成型卡圈及其製作方法

2023-10-07 17:23:44 2

專利名稱：成型卡圈及其製作方法
技術領域：
本發明涉及一種鋼製成型卡圈及其製作方法，這種成型卡圈用於連接在待連接端上具有凸緣之類的部件，其中，該成型卡圈至少具有部分地呈錐形向裡彎的側壁和焊接點。
例如在文獻DE 30 38 491 C2、US 3 498 649、US 3 964 773、FR 1 016 629和該申請人編輯的樣本「NORMA錐形法蘭的連接」1979和1988年以及「帶錐形法蘭的NORMA成型卡圈」，1996年11月公開的這類已知的成型卡圈是用鐵素體或純奧氏體鋼通過純冷成型，然後焊接而成。但這種鋼不耐高溫，或具有太高的熱膨脹係數18·10-6至22·10-6m/m℃(對奧氏體耐熱鋼而言)，這樣高的熱膨脹係數在受熱時導致夾緊力損失，從而導致連接部位的不密封性。例如在大型柴油機或燃氣輪機的渦輪增壓器時目前都是採用鐵素體的鑄造材料作外殼，這種材料由於其組織結構在20℃至600℃範圍內具有一個隨溫度變化的熱膨脹係數10·10-6至14·10-6m/m℃。所以，用鐵素體或純奧化體鋼製成的這些已知的成型卡圈以其具有太高的熱膨脹係數而不適用於連接在高達750℃的溫度範圍內工作的這種渦輪增壓器的外殼部件或別的在被連接端帶凸緣的部件，因為連接部位隨溫度的不斷增加會變得不密封。不密封的連接部位例如在柴油機或燃氣輪機的渦輪增壓器時會導致嚴重的功率損失。
此外，不密封的、或松的連接意味著這樣的安全危險一個這樣裝配的渦輪增壓器由於松的外殼連接而可爆裂，從而可導致人員傷害。
本發明旨在提出一種上述那類的成型卡圈及其製造的一種方法。這種卡圈可用鐵素體、珠光體鑄造材料適用於通流熱氣的部件，並可在高達750℃的溫度範圍內滿足對密封性和穩定性提出的種種要求。
根據本發明，這個目的是這樣實現的採用馬氏體鋼，這種鋼在溫度為20℃至750℃時此鐵素體鑄造材料的熱膨脹係數至少小0.3·10-6m/m℃。
馬氏體鋼的優點是，即使在很高溫度時，例如在通流熱氣的部件的連接部位如渦輪增壓器的外殼部件產生這樣高的溫度時也具有高的硬度並因而也能承受作用在連接部位上的大的力而不變形。此外，由於根據本發明選擇熱膨脹係數成型卡圈的膨脹比用鐵素體鑄造材料製成的用於部件連接的成形卡圈的膨脹小一些。所以通過成型卡圈作用到被連接部件的凸緣上的夾緊力隨連接部位的溫度的增加而增加，因此，不但由於成型卡圈的較小的變形，而且由於它隨溫度增加而增加的夾緊力，從而保證了部件的連接及其連接的密封性。所以在成型卡圈用於連接通流熱流體的部件時，特別是用於連接渦輪增壓器外殼部件或其連接管接頭時，不但避免了上述危險，而且還能避迄今為止法蘭用螺紋的費事的連接方式，或避免附加使用帶有許多螺絲穿過孔的鎖緊環。
達到要求性能的鋼除了作為主成分的鐵外由下列重量百分比的成分組成碳到0.45％、矽到2.0％、錳到2.0、磷到0.04％、硫到0.04％、鉻15％到20％、鎳1％到8％、鉬到2.5％、釩到0.5％、鋁到0.1％、鈷到0.1％、銅到0.4％、鉛到0.4％、硒到0.1％、碲到0.1％、鈦到0.5％、鎢到0.1％、鋯到0.05％、氧到0.01％、氮到0.01％、鉍到0.1％、硼到0.001％、鈮到0.05％。
對鋼來說，最好控制最高值碳0.4％、矽0.5％、錳0.8％和鉬2.0％；以及控制最低值鎳1.0％、鉬0.3％和釩0.25％。
成型卡圈的一種有利的結構在於它具有至少一個以環形式向後彎曲的夾緊箍和在該夾緊箍上焊接的端段；每個環都穿過一根螺栓，相鄰環中的螺栓藉助於一個用其螺杆穿過環中的槽的帶頭的夾緊螺栓連接；每個夾緊箍的裡側上至少焊接一個軸向橫截面大致呈帽形的圓環段，其側壁設置有加固件；兩個相鄰螺栓的一個具有一個大致呈滴狀的橫截面，該橫截面兩邊的夾角大致為直角，其中，夾角的一邊大致徑向向外朝離開卡圈圓周方向延伸，而另一邊則沿卡圈的周圍方向延伸；包住橫截面大致呈滴狀的螺栓的環的形狀與該橫截面配合；夾緊螺栓頭支承在離開卡圈圓周延伸的配合環的一邊上。這樣一種成型卡圈由於其造型而可承受例如在直徑達500毫米以上的成型卡圈時可能出現的很高的軸向力，但還由於成型的圓環段的分離構成及其用一個夾緊箍連接而在圓周方向具有足夠的柔韌性，以便精確配合被連接部件上凸緣之類的直徑。夾緊螺栓頭支承在面向它的與一根螺栓的滴形橫截面的環配合的一邊上具有這樣的優點，即在此環中構成的大致等於夾緊螺栓的直徑的寬度比在夾緊螺栓頭通過該槽時小，所以環能經受較高的夾緊力。這樣同時保證了夾緊螺栓頭大面積地支承在環的大致徑向的一邊上而不用它的邊承受荷載。
本發明成型卡圈的另一種結構在於這種成型卡圈具有至少一個環形段，該環形段帶有環的形式向後彎的並焊接在環形段上的端段；每個環都有一根螺栓穿過，相鄰環中的螺栓藉助於一個用其螺杆穿過環中的帶頭的夾緊螺栓連接；每個環形段軸向橫截面大致呈帽形，且側壁具有加固件；兩個相鄰螺栓之一具有一個大致呈滴狀的橫截面，該橫截面兩邊的夾角大致為直角，其中夾角的一邊大致徑向向外離開卡圈圓周延伸，而另一邊則沿卡圈圓周方向延伸；包住橫截面大致呈滴形的螺栓的環的形狀與該橫截面配合，且夾緊螺栓頭支承在配合環的離開圓周方向延伸的邊上。如果小一些的連接力可通過成型卡圈作用到被連接的部件上時，這種結構不用分開的環形段。
最好通過在上述側壁上焊接的鋼板來構成加固件，這種鋼板保證側壁的很高的抗彎剛度。
在夾緊螺栓頭和支承其上的環之間可放一個直徑大於螺栓頭直徑的墊片。這樣一個墊片不但方便夾緊螺栓的夾緊，而且還減少了夾緊螺栓頭與環的支承在該螺栓頭上的一邊之間的單位面積壓力。
根據本發明，成型卡圈的製造方法包括成型卡圈用的材料為一種預先調質的帶鋼的形式，在成型和焊接後，焊接部位進行感應回火，使結構均勻化。通過預先調質達到鋼的最佳工藝性能，最好焊接部位在控制冷卻後進行感應回火，以減小或避免焊接部位範圍內形成裂紋的危險。
在感應回火處理時，可進行少於5分鐘的短時間擺動退火，這種退火最好在AC1-溫度左右進行，這樣，焊接區可達到最佳的組織結構。
下面結合一些優選實施例的附圖來詳細說明本發明及其諸多改進。其中

圖1表示本發明成型卡圈第一實施例的側視圖；圖2表示圖1的剖面Ⅱ-Ⅱ；圖3表示圖2相同的視圖，但放大比例，且成型卡圈處於夾緊狀態，即它已將一個渦輪增壓器示出的一段外殼部件的兩個凸緣連接在一起；圖4表示本發明成型卡圈第二實施例的相當於圖3的視圖。
圖1至圖3所示的成型卡圈由兩個大致呈半圓形的夾緊箍1，四根螺栓2、3、兩個帶頭的夾緊螺栓4、兩個墊片5、兩個大致呈半圓形的圓環段6和在圓環段6兩端的卡圈的整個圓周上分布的鋼板8形式的加固件組成。
每一個夾緊箍1具有一個呈環形9、10向後彎曲的並在夾緊箍1外面用凸焊11焊接的端段。每個環9、10都穿過一根螺栓2、3。相鄰環9、10中的螺栓2、3分別具有一個圍繞相應螺栓9、10最大部分延伸的槽，一個夾緊螺栓4用其螺杆穿過該槽，並連接相鄰環9、10的螺栓2、3。其中螺栓2具有一個徑向的無螺紋的通孔，而螺栓3則具有一個徑向的螺紋孔，夾緊螺栓4的螺紋杆穿過該徑向螺紋孔。相鄰螺栓2、3的一根螺栓2具有一個大致呈滴狀的橫截面，該橫截面兩邊的一個夾角大致為直角。其中，夾角一邊大致徑向向外離開卡圈圓周方向延伸，另一邊則沿卡圈的圓周方向延伸。包住該螺栓2的環9的形狀與該螺栓2的橫截面配合，且夾緊螺栓4的頭通過一個墊圈5支撐在該環9離開卡圈圓周延伸的一邊上。所以該夾緊螺栓4的頭通過墊圈5大面積地支撐在與該螺栓頭面對的該環9的一邊上，並通過這一邊支撐在螺栓2上。所以，在夾緊螺栓頭通過環9的槽延伸並直接支撐在螺栓2上的情況中，環9中構成的槽可具有一個大致相當於夾緊螺栓4螺杆直徑的較小的寬度，因此，該環9承受一個高的夾緊力，該夾緊力等於環10的夾緊力。
在每個夾緊箍1的內側上通過在整個圓周上分布的焊點12焊接了一個軸向橫截面大致呈帽形的圓環段6，該圓環段6的側壁13具有沿圓周方向延伸的並在軸向沿相反方向內凸出的凸緣14，所以圓環段6的橫截面大致相當於一個帶帽沿的帽子。這種凸緣14提高了側壁13的剛度。
此外，側壁13設置有鋼板8形式的加固板。鋼板8一方面與側壁13的凸緣14焊接，另一方面藉助於一條焊絲接在夾緊箍1的內側上。根據這種方式，鋼板8附加地增加了側壁13的剛度，兩個通過成型卡圈連接的部件15、16的連接部位在承受高的軸向荷載時產生軸向彎曲。這兩個被連接的部件在這裡是指柴油機或燃氣輪機的渦輪增壓器的外殼部件，這種外殼部件用鐵素體的鑄造材料製成，並經受高達750℃的溫度。外殼部件15、16分別具有帶截錐形的、在兩個外殼部件15、16連接狀態中兩邊背靠的凸緣17、18，而凸緣17、18的相向的兩邊則用一個波紋狀的環形金屬密封19進行密封，該密封在這裡作為O型密封圈示意示出。圓環段6的側壁13的斜率相當於凸緣17和18的截錐形邊的斜率。圓環段6的內直徑D(圖1)在成型卡圈夾緊狀態中也稍大於凸緣17、18的外直徑。凸緣14的內直徑d在成型卡圈夾緊的狀態中也稍大於凸緣17、18外部的軸向連接的部件15、16的外直徑。
但這種成型卡圈不但適用於連接渦輪增壓器的外殼部件，而且也適用於連接其他的部件，例如帶有相當於凸緣17、18的凸緣的管，特別是有很熱的流體(液體、氣體或蒸汽)流通的溫度高達750℃的部件。
夾緊箍1和圓環段6用的鋼為馬氏體鋼，並在環境溫度20℃至750℃時具有至少比鐵素體鑄造材料小0.3·10-6m/m℃的熱膨脹係數。所以成型卡圈至少到750℃溫度時比由它連接的部件15、16的膨脹小，並因而保證了至少到這個溫度範圍時這兩個部件的牢固連接。
夾緊箍1具有大約3毫米的厚度和大約30毫米的寬度。圓環段6的鋼板和鋼板8同樣具有大約3毫米的厚度。直徑D可為350至550毫米的範圍。鋼板8大約以15°沿圓周方向延伸。
下面藉助於夾緊箍1和圓環段6的實施例來詳細說明用在高達750℃的溫度的影響下的特殊用途的用馬氏體鋼按本發明焊接的成型卡圈的製作方法。
夾緊箍1和圓環段6以及鋼板8所用材料的主成分鐵按下表重量百分比例混合其它的元素
這種混合料在高爐中溶化、澆鑄並軋製成帶鋼。這種熱軋寬帶鋼進一步輾軋、分割(成窄的帶鋼)、預調質和倒緣(倒角)。在兩個軋制道次之間分別進行材料退火。在預調質後，窄帶鋼進行一次平整，即通過輕微的冷變形軋制到最終尺寸。
平整的窄帶鋼藉助於多次衝壓和彎曲過程製成成型卡圈的夾緊箍1和環形段6。同樣，鋼板8用平整的窄帶鋼衝壓而成。然後通過凸焊點11把環9、10連接到夾緊箍1上，並將夾緊箍1放在一個保溫爐中。在這裡夾緊箍1在稍微超過馬氏體起始溫度在2000℃至350℃到感應回火保溫。
由於短時間的擺動退火-少於五分鐘-最好在AC1-溫度(鐵碳平衡圖的鐵素體和奧氏體範圍之間的分界線)擺動退火，焊接引起的太多的溶解的碳以純碳化物析出。這種純碳化物對容許的拉應力荷載的減小即使在高溫時也產生相反的作用，從而提高材料的耐熱強度。
以上表第一方案的熱拉力試樣為例，在下表中對一個爐子調質的試樣在不同溫度時的0.2％伸長極限和一個用擺動退火的感應調質的試樣的0.2％伸長極限進行對比。
環形段6用窄帶鋼成型並滾軋到要求的直徑。在另一次焊接操作中，帶圓環段6的預成形的焊接的和回火的夾緊箍1與帶有夾緊箍1和圓環段6的鋼板8連接。在焊接過程後進行另一次回火處理，以避免形成裂紋和使焊接組織細密化。
然後將單獨用鋼製作的螺栓2、3分別插入相應的環9和10中，並通過環邊緣的短段20的徑向壓入越過螺栓2、3兩端軸向固定在環9、10中。然後可將夾緊螺栓4插入螺栓2、3中。
在圖4所示本發明成型卡圈的實施例中取消了夾緊箍1。代替該夾緊箍的是，圓環段6a在其端上同樣設置有如第一實施例那樣的環9、10和插入該環中的螺栓2、3。此外，取消了第一實施側壁13a的凸緣14。加固件也是作成鋼板8a，該鋼板8a在整個圓環段6a外部延伸並焊接在該圓環段上。鋼板8a的平面垂直於圓環段6a外部延伸並焊接在該圓環段上。鋼板8a的平面垂直於圓環段6a的圓周方向。在圓環段6a的圓周方向內均勻分布設置了多塊鋼板8a，加固件不用鋼板8a也可用從圓環6a的帶材徑向向外壓出的加強筋，並同樣也象鋼板8a那樣分布在整個圓環段6a上。
圖4的成型卡圈的製作按圖1至圖3成型卡圈的相同方式進行，其中，圓環段6a同樣象第一實施例的夾緊箍1那樣進行製作，並與鋼板8a焊接。在鋼板8a焊接後也進行一次回火處理，以避免裂紋形成和使焊接組織細密化。
其他的變型例如可這樣進行只用一個夾緊箍1和多於兩個圓環段6，或只用一個圓環段6a和只用一個鎖緊裝置代替兩個圓環段6a，該鎖緊裝置具有兩個螺栓2和3、兩個環9和10以及夾緊螺栓4，並在鎖緊裝置徑向對面設置一個彎曲部位，在該彎曲部位上凸緣13a中斷。
本發明成型卡箍連接特別用在渦輪增壓器和排氣設備時比現有的螺紋法蘭連接大量節省材料和安裝時間，因而相應降低費用。
權利要求
1．一種在被連接端上具有凸緣(17、18)之類的部件(15、16)的連接用的鋼製成型卡圈，這種成型卡圈具有至少部分地呈錐形向裡彎曲的側壁(13；13a)和焊接點(11、12)，其特徵在於，採用奧氏體鋼，這種鋼在環境溫度20℃至750℃時比鐵素體鑄造材料的熱膨脹係數至少小0.3·10-6m/m℃。
2．按權利要求1的成型卡圈，其特徵在於，所用的鋼除了作為主成分的鐵外由重量百分比的下列成分組成碳到0.45％、矽到2.0％、錳到2.0、磷到0.04％、硫到0.04％、鉻15％到20％、鎳1％到8％、鉬到2.5％、釩到0.5％、鋁到0.1％、鈷到0.1％、銅到0.4％、鉛到0.4％、硒到0.1％、碲到0.1％、鈦到0.5％、鎢到0.1％、鋯到0.05％、氧到0.01％、氮到0.01％、鉍到0.1％、硼到0.001％、鈮到0.05％。
3．按權利要求2的成型卡圈，其特徵在於，鋼中的最高含量碳0.4％、矽0.5％、錳0.8％和鉬2.0％；最低含量鎳1.0％、鉬0.3％和釩0.25％。
4．按權利要求1的成型卡圈，其特徵在於，該成型卡圈具有至少一個夾緊箍(1)，該夾緊箍帶有一個呈環形(9、10)向後彎曲的並在該夾緊箍(1)上焊接的端段；每個環(9、10)都穿過一根螺栓(2、3)，相鄰環(9、10)中的螺栓(2、3)藉助於一個用其螺杆穿過環(9、10)中的槽的帶頭的夾緊螺栓(4)連接；每個夾緊箍(1)的內側上至少焊接一個軸向橫截面大致呈帽形的圓環段6，其側壁(13)設置有加固件(8)；兩個相鄰螺栓(2、3)的一個具有一個大致呈滴狀的橫截面，該橫截面兩邊的夾角大致為直角，其中夾角的一邊大致徑向向外離開卡圈圓周方向延伸，而另一邊則沿卡圈的圓周方向延伸；包住大致呈滴狀橫截面的螺栓(2)的環(9)的形狀與該橫截面配合；夾緊螺栓頭支承在離開卡圈圓周延伸的配合環(9)的一邊上。
5．按權利要求1的成型卡圈，其特徵在於，該成型卡圈具有至少一個圓環段(6a)，該圓環段帶有環(9、10)形狀向後彎曲的並在該圓環段(6a)上焊接的端段，每個環(9、10)都穿過一根螺栓，相鄰環(9、10)中的螺栓(2、3)藉助於一個用其螺杆穿過環(9、10)中的槽的帶頭的夾緊螺栓(4)連接；每個環形段(6a)的軸向橫截面大致呈帽形並具有加固件(8a)的側壁(13a)；兩個相鄰螺栓(2、3)的一個螺栓(2)具有一個大致呈滴狀的橫截面，該橫截面兩邊的夾角大致為直徑，其中，夾角的一邊大致徑向向外離開卡圈圓周延伸，而另一邊則沿卡圈的圓周方向延伸，包住大致呈滴狀橫截面的螺栓(2)的環(9)的形狀與該橫截面配合，夾緊螺栓頭支承在離開卡圈圓周延伸的配合環(9)的一邊上。
6．按權利要求4的成型卡圈，其特徵在於，加固件(8；8a)由焊接在上述側壁(13；13a)上的鋼板構成。
7．按權利要求4的成型卡圈，其特徵在於，在夾緊螺栓頭和支承它的環(9)之間放一個直徑大於螺栓頭直徑的墊片(5)。
8．按權利要求1的成型卡圈的製造方法，其特徵在於，該成型卡圈用的材料為一種預先調質的帶鋼的形式並在成型和焊接後，焊接部位進行感應回火，使組織均勻化。
9．按權利要求8的方法，其特徵在於，感應回火處理是一種少於5分鐘的短時間擺動退火。
10．按權利要求9的方法，其特徵在於，該擺動退火在AC1-溫度左右進行。
全文摘要
本發明涉及一種在被連接端上具有凸緣之類的部件的連接用的鋼製成型卡圈。這種成型卡圈具有至少部分地呈錐形向裡彎的帶焊接點(11、12)的側壁(13),為了提高連接的承載能力,採用奧氏本鋼,這種鋼材在環境溫度20℃至750℃的範圍內比鐵素體鑄造材料的熱膨脹係數至少小0.3·10
文檔編號C22C38/44GK1226648SQ9910101
公開日1999年8月25日 申請日期1999年1月7日 優先權日1998年1月7日
發明者H-J, 克賴珀, C·D·韋斯海特 申請人:拉斯慕森有限公司, 亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司