大型薄壁不銹鋼收縮段免骨架修磨制作工藝

某大型試驗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)的類似收縮段制作時，采取骨架制作裝配時留余量，焊接后修磨骨架筋板，再帖裝殼體蒙皮的方法來保證收縮段型面精度。但此骨架余量修磨的傳統(tǒng)方法對于不銹鋼材質(zhì)的收縮段制作而言將太過耗工耗時。通過工藝研究和實踐，成功解決了不銹鋼雙曲面精確壓制成型和骨架無修磨精準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； 高空試驗艙； 薄壁不銹鋼； 制作工藝

TU745.7 B

［定稿日期］2023-02-08

［作者簡介］蒲志木（1973—），男，?？?，工程師，主要從事工業(yè)與民用機電安裝工程、非標設(shè)備制作工程工作。

某大型高空試驗艙是我國第一座特大型高空艙，也是世界第一的大型高空艙，是提升國家航空發(fā)動機試驗?zāi)芰Σ豢苫蛉钡闹匾O(shè)備，其建設(shè)意重大，影響深遠。收縮段位于高空試驗艙裝置的前端，與試驗艙進口端相接，是確保試驗艙進氣氣流品質(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，通常采用骨架筋板留余量，待骨架框架組焊成形后，通過切割修磨筋板來達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在必行。

1 收縮段結(jié)構(gòu)特點及制作難點

1.1 結(jié)構(gòu)特點

收縮段分為前段和后段2段，通過法蘭連接，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)長度6 776 mm，前段長5 150 mm，后段長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)計要求不大于2 mm。殼體內(nèi)表面必須圓滑過渡；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

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，其型面精度需通過筋板骨架型面精度和殼體壓制精度兩方面來保證。

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于碳鋼材質(zhì)更大［1］。而且不銹鋼現(xiàn)場精準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，在無需對筋板進行修磨的情況下達到準確定形內(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。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有強烈的回彈特性，因此殼體分瓣方案、單瓣精準成形、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)驗做法是骨架筋板下料時預(yù)留修配余量，骨架組焊完成后，再用樣板檢測及對筋板進行切割修磨，修磨合格后再分片安裝內(nèi)部殼體。此種方法較為費工費料，且制作工期較長。因此，對該不銹鋼收縮段的制作，考慮采取無二次切割修磨工藝，以解決不銹鋼材質(zhì)現(xiàn)場切割修磨困難和工期要求緊的現(xiàn)實情況。

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

根據(jù)收縮段結(jié)構(gòu)特點及制作經(jīng)驗，收縮段前段工廠進行筋板下料和殼體壓制，現(xiàn)場組裝焊接；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；骨架筋板精準切割下料；設(shè)置骨架組定位工裝；裝配時預(yù)留焊接收縮量；采用對稱施焊、剛性工裝約束等反變形措施；采用三維激光掃描配合檢測。

2.2 殼體制作分段

根據(jù)收縮曲面殼體的幾何尺寸特點和壓制設(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個段，后段殼體分為1個段（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，再整體機加端面法蘭和分段處的環(huán)形筋板，合格后，再運至現(xiàn)場與分段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)控機床加工，使模具型面準確且有足夠的剛度，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厚的機加余量，前段殼體不預(yù)留機加厚度余量。

經(jīng)初步冷作壓制試驗，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型面成型精度（圖4）。檢查時，要求殼體待檢測面與樣板間的間距控制在≤1 mm。單片殼體除廠內(nèi)檢測外，運至施工現(xiàn)場，組裝前需再用立體樣板再做一次檢測。

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確。

2.4.2 骨架的裝配

收縮后段的殼體板較厚且需整體機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空間位置準確，以最終保證曲殼體的型面精度，是控制的重點。

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)控激光切割開設(shè)60個定位槽口，以保證定位精度。骨架裝配時，大口端朝下。以大端控制直徑在鋼平臺上放樣劃線，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。采用水準儀、線墜、全站儀等測量，找平找正環(huán)形定位工裝，使其與大口端地樣控制圓同心，標高符合大端與小端之間的設(shè)計長度，合格后將定位工裝的支撐牢固焊接在鋼平臺上。

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

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，并措開縱向焊縫（圖6）。安裝時，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，對焊縫進行打磨平整，保持圓滑過渡無階差。最終完成后再采用激光掃描儀進行型面檢測。

2.6 焊接及變形控制

根據(jù)該收縮段的結(jié)構(gòu)特點和質(zhì)量控制重點，主要圍繞減小和控制焊接變形來制定焊接工藝。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、對稱施焊等防變形措施，要求殼體對接焊縫需100%RT檢測Ⅱ級合格。而收縮前段骨架筋板和殼體的焊接及變形控制則是重點。通過研究，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，將骨架筋板分組（圖7），多人對稱施焊。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，由6名合格焊工沿圓周均布，從縱向第1組開始，由中心向四周對稱施焊，每個方格內(nèi)，焊接2條焊縫后，即換到下一格進行焊接。先進行打底焊

（打底厚度不超過4 mm），所有筋板焊縫打底完成后，再按同樣順序進行蓋面焊接。同一條焊縫采用逐步退焊法，多層焊接時，各層的焊接方向相反，各層焊縫接頭相互錯開；焊工間的焊接速度要求盡可能保持同步。同時，在保證熔透和焊縫無缺陷的前提下，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。在焊接過程中隨時觀察和監(jiān)測骨架的變形情況。如發(fā)現(xiàn)某個方向的變形較大，則即時調(diào)整焊接順序予以糾偏。骨架及后續(xù)殼體焊接時，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筋板的殼體安裝型面進檢測，根據(jù)檢測結(jié)果，對局部超差部位用角磨機予以修磨。

2.6.2 殼體的焊接

殼體板安裝及焊接時，骨架已焊接為一個整體，為殼體板安裝和焊接變形控制提供了充足的剛性約束。殼體焊接順序為：殼體與縱環(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似，仍采用多人對稱、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。對接縫焊時接，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。同時嚴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間。

2.7 型面質(zhì)量檢測

收縮段殼體安裝焊接完成，并對焊縫進行打磨處理后，采用三維激光掃描儀對整體型面分多層多點進行檢測（圖8）。由專業(yè)軟件將掃描的點云數(shù)據(jù)進行處理生成三維模型［3］，并將其與收縮段三維數(shù)字模型進行比對，評估型面精度。經(jīng)過檢測數(shù)據(jù)分析，流道內(nèi)型面尺寸偏差均在設(shè)計要求范圍之內(nèi)。

3 結(jié)語

大口徑收縮段的制作成形一直都是風(fēng)洞和高空艙類試驗裝置項目建設(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稱施焊等反變形、引入三維激光掃描檢測技術(shù)、嚴格控制骨架組裝精度和單片殼體成形精度等工藝措施，避免了通過切割修磨大量骨架筋板方法控制型面，實現(xiàn)了免修磨骨架的大型收縮段制作且達到較好型面精度。本制作工藝可為類似的結(jié)構(gòu)制作提供參考與借鑒。

參考文獻

［1］ 周金枝，鐘斌.用熱處理方法消除奧氏體不銹鋼焊接殘余應(yīng)力［J］.2007，22（4）：88-90.

［2］ 陳祝年，焊接工程師手冊第2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［3］ 毛方儒， 王磊.三維激光掃描測量技術(shù)［J］.宇航技測技術(shù)， 2005， 25（2）： 2-5.