水轮机顶盖装焊工艺分析

PAGE3摘要混流式水轮机顶盖在水轮机中起到导水、保护、支撑等多个作用，是水轮机中一个十分重要的组成部分。本设计利用AutoCAD根据水轮机顶盖的结构特点绘制出水轮机顶盖的总装图和各个零部件的图，对其进行结构工艺性分析，根据技术要求选定出合理的装配方案和焊接方案，设计制造工艺路线，进行每一工序的加工工艺设计，并制定合理的无损探伤工艺以保证不同类型焊缝的质量要求，进而对混流式水轮机顶盖的实际生产进行指导。关键词：混流式水轮机；顶盖；机械加工；装配；焊接

AbstractThetopcoverofFrancisturbineplaysmanyrolesinwaterguide,protection,supportandsoon.Itisaveryimportantpartoftheturbine.Inthisdesign,accordingtothestructuralcharacteristicsofthetopcoverofthewaterturbine,AutoCADisusedtodrawthegeneralassemblydrawingandthedrawingsofeachpartofthetopcoverofthewaterturbine,analyzeitsstructuralprocess,selectareasonableassemblyplanandweldingplanaccordingtothetechnicalrequirements,designthemanufacturingprocess,carryouttheprocessingprocessdesignofeachprocess,anddevelopareasonablenon-destructivetestingprocesstoensuredifferenttypesThequalityrequirementsoftheweldingseamcanguidetheactualproductionoftheheadcoverofFrancisturbine.Keywords:Francisturbine,Topcover,Wachining,Assembly,Welding

目录TOC\o"1-3"\h\u28591摘要 I20560Abstract II7602第1章绪论 1233391.1设计背景 160391.2工艺设计的目的与意义 647971.3设计内容及任务 69017第2章水轮机顶盖装焊工艺分析 7292912.1水轮机顶盖的结构特点 7121862.2装焊方案的选择 712715第3章水轮机顶盖制造工艺过程 943003.1工艺流程 9196773.2下料 9122843.2.1钢材的预处理 955323.2.2零件下料 10309623.3零件拼接 1737783.4成形 23226643.5坡口及边缘加工 26147223.6机械加工 29317183.7总装焊接 30256533.7.1水轮机顶盖的装配工艺设计 30160023.7.2水轮机顶盖的焊接工艺设计 33207023.8检验 36259063.9清理、涂装、标记 3730825总结 3830428参考文献 396442致谢 41

CONTENTSTOC\o"1-3"\h\u25974Abstrace(Chinese) I23409Abstract(English) II9181Chapter1Introduction 1192521.1Designbackground 151961.2Purposeandsignificanceofprocessdesign 6309391.3Designcontentandtask 621527Chapter2Installationandweldingprocessanalysisofwaterturbinetopcover 736712.1Structuralfeaturesofwaterturbinetopcover 719692.2Selectionofweldingplan 716263Chapter3Manufacturingprocessofwaterturbinetopcover 960893.1Processflow 934323.2Blanking 9307963.2.1Steelpretreatment 9162693.2.2Partsblanking 10205953.3Partssplicing 17118913.4Forming 23215773.5Grooveandedgeprocessing 2634483.6Machining 29254163.7Generalassemblywelding 3065183.7.1Assemblyprocessdesignofwaterturbinetopcover 30238073.7.2Weldingprocessdesignofwaterturbinetopcover 33310623.8Inspection 36255773.9Cleaning,painting,marking 3718454Conclusion 3818384References 3915376Acknowledgement 41PAGE3第1章绪论1.1设计背景电力是现代化工业生产和生活不可或缺的动力能源[1]。随着社会的发展，人类对电力的需求不断增大，火电、水电、核电、风电、太阳能发电等各种发电形式都有应用。其中的火电消耗大量不可再生的化石能源，且会对环境造成较大污染，逐渐被其他洁净能源取代[2]。水力发电是电力工业的一个领域，中华人民共和国成立以来，水力发电事业取得了显著的进步，受到了广泛的关注。首先，中国具备大规模利用水能资源的条件。其次，水力发电也是环境保护的需要。在常规发电系统中，煤炭燃烧过程中排放大量有害物质，大气环境受到严重污染[3]，核能发电具有很大的潜在危险。再次，水力发电已经发展了一个多世纪，其施工技术、水力发电技术和输电技术已经完善。而且水力发电以其低成本、高可靠性而得到迅速发展。经过我国水电人的艰苦努力，水电建设从小到大、由弱到强。改革开放以来，水电建设进一步发展，建设规模不断扩大。随着我国经济社会的快速发展，水电的发展速度越来越快，引起了世界各国的重视。自2004年以来，中国水电站的发电能力一直是世界上最强的国家之一[4]。根据国家发改委2005年公布的《全国水电资源调查结果》，我国水电资源理论储量为每年6.08万亿千瓦时，理论储量装机6.94亿千瓦。技术可开发装机5.42亿千瓦，技术可开发发电量为每年2.47万亿千瓦。经济可开发装机4.02亿千瓦，经济可开发电量为每年1.75万亿千瓦时。我国的水电资源具有地区分布不均匀的特点[5]。在地区分布上，东部地区水电资源占全国的8％，中部地区水电资源占全国的11%，而西部地区占比最大，为81％，并且在西部地区的金沙江中下游、澜沧江云南段、雅砻江中下游、大渡河、怒江中下游、黄河上游及中游北、南盘江红水河、乌江就富集了经济可开发量2.05亿千瓦，占总量的51％，有利于大型水电基地的建设，这些水力资源的地域性分布特点再加上东部地区其他能源资源的缺乏，决定了我国水力发电按照“西电东送”的布局进行。由于中国季风气候的影响，各季河流径流量分布极不均匀。汛期半年水量占全年的70%~80%，旱期半年水量仅占全年的20%~30%，导致汛期洪水频繁，旱期难以满足用水需求，使得汛期水电出力大，旱期水电出力小。因此，有必要新建水库，以起到提高水电发电质量、提高旱期供水灌溉能力和航运能力、防汛的作用。自1978年底我国实行改革开放以来，随着国民经济和社会的快速发展和改革的不断深入，我国水电事业的发展先后解决了技术、资本、市场和体制等方面的制约，发展速度每10年翻一倍，成绩显著。在快速发展的过程中，在中国水电建设者的不断努力下，通过吸收世界水电建设的先进经验和技术，结合工程实践不断开展科学技术研究，成功解决了一系列世界级水电工程技术问题，在地下工程技术、高坝工程技术、大型机组制造安装技术、现代施工技术、远距离大容量超高压输电技术、水电站运行管理技术、高边坡工程技术等方面取得了很大的突破，一批大型、世界一流的大型水电站已经建成并在建，使我国水电发展的技术水平达到世界先进水平，在许多方面处于领先地位。随着以三峡工程为标志的水电事业的快速发展，我国水电技术已进入世界先进行列，我国水电进入了大电站、大机组、高压、自动化、信息化的新时代。到目前为止，我国已逐步从一个开发利用水平低、装机容量小、用电水平低、技术装备制造水平落后的国家，发展成为世界公认的水电大国和电力大国，我国不仅是世界上最大的水电安装国，也是世界上水电规模最大、发展速度最快的国家。核矿石、煤炭、石油和天然气都是埋藏在地下的矿产资源。开采利用一吨，减少一吨，它们不可能再生。而且，不管有多少资源，总有耗尽的时候。而水能是一种可再生的清洁能源，并且取之不尽、用之不竭[6]。各年之间只有丰水、平水或枯水之分，但没有枯竭的危险。如果不利用流经长江三峡的河水，那么我国就相当于每年损失了2500万吨原油或5000万吨原煤。为了能够有效地利用天然水能，就需要修建能够集中水流、调节水流的水工建筑物，如引水管涵、大坝等[7]。因此，项目投资大，建设周期长。而且水电发电效率高，机组启动快，发电成本低，容易调节。由于采用自然水流，它受自然条件的影响很大，水电往往是水资源综合利用的重要组成部分，水资源综合利用体系由防洪、灌溉、旅游、航运、养殖等组成。水电是一种可再生能源，对环境影响不大。不仅能提供廉价电力，它还具有以下优势：防洪、灌溉用水、改善河流交通、发展旅游业和水产养殖业，还可以改善电力供应和该地区的经济。美国田纳西河综合开发计划是第一个带动整体经济发展的大型水利工程[8]。云南省螳螂川上的石龙坝水电站是中国大陆的第一座水电站，1910年7月开始建设，并且在1912年开始发电，当时装机功率480kW，后期又分阶段改扩建，最后功率达到6000kW[9]。我国在1949年成立前，全国已建成和部分建成的水电站只有42座，总装机容量36万千瓦，年发电量只有12亿千瓦时（不含中国台湾）。自1950年以来，水电建设取得了长足的进步，建设一批大型重要水电站，其中单机容量25万千瓦以上的水电站为大型，2.5万至25万千瓦之间的水电站为中型，2.5万千瓦以下的水电站为小型，其中规模最大的是长江三峡大坝水电站[10]。一些河流上也修建了大量的中型水电站，其中一些以梯级方式串联。此外，在部分中小河流和冲沟上建设了大量小型水电站。到1987年底，我国水电总装机容量达到3019万千瓦（不含500千瓦以下小水电站），小水电站总装机达到1110万千瓦（含500千瓦以下小水电站）。在2010年8月25日，我国云南省最大的装机容量70万千瓦的单项投资项目华能小湾水电站4号机组开始正式发电[11]，该机组成为我国水电装机超过2亿千瓦的标志，中国成为世界上水电总装机容量最高的国家。我国在世界上属于水电资源最丰富的国家，水电资源技术可开发装机容量5.43亿千瓦，经济可开发装机容量4.01亿千瓦，发展空间巨大[12]。目前，全球气候变化、生态环境破坏和能源资源短缺对人类社会的生存和发展产生了深刻影响。大力发展清洁能源，减少化石能源消费，遏制气候变暖，保护地球环境，是所有国家的使命。2009年，中国政府向国际社会郑重承诺，“力争到2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%左右，单位国内生产总值二氧化碳排放量比2005年下降40%~45%”。水力发电是我国仅次于煤炭发电的第二大常规能源，是可再生能源和非化石能源中最清洁、最成熟、最经济的能源，随着中国减少二氧化碳排放的压力和责任越来越大，水力发电在减少二氧化碳排放、发展低碳经济方面的作用将越来越明显。中国水能资源居世界第一，技术开发能力5.42亿千瓦。目前1.85亿千瓦（常规水电），水电开发利用率仅为34%左右，仍然低于发达国家60%~70%的平均水平。随着我们国家风电和核电建设的快速发展，我国区域电网运行峰谷差日益增大，所以必须加快抽水蓄能电站建设，保证其调峰和安全运行，也为我国水电发展带来了新的机遇和要求。根据我国最新规划，要实现2020年节能减排要求，水力发电装机容量必须达到3.7亿千瓦，其中常规水力发电要达到3.1亿千瓦，抽水蓄能达到6000万千瓦。只有有序不断开发利用水电资源，才可以不断改善能源结构，实现2020年节能减排承诺和非化石能源发展目标，促进国民经济和社会的可持续发展。水力发电系统主要包括水头、水轮机、水轮发电机、变压器、输电网和变电所[13]。其中，水轮机在水力发电系统中非常重要，在将水能转换为机械能方面发挥着重要作用。水轮机主要有反击式水轮机和冲击式水轮机两种。反击式水轮机可分为：斜流式、混流式、贯流式（贯流也可分为：全贯流、灯泡贯流和轴伸贯流）和轴流式（轴流式也可分为：轴流转桨式和轴流定桨式）等，冲击式水轮机也可分为：斜击式、水斗式和双击式。由于冲击式水轮机比较适合用在高水头、小流量的电站，不能满足我国水电发电的需要，所以目前我国大中型水轮机普遍采用的是反击式水轮机。斜流式水轮机由于其结构复杂、加工工艺要求高、斜叶片运行机构造价高等特点，一般只在大中型水电站中使用，目前它的应用还不广泛。贯流式水轮机结构较为简单、轴向尺寸不大，不过其转子外缘线速度大、不易密封，目前应用很少。轴流式水轮机可分为定桨和转桨，轴流转桨式水轮机适用水头为3~70米，轴流定桨式水轮机适用水头为3~50米，轴流式水轮机的特点是比转速高。在相同水头和容量下，其转速约为混流式水轮机的两倍[14]。所以，机组尺寸可以大大减小，水轮机的平均效率也很高，这种水轮机特别适用于水头低、水头和负荷变化大的发电站。不过随着水头的增大，其过流能力会受到气蚀和开挖深度的影响，所以，使用水头应该限制在70米以内。但混流式水轮机比转速较高[15]，汽蚀系数低于轴流式水轮机，且具有制造方便、结构简单、满负荷高效率、运行可靠等一系列优点[16]，已成为水电站中应用最广泛的一种机型。在1745年，英国人巴克和匈牙利人辛格聂尔提出了一种新型水力原动机，在1827年，法国教师布尔旦和他的学生富尔聂隆共同建造了一台水轮机(水头1.4米,功率6马力)，结构上可以实现，且运行良好。又在1832年成功地制造了一台锻造机械用的外向辐流50马力驱动的离心式水轮机。1836年，美国人哈马德改进了富尔聂隆水轮机，研究制造了水从外向内流动的向心式水轮机，得到了专利。在1844年，勃敦安装了一个导水机构在富尔聂隆水轮机的周围，大大提高了水轮机的效率。1847年至1849年，美国工程师弗朗西斯对哈马德水轮机进行了改进，安装了下环在转轮上，采用了英国人汤姆森设计出的导水机构和蜗壳。进而完成了现代混流式水轮机的基本结构[17]。随着材料工业和制造技术的发展，混流式水轮机使用的水头也在增加。1906年水头为50米，1910年水头为150米，1920年水头为210米，1930年水头为240米，1957年水头为536米，1968年，奥地利劳舍克水电站水轮机水头达到625米。奥地利豪斯林水电站使用的水轮机是世界上水头最高的混流式水轮机，最大水头734米。混流式水轮机结构紧凑、水头范围宽、效率高，是世界上应用最广泛的水轮机类型。当水流通过水轮机的工作轮时，水以辐向流入和流出，因此又称为辐向轴流式水轮机。这种水轮机适合用于20~700米水头范围，结构简单，稳定工作，效率高，但一般用于50~400米的中等水头。一台机器的输出功率从几十千瓦到几十万千瓦不等。目前，这种水轮机的最大出力已超过70万千瓦，应用非常广泛。我国在三峡投运的机组单机容量700兆瓦，在向家坝采用800兆瓦混流机组。混流式水轮机结构简单，主要部件包括蜗壳、座环、导水机构、顶盖、转轮、主轴、导轴承、底环、尾水管等[18]（图1-1）。图1-1混流式水轮机结构图蜗壳是引水部分，像蜗牛外壳，正常由金属制成，有圆形截面。座环位于蜗壳与导叶中间，组成包括立柱、上环和下环，直接与蜗壳相连，立柱是翼形的，不能旋转，又称固定导叶。活动导叶、曲柄臂、调速环、连杆等部件组成导水机构。主轴与转轮直接连接，构成该类型水轮机的转动部分，转轮是由泄水锥、下环、上冠和固定式叶片组成的，它的形状和每个部件的匹配尺寸根据使用的水头变化而不同。尾水管是水轮机的泄水部分，将水流从转轮出口引至下游，它一般为肘形，直锥尾水管是小型水轮机常用的尾水管。顶盖是混流式水轮机的一个十分重要的组成部件，它置于座环上下内法兰上，底环置在下法兰上。顶盖和底环形成环形流道。流道内分布有多个活动导叶，用于调节流量。活动导叶的下轴径置于底环预留的轴孔内，活动导叶的上半段轴穿过顶盖预留孔，与顶盖上导叶的驱动机构连接。与座环下端连接的是尾水管的上端，通过基础环连接。顶盖下方和尾水管上方为转轮，转轮周围有活动导叶。顶盖是由上盖板、下面板、外圆环、内圆环、肋板和围板等焊接而成的环形箱体[19]，具有轴对称的结构特点。顶盖和底环以及活动导叶一起形成了水流的调节系统，是导水机构的重要组成部分，必须要有足够的刚度和强度[20]，顶盖的主要作用如下：（1）顶盖与底环共同构成过流通道，起到引水作用。（2）顶盖防止水流溢出，起到保护上层机组的作用。（3）顶盖起到承上启下的支撑作用。顶盖支撑着活动导叶、下机架、主轴、检修密封、水导轴水、传动机构、导叶轴承等。（4）顶盖具有与多个部件装配作用[21]。与顶盖配合的水轮机部件主要有控制环、水导轴承、主轴密封、转轮、导叶套简、座环、活动导叶等[22]。顶盖的结构比较复杂。采用铸造、冷轧等方法一次成形难度大，成本高。对于非量产产品，这些方法的制造周期太长，严重影响混流式水轮机的制造时间，而焊接方法可以很好地解决这些困难。在顶盖制造过程中，所使用的钢板厚度大，装配焊接困难，重量体积大，精度要求高，需要加工的面比较多。控制焊接变形对顶盖的制造是非常重要和困难的。所以，在焊接前，应制定相应的焊接工艺，以减少误差，生产出合格的产品。如焊前预热，减少热膨胀变形，焊接施工时多点接头操作，焊后校正。焊接材料的选择也应遵循强度一样，成分一样的原则，尽量减少质量上的问题。1.2工艺设计的目的与意义本工艺设计的目的是为了完成水轮机顶盖装焊工艺设计，意义是提升自己的焊接产品工艺设计能力和工程识图能力，为以后从事焊接工程师工作打下基础，为以后生产实际提供参考。1.3设计内容及任务本设计的内容是设计水轮机顶盖的装焊工艺，任务是利用AutoCAD绘制出水轮机顶盖的总装图和各个零部件的图，对其进行结构工艺性分析，选定出装焊方案。设计制造工艺路线，进行每一工序的加工工艺设计，编制说明书。

第2章水轮机顶盖装焊工艺分析2.1水轮机顶盖的结构特点顶盖是由顶环板、上环板、上面板、外环板、中环板、下面板、下环板、肋板和围板等焊接而成的板壳类结构（图2-1），具有轴对称的结构特点，结构复杂程度一般。顶盖的工作环境较差，顶盖下面板与下环板下表面共同组成水轮机转轮室密封流道的部分，而顶环板和上面盖上表面却直接置于大气中，在工作时顶环板与下面板上、下表面承受巨大的轴向压差。顶盖大体轮廓是一个为高约1200mm，直径为约4000mm，壁厚约为50mm的环形板结构，尺寸较大。可拆分为20项零部件，使用的材料为碳素结构钢和少量不锈钢，板厚均为中厚板。可以拆分成若干部件。不需要工地装焊。图2-1混流式水轮机顶盖结构图2.2装焊方案的选择焊接结构制造中，装焊方案的选择直接关系到流程的正确性、可行性、便利性和经济性。在实际生产中，装配和焊接一般是交替进行的，在装配和焊接工艺的制定过程中，应进行综合分析，使拟采用的装配和焊接工艺对今后的每一道工序都产生良好的影响。在确定构件或结构的装配和焊接顺序时，不仅要从装配工艺的角度考虑，还要从焊接工艺的角度进行综合分析，这实际上就是确定装配和焊接顺序。装配焊接顺序有以下类型：(1)整装整焊：先按图纸要求组装好所有零件，再转入焊接工序。这种类型由装配工和焊接工在各自的工作站上进行。可进行流水工作，停机损失很小，有利于提前防止变形。可采用专用装配夹具进行装配，也可采用辊架、定位器等工艺设备进行焊接，有利于装配焊接质量的提高。该方法适用于结构简单、零件少、批量生产的工件。需要装配、焊接场地分开，对工作区面积和配套设备数量要求高，对装配技术要求低。(2)分部件装配：将结构件分成若干部分，先组装零件成焊接部件，再组装焊接成结构件。这种方法适合于大批量生产，可以实现流水作业，几个部件同时进行，有利于各种先进工艺设备的应用，有利于控制焊接变形，有利于采用先进的焊接工艺方法。适用于车辆底架等可分解为多个部分的大型、超大型复杂结构，如车辆底架、起重机卷扬车架、船体等。为此，焊接设计人员在进行结构设计时，尽量考虑使所设计的结构能分解出若干个部件，以利于组织生产。(3)随装随焊：先组装好几个零件，再焊接相应的焊缝，再组装好几个零件，再焊接，直至所有零件安装焊接完毕，成为合格的零件。这种方法是装配工和焊接工在一个工位交叉作业，影响生产效率，不利于采用先进的工艺设备和先进的焊接工艺方法。适用于单件小批量生产和不可分割的复杂结构生产。根据混流式水轮机顶盖的结构特点，应选择的装焊方法是整装整焊装配方案。这种装焊法对于本设计来说有很多优点，例如，易于控制和减少焊接应力和焊接变形，可以使生产周期缩短约一半，并提高了生产面积的使用率等。

第3章水轮机顶盖制造工艺过程3.1工艺流程水轮机顶盖制造工艺流程见图3-1。下料放样、划线、号料钢材预处理钢材复检入库、存放与发放下料放样、划线、号料钢材预处理钢材复检入库、存放与发放总装配、焊接机械加工零件拼接、成型坡口及边缘加工总装配、焊接机械加工零件拼接、成型坡口及边缘加工成品检验交货清理、涂装、标记成品检验交货清理、涂装、标记图3-1顶盖制造工艺流程图3.2下料3.2.1钢材的预处理钢材的预处理可以分为钢材矫正、钢材表面预处理等。在钢材的轧制、运输、装卸和堆垛过程中，因为自重、支撑不合理、装卸条件差等原因，会发生弯曲、变形和表面不均匀变形。如果这些变形超过一定程度，将给尺寸测量、标记、切割等加工带来问题，影响成形件几何尺寸的精度，进而影响装配、焊接以及整个产品的质量。因此，划线、下料前应进行矫正。矫正分为冷矫正和热矫正。一般采用冷矫正，热矫正仅在材料塑性差、变形严重或设备能力不足时使用。因为热矫正会导致材料表面氧化、内部组织变化等。按操作方法，矫正可分为手工矫正、机械矫正和火焰矫正三种。板材出现弯曲时，机械矫正可以采用平板机或卷板机。顶盖材料多为中厚板，采用三辊卷板机即可。机械冷矫正的方法矫正质量好、效率高、劳动条件好，被广泛的应用。碳钢和低合金钢板材从钢铁厂经过一系列中间环节到达切割车间。在这段时间内，不可避免地会在钢板表面形成一层氧化皮，也就是锈皮。氧化皮具有熔点高，不易燃烧的特点，使预热时间加长，切割速度被降低。同时，加热后，氧化皮到处飞溅，很容易堵塞割嘴，使割嘴的使用寿命降低。因此，钢的表面预处理对产品质量的提高、产品寿命的延长、环境污染的减少具有很大意义。钢材表面预处理方法主要有机械除锈和化学除锈。在生产中经常用的机械除锈方法主要有：钢丝刷、电动或气动砂轮、喷砂、喷丸等。其中喷丸除锈发展迅速，实现了机械化作业，除锈效率高，除锈效果好由于粉尘污染空气，喷砂方法也得到了改进。除尘器可吸收粉尘或在密闭喷砂房内进行，工作条件得到了改善。碳钢、低合金钢等黑铁材料适合用喷丸、喷砂除锈。化学除锈方法是用酸或碱除锈溶液溶解、渗透、剥落钢材表面的油污、铁锈和氧化皮，可以使钢材表面的杂质迅速溶解和脱落，待钢材表面净化后，采用钝化液使钢表面处于钝化状态，形成钝化膜。该方法具有效率高、质量均匀、稳定的优点，能长期防止钢材生锈。但由于污染环境，成本较高，目前生产中主要用于不锈钢、有色金属等的除锈。水轮机顶盖材料为Q235钢，面积大、数量多，适合使用的方法是喷丸（喷砂）。也就是说，用喷丸机在钢板表面喷细铁砂，利用铁砂对钢板的冲击力去除氧化皮，然后喷涂阻燃、导电性好的防锈漆。钢板切割前的除锈和喷漆预处理已成为金属结构生产中十分重要的一步。3.2.2零件下料金属切割方式一般有剪切、冲切、锯切、联合冲剪等。混流式水轮机顶盖除减压排水管采用不锈钢无缝钢管之外，其它的大部分组件所采用的是Q235材料，板厚在20mm~200mm厚度之间，考虑可行性和经济性采用数控火焰切割机下料。火焰切割的本质其实就是金属在氧气中的燃烧过程。它利用可燃气体与氧气混合物火焰产生的热量，对切割的金属表面进行预热，使其处于活化状态，之后进入高纯度、高速的切割氧气流，使其在氧气中剧烈燃烧，并产生金属氧化物渣，同时释放出大量热量。借助燃烧热和高温炉渣的热量传导，不断地加热切割金属，同时借助于高速氧气流，将燃烧产生的氧化渣吹走，再由切割工件和割炬的相对运动形成切缝。数控火焰切割机可以切割厚碳钢，切割成本低。主要用于碳钢和厚板的切割。采用数控火焰切割机，大大提高了零件的外观质量、尺寸精度和形位精度，为后续的装配焊接等工序的质量保证提供了较好的条件。混流式水轮机顶盖各部件的板厚在10~200mm之间。根据各部件的厚度，选择表3-1和表3-2中相应的切割工艺参数。表3-1数控火焰切割机的主要参数驱动形式轨距/m轨长/m切割厚切割速度划线速度度/mm/mm·min-1/mm·min-13单边451210~20050~6006双边567.5表3-2数控火焰切割机割嘴型号及气体流量板厚/mm割嘴号码切割氧孔喉径切割速度气体压力/KPa/mm/mm·min-1氧气乙炔或丙烷10~3010.8800~300686>3030~5021.0500~200686>3050~7031.2300~150686>3070~9041.3250~135686>3090~11051.4200~130686>30110~14061.6200~130686>30140~16071.7200~130686>30160~20082.0200~130686>30(1)下面板下料下面板共1件，材料为Q235钢板，厚度为200mm。如图3-2所示，根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-2下面板下料图(2)外环板下料外环板共1件，材料为Q235钢板，厚度为150mm。如图3-3所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-3外环板下料图(3)排水管下料排水管材料是Φ89×8的不锈钢无缝钢管，根据零件图给定的尺寸利用砂轮切割机进行下料。(4)排水管加强板下料排水管加强板下料共4件，材料为Q235钢板，厚度为40mm。如图3-4所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-4排水管加强板下料图(5)上面板下料上面板共1件，材料为Q235钢板，厚度为90mm。如图3-5所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-5上面板下料图(6)上环板下料上环板共1件，材料为Q235钢板，厚度为65mm。如图3-6所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-6上环板下料图(7)顶环板下料顶环板共1件，材料为Q235钢板，厚度为100mm。如图3-7所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-7顶环板下料图(8)吊耳下料吊耳共8件，材料为Q235钢板，厚度为40mm。如图3-8所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-8吊耳下料图(9)围板下料围板共24件，材料为Q235钢板，厚度为30mm。如图3-9所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-9围板下料图(10)中环板下料中环板共1件，材料为Q235钢板，厚度为50mm。如图3-10所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-10中环板下料图(11)排水管固定板下料排水管固定板共1件，材料为Q235钢板，厚度为65mm。如图3-11所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-11排水管固定板下料图(12)支撑环下料支撑环共1件，材料为Q235钢板，厚度为65mm。如图3-12所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-12支撑环下料图(13)下环板下料下环板共1件，材料为Q235钢板，厚度为65mm。如图3-13所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-13下环板下料图(14)肋板下料特殊肋板共4件，短肋板共8件，长肋板-1共8件，长肋板-2共4件，如图3-14所示。材料均为Q235钢板，厚度均为40mm。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-14肋板下料图(15)补强板下料补强板共8件，材料为Q235钢板，厚度为20mm。如图3-15所示。根据下料图给定的尺寸利用数控火焰切割机进行下料。图3-15补强板下料图3.3零件拼接(1)下盖板拼接如图3-16所示，按Φ4000×Φ2630平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-16下面板拼接图(2)外环板拼接如图3-17所示，按Φ4310×Φ3820平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-17外环板拼接图(3)排水管拼接如图3-18所示尺寸平台划线。然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①焊接时使用气体保护焊，采用H00Cr19Ni12M02焊丝，Φ1.0mm焊丝。②焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-18排水管拼接图(4)上盖板拼接如图3-19所示，按Φ3960×Φ2210平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-19上盖板拼接图(5)顶环板拼接如图3-20所示，按Φ2340×Φ1860平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-20顶环板拼接图(6)排水管固定板拼接如图3-21所示，按Φ2790×Φ2075平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-21排水管固定板拼接图(7)下环板拼接如图3-22所示，按Φ2630×Φ2330平台划线，然后按线组对并点固，焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-22下环板拼接图3.4成形(1)上环板成型首先使用滚板机成形至图3-23所示尺寸，然后焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-23上环板成型图(2)中环板成型首先使用滚板机成形至图3-24所示尺寸，然后焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-24中环板成型图(3)支撑环成型首先使用滚板机成形至图3-25所示尺寸，然后焊接对口焊缝，最后去焊渣、焊瘤。要求：①用手工电弧焊打底，使用Φ3.2mm的E4303焊条，焊透并清除焊根。②对称焊接对口焊缝。③焊接时使用气体保护焊，采用H08Mn2SiA，Φ2.0mm的焊丝。④焊接时焊缝要求平滑，无气孔、夹渣、未焊透等缺陷。图3-25支撑环成型图3.5坡口及边缘加工(1)下面板的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机或车床加工坡口至图3-26所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-26下面板坡口图(2)外环板的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机或车床加工坡口至图3-27所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-27外环板坡口图(3)上环板的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机或车床加工坡口至图3-28所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-28上环板坡口图

(4)中环板的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机或车床加工坡口至图3-29所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-29中环板坡口图(5)支撑环的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机车床加工坡口至图3-30所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-30支撑环坡口图(6)下环板的坡口及边缘加工：①用数控火焰切割机或车床加工坡口至图3-31所示尺寸要求。②清渣、去除氧化皮，校平。图3-31下环板坡口图3.6机械加工机械加工通常是指通过一种机械设备改变工件尺寸或性能的过程。加工所需的机械有数控立车、数显铣床、万能磨床、电火花机床、数显镗床、加工中心、精密车床、激光焊接、内圆磨床、外圆磨床等，可用于铣削、车削、刨削精密零件的磨削等加工，可对各种不规则形状零件进行加工。本设计机械加工使用数控立车和数控镗床进行加工：(1)数控立车①按图3-32所示尺寸车内圆及外圆。②按图3-32所示尺寸车各平面。(2)数控镗床①按图3-32所示尺寸镗床加工24-Φ190孔。②按图3-32所示尺寸镗床加工24-Φ230孔。③按图示尺寸镗床加工24-Φ365孔。④按图3-32所示尺寸镗床加工24-Φ365孔及其平面。⑤按图3-32所示1960尺寸镗床加工平面。(3)去除飞边、毛刺。

图3-32机械加工图3.7总装焊接3.7.1水轮机顶盖的装配工艺设计这几年来，在焊接结构中，对结构尺寸精度、焊缝内部质量和外观质量提出了更高的要求，促使焊接结构制造企业采用先进的装配焊接技术和相应的设备，从而使装配焊接过程的机械化和自动化程度得到了提高。在焊接结构的制造过程中，按一定的位置、尺寸关系和精度要求组合结构零件的过程称为装配。装配在焊接结构的制造过程中发挥着重要的作用，这不仅是因为装配工作的质量与产品的质量有直接关系，而且由于装配过程的工作量较大，约占产品总制造工作量的40%。因此，对于装配工作效率和质量的提高，节约时间，降低成本，保证质量具有重要作用。

(1)装配方法的选择在焊接结构的生产中，根据结构的形状、尺寸、生产特性和复杂程度，选择装配方法。装配方法根据装配位置的不同，可分为工件移动式装配和工件固定式装配。水轮机顶盖的直径4m左右,高度1.2m左右,属于大型焊接结构，所以选择工件固定式装配。(2)水轮机顶盖的装配方案在选择装配顺序时，不仅要从装配工艺的角度考虑，还要从焊接工艺的角度进行综合分析。在确定装配顺序时，还应考虑焊接和质量检验，便于所有焊缝的焊接和检验，同时有利于控制焊接应力、焊接变形，便于焊后热处理，便于生产组织和管理，提高生产率。由于水轮机顶盖结构并不是十分复杂，且零件数量较少，所以选择整装整焊。①下面板装配将下面板放到装配平台的立墩上调平，在下面板上表面画出中心线，以下面板的中心为整个顶盖的装配基准。②外环板、支撑环、下环板装配按照图3-33所示，在下面板上确定外环板、支撑环和下环板的相对位置。先装配下环板，然后装配支撑环，最后装配外环板。③中环板装配按照图3-33所示，在外环板上确定中环板的相对位置，将中环板装配上。④排水管固定板装配按照图3-33所示，在支撑环上确定排水管固定板的相对位置，将排水管固定板装配上。⑤围板、肋板、补强板装配按照图3-33所示，分别在下面板上确定肋板和围板的相对位置，将肋板和围板装配上。这些肋板起到支撑上面板和顶环板等结构的作用。⑥排水管、排水管加强板装配按照图3-33所示，在围板和排水管固定板上确定排水管、排水管加强板的相对位置，将排水管、排水管加强板装配上。⑦上面板装配按照图3-33所示，在围板和肋板上确定上面板的相对位置，将上面板装配上。⑧上环板装配按照图3-33所示，在上面板上确定上环板的相对位置，将上环板装配上。⑨顶环板装配按照图3-33所示，在上环板上确定顶环板的相对位置，将顶环板装配上。图3-33水轮机顶盖总装焊接图

(3)定位焊在装配时，应在部件之间进行定位焊，以临时固定部件。定位焊的工艺要求：①定位焊电流比正式焊接高10~15%。②不要在焊缝的交叉处与焊缝方向急剧变化处进行定位焊。③厚度大工件定位焊时，在坡口上的定位焊缝的长度为10~20mm，焊缝间距50~300mm，焊缝高度不应超过焊件厚度的三分之二。④定位焊如有缺陷，应消除，不得留在正式焊缝中。⑤定位焊时合理选择定位焊点，对焊接质量不产生影响，保证焊接过程中的焊缝质量。3.7.2水轮机顶盖的焊接工艺设计(1)焊接性的分析水轮机顶盖所采用的材料主要就是Q235钢（表3-3为Q235钢成分列表）Q235钢低碳、低锰、低硅，在一般条件下焊接不会产生严重的硬化或淬火组织。焊接后的低碳钢接头具有良好的塑性和冲击韧性。在焊接过程中不需要特殊的工艺措施，具有良好的焊接性。表3-3Q235钢成分列表牌号CMnSiPSQ235≤0.17~0.22%≤1.4%≤0.35%≤0.045%≤0.045%(2)焊接方法、焊接材料的选择根据水轮机顶盖的材料特点可选用气体保护焊，保护气体选用（80%Ar+20%CO2），（Ar+CO2）混合气体在碳钢和低合金钢中应用广泛。它不仅具有电弧稳定、飞溅小、易获得轴向射流过渡等优点，而且具有氧化性，即克服了用单一CO2气体焊接时产生的飞溅导致焊缝成型不良等问题，也克服了单一Ar气体焊接时阴极漂移导致焊缝成型不良的问题。为了防止CO气孔的出现及减少飞溅，必须用含脱氧剂的焊丝，因此，选用H08Mn2SiA焊丝,

由于焊丝中含有锰、硅等合金元素，有效地防止了气孔和夹渣的问题。焊丝表面经过镀铜处理，导电性好，送丝流畅，飞溅较少，焊缝美观。

(3)MAG焊焊接工艺参数

焊接材料:焊丝HO8Mn2SiA、φ2mm,

保护气体80%Ar+20%CO2

预热温度:大于150℃

焊接参数:电弧电压34~45V，焊接电流350~400A，

保护气体流量20~25L/min，焊接速度0.04m/min(4)焊接从可达性和合理性方面考虑，水轮机顶盖焊接顺序按照如下顺序:焊接下面板、外环板、中环板、排水管固定板、支撑环和下环板→焊接上面板、上环板、顶环板和吊耳→焊接肋板、补强板、围板、排水管和排水管加强板顶盖.①焊接下面板、外环板、中环板、排水管固定板、支撑环按图3-34所示，采用MAG焊进行焊接。焊缝需分区对称焊接，焊缝要平整美观，不得有气孔、夹渣等缺陷。保证各件的平面度。去焊渣、焊瘤，修正变形量。图3-34下面板、外环板、中环板、排水管固定板、支撑环、下环板焊接图②焊接上面板、上环板、顶环板和吊耳按图3-35所示，采用MAG焊进行焊接。焊缝需分区对称焊接，焊缝要平整美观，不得有气孔、夹渣等缺陷。保证各件的平面度。去焊渣、焊瘤，修正变形量。图3-35上面板、上环板、顶环板和吊耳③焊接肋板、补强板、围板、排水管和排水管加强板按图3-36所示，采用MAG焊进行焊接。焊缝需分区对称焊接，焊缝要平整美观，不得有气孔、夹渣等缺陷。保证各件的平面度。去焊渣、焊瘤，修正变形量。图3-36肋板、补强板、围板、排水管和排水管加强板焊接图

焊后热处理焊后热处理主要包括退火、正火、淬火和回火。水轮机顶盖的结构尺寸很大，所选材料Q235钢的刚度也很大，所以焊接后会存在较高的焊接残余应力，可以通过去应力退火来解决这个问题。3.8检验本设计所使用的焊接质量检验方法为无损探伤，常用的无损探伤方法有：X光射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、γ射线探伤、荧光探伤、着色探伤等方法。本设计主要使用超声波探伤、磁粉探伤和渗透探伤，按照图3-37所示进行探伤。超声波探伤具有可探测厚度大、成本较低、灵敏度高、速度较快、对人体无害等优点，主要用于工件内部缺陷的检测。缺点是记录性差，难以确定缺陷的准确形状和性质。磁粉探伤灵敏度高，设备简单，操作方便，检测速度快，缺陷显示直观，检验结果可靠，并可实现自动探伤。但是，该法只限于检测铁、钴、镍及其合金等铁磁性材料的表面或近表面缺陷。渗透探伤缺陷显示明显，容易判断，检测灵敏度较高，携带方便，操作简便，难度小，易掌握。但是渗透探伤仅限于检测表面开口型缺陷，对其他缺陷无能为力，不适用多孔型疏松材料，由于表面充满小孔，渗透剂一旦吸入就难以清除，只能判断工件表面是否有缺陷及其形状，不知其深度和内部情况，并且探伤结果往往受探伤人员技术熟练程度的影响。本设计的无损探伤主要以ASME第Ⅷ卷为依据，MT、PT、UT依次参照附录6、8、12进行。图3-37焊缝探伤示意图3.9清理、涂装、标记(1)整体检查，有焊瘤的地方用角磨机去除。(2)不锈钢部分涂抹酸洗膏，保持2到3小时后，用清水冲洗。（注意避免碰触碳钢部分）(3)碳钢部分喷砂处理，在24小时之内进行喷漆处理。（注意保护不锈钢部分）(4)给各个部件做铭牌标记。

总结本设计利用AutoCAD绘制出水轮机顶盖的总装图和各个零部件的图，对其进行结构工艺性分析，选定出装焊方案。设计制造工艺路线，进行每一工序的加工工艺设计，编制装焊工艺装说明书。混流式水轮机顶盖是由多个环板、围板、肋板等焊接而成的板壳类结构，具有轴对称的结构特点，结构复杂程度一般，根据混流式水轮机顶盖的结构特点，选择的装焊方法是整装整焊装配方案。根据混流式水轮机顶盖选用的材料和结构特点，焊接时主要使用气体保护焊和手工电弧焊进行焊接，焊缝检验以无损探伤为主。

参考文献吴炯晨.电力系统及其自动化技术的应用分析[J].科技