大型薄壁不銹鋼收縮段免骨架修磨制作工藝

某大型試驗(yàn)裝置的收縮段為筋板骨架+雙曲面內(nèi)殼體結(jié)構(gòu)，其入口內(nèi)徑9.5 m，出口內(nèi)徑3.5 m，流道型面為二元三次方收縮薄壁曲面結(jié)構(gòu)，材料為06Cr19Ni10不銹鋼。以前碳鋼材質(zhì)的類(lèi)似收縮段制作時(shí)，采取骨架制作裝配時(shí)留余量，焊接后修磨骨架筋板，再帖裝殼體蒙皮的方法來(lái)保證收縮段型面精度。但此骨架余量修磨的傳統(tǒng)方法對(duì)于不銹鋼材質(zhì)的收縮段制作而言將太過(guò)耗工耗時(shí)。通過(guò)工藝研究和實(shí)踐，成功解決了不銹鋼雙曲面精確壓制成型和骨架無(wú)修磨精準(zhǔn)裝配及有效控制焊接變形的難題，探索出了一種免修磨骨架的收縮段制作工藝。

收縮段； 高空試驗(yàn)艙； 薄壁不銹鋼； 制作工藝

TU745.7 B

［定稿日期］2023-02-08

［作者簡(jiǎn)介］蒲志木（1973—），男，專(zhuān)科，工程師，主要從事工業(yè)與民用機(jī)電安裝工程、非標(biāo)設(shè)備制作工程工作。

某大型高空試驗(yàn)艙是我國(guó)第一座特大型高空艙，也是世界第一的大型高空艙，是提升國(guó)家航空發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)?zāi)芰Σ豢苫蛉钡闹匾O(shè)備，其建設(shè)意重大，影響深遠(yuǎn)。收縮段位于高空試驗(yàn)艙裝置的前端，與試驗(yàn)艙進(jìn)口端相接，是確保試驗(yàn)艙進(jìn)氣氣流品質(zhì)的關(guān)鍵部段。

本收縮段結(jié)構(gòu)上采用筋板骨架定形與承力，內(nèi)部焊接薄壁蒙皮的方式。骨架由縱向筋板和環(huán)形筋板相互焊接而成，為保證結(jié)構(gòu)剛度，筋板較為稠密。為滿足該高空艙一些特殊工況的需求，收縮段采用304不銹鋼材質(zhì)，且內(nèi)型面精度要求較高。

傳統(tǒng)碳鋼材質(zhì)的收縮段制作時(shí)，通常采用骨架筋板留余量，待骨架框架組焊成形后，通過(guò)切割修磨筋板來(lái)達(dá)到和保證骨架符合型面控制要求。但由于不銹鋼的材質(zhì)特性，采用傳統(tǒng)方式的話，后續(xù)的切割和修磨難度較大，且工時(shí)消耗巨大。另外，奧氏體不銹鋼具有較高的熱膨脹系數(shù)和較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此其焊接收縮和變形比碳鋼材料更大［1］，加之不銹鋼具有比碳素鋼較大的回彈特性，曲面殼體精準(zhǔn)壓制成形也較為困難。因此，研究探索一種適合不銹鋼收縮段制作的工藝勢(shì)在必行。

1 收縮段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制作難點(diǎn)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

收縮段分為前段和后段2段，通過(guò)法蘭連接，前后段主體結(jié)構(gòu)均由筋板骨架、內(nèi)殼體、分段法蘭等組成，如圖1所示。內(nèi)殼體為二元三次方收縮曲面薄壁結(jié)構(gòu)，前段殼體入口內(nèi)徑9.5 m，后段殼體出口內(nèi)徑3.5 m。前段殼體壁厚12 mm，后段殼體壁厚30 mm，骨架筋板板厚20 mm，材質(zhì)均為06Cr19Ni10。收縮段總體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度6 776 mm，前段長(zhǎng)5 150 mm，后段長(zhǎng)1 626 mm。前段最大外形直徑10.74 m。收縮段總重約70.52 t，其中前段重58.72 t，后段重11.80 t。收縮段縱筋沿圓周按夾角6°間距均布，共60組；環(huán)筋間距600 mm，共8組；筋板高度550～610 mm。筋板間采用連續(xù)角焊（十字型），收縮前段筋板與殼體間采用交錯(cuò)角焊，收縮后段筋板與殼體間采用雙面連續(xù)角焊。筋板與弧形殼體的裝配間隙設(shè)計(jì)要求不大于2 mm。殼體內(nèi)表面必須圓滑過(guò)渡；收縮前段內(nèi)型面尺寸從入口到出口在斷面上與理論值誤差由±5 mm至±2 mm漸變；收縮后段內(nèi)型面尺寸在任意斷面上與理論值誤差不大于0.2 mm。中心軸線直線度偏差不大于軸線長(zhǎng)度的1‰，法蘭端面與中心軸線垂直度偏差不大于1 mm。

1.2 制作難點(diǎn)

該收縮段屬于大口徑薄壁加筋焊接結(jié)構(gòu)，殼體型面精度要求高，其型面精度需通過(guò)筋板骨架型面精度和殼體壓制精度兩方面來(lái)保證。

數(shù)量眾多的筋板所組成的定形骨架均采用06Cr19Ni10不銹鋼板相互焊接而成，由于奧氏體不銹鋼具有較高的熱膨脹系數(shù)和較低的熱傳導(dǎo)系數(shù)，因此其焊接收縮量和焊接變形相對(duì)于碳鋼材質(zhì)更大［1］。而且不銹鋼現(xiàn)場(chǎng)精準(zhǔn)切割和修磨均較為困難，如何保證不銹鋼筋板骨架組裝和焊接后，在無(wú)需對(duì)筋板進(jìn)行修磨的情況下達(dá)到準(zhǔn)確定形內(nèi)殼體所需尺寸精度，其組裝工藝、工裝設(shè)置和焊接變形控制均是需攻克的難點(diǎn)。另外，內(nèi)殼體需分瓣模壓再拼焊到筋板骨架上最終成形，由于不銹鋼在冷作壓制時(shí)有強(qiáng)烈的回彈特性，因此殼體分瓣方案、單瓣精準(zhǔn)成形、分瓣拼接鉚裝成形等難度大。

2 不銹鋼收縮段制作工藝

2.1 制作工藝思路

收縮段制作傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)做法是骨架筋板下料時(shí)預(yù)留修配余量，骨架組焊完成后，再用樣板檢測(cè)及對(duì)筋板進(jìn)行切割修磨，修磨合格后再分片安裝內(nèi)部殼體。此種方法較為費(fèi)工費(fèi)料，且制作工期較長(zhǎng)。因此，對(duì)該不銹鋼收縮段的制作，考慮采取無(wú)二次切割修磨工藝，以解決不銹鋼材質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)切割修磨困難和工期要求緊的現(xiàn)實(shí)情況。

制作工藝流程：殼體分瓣模壓成形→筋板精準(zhǔn)下料→骨架精準(zhǔn)組裝→骨架焊前檢測(cè)→骨架焊接→骨架焊后檢測(cè)→殼體分瓣帖裝焊接→總體型面檢測(cè)。

根據(jù)收縮段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及制作經(jīng)驗(yàn)，收縮段前段工廠進(jìn)行筋板下料和殼體壓制，現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接；收縮段后段殼體連同法蘭組焊為一體，消應(yīng)后整體數(shù)控機(jī)加，以保證內(nèi)型面精度。

主要工藝方法：殼體分瓣模壓成形；骨架筋板精準(zhǔn)切割下料；設(shè)置骨架組定位工裝；裝配時(shí)預(yù)留焊接收縮量；采用對(duì)稱(chēng)施焊、剛性工裝約束等反變形措施；采用三維激光掃描配合檢測(cè)。

2.2 殼體制作分段

根據(jù)收縮曲面殼體的幾何尺寸特點(diǎn)和壓制設(shè)備加工能力，并盡可能考量減少拼接焊縫和減少材料損耗，收縮段前段殼體軸向分為4個(gè)段，后段殼體分為1個(gè)段（圖2）。分段1～3每段沿圓周方向均分為15瓣，分段4和收縮后段沿圓周均分為6瓣。分段1～3在現(xiàn)場(chǎng)組焊，分段4與收縮段后段在工廠整體制作加工。前段殼體各分瓣間的拼接焊縫均設(shè)置在殼體定形骨架的20 mm厚筋板的中間位置，以利用筋板剛度更好控制殼體的焊接變形。

為確保分段4出口端法蘭的平面度及與收縮后段法蘭的配套性，將分段4出口端法蘭粗加工后與殼體及骨架組裝焊接為一體后，再整體機(jī)加端面法蘭和分段處的環(huán)形筋板，合格后，再運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)與分段1～3組焊為整體。

2.3 雙曲面殼體成形

雙曲面殼體分段分瓣后采用單片模壓成形。根據(jù)殼體分瓣情況，分別制作5套壓制模具。模具采用30～40 mm厚鋼板，做成加密框架結(jié)構(gòu)，模具型面按各分瓣殼體的理論數(shù)字模型采用數(shù)控機(jī)床加工，使模具型面準(zhǔn)確且有足夠的剛度，可以反復(fù)使用和校形（圖3）。

每片殼體壓制前下料時(shí)周邊要加放50～100 mm余量，收縮后段的殼體預(yù)留5 mm厚的機(jī)加余量，前段殼體不預(yù)留機(jī)加厚度余量。

經(jīng)初步冷作壓制試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不銹鋼板在深度模壓后其回彈量不易把控，超壓度較難確定，要達(dá)到成型控制精度要求，需反復(fù)校形甚至要修整模具，重復(fù)壓制，效率和效果均較差。為此，確定改為熱壓工藝。將不銹鋼板在加熱爐中加熱到固溶溫度（1 030 ℃左右），然后放到模具上壓制，壓制到位后，保壓5 min，再快速冷卻（以快速避開(kāi)敏感溫度區(qū)間）并卸去壓力。經(jīng)檢查曲率合格后，再切除周邊余量，按規(guī)定加工周邊坡口，最后進(jìn)行一次酸洗鈍化。

單片成型后，采用經(jīng)數(shù)控加工精密制作的立體樣板檢測(cè)型面成型精度（圖4）。檢查時(shí)，要求殼體待檢測(cè)面與樣板間的間距控制在≤1 mm。單片殼體除廠內(nèi)檢測(cè)外，運(yùn)至施工現(xiàn)場(chǎng)，組裝前需再用立體樣板再做一次檢測(cè)。

2.4 筋板骨架制作

2.4.1 筋板加工

筋板的加工精度將直接影響骨架裝配精度，也是曲面殼體最終型面精度控制的重要保證。為有利于骨架組裝和有利于控制收縮段型面順氣流方向的階差，采用將骨架縱筋作為一個(gè)整體，環(huán)筋打斷的方式排版下料。每塊筋板均采用BIM技術(shù)建立數(shù)字模型，并采用數(shù)控激光切割機(jī)精確切割。各筋板與殼體接觸邊預(yù)留2 mm加工余量，下料后再用數(shù)控機(jī)床精確加工各筋板與殼體接觸的邊、面，以此保證骨架筋板與殼體接觸處的型面準(zhǔn)確。

2.4.2 骨架的裝配

收縮后段的殼體板較厚且需整體機(jī)加保證最終型面精度，采取先組裝殼體再在殼體上組裝筋板的常規(guī)工藝。而收縮前段的骨架組裝要保證各筋板間的相對(duì)空間位置準(zhǔn)確，以最終保證曲殼體的型面精度，是控制的重點(diǎn)。

按收縮前段大口端及小口端殼體外徑加上預(yù)留焊接收縮量（10 mm）分別作為裝配控制直徑。按小口端的控制直徑用30 mm厚鋼板制作一個(gè)環(huán)形定位工裝（圖5），其上按骨架縱筋位置用數(shù)控激光切割開(kāi)設(shè)60個(gè)定位槽口，以保證定位精度。骨架裝配時(shí)，大口端朝下。以大端控制直徑在鋼平臺(tái)上放樣劃線，并沿控制圓周均布安裝60組縱向筋板定位塊，在中心位置安裝小口端定位工裝。采用水準(zhǔn)儀、線墜、全站儀等測(cè)量，找平找正環(huán)形定位工裝，使其與大口端地樣控制圓同心，標(biāo)高符合大端與小端之間的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度，合格后將定位工裝的支撐牢固焊接在鋼平臺(tái)上。

筋板組裝時(shí)，先縱筋后環(huán)筋，并保持對(duì)稱(chēng)進(jìn)行，使工裝支架受力均衡。環(huán)筋板組時(shí)，縱筋板上安設(shè)定位支承塊，筋板就位后先點(diǎn)焊定位，待所有筋板安裝完成，用三維激光掃描儀進(jìn)行檢查合格后，再對(duì)各焊縫進(jìn)行一次定位加密點(diǎn)焊，最后按焊接控制工藝進(jìn)行骨架焊接。

2.5 殼體板安裝

殼體板在骨架組焊完成合格后依次從大口端向小口端逐層安裝，并措開(kāi)縱向焊縫（圖6）。安裝時(shí)，各分瓣的拼接縫放在筋板的厚度斷面上，使殼體外表面與筋板型面帖合。各分瓣均先點(diǎn)焊定位，待全部分瓣安裝完成后，再統(tǒng)一按焊接工藝焊接，對(duì)焊縫進(jìn)行打磨平整，保持圓滑過(guò)渡無(wú)階差。最終完成后再采用激光掃描儀進(jìn)行型面檢測(cè)。

2.6 焊接及變形控制

根據(jù)該收縮段的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和質(zhì)量控制重點(diǎn)，主要圍繞減小和控制焊接變形來(lái)制定焊接工藝。其中，收縮后段的殼體及筋板焊接為常規(guī)焊接，采用藥芯氣保焊或手工電弧焊均可，注意多層多道、對(duì)稱(chēng)施焊等防變形措施，要求殼體對(duì)接焊縫需100%RT檢測(cè)Ⅱ級(jí)合格。而收縮前段骨架筋板和殼體的焊接及變形控制則是重點(diǎn)。通過(guò)研究，確定采用如下焊接方法及參數(shù)（表1）。

2.6.1 骨架的焊接

根據(jù)制作分段，收縮前段殼體分段1～分段3的骨架其由60塊縱筋和360塊小環(huán)筋組焊而成，板厚均為20 mm。焊接時(shí)，將骨架筋板分組（圖7），多人對(duì)稱(chēng)施焊。沿縱向分為6組（段），圓周方向間隔排序，分為1、3、5、7、9……奇數(shù)列，和2、4、6、8、10……偶數(shù)列。焊接時(shí)，由6名合格焊工沿圓周均布，從縱向第1組開(kāi)始，由中心向四周對(duì)稱(chēng)施焊，每個(gè)方格內(nèi)，焊接2條焊縫后，即換到下一格進(jìn)行焊接。先進(jìn)行打底焊

（打底厚度不超過(guò)4 mm），所有筋板焊縫打底完成后，再按同樣順序進(jìn)行蓋面焊接。同一條焊縫采用逐步退焊法，多層焊接時(shí)，各層的焊接方向相反，各層焊縫接頭相互錯(cuò)開(kāi)；焊工間的焊接速度要求盡可能保持同步。同時(shí)，在保證熔透和焊縫無(wú)缺陷的前提下，盡量采用較小的焊接熱輸入［2］，每道焊縫層間溫度控制在80 ℃以下，并避免焊接熱量集中。在焊接過(guò)程中隨時(shí)觀察和監(jiān)測(cè)骨架的變形情況。如發(fā)現(xiàn)某個(gè)方向的變形較大，則即時(shí)調(diào)整焊接順序予以糾偏。骨架及后續(xù)殼體焊接時(shí)，骨架裝配的定位支撐工裝須保留，以起剛性固定反變形作用。

骨架焊接完成后，再次用激光掃描儀對(duì)筋板的殼體安裝型面進(jìn)檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)局部超差部位用角磨機(jī)予以修磨。

2.6.2 殼體的焊接

殼體板安裝及焊接時(shí)，骨架已焊接為一個(gè)整體，為殼體板安裝和焊接變形控制提供了充足的剛性約束。殼體焊接順序?yàn)椋簹んw與縱環(huán)筋板焊接→殼體縱向?qū)涌p焊接→殼體環(huán)向?qū)涌p焊接。殼體對(duì)接拼縫采用V型坡口，氬弧焊打底，藥芯氣保焊填充蓋面。

殼體與骨架筋板的焊接方法和骨架筋板焊接類(lèi)似，仍采用多人對(duì)稱(chēng)、分組，由中心向四周焊接。殼體縱縫焊接采用分段退焊法，且先焊縫隙小的焊縫，再焊縫隙大的焊縫。所有縱縫焊接完成后，再由多人均勻分段焊接環(huán)縫。對(duì)接縫焊時(shí)接，為減小焊接收縮變形，均采用小電流快速多層多道施焊的工藝。同時(shí)嚴(yán)格控制控制層間溫度，避免焊接熱量集中，依次焊接的焊縫應(yīng)保證500 mm以上的間距或足夠的冷卻時(shí)間。

2.7 型面質(zhì)量檢測(cè)

收縮段殼體安裝焊接完成，并對(duì)焊縫進(jìn)行打磨處理后，采用三維激光掃描儀對(duì)整體型面分多層多點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)（圖8）。由專(zhuān)業(yè)軟件將掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成三維模型［3］，并將其與收縮段三維數(shù)字模型進(jìn)行比對(duì)，評(píng)估型面精度。經(jīng)過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，流道內(nèi)型面尺寸偏差均在設(shè)計(jì)要求范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語(yǔ)

大口徑收縮段的制作成形一直都是風(fēng)洞和高空艙類(lèi)試驗(yàn)裝置項(xiàng)目建設(shè)的難題。本次大口徑薄壁不銹鋼收縮段的制作，通過(guò)采用曲面殼體熱壓成形、數(shù)控精密加工骨架筋板、預(yù)設(shè)焊接收縮量、設(shè)置精加工定位工裝、選擇合適焊接順序及多人對(duì)稱(chēng)施焊等反變形、引入三維激光掃描檢測(cè)技術(shù)、嚴(yán)格控制骨架組裝精度和單片殼體成形精度等工藝措施，避免了通過(guò)切割修磨大量骨架筋板方法控制型面，實(shí)現(xiàn)了免修磨骨架的大型收縮段制作且達(dá)到較好型面精度。本制作工藝可為類(lèi)似的結(jié)構(gòu)制作提供參考與借鑒。

參考文獻(xiàn)

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