局部锤击法在水轮机轮焊中的应用

局部锤击法在水轮机轮焊中的应用

0齿轮残余拉应力的解决途径在发电站的实际运行中，大多数手机座在一定程度上存在短期叶片断裂。这种缺陷是在施工后发生的。开口的位置是叶片表面附近的焊接点附近的一片叶子。水轮机转轮出现裂纹后,会大大降低水电站的工作效率,造成巨大的经济损失。针对叶片的开裂问题,国内外的科研工作者提出了一些解决转轮裂纹的方法,如在下环焊缝中部安装楔子板、在下环焊缝外面增加加强板、在下环的上下端部先焊上搭块与焊前在上冠处装上假轴等。但这些方法的实际效果不是很好,且不能从根本上解决转轮叶片的裂纹问题。叶片的裂纹属于疲劳裂纹,而受力状态是叶片产生疲劳裂纹的关键因素之一。在水轮机的工作运行中,转轮叶片的应力来源主要是工作应力和内应力两种。工作应力主要与水轮机的工作环境有关;内应力则主要来源于焊接残余应力。研究发现,工作应力峰值的出现位置与焊接残余拉应力峰值一致,都是在叶片出水边的焊缝附近。由于对于一个具体的转轮结构来说,它的工作应力是固定不变的,因此解决转轮的开裂问题只能从改善转轮的焊接残余应力分布状态入手进行研究,通过降低叶片危险区域的焊接残余拉应力从根本上解决转轮的开裂问题。针对焊接残余拉应力是由残余压缩塑性变形产生的情况,设想如果采用某种工艺降低叶片危险区域的残余压缩塑性变形,则可以降低焊接残余拉应力,甚至变成残余压应力。作者利用数值模拟的方法研究了局部锤击法对转轮焊接残余应力状态的影响,并利用真机试验验证了局部锤击法的合理性与正确性。1车轮模型的构建1.1模型网格划分混流式水轮机转轮的结构复杂,叶片的形状既弯又扭,叶片断面形状为翼形,且数量一般为9～15片,为水轮机的数值模拟带来很大的困难。但由于叶片分布是均匀的,为了简化计算,取一片叶片作为研究对象进行分析。其简化后模型的网格划分情况如图1所示。该模型选用10节点四面体单元,转轮整体共34013个单元,8560个节点。由于叶片与上冠或叶片与下环用焊接方法连接,因此,接触区域(焊缝)附近单元细分,而远离此区域的部分单元较大。这样在尽可能地缩短计算效率的前提下,也可以保证数值模拟工作的计算精度。1.2料、料和用量叶片、上冠、下环以及焊接过程中所采用的焊丝材料皆为1Cr12NiWMoNb。焊接方法为熔化极气体保护焊(GMAW),电弧电压为30V,焊接电流为240A,焊接速度为5mm/s。1.3护气体模型由于水轮机转轮叶片与上冠或叶片与下环通过焊接方式连接,所以焊接热源在模拟中的加载是一个重要的问题。由于实际转轮的焊接方法为熔化极气体保护焊,保护气体是CO2,在数值模拟过程中采用椭球形移动热源,其表达式为q(x,y,z,t)=63√Qπabcπ√e−3x2/a2e−3y2/b2e−3[z+v(∂−t)]2/c2q(x,y,z,t)=63Qπabcπe-3x2/a2e-3y2/b2e-3[z+v(∂-t)]2/c2式中:v表示焊接速度;Q表示热输入率;a,b与c是参数,其值分别为5.0mm,4.0mm,5.0mm;t表示焊接时间;∂表示焊接热源的滞后时间。1.4锤击法:以克氏原螯虾的残余拉伸塑性变形形成局部锤击法是从减小叶片危险区域残余压缩塑性变形的角度提出来的。焊接残余拉应力是由残余压缩塑性变形产生的,而锤击法恰好可以起到降低锤击区域的残余压缩塑性变形甚至产生残余拉伸塑性变形的作用。在数值模拟过程中,锤击力利用非线性有限元软件Marc中的力加载选项“FaceLoad”施加,并且锤击力采用随焊锤击的方式进行施加,当转轮焊后的温度达到室温时,锤击力卸载。2叶片在焊缝上的残余应力分析混流式水轮机转轮叶片形状非常复杂,即曲又弯,叶片的厚度随位置的不同而改变。在模拟过程中,根据叶片焊缝不同区域的厚度来决定此区域在焊接过程中应该填充的层数。另外,针对叶片裂纹的产生主要与横向残余应力有关,下面主要对叶片的横向残余应力进行讨论。由于转轮的危险区域是在叶片出水边的焊缝附近,为了便于观察,将此区域放大进行研究。图2是混流式水轮机转轮焊后的残余应力场的分布情况,通过分析可知,叶片出水边处的残余拉应力最大值主要出现在焊缝的熔合线附近。图3是叶片出水边上在随焊锤击情况下的残余应力与普通焊情况的比较,其中锤击力是300MPa,且当锤击部位的温度在600℃左右时锤击过程开始。通过分析可知,当锤击部位的温度在600℃时,叶片出水边上焊缝附近的残余应力峰值明显低于普通焊的情况。图4是叶片出水边熔合线上点的残余应力与锤击温度的关系,其中温度为0时的点表示普通焊时的残余应力。通过分析可知,锤击法降低叶片危险区域残余应力的效果与锤击部位的温度有很大的关系。当锤击温度低于500℃时,残余应力降低的效果不明显,当温度高于500℃时,残余应力降低的效果非常明显。这是由1Cr12NiWMoNb的塑性变形温度是522℃所造成的。3残余应力的测量为了验证局部锤击法的正确性,对某水站某型号转轮进行了局部锤击法的研究。在试验过程中,锤击部位在叶片出水边焊缝附近的50mm范围内;在焊缝刚完成时,立刻利用风铲在相应部位进行锤击。由于锤击面积(即焊缝面积)比较小,因此在锤击过程中,可以保证锤击部位的温度在500℃以上。利用盲孔法在焊后的转轮上进行应力的测量。盲孔法属于残余应力测量的部分释放法。按小孔法测量残余应力时需先在各测点部位贴上应变片,然后在紧靠应变片的适当位置钻一小孔,根据应力释放前后应变片所测得的应变差,可借助弹性理论推算出试件内的残余应力(应力测量装置采用机械工业部郑州研究所生产的YC-Ⅲ型应力测量仪)。图5是分段焊后应力测量位置分布图,图6是贴有应变花的转轮局部放大图。其中沿叶片出水边且垂直焊缝方向共测5个点。其中点1位于焊缝区域,点2到点5位于熔合线到离熔合线60mm的区域且点2至点5的距离平均分配。并且在离熔合线20mm与40mm的位置上,沿焊缝方向上共测5个点,每点的距离是30mm。图7是叶片出水边上的残余应力沿垂直焊缝方向上的分布,其中距离表示测量点到下环的位置。图8是叶片出水边附近的残余应力沿平行于焊缝方向上的分布,其中距离表示点到叶片出水边的位置,且图中测量点到转轮熔合线的距离是20mm。通过分析可知,在焊接过程中进行锤击时,在降低锤击部位与相邻区域的残余应力的同时,增加了远离焊缝区域的残余应力数值;叶片危险区域的残余拉应力峰值从普通工艺的411.9MPa降低到132.6MPa,仅相当于普通工艺的三分之一左右。由于混流式水轮机转轮产生裂纹的区域大部分是焊缝以及距离熔合线20mm的范围内,因此锤击法有利于改善叶片出水边危险区域的应力状态。4设置焊接残余应力(1)利用数值模拟的方法研究了局部锤击法对转轮叶片出水边附近残余应力场的影响。结果表明,局部锤击法可以起到降低锤击部位的焊接残余拉应力的作用。当锤击部位的温度接近或