西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司 （陜西 710075） 徐 金 楊建偉 姚 剛

1. 概述

高爐煤氣回收透平裝置（TRT），是一種利用高爐爐頂煤氣余壓、余熱發(fā)電進(jìn)行能量回收的一種裝置，TRT機(jī)組作為公司的主導(dǎo)產(chǎn)品在高爐及能量回收等領(lǐng)域起著重要作用。

以往TRT機(jī)組所用機(jī)殼均為鑄造結(jié)構(gòu)，公司為提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，研發(fā)了全焊接結(jié)構(gòu)TRT機(jī)殼。由于機(jī)組介質(zhì)主要為煤氣，要求機(jī)組在運(yùn)行中上下機(jī)殼扣合間隙為零，采用焊接結(jié)構(gòu)后，由于焊接量比較大，機(jī)殼內(nèi)部的殘余應(yīng)力及焊接變形問(wèn)題將給后序加工、安裝甚至設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大的影響，所以在焊接機(jī)殼生產(chǎn)、裝配中要通過(guò)反復(fù)修整才能達(dá)到使用要求，這樣不僅增加了制造成本，還影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，如何采取措施減少機(jī)殼焊接變形和焊接應(yīng)力，是提高此類(lèi)焊接產(chǎn)品制造水平的關(guān)鍵。

2. TRT焊接結(jié)構(gòu)機(jī)殼

（1）TRT機(jī)殼 為全鋼板焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)殼起到支承機(jī)組內(nèi)部部件，如葉片承缸和調(diào)節(jié)缸之用，又作為進(jìn)氣蝸室之用，機(jī)殼模型如圖1所示。機(jī)殼材質(zhì)為Q390C，殼體所用鋼板厚度在30～60mm，中分法蘭部位厚度達(dá)85mm，機(jī)殼內(nèi)部帶有整流板、密封板、導(dǎo)向板、支撐肋等部件，機(jī)殼剖分模型如圖2所示。

圖1 TRT機(jī)殼模型

圖2 TRT機(jī)殼剖分模型

（2）焊后變形情況 由于機(jī)殼全部采用焊接制作，焊接工作量特別大，故增加了機(jī)殼制造過(guò)程中焊接變形的控制難度，以往生產(chǎn)的機(jī)殼焊后中分法蘭處變形量多達(dá)5～10mm，后序加工過(guò)程中常需進(jìn)行補(bǔ)焊才能達(dá)到加工要求。由于機(jī)殼內(nèi)部存有過(guò)多的殘余應(yīng)力，在機(jī)組裝配過(guò)程中常因變形出現(xiàn)機(jī)殼間隙超差的情況。

3. 機(jī)殼變形原因分析

通過(guò)對(duì)當(dāng)前機(jī)殼制造過(guò)程進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，焊接機(jī)殼產(chǎn)生變形的原因主要如下：

（1）機(jī)殼焊接順序 機(jī)殼焊接前，先將機(jī)殼各零部件全部拼裝在一起并完成定位焊，機(jī)殼焊接時(shí)，焊完機(jī)殼一個(gè)方位的所有焊縫后對(duì)機(jī)殼翻轉(zhuǎn)一次，分四個(gè)方位完成機(jī)殼所有焊縫的焊接。此工藝使焊接填充量比較大且不均勻，焊接過(guò)程中焊縫互相約束，使整個(gè)機(jī)殼焊接應(yīng)力十分大，機(jī)殼熱處理消應(yīng)力后變形加大。

（2）非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu) 由于機(jī)殼為非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，上、下機(jī)殼形狀、板厚不一，焊縫填充量分布不均，加上機(jī)殼焊接過(guò)程中每組焊工焊接順序不同，這也造成機(jī)殼焊后產(chǎn)生較大的變形。

（3）局部位置焊接填充量增加 在機(jī)殼中筒板部位的焊縫（見(jiàn)圖3），如采用整體拼焊后焊接，部分角焊縫由于受操作空間影響，導(dǎo)致焊接可達(dá)性較差，為了保證焊縫外觀質(zhì)量，生產(chǎn)中常將圖3所示位置全部焊滿(mǎn)，這也使焊接填充量增加有2～3倍之多，過(guò)多的焊接填充也會(huì)導(dǎo)致機(jī)殼產(chǎn)生較大的變形。

圖3 中筒板組件焊縫示意

（4）中分法蘭焊接應(yīng)力 中分法蘭為機(jī)組的關(guān)鍵部位，法蘭厚度達(dá)85mm，和機(jī)殼一起采用板材多塊拼接而成。由于中分法蘭處焊縫填充量比較大，加上殼體定位焊時(shí)焊縫拘束度對(duì)其影響，所以使此處的焊接變形和焊接應(yīng)力都比較大。

（5）加強(qiáng)肋焊縫產(chǎn)生應(yīng)力集中 機(jī)殼內(nèi)、外殼體上的加強(qiáng)肋與中分法蘭連接處均為十字接縫，導(dǎo)致焊后應(yīng)力值比較大。

綜上所述，要保證機(jī)殼制造質(zhì)量控制焊接變形，焊接工藝必須根據(jù)機(jī)殼的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)，以減少機(jī)殼的焊接應(yīng)力和焊接變形。

4. 機(jī)殼焊接變形控制措施

（1）機(jī)殼焊接順序控制 為降低焊接應(yīng)力對(duì)機(jī)殼變形的影響，機(jī)殼的拼裝、焊接過(guò)程必須采用低應(yīng)力的拼焊方法。改進(jìn)后的拼焊方案是按照先“局部”再“整體”后“局部”的順序進(jìn)行拼裝，先“局部”指的是將殼體分成六大組件，預(yù)先將各組件焊接完成，再“整體”是以中分法蘭和側(cè)板為基準(zhǔn)和主要組件總體拼裝焊接。后“局部”指的是在殼體框架焊接完成的基礎(chǔ)上再拼裝其他肋板，加強(qiáng)肋等小部件。機(jī)殼焊接如圖4所示，采用這種方式拼焊機(jī)殼，機(jī)殼內(nèi)部的應(yīng)力將大大減少，同時(shí)焊接各組件時(shí)可同時(shí)進(jìn)行焊接，由于組件尺寸較小，焊接時(shí)也易于翻轉(zhuǎn)和操作。

圖4 機(jī)殼焊接

（2）焊接工藝過(guò)程控制 每條焊縫按原要求采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，采用間隔、對(duì)稱(chēng)焊等工藝措施減少焊接變形。機(jī)殼焊接參數(shù)如表1所示，爬坡焊（或稱(chēng)立焊）焊接參數(shù)如表2所示。生產(chǎn)中改變了以往由鉚工拼裝完成后再由焊工焊接的制造方法，按新的思路編制機(jī)殼焊接工藝，使機(jī)殼焊接過(guò)程由始至終地伴隨著機(jī)殼的拼裝過(guò)程，在機(jī)殼的任何一個(gè)部件拼裝后勢(shì)必進(jìn)行焊接操作。

表1 TRT機(jī)殼焊接參數(shù)

表2 TRT機(jī)殼爬坡焊（或稱(chēng)立焊）焊接參數(shù)

（3）焊接變形控制 通過(guò)采用加強(qiáng)肋剛性固定與焊接順序相結(jié)合的措施對(duì)機(jī)殼焊接過(guò)程中組件變形、機(jī)殼拼焊變形進(jìn)行控制，利用加強(qiáng)肋增加機(jī)殼結(jié)構(gòu)剛性，保證機(jī)殼內(nèi)部重要部位尺寸控制。在制定機(jī)殼整體拼焊工藝時(shí)設(shè)計(jì)工裝夾具，將部件緊固在平臺(tái)上，減少整體焊接變形。

（4）組焊中分法蘭 中分法蘭作為機(jī)殼的一個(gè)組件先焊接完成，上下中分法蘭組件示意如圖5所示，對(duì)接焊縫開(kāi)雙面坡口，通過(guò)采用反變形方法進(jìn)行變形控制。在焊接過(guò)程中每道焊縫焊接完成后均對(duì)變形情況進(jìn)行檢測(cè)，以便根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)翻轉(zhuǎn)工件保證法蘭整體變形。由于整個(gè)焊接過(guò)程中均在自由狀態(tài)下完成，所以大大降低了中分法蘭焊接的內(nèi)應(yīng)力。

圖5 上、下中分法蘭組件示意

（5）加強(qiáng)肋板結(jié)構(gòu)改進(jìn) 將殼體上所有肋板改為如圖6所示結(jié)構(gòu)，其中L尺寸為焊腳尺寸加上2～3mm。改為此結(jié)構(gòu)后，有效地避免了機(jī)殼與肋板十字焊縫的存在，從而減少了機(jī)殼焊接應(yīng)力。

圖6 肋板結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意

5. 實(shí)施過(guò)程

將機(jī)殼分為中分法蘭組件、中筒板組件、入口整流板組件、側(cè)板組件、密封板組件和調(diào)整室組件六大部分，各組件先“局部”焊接完成，組件焊后再“整體”進(jìn)行拼焊。主要部件拼焊完成后對(duì)加強(qiáng)肋、支撐肋等零件再“局部”拼焊。按此工藝方法選定試驗(yàn)產(chǎn)品并對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行跟蹤，結(jié)果如下：

（1）中分法蘭作為機(jī)殼的一個(gè)組件單獨(dú)組焊，焊接均在自由狀態(tài)下完成，焊后變形量≤3mm，滿(mǎn)足了后序制造要求。

（2）對(duì)機(jī)殼內(nèi)部影響后序拼裝和加工的重要部位尺寸重點(diǎn)控制，主要通過(guò)增加支撐肋和弓形夾子夾緊的方式來(lái)減少焊接變形，焊接過(guò)程中采用雙面焊、對(duì)稱(chēng)焊等工藝措施減少焊接變形。

（3）中筒板組件焊接時(shí)對(duì)關(guān)鍵尺寸增加支撐肋固定，由于逐件拼接，中筒板焊縫不受空間位置限制，所以大大減少了焊接填充量，兩人對(duì)稱(chēng)施焊，有效地保證了焊接變形。

（4）按新工藝焊接機(jī)殼并完成熱處理消應(yīng)力，經(jīng)打表檢測(cè)，中分法蘭焊后總變形量≤4mm，在保證后序加工余量的同時(shí)也說(shuō)明機(jī)殼在整個(gè)焊接過(guò)程中應(yīng)力值有很大的降低。

（5）機(jī)殼焊接按新的拼裝思路編制TRT機(jī)殼焊接典型工藝，并在后序產(chǎn)品中推廣應(yīng)用。

6. 結(jié)語(yǔ)

（1）TRT機(jī)殼在生產(chǎn)中采用先“局部”再“整體”后“局部”的順序進(jìn)行拼裝和焊接，能有效減少機(jī)殼焊接應(yīng)力，減少了后序加工、裝配過(guò)程中機(jī)殼變形，利于保證機(jī)殼關(guān)鍵部位的尺寸，達(dá)到了預(yù)想的效果。

（2）中分法蘭等作為機(jī)組的關(guān)鍵部件，采用自由狀態(tài)下先組焊成部件再整體拼焊成機(jī)殼的工藝方法，大大降低了中分法蘭部位的應(yīng)力分布，利于機(jī)殼整體變形控制。

（3）通過(guò)采用加強(qiáng)肋對(duì)機(jī)殼制造過(guò)程中關(guān)鍵尺寸的變形進(jìn)行控制，有利于后序機(jī)殼的拼焊，通過(guò)增加工裝夾具與調(diào)整焊接順序相結(jié)合的措施對(duì)機(jī)殼的變形進(jìn)行控制，可有效控制焊接機(jī)殼的變形。