縮段型面質量檢測

收縮段預拼成形后，采用非接觸式三維激光掃描測量方法檢測內型面精度，對整體型面分多層多點進行檢測，掃描擬合的型面與收縮段三維數字模型進行比對，綜合評估型面精度[3]。經過對檢測數據的分析，型面尺寸和加工余量處于3～10mm以內，滿足了成形要求。

5 結束語

高速風洞收縮段是影響風洞流場的重要部段，對航空航天飛行器地面測試結果有較大影響。大口徑收縮段的成形始終是風洞建設的難題，而對于大口徑薄壁曲面收縮段成形難度更大，對不銹鋼焊接質量要求更高。通過開展不銹鋼大口徑薄壁少筋復雜曲面成形工藝研究，采取科學地拆分結構、碳素鋼件工藝驗證、精加工工裝定形、預放收縮量、多人對稱施焊、整體組裝等反變形措施，以及實施與變形實時檢測相結合的成形工藝，采用TIG打底+MAG填充蓋面+TIG重熔的焊接方法，同時基于（560±10）℃熱處理溫度，成功解決了大口徑結構件整體成形的難題，為不銹鋼大口徑薄壁少筋復雜曲面成形提供了工程實踐經驗。