混流式转矩焊接残余应力分析

混流式转矩焊接残余应力分析

0混流式转轮分段焊接工艺优化车轮是该工艺最重要的部件之一，其质量直接影响到该工艺的工作效率和使用寿命。在旋转运行中，每一轮的失败形式都是由动态加载造成的疲劳。在叶片连接到下环或上下冠的t形焊接头的地区，由于应力集中，这两个区域的局部应力最高，因此是疲劳最危险的区域。在实际运行中，大多数旋转轮和这两个区域的叶片表面都会发生短期断裂。这种断裂是不可预测的，它会发生在设计使用寿命中，这不仅会严重影响旋转的使用寿命，还会发生叶片断裂，造成严重的损坏，严重影响矿山的安全运行。混流式水轮机转轮结构在工作运行中叶片应力的来源有工作应力和内应力.工作应力主要与水轮机的工作环境有关,内应力主要来源于焊接应力,焊接应力是在转轮结构制造过程中产生的.焊接残余应力是焊接结构内局部区域发生不可逆的塑性变形所致的自平衡应力,其拉应力与压应力同时产生而又相互平衡.残余拉应力的存在大大降低了转轮的抗疲劳强度,消除焊接接头应力集中处的残余拉应力或使该处产生残余压应力都可以提高接头的疲劳强度.对于混流式水轮机转轮,采用整体退火的方法可以起到残余应力均匀化和降低残余应力峰值的作用,然而机组实际运行证明,对提高转轮疲劳强度的作用非常有限.基于以上原因,采用有限元数值模拟及真机试验的方法对混流式水轮机转轮分段焊接工艺进行了优化,以此来降低易开裂区域的残余拉应力,调控转轮易开裂区域的应力分布状态,将焊接残余拉应力转化为压应力,实现混流式水轮机转轮焊接残余应力局部压应力化.对提高转轮的疲劳寿命,指导混流式转轮的制造有着重要的理论意义和实际工程意义.1混流式织物的数值模拟由于混流式水轮机转轮的实际结构比较复杂,因此在对转轮结构进行简化的基础上,利用非线性有限元软件MSC.MARC/MENTAT对混流式水轮机简化模型焊接过程的应力场进行数值模拟.图1是转轮模拟件有限元网格的划分,在数值模拟过程中,叶片、上冠、下环以及焊接材料均为0Cr13Ni5Mo.2焊接残余应力分析在分段焊接过程中,后完成焊段的残余压缩塑性变形对邻近区域产生影响,增加了邻近区域的残余拉伸塑性变形,结果将造成此区域的应力值下降.因此为降低叶片出水边接头区域的残余应力值,在数值模拟过程中,首先完成出水边焊段L3的焊接,焊接过程起弧于出水边,然后完成进水边焊段L1的焊接,焊接过程起弧于靠近出水边的一侧,最后完成中间L2的焊接,由靠近进水边一侧起弧,收弧于靠近出水边一侧,如图2所示.采用熔化极气体保护焊,电弧电压25V,焊接电流210A,焊接速度为5mm/s.焊接残余应力分布如图2所示.从图2中可以看到,焊接残余拉应力场出现在焊缝及其附近区域,在出水边L3的两端A,B出现低拉应力区,焊缝的中间区域C出现残余拉应力的峰值.由于水轮机转轮叶片的疲劳开裂主要与垂直于开裂方向的z向应力有关,因此主要针对z向的焊接残余应力σz进行了分析.图3为出水边焊段的长度对出水边易开裂区域z向残余应力σz的影响,可以看到,在L3增加的过程中,易开裂区残余应力存在一个低拉应力区间.当L3很小时,残余应力值很高,而当L3长度增加到一定值后,残余应力增加到一定数值并趋于稳定.这是因为在中间段的焊接过程中,当焊接热源位于B点附近时,该区域的金属熔化,由于受周围金属的拘束,产生很大的压缩塑性变形,因此A点附近就会受到影响而产生拉伸塑性变形.在随后的冷却过程中,B点附近区域的压缩塑性变形不能完全的消失,产生较大的拉伸残余应力,相反地,A点附近区域所受到的拉伸塑性变形也不能完全消失,这样就会抵消一部分在焊接段L3时在A点附近产生的压缩塑性变形,造成A点的残余拉应力降低,这就是L3越小,A点的残余拉应力越低的原因.但是当距离足够小时,A点与B点趋于重合,相当于对A点附近区域进行了第二次焊接,致使残余拉应力值反而升高.对于大型混流式转轮,出水边焊段长度均在100mm以上,焊后出水边的残余拉应力值很高,严重降低了转轮的抗疲劳性能,又由于转轮出水边的厚度最小,强度较低.因此在实际运行过程中,该区域易发生疲劳开裂.由以上结果和分析可知,适当调节出水边焊段长度,能够有效降低转轮易开裂区域的残余拉应力,可有效提高转轮的疲劳寿命.3残余应力测试结果及分析混流式转轮的原有焊接工艺是由转轮叶片的中间部位开始焊起,采取退步分段焊接的方法完成整个转轮的焊接.相对于转轮叶片出水边而言,第一,在完成中间段的焊接之后,最后完成出水边的焊接;第二,由远离出水边一侧启弧,而在出水边一侧收弧.结合数值模拟的分析结果,获得的优化的转轮焊接工艺为首先完成出水边的焊接,焊接过程起弧于出水边,然后完成进水边的焊接,而中间所有焊段由靠近进水边一侧起弧,收弧于靠近出水边一侧,顺次完成转轮的焊接.分别采用优化及原有的焊接工艺对真机转轮进行了焊接,焊接完成后,采用盲孔法对叶片出水边垂直于焊道方向的焊接残余应力进行了测试,应力测试装置为YC-Ⅲ型应力测量仪,测试位置分布如图4所示.图5为叶片出水边附近σz沿垂直于焊缝方向的分布(图5中距离为测试点至下环的最近距离),可以看出,采用原有工艺进行焊接时,在转轮叶片易开裂区域(焊缝及其热影响区的近缝区)存在较高的残余拉应力,而压应力出现在远离焊缝的区域,并且在熔合区附近出现残余拉应力的峰值.采用优化的焊接工艺进行焊接时,转轮易开裂区域的焊接残余应力分布发生明显变化,叶片出水边附近沿垂直于焊缝方向的残余应力为残余压应力,在距离下环80mm的范围内产生了100MPa以上的残余压应力,而且越靠近出水边,残余压应力值越大.这种应力分布状态可有效提高转轮的抗疲劳性能.图6为σz沿平行于焊缝方向的分布(图6中距离表示测试点至叶片出水边的距离),其中所有测试点距离熔合区的距离均为20mm.可以看出,与原有工艺相比,采用优化的焊接工艺后,在平行于焊缝的方向上,距离叶片出水边为80mm的范围内残余应力得到明显的降低,而且在出水边区域转变成压应力;而在距离超过80mm时,两种焊接工艺条件下的残余应力值的差距越来越小.图7为优化焊接工艺条件下,叶片出水边易开裂区域残余应力与出水边焊段长度的关系,其中测试位置分别为叶片出水边焊缝区、熔合区以及距离熔合区20mm的近缝区热影响区上.可以看出,出水边焊段长度在100mm范围时,叶片出水边焊缝区、熔合区及近缝区热影响区的焊接残余应力均为压应力,而且随着焊段长度的增加,残余压应力逐渐减小.4残余应力的局部压应力化(1)转轮出水边接头区域存在较高的残余拉应力,当转轮出水边焊段长度小于100mm时,可有效降低残余拉应力峰值.(2)在原有焊接工艺条件下,转轮出水边焊接接头区域存在较高的残余拉应力,