本发明涉及燃气轮机制造技术领域，特别涉及一种燃气轮机导向器机匣的焊接工装和焊接方法。
背景技术：
燃气轮机设计及制造复杂，是装备制造业的高端产品，集成了大量先进制造技术，已经成为一个国家工业科技水平、综合国力的重要标志之一，被誉为装备制造领域皇冠上的明珠，工业燃气轮机也是我国能源领域中关系到国家能源安全的重大装备。
随着燃气轮机技术的不断发展，对燃气轮机的焊接质量要求也越来越高，传统的氩弧焊，电弧焊等焊接技术已不能满足要求。电子束焊接作为一种高能束焊的代表，以其焊缝深宽比高、焊接速度快、焊接变形小、可达性好、焊缝质量高、焊接厚度范围大、无需开坡口和一次成型等特点广泛用于燃气轮机零件的制造。
第3级导向器机匣是燃气轮机动力涡轮部套机匣类零件之一，它包括大端法兰、小端法兰及连接在大端法兰和小端法兰之间的至少两段筒体，至少两段筒体的外径从小端法兰向大端法兰逐渐变大，筒体和大端法兰、小端法兰之间及筒体之间均采用电子束焊接的方式进行连接，这样在筒体和大端法兰、小端法兰之间及筒体之间就形成多了多条电子束焊缝。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下不足：
第3级导向器机匣是燃气轮机机匣类零件中尺寸最大(最大直径φ1804mm，高度610mm)，重量(563kg)最重的零件，在电子束焊前对装配要求高，耗时长，严重影响产品质量和生产效率。
技术实现要素：
为了解决现有技术影响产品质量和生产效率的问题，本发明实施例提供了一种燃气轮机导向器机匣的焊接工装和焊接方法。所述技术方案如下：
本发明实施例的一种燃气轮机导向器机匣的焊接工装，所述工装包括回转支架和定位组件，所述回转支架包括第一支撑板、第二支撑板、第一转轴和第二转轴，所述第一支撑板和所述第二支撑板沿竖直方向相对设置，所述第一转轴和所述第二转轴均沿水平方向同轴设置，所述第一转轴的一端和所述第二转轴的一端分别可转动地连接在所述第一支撑板和所述第二支撑板上，所述定位组件安装在所述第一转轴的另一端和所述第二转轴的另一端之间；所述定位组件包括第一定位板、第二定位板和芯轴，所述芯轴的两端分别穿过所述第一定位板和所述第二定位板的中部，且所述芯轴与所述第一支撑板及所述第二支撑板垂直设置，所述第一定位板和所述第二定位板之间形成有装夹燃气轮机导向器机匣的空间，所述第一定位板可拆卸安装在所述芯轴上，所述第二定位板固定安装在所述芯轴上，所述第一定位板的内侧面设置有用于定位小端法兰的第一环状外止口，所述第二定位板的内侧面设置有用于定位大端法兰的第二环状外止口，所述芯轴的两端分别与所述第一转轴的另一端和所述第二转轴的另一端可拆卸连接；
所述第二定位板朝向所述第一定位板的端面上固定安装有安装板，所述安装板通过多个螺钉与所述第二定位板固定连接；
所述安装板与所述芯轴之间设置有多个加强筋，多个所述加强筋中的每个所述加强筋的一端固定连接在所述芯轴上，每个所述加强筋的另一端连接在所述安装板上。
进一步地，所述芯轴的一端活动穿过所述第一定位板，所述芯轴的一端套装有锁紧螺母，以实现芯轴和第一定位板的可拆卸设置。
更进一步地，所述锁紧螺母与所述第一定位板之间设置有弹性件，以补偿导向器机匣的焊接的轴向焊接收缩量，使导向器机匣在整个焊接过程中始终保持良好的定位压紧状态。
进一步地，所述芯轴的一端端部设置有锁紧孔，所述第一转轴的另一端设置有插入所述锁紧孔中的锥体，这样可以使芯轴的一端顶在第一转轴的另一端上，使芯轴与第一转轴同步转动。
进一步地，所述第一转轴的一端螺纹穿过所述第一支撑板，所述第一转轴的一端固定套装有手轮。进一步地，所述第二转轴的另一端设置有用于抓紧所述芯轴的卡爪，以实现芯轴的另一端顶靠在第二转轴的另一端上，可以使芯轴与第二转轴同步转动。
优选地，所述第一定位板和所述第二定位板均设置有至少一个减重孔，减重孔一方面可以减轻工装重量，另一方面还便于在焊接过程中能够通过减重孔观察焊缝背面成型情况。
一种燃气轮机导向器机匣的焊接方法，所述焊接方法包括：
提供组成导向器机匣的多个零件，所述多个零件包括大端法兰、小端法兰和至少两段筒体；
对组成导向器机匣的多个零件进行退磁作业；
将组成导向器机匣的多个零件在上述的焊接工装的定位组件的空间内进行组装，其中，小端法兰套装在第一定位板上的第一环状外止口上，大端法兰套装在第二定位板上的第二环状外止口上，至少两段筒体装配在小端法兰和大端法兰之间，筒体和大端法兰、小端法兰之间分别形成第一待焊接焊缝和第二待焊接焊缝，至少两段筒体之间形成至少一道第三待焊接焊缝；
将组装后的导向器机匣及定位组件共同吊装至真空室内，并将定位组件装配至上述的焊接工装的回转支架上；
转动回转支架，采用电子束焊依次对第一待焊接焊缝、第二待焊接焊缝及至少一道第三待焊接焊缝进行焊接；
将电子束焊完成后的导向器机匣从焊接工装中拆除，取出导向器机匣，并对导向器机匣退火处理。
进一步地，所述至少两段筒体的外径从所述小端法兰向所述大端法兰逐渐变大，所述第一待焊接焊缝、第二待焊接焊缝及至少一道第三待焊接焊缝均由相互配合的多组环状内凹止口和环状外凸止口组成，每组中的所述环状内凹止口设置在外径较小的零件的端部，每组中的所述环状外凸止口设置在与所述外径较小的零件相配合的外径较大的另一零件的端部。
更进一步地，设置有所述环状内凹止口的零件的外周面上设置有环状凸起，所述环状凸起设置在所述环状内凹止口的端部，以防止在焊接时焊液下流，影响焊接质量。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
由于本发明提供的工装包括回转支架和定位组件，而回转支架的第一支撑板及第二支撑板相对设置，第一转轴的一端和第二转轴的一端分别可转动地连接在第一支撑板和第二支撑板上，定位组件安装在第一转轴的另一端和第二转轴的另一端之间，定位组件安装在第一转轴的另一端和第二转轴的另一端之间，这样转动第一转轴或第二转轴，就能带动定位组件转动。
由于定位组件包括第一定位板、第二定位板和芯轴，芯轴的两端分别穿过第一定位板和第二定位板的中部，且芯轴与第一支撑板及第二支撑板垂直设置，第一定位板和第二定位板之间形成有装夹燃气轮机导向器机匣的空间，第一定位板可拆卸安装在芯轴上，第二定位板固定安装在芯轴上，第一定位板的内侧面设置有用于定位小端法兰的第一环状外止口，第二定位板的内侧面设置有用于定位大端法兰的第二环状外止口，大端法兰、小端法兰及至少两段筒体组装成导向器机匣后，可以将通过第一环状外止口和第二环状外止口将小端法兰和大端法兰装配至第一定位板和第二定位板上，完成燃气轮机导向器机匣的装配。
由于芯轴的两端分别与第一转轴的另一端和第二转轴的另一端可拆卸连接，这样在第一转轴或第二转轴转动的情况下，就可以带动定位组件及组装后的导向器机匣转动，相应地可以对组装后的导向器机匣上的待焊接焊缝依次焊接，这样就可以不用对导向器机匣上的待焊接焊缝焊接一部分后，再翻转导向器机匣，对导向器机匣上的待焊接焊缝的其余部分焊接，以提高生产效率，进而避免了在翻转导向器机匣时对组装的导向器机匣造成的负面影响，以提高焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中燃气轮机导向器机匣的结构示意图；
图2是本发明实施例所提供的燃气轮机导向器机匣的焊接工装的结构示意图；
图3是本发明实施例所提供的焊接工装中的回转支架的结构示意图；
图4是本发明实施例所提供的焊接工装中的定位组件的结构示意图；
图5是本发明实施例所提供的燃气轮机导向器机匣的焊接方法的流程示意图；
图6是本发明实施例所提供的燃气轮机导向器机匣和焊接工装的装配示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
为了更好的理解本发明，此处简短介绍燃气轮机导向器机匣的结构：
图1是本发明实施例中燃气轮机导向器机匣的结构示意图，参见图1，该导向器机匣包括大端法兰1、小端法兰2及连接在大端法兰1和小端法兰2之间的的至少两段筒体，大端法兰1、小端法兰2及至少两段筒体拼装后焊接形成一个燃气轮机导向器机匣。本发明实施例的筒体设置有两个，分别为第一筒体3和第二筒体4，第一筒体3和第二筒体4的外径从小端法兰2向大端法兰1逐渐变大。另外，第3级导向器机匣的材质为马氏体不锈钢1cr12ni3movn。
本发明实施例提供了一种燃气轮机导向器机匣的焊接工装，图2是本发明实施例所提供的燃气轮机导向器机匣的焊接工装的结构示意图，图3是本发明实施例所提供的焊接工装中的回转支架的结构示意图，图4是本发明实施例所提供的焊接工装中的定位组件的结构示意图，参见图2、图3及图4，该工装包括回转支架a和定位组件b，回转支架a包括第一支撑板5、第二支撑板6、第一转轴7和第二转轴8，第一支撑板5和第二支撑板6沿竖直方向相对设置，第一转轴7和第二转轴8均沿水平方向同轴设置，第一转轴7的一端和第二转轴8的一端分别可转动地连接在第一支撑板5和第二支撑板6上，定位组件b安装在第一转轴7的另一端和第二转轴8的另一端之间；定位组件b包括第一定位板9、第二定位板10和芯轴11，芯轴11的两端分别穿过第一定位板9和第二定位板10的中部，且芯轴11与第一支撑板5及第二支撑板6垂直设置，第一定位板9和第二定位板10之间形成有装夹燃气轮机导向器机匣的空间，第一定位板9可拆卸安装在所述芯轴11上，第二定位板10固定安装在芯轴11上，第一定位板9的内侧面设置有用于定位小端法兰2的第一环状外止口901，第二定位板10的内侧面设置有用于定位大端法兰1的第二环状外止口1001，芯轴11的两端分别与第一转轴7的另一端和第二转轴8的另一端可拆卸连接。
由于本发明提供的工装包括回转支架和定位组件，而回转支架的第一支撑板及第二支撑板相对设置，第一转轴的一端和第二转轴的一端分别可转动地连接在第一支撑板和第二支撑板上，定位组件安装在第一转轴的另一端和第二转轴的另一端之间，定位组件安装在第一转轴的另一端和第二转轴的另一端之间，这样转动第一转轴或第二转轴，就能带动定位组件转动。
由于定位组件包括第一定位板、第二定位板和芯轴，芯轴的两端分别穿过第一定位板和第二定位板的中部，且芯轴与第一支撑板及第二支撑板垂直设置，第一定位板和第二定位板之间形成有装夹燃气轮机导向器机匣的空间，第一定位板可拆卸安装在芯轴上，第二定位板固定安装在芯轴上，第一定位板的内侧面设置有用于定位小端法兰的第一环状外止口，第二定位板的内侧面设置有用于定位大端法兰的第二环状外止口，大端法兰、小端法兰及至少两段筒体组装成导向器机匣后，可以将通过第一环状外止口和第二环状外止口将小端法兰和大端法兰装配至第一定位板和第二定位板上，完成燃气轮机导向器机匣的装配。
由于芯轴的两端分别与第一转轴的另一端和第二转轴的另一端可拆卸连接，这样在第一转轴或第二转轴转动的情况下，就可以带动定位组件及组装后的导向器机匣转动，相应地可以对组装后的导向器机匣上的待焊接焊缝依次焊接，这样就可以不用对导向器机匣上的待焊接焊缝焊接一部分后，再翻转导向器机匣，对导向器机匣上的待焊接焊缝的其余部分焊接，以提高生产效率，进而避免了在翻转导向器机匣时对组装的导向器机匣造成的负面影响，以提高焊接质量。
本发明实施例中的定位组件可以采用非磁性材料(例如1cr18ni9ti)制造，防止磁场对电子束的干扰。
本发明实施例中的芯轴11的一端活动穿过第一定位板9，芯轴11的一端套装有锁紧螺母12，通过旋转锁紧螺母12，不仅实现了芯轴11与第一定位板9的可拆卸连接，还可以调整第一定位板9和第二定位板10之间的距离，以适应不同长度的导向器机匣的焊接。
而且，锁紧螺母12与第一定位板9之间设置有弹性件13，以补偿导向器机匣的焊接的轴向焊接收缩量，使导向器机匣在整个焊接过程中始终保持良好的定位压紧状态。
本发明实施例的弹性件13可以包括多个蝶形弹簧，多个蝶形弹簧套装在芯轴11上。
本发明实施例中，第一定位板9可以呈与小端法兰2的端面相匹配的圆形，小端法兰2套装在第一定位板9上的第一环状外止口901上，即可完成小端法兰2在第一定位板9上的定位。而第二定位板10可以呈与大端法兰1的端面相匹配的圆形，大端法兰2套装在第二定位板10上的第二环状外止口上，即可完成大端法兰1在第二定位板10上的定位。
本发明实施例中，芯轴11的一端端部设置有锁紧孔，第一转轴7的另一端设置有插入锁紧孔中的锥体701，以实现芯轴11的一端顶靠在第一转轴7的另一端上，可以使芯轴11与第一转轴7同步转动。
本发明实施例中，第一转轴7的一端螺纹穿过第一支撑板5，第一转轴的一端固定套装有手轮15，可以通过摇动手轮15带动第一转轴7转动，实现锥体701和芯轴11的锁紧。
本发明实施例的第二转轴8可以由一个驱动电机带动，实现芯轴11的转动。
本发明实施例中，第二转轴8的另一端设置有用于抓紧芯轴11的卡爪14，以实现芯轴11的另一端与第二转轴8的另一端的可拆卸连接，可以使芯轴11与第二转轴8同步转动。
本发明实施例中的卡爪14可以开合，芯轴11安装好后，卡爪14抓合，使芯轴11在卡爪14中锁紧；当需要拆卸芯轴11时，卡爪14松开即可，方便快捷。
可选地，第二定位板10朝向第一定位板9的端面上固定安装与一个安装板17，该安装板17通过多个螺钉与第二定位板10固定连接。
本发明实施例中，安装板17与芯轴11之间还可以设置有多个加强筋16，以对定位组件b的结构进行加强。多个加强筋16中的每个加强筋16的一端固定连接在芯轴11上，每个加强筋16的另一端连接在安装板17上，进而实现芯轴11与第二定位板10的固定连接。
芯轴11还可以直接与第二定位板10焊接，本发明实施例对芯轴11与第二定位板10的固定连接的具体i方式不做限制。
本发明实施例中，第一定位板9和第二定位板10均设置有至少一个减重孔18，减重孔18一方面可以减轻工装重量，另一方面还便于在焊接过程中能够通过减重孔观察焊缝背面成型情况。
结合图1，本发明实施例中的第一支撑板5的底部及第二支撑板6的底部均可以设置有一个连接板20，两个连接板20通过多个螺钉与平铺的托板21连接，以实现回转支架a的定位。
图5是本发明实施例所提供的燃气轮机导向器机匣的焊接方法的流程示意图，参见图5，本发明实施例的燃气轮机导向器机匣的焊接方法包括如下步骤：
s1：提供组成导向器机匣的多个零件，多个零件包括大端法兰1、小端法兰2、第一筒体3和第二筒体4。
s2：对组成导向器机匣的多个零件进行退磁作业。
s3：将组成导向器机匣的多个零件在上述的焊接工装的定位组件b的空间内进行组装；其中，小端法兰2套装在第一定位板9上的第一环状外止口901上，大端法兰1套装在第二定位板10上的第二环状外止口1001上，第一筒体3和第二筒体4装配在小端法兰2和大端法兰1之间，第二筒体4和大端法兰1之间、第一筒体3与小端法兰2之间分别形成第一待焊接焊缝和第二待焊接焊缝，第一筒体3和第二筒体4之间形成一道第三待焊接焊缝。
s4：将组装后的导向器机匣及定位组件b共同吊装至真空室内，并将定位组件b装配至上述的焊接工装的回转支架a上，形成图6所示的状态。
装配时，将芯轴11放置在第二转轴8的另一端的卡爪14中，然后将第一转轴7的锥体701插入到芯轴11的锁紧孔中，最后卡爪14抓合，使芯轴11在卡爪14中锁紧，即完成定位组件b与回转支架a的装配工作。
s5：转动回转支架a，采用电子束焊对第一待焊接焊缝、第二待焊接焊缝及第三待焊接焊缝进行依次焊接。
s6：将电子束焊完成后的导向器机匣从焊接工装b中拆除，取出导向器机匣，并对导向器机匣退火处理即可。
本发明实施例的焊接工装及导向器机匣的各个零件，在机械加工时，需保证表面的光洁度，特别要求焊缝对接面的加工面粗糙度ra≤1.6μm。
s2中，对组成导向器机匣的多个零件进行退磁后，采用剩磁计测量退磁后零件的剩磁量，要求各个零件的剩磁量≤2gs。
在进行s3之前，需对焊接工装及导向器机匣的各个零件进行清理：用酒精清洗零件和定位组件，去除油污杂质，并采用不锈钢丝滚轮对焊缝待焊区20mm以内区域进行打磨至见金属光泽，去除氧化皮，用白色真丝绸布醮酒精或丙酮对打磨区域进行擦拭清洗，直至绸布不见黑。这是因为油污不仅会影响真空室的真空度，还会减少真空泵的使用寿命。焊缝处的油污杂质会引起焊接时放电现象，出现弧坑，同时增加焊缝产生气孔的几率。
s3中，零件装配好坏直接影响电子束焊缝质量，装配前需首先用合格的量具检查零件尺寸是否符合图纸尺寸要求；零件装配的缺陷主要表现在焊缝间隙和错边，因此要求装配零件时应力求零件紧密接触，焊接间隙尽可能小而均匀，装配间隙过大，引起焊接过程中金属流失，焊缝正面产生凹陷，强度也会随之减弱，因此，装配间隙应控制不大于0.1mm，焊缝处错边要求不大于0.2mm，过大会引起焊缝尺寸超差，成形不美观；零件与工装组装卡紧后，为防止焊缝在焊接过程中由于变形而使得间隙和错边变大，采用钨极氩弧焊对焊缝进行对称点焊固定，定位焊长度80-150mm，工件旋转4-5°进行一次定位焊，焊点间距100-150mm，定位焊焊缝宽度应小于电子束焊焊缝宽度。
s4中，定位组件b装配至回转支架a上后，在在各焊缝两边打深度小于0.5mm样冲，移动电子枪22至第一待焊接焊缝上方高度300mm处，让电子枪22十字叉线中心对准第一待焊接焊缝的中心线，将此时坐标清零，设置为坐标原点，然后将电子枪22移动至第二待焊接焊缝上方高度为300mm处，让电子枪22十字叉线中心对准第二待焊接焊缝的中心线，记录此时x轴与z轴坐标，同理记录电子枪22距离第三待焊接焊缝上方高度为300mm的x轴与z轴坐标。
s5中，将真空室真空度抽至1.0×10-2pa～5×10-2pa，在真空度为3×10-4pa～6×10-4pa情况下进行电子束焊。采用电子束焊进行焊接分为三次，分别为封焊、焊接、修饰焊，封焊是指采用小束流沿焊缝行走一圈，将焊缝表面熔化，一方面可以减少零件装配时产生的错边影响，另一方便还可以对零件进行预热。由于第3机导向器机匣的材质为马氏体不锈钢1cr12ni3movn，材料含碳量高，厚度大，有必要进行焊前预热，减少产生焊接裂纹的几率。封焊完后进行正式焊接，该零件电子束焊起弧和收弧段的质量控制很重要，80％的焊接缺陷出现在此，需尽量延长起弧和收弧的长度。正式焊接时，起弧段焊接电流由0增加至最大值时工件旋转角度20°，收弧段覆盖完起弧段，然后工件旋转20°的区间段将电流由最大值降低至0。零件温度会随着焊接的进行逐渐升高，后期焊接电流需适当减小。正式焊接完成后的焊缝表面比较粗糙，纹理较深，为得到平滑美观的焊缝，可采用修饰焊对焊缝表层进行修饰处理。修饰焊电流为正式焊接电流的1/4～1/5，采用上焦点，并配以电子束扫描，扫描图形为圆形。完成修饰焊后，将零件放在真空室中保温1.5h，然后对真空室进行充气，待压强达到常压后，打开真空室大门，去除工件。
s6中，要求工件进行电子束焊前到进炉热处理的时间间隔＜8h。
结合图1，本发明实施例中，第一待焊接焊缝、第二待焊接焊缝及第三待焊接焊缝均由相互配合的多组环状内凹止口和环状外凸止口组成，每组中的环状内凹止口设置在外径较小的零件的端部，每组中的环状外凸止口设置在与外径较小的零件相配合的外径较大的另一零件的端部。
本发明实施例中，环状内凹止口和环状外凸止口均呈环状，使第一待焊接焊缝、第二待焊接焊缝及第三待焊接焊缝形成规则的环形焊缝，为了便于电子束焊接，焊缝设计沿零件的径向设置，每组中的环状内凹止口的内侧设置有锁底，该锁底的厚度通常为10mm。
本发明实施例采用多组相互的环状内凹止口和环状外凸止口构成焊缝的目的在于：一方面便于零件的装配，另一方面可以有效防止电子束焊时固有的钉尖缺陷存留于零件之间的焊缝中。
本发明实施例中，由于导向器机匣具有27°左右的倾斜度，对焊缝焊接时熔化金属在重力作用下会向下流动，会在零件的外表面上形成上凹下凸的形状，影响焊缝表面成型，严重的还可能引起焊缝上部咬边，结合图1，为了避免上述现象，本发明实施例在设置有环状内凹止口的零件的外周面上设置有环状凸起19，该环状凸起19设置在环状内凹止口的端部，环状凸起19可以形成一个防流阶梯，以防止在焊接时焊液下流，影响焊接质量。
上述防流阶梯还可以利于电子束焊采用的电子枪灯的光的垂直反射，增加焊缝处的图像衬度，便于焊缝观察与对中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。