一种罩壳及其焊接制造方法

技术领域

本发明涉及一种壁板焊接制造技术的改进，属于焊接领域，尤其涉及一种罩壳及其焊接制造方法。

背景技术

国产化40WM级燃气轮机匣壁板-罩壳因长期工作温度由800℃提高到860℃，采用了可以在900℃时长期工作的GH4099材料， GH4099属于时效强化型高温合金，焊接工艺性较差，属于焊接困难的合金，对构件中的残余应力比较敏感，焊缝容易在时效后发生开裂，而壁板-罩壳由法兰、罩壳、壁板、肋板和板等多个零部件采用电子束焊、氩弧焊等多种焊接方法组焊而成，该机匣具有外形及焊接结构复杂的特点，容易出现应力集中进而导致焊缝裂纹，因此结构件制造难度特别大。

申请号为CN201910973000.2，申请日为2019年10月14日的中国专利申请揭示了一种燃气轮机燃烧室外壳的焊接工装，焊接工装包括底座、多个支撑块和多个楔块，多个楔块与多个支撑块一一对应。底座包括两个环形板和连接板，两个环形板相对设置，连接板设置在两个环形板之间，且与两个环形板固定连接，环形板未设置连接板的表面上设有多个条形导向槽a，每个条形导向槽a从环形板的外环沿环形板的径向延伸，多个条形导向槽a与多个支撑块一一对应。每个支撑块包括弓形支撑部和条形导向部，条形导向部的第一端可滑动地设置在条形导向部所属的支撑块对应的条形导向槽a内，楔块卡设在楔块对应的支撑块包括的条形导向部的第一端和条形导向部的第一端相对的条形导向槽a的侧面之间。条形导向部的第二端垂直固定在条形导向部所属的支撑块包括的弓形支撑部的平面上，弓形支撑部的曲面用于与燃烧室外壳相抵，但是上述技术并没有解决结构件制造难度大的问题。

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在结构件制造难度大的问题，提供了结构件制造难度小的一种罩壳及其焊接制造方法。

为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种罩壳，所述罩壳包括包括壳体、三钣金件、长肋板、短肋板与二钣金件；

所述壳体内设置有环形分布的内撑块；

所述壳体的顶部设置有上法兰，壳体的底部设置有下法兰，壳体的内壁位于上法兰与下法兰之间设置有中法兰，下法兰与壳体的侧壁之间设置有二钣金件；

所述二钣金件的侧面与中法兰的侧围之间通过弧形的连接板连接，连接板与中法兰的连接处存在上水平环缝，连接板与二钣金件的连接处存在下水平环缝；

所述壳体的侧围上下两端均存在间隙，间隙内填充有保温棉封板，壳体的内壁上设置有一层保温棉，保温棉与保温棉封板之间设置有三钣金件；

所述三钣金件包括长肋板与短肋板，长肋板与短肋板成型设置；

所述长肋板位于保温棉的内侧，短肋板的侧面分别与保温棉、保温棉封板以及壳体内壁连接。

一种罩壳的焊接制造方法，所述罩壳焊接制造方法包括以下步骤：

步骤一、将一毛坯工件采用均匀变形法制造壳体；

步骤二、将二毛坯工件采用递进冲压法制造二钣金件；

步骤三、将三毛坯工件采用数控压制法制造三钣金件；

步骤四、将壳体、二钣金件、三钣金件通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳。

所述步骤一中将一毛坯工件采用均匀变形法制造壳体为：

将锥形一毛坯工件的顶部与底部径向扩张，从而将的一毛坯工件顶部的细端、底部的粗端撑大变形为喇叭筒形的半成品工件，然后将半成品工件进行加工成型，得到壳体。

所述加工成型包括粗成型、精成型，以及粗成型与精成型结束之后两者之间的区域采用退火工序消除内应力；所述粗成型是指一毛坯工件的粗端再次外扩，所述精成型是指一毛坯工件的细端再次外扩；

所述再次外扩是指：

a、将一毛坯工件的粗端、细端与胀型机对应依次装配；

b、将一毛坯工件套入模具中，并用螺钉锁紧顶部的止档块；

c、随后设置胀型参数，操作胀型机，操作完成后用π尺检测加工后零件的成型尺寸；

d、将加工后零件的尺寸与理论尺寸进行比较，未达理论尺寸则继续设置胀型参数，直至达到理论值为止。

所述步骤二中将二毛坯工件采用递进冲压法制造二钣金件为：首先对二毛坯工件冲压内型线，然后通过模具压住内型线，再冲压外型线，冲压结束后将二毛坯工件从模具中取出，得到二钣金件。

所述对二毛坯工件冲压内型线之前，需要对二毛坯工件进行加热并保压，保压结束后再开始进行冲压内型线；

保压时间不低于2h，加热温度控制在500~600℃；

内型线冲压后进行中间退火消除应力，加热温度1100±10℃，保温时间15~30min，空冷出炉后通过模具压住内型线。

所述步骤三中将三毛坯工件采用数控压制法制造三钣金件为：

所述数控压制法压制前将三毛坯工件的长肋板与短肋板留加工余量，同时在三毛坯工件上划出中心压制线，然后调整数控折边机的下模宽度；

根据数控折边机下模宽度计算出上模所需下压量；

三毛坯工件压制后对圆角处正、背面进行着色检查，完成后采用激光切割法将多余的料头切割去除。

所述步骤四中将壳体、二钣金件、三钣金件通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳为：

低应力焊接法为：首先通过电子束焊焊接连接板与中法兰的连接处的上水平环缝，然后焊接连接板与二钣金件的连接处的下水平环缝；

壳体焊接后采用中温退火消除多条水平环缝的焊缝应力；

电子束焊采用非穿透工艺参数进行焊接，焊接的同时增加电子束脉冲，使同等熔深下需求的焊接热输入更小。

所述混合惰性气体保护焊接法为：

将低应力焊接后的壳体、三钣金件以及保温棉封板采用手工钨级氩弧焊接成罩壳；

在低应力焊接后的壳体的侧面装焊三钣金件、在低应力焊接后的壳体的内侧填充保温棉，在壳体的间隙处装焊保温棉封板；

A、焊接前清理并吹干；

B、焊接采用间断焊焊接；

C、采用单道焊接，焊高3±1mm；

E、采用手工钨极氩弧焊对罩壳进行焊接；

F、焊接电流90~120A，焊接速度10-20cm/min，喷嘴直径大于18mm，气体流量30~35L/min；

G、罩壳焊接时先焊接长肋板的焊缝，再焊接短肋板的焊缝；

H、罩壳焊接后立即采用R5圆头锤锤击焊缝部位；

I、罩壳焊接时采用平位焊施焊；

J、罩壳焊接后采用风动砂轮打磨焊缝至圆滑过渡；

K、罩壳焊接完成后将罩壳的表面进行喷砂处理

所述混合惰性气体保护焊接法还包括：

采用He/Ar混合气体作为壳体焊接的保护气体；

三钣金件的焊缝采用间断法进行焊接，收弧时将电弧回拉并稍作停留。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明一种罩壳及其焊接制造方法中，将一钣金件、二钣金件以及多个法兰通过低应力焊接法制造一结构件；将一结构件、三钣金件通过混合惰性气体保护焊接法焊成罩壳，三钣金件焊缝采用间断法进行焊接，大幅降低了焊接的热输入，从而降低焊接残余应力；收弧时将电弧回拉并稍作停留，降低弧坑深度进而有效避免弧坑裂纹缺陷的发生，结构件制造难度变小，壁板与罩壳的焊接制造质量得到了明显提高。因此，本设计制造难度变小，焊接质量得到提高。

2、本发明一种罩壳及其焊接制造方法中，采用He/Ar混合气体作为保护气其进行焊接，使电弧弧柱能量更集中，降低熔池粘度、提高流动性，既获得较好的外观成型，又保证焊缝表面光亮不发黑，肋板拐角区域不焊接，有效避免了拐角处的应力集中，有效降低了成本，保证了成品外观的稳定性更好。因此，本设计成本较低，稳定性强。

3、本发明一种罩壳及其焊接制造方法中，将毛坯工件通过电子束焊将一钣金件、二钣金件以及多个法兰组焊成一结构件，电子束焊采用非穿透工艺参数进行焊接，焊接的同时增加电子束脉冲，使同等熔深下需求的焊接热输入更小，采用非穿透工艺参数进行焊接，保证熔深的前提下将焊接线能量控制至最小，另一方面增加电子束脉冲，使同等熔深下需求的焊接热输入更小，为了避免焊缝开裂，焊后采用中温退火消除焊缝应力。因此，本设计可以避免开裂，消除焊缝应力。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中一毛坯工件结构示意图。

图3是本发明中一毛坯工件的侧视图。

图4是本发明中罩壳的半成品示意图。

图5是本发明中二毛坯工件的结构示意图。

图6是本发明中三毛坯工件的结构示意图。

图7是本发明的俯视安装示意图。

图中：壳体1、内撑块2、三钣金件3、长肋板4、短肋板5、上法兰61、中法兰62、下法兰63、上水平环缝64、二钣金件65、下水平环缝66、连接板67、保温棉7、间隙处8、保温棉封板9、一毛坯工件A、二毛坯工件B、三毛坯工件C、半成品工件D。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1至图7，一种罩壳，所述罩壳包括壳体1、三钣金件3、长肋板4、短肋板5与二钣金件65；

所述壳体1内设置有环形分布的内撑块2；

所述壳体1的顶部设置有上法兰61，壳体1的底部设置有下法兰63，壳体1的内壁位于上法兰61与下法兰63之间设置有中法兰62，下法兰63与壳体1的侧壁之间设置有二钣金件65；

所述二钣金件65的侧面与中法兰62的侧围之间通过弧形的连接板67连接，连接板67与中法兰62的连接处存在上水平环缝64，连接板67与二钣金件65的连接处存在下水平环缝66；

所述壳体1的侧围上下两端均存在间隙8，间隙8内填充有保温棉封板9，壳体1的内壁上设置有一层保温棉7，保温棉7与保温棉封板9之间设置有三钣金件3；

所述三钣金件3包括长肋板4与短肋板5，长肋板4与短肋板5成L型设置；

所述长肋板4位于保温棉7的内侧，短肋板5的侧面分别与保温棉7、保温棉封板9以及壳体1内壁连接；

一种罩壳的焊接制造方法，所述罩壳焊接制造方法包括以下步骤：

步骤一、将一毛坯工件A采用均匀变形法制造壳体1；

步骤二、将二毛坯工件B采用递进冲压法制造二钣金件65；

步骤三、将三毛坯工件C采用数控压制法制造三钣金件3；

步骤四、将壳体1、二钣金件65、三钣金件3通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳。

所述步骤一中将一毛坯工件A采用均匀变形法制造壳体1为：

将锥形一毛坯工件A的顶部与底部径向扩张，从而将的一毛坯工件A顶部的细端、底部的粗端撑大变形为喇叭筒形的半成品工件D，然后将半成品工件D进行加工成型，得到壳体1。

所述加工成型包括粗成型、精成型，以及粗成型与精成型结束之后两者之间的区域采用退火工序消除内应力；所述粗成型是指一毛坯工件A的粗端再次外扩，所述精成型是指一毛坯工件A的细端再次外扩；

所述再次外扩是指：

a、将一毛坯工件A的粗端、细端与胀型机对应依次装配；

b、将一毛坯工件A套入模具中，并用螺钉锁紧顶部的止档块；

c、随后设置胀型参数，操作胀型机，操作完成后用π尺检测加工后零件的成型尺寸；

d、将加工后零件的尺寸与理论尺寸进行比较，未达理论尺寸则继续设置胀型参数，直至达到理论值为止。

所述步骤二中将二毛坯工件B采用递进冲压法制造二钣金件65为：首先对二毛坯工件B冲压内型线，然后通过模具压住内型线，再冲压外型线，冲压结束后将二毛坯工件B从模具中取出，得到二钣金件65。

所述对二毛坯工件B冲压内型线之前，需要对二毛坯工件B进行加热并保压，保压结束后再开始进行冲压内型线；

保压时间不低于2h，加热温度控制在500~600℃；

内型线冲压后进行中间退火消除应力，加热温度1100±10℃，保温时间15~30min，空冷出炉后通过模具压住内型线。

所述步骤三中将三毛坯工件C采用数控压制法制造三钣金件3为：

所述数控压制法压制前将三毛坯工件C的长肋板4与短肋板5留加工余量，同时在三毛坯工件C上划出中心压制线，然后调整数控折边机的下模宽度；

根据数控折边机下模宽度计算出上模所需下压量；

三毛坯工件C压制后对圆角处正、背面进行着色检查，完成后采用激光3D切割法将多余的料头切割去除。

所述步骤四中将壳体1、二钣金件65、三钣金件3通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳为：

低应力焊接法为：首先通过电子束焊焊接连接板67与中法兰62的连接处的上水平环缝64，然后焊接连接板67与二钣金件65的连接处的下水平环缝66；

壳体1焊接后采用中温退火消除多条水平环缝的焊缝应力；

电子束焊采用非穿透工艺参数进行焊接，焊接的同时增加电子束脉冲，使同等熔深下需求的焊接热输入更小。

所述混合惰性气体保护焊接法为：

将低应力焊接后的壳体1、三钣金件3以及保温棉封板9采用手工钨级氩弧焊接成罩壳；

在低应力焊接后的壳体1的侧面装焊三钣金件3、在低应力焊接后的壳体1的内侧填充保温棉7，在壳体1的间隙处8装焊保温棉封板9；

A、焊接前清理并吹干；

B、焊接采用间断焊焊接；

C、采用单道焊接，焊高3±1mm；

E、采用手工钨极氩弧焊对罩壳进行焊接；

F、焊接电流90~120A，焊接速度10-20cm/min，喷嘴直径大于18mm，气体流量30~35L/min；

G、罩壳焊接时先焊接长肋板4的焊缝，再焊接短肋板5的焊缝；

H、罩壳焊接后立即采用R5圆头锤锤击焊缝部位；

I、罩壳焊接时采用平位焊施焊；

J、罩壳焊接后采用风动砂轮打磨焊缝至圆滑过渡；

K、罩壳焊接完成后将罩壳的表面进行喷砂处理

所述混合惰性气体保护焊接法还包括：

采用He/Ar混合气体作为壳体1焊接的保护气体；

三钣金件3的焊缝采用间断法进行焊接，收弧时将电弧回拉并稍作停留。

实施例1：

一种罩壳，所述罩壳包括包括壳体1、三钣金件3、长肋板4、短肋板5与二钣金件65；所述壳体1内设置有环形分布的内撑块2；所述壳体1的顶部设置有上法兰61，壳体1的底部设置有下法兰63，壳体1的内壁位于上法兰61与下法兰63之间设置有中法兰62，下法兰63与壳体1的侧壁之间设置有二钣金件65；所述二钣金件65的侧面与中法兰62的侧围之间通过弧形的连接板67连接，连接板67与中法兰62的连接处存在上水平环缝64，连接板67与二钣金件65的连接处存在下水平环缝66；所述壳体1的侧围上下两端均存在间隙8，间隙8内填充有保温棉封板9，壳体1的内壁上设置有一层保温棉7，保温棉7与保温棉封板9之间设置有三钣金件3；所述三钣金件3包括长肋板4与短肋板5，长肋板4与短肋板5成L型设置；所述长肋板4位于保温棉7的内侧，短肋板5的侧面分别与保温棉7、保温棉封板9以及壳体1内壁连接。

一种罩壳的焊接制造方法，所述罩壳焊接制造方法包括以下步骤：

步骤一、将一毛坯工件A采用均匀变形法制造壳体1；

步骤二、将二毛坯工件B采用递进冲压法制造二钣金件65；

步骤三、将三毛坯工件C采用数控压制法制造三钣金件3；

步骤四、将壳体1、二钣金件65、三钣金件3通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳。

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图2至图4所示，一种罩壳焊接制造方法，所述步骤一中将一毛坯工件采用均匀变形法制造壳体为：将罩壳1由厚3mm、材质GH4099HB5332的钢板预制成锥筒的一毛坯工件A，通过对个等分内撑块2同步径向外扩，从而将锥形一毛坯工件A撑大变形为喇叭筒形的半成品工件D，然后将半成品工件D进行加工成型，加工成型包括粗成型和精成型，粗成型量大，精成型量小；粗成型与精成型之间采用退火工序消除内应力，总扩径量设置为6mm，设置为6mm主要是考虑扩径设备行程和材料的延伸率，扩径设备行程越大、材料延伸率越大总扩径量可设的上限就越大，原则上扩径量不宜超过延伸率的一半，因为该值越大材料的冷作加工硬化越严重，粗扩径量设置4mm，粗扩径后进行中间退火，退火温度1100℃，保温30min，空冷出炉；精扩径量设置2mm，扩径后筒体的平均直径公差可达到0~+0.5mmπ尺测量，然后加工去除两端余量，粗扩径与精扩径的比值越大，扩径后的残余内应力越小；

所述粗成型是指一毛坯工件的粗端再次外扩，所述精成型是指一毛坯工件的细端再次外扩；所述再次外扩是指：

a、将一毛坯工件的粗端、细端与胀型机对应依次装配；

b、将一毛坯工件套入模具中，并用螺钉锁紧顶部的止档块；

c、随后设置胀型参数，操作胀型机，操作完成后用π尺检测加工后零件的成型尺寸；

d、将加工后零件的尺寸与理论尺寸进行比较，未达理论尺寸则继续设置胀型参数，直至达到理论值为止。

实施例3：

实施例3与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图5所示，一种罩壳焊接制造方法，步骤二中将二毛坯工件B采用递进冲压法制造二钣金件65为：首先对二毛坯工件B冲压内型线，然后通过模具压住内型线，再冲压外型线，冲压结束后将二毛坯工件B从模具中取出，毛坯采用3mm厚、GH4099/HB5332的环形钢板，按母线放样内外圆半径各留10mm焊前加工余量，其余不留余量进行放样，采取激光切割下料，下料后首先利用凹凸模将内型线冲压成形，采用热冲压，具体方法为：首先，将环形二毛坯工件B置于第一凹模的凹槽内，将螺栓以350N•m的拧紧力矩使压边圈压紧环形钢板外圆100mm以内的区域；然后，两人圆周对称分布站位，各手持一把火焰枪，点火后利用外焰来回加热环形二毛坯工件B，呈扇形扫动火焰枪，相对均匀的使待冲压的内型线长度范围内的板面加热达到500±50℃，采用接触式热电偶检测板温度，完成后在第一凹凸模合紧状态保压2h，结束后将工件从凹凸模中取出，转热处理车间进行中间退火去应力，加热温度1100±10℃，保温时间15~30min，空冷出炉，待工件冷却至室温以后，将工件至于第二凹凸模中，采用压边圈压紧内型线，重复上述的加热操作后，合紧第二凹凸模，并保压2h，结束后将工件从凹凸模中取出，得到二钣金件65。

实施例4：

实施例4与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图6所示，一种罩壳焊接制造方法，步骤三中将三毛坯工件C采用数控压制法制造三钣金件3为，数控压制法压制前将三毛坯工件C的长肋板4与短肋板5留加工余量，同时在三毛坯工件C上划出中心压制线，长肋板4、短肋板5为L型角钢形结构，材质为GH4099/HB5332，厚度3mm，三毛坯工件C采用3mm厚的GH4099钢板，宽度留加工余量及压制直边段余量，压制前采用划针划出中心压制线，调整数控折边机的下模宽度为20mm，根据数控折边机下模宽度计算出上模所需下压量，并通过试压修正上模下压量，从而保证压制后的成型圆角及角度，然后将所有长肋板4、短肋板5均采用固化的工艺压制成型，使所有长肋板4、短肋板5获得一致的圆角及角度等成型尺寸，压制后圆角处正、背面进行100%着色检查，完成后采用激光3D切割法将多余的料头切割去除。

实施例5：

实施例5与实施例1基本相同，其不同之处在于：

如图7所示，一种罩壳焊接制造方法，所述步骤四中将壳体1、二钣金件65、三钣金件3通过低应力焊接法、混合惰性气体保护焊接法焊接为罩壳为：

低应力焊接法为：首先通过电子束焊焊接连接板67与中法兰62的连接处的上水平环缝64，然后焊接连接板67与二钣金件65的连接处的下水平环缝66；

壳体1焊接后采用中温退火消除多条水平环缝的焊缝应力；

电子束焊采用非穿透工艺参数进行焊接，保证熔深的前提下将焊接线能量控制至最小，焊接的同时增加电子束脉冲，使同等熔深下需求的焊接热输入更小。

所述混合惰性气体保护焊接法为：

将低应力焊接后的壳体1、三钣金件3以及保温棉封板9采用手工钨级氩弧焊接成罩壳；

在低应力焊接后的壳体1的侧面装焊三钣金件3、在低应力焊接后的壳体1的内侧填充保温棉7，在壳体1的间隙处8装焊保温棉封板9，焊接后900℃时效，时效后探伤后转机加工加工；

A、焊接前清理并吹干；

B、焊接采用间断焊焊接；

C、采用单道焊接，焊高3±1mm；

E、采用手工钨极氩弧焊对罩壳进行焊接，直流正接，气体选用75%Ar+25%He纯度99.99%的混合气；

F、焊接电流90~120A，焊接速度10-20cm/min，喷嘴直径大于18mm，气体流量30~35L/min；

G、罩壳焊接时先焊接长肋板4的焊缝，再焊接短肋板5的焊缝；

H、罩壳焊接后立即采用R5圆头锤锤击焊缝部位；

I、罩壳焊接时采用平位焊施焊；

J、罩壳焊接后采用风动砂轮打磨焊缝至圆滑过渡；

K、罩壳焊接完成后将罩壳的表面进行喷砂处理，喷砂要求采用110~220目的Al2O3磨料，喷砂后表面清洁度达到Sa3级，表面粗糙度15~30um，喷砂可使焊缝表面呈压应力状态，减少焊缝开裂几率

所述混合惰性气体保护焊接法还包括：

采用He/Ar混合气体作为壳体1焊接的保护气体，采用He/Ar混合气体作为保护气其进行焊接，使电弧弧柱能量更集中，降低熔池粘度、提高流动性，既获得较好的外观成型，又保证焊缝表面光亮不发黑；

三钣金件3的焊缝采用间断法进行焊接，收弧时将电弧回拉并稍作停留，大幅降低了焊接的热输入，从而降低焊接残余应力；收弧时将电弧回拉并稍作停留，降低弧坑深度进有效避免弧坑裂纹缺陷的发生；肋板拐角处20mm范围以内区域不焊接，有效避免了拐角处的应力集中。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。