水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪分段焊工藝殘余應(yīng)力測(cè)量與分析

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪工作過程中出現(xiàn)疲勞裂紋是所有水輪機(jī)普遍存在的問題，這種現(xiàn)象會(huì)大大降低水電站的工作效率，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)于一個(gè)具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說，由于它的材料選擇是不變的，因此轉(zhuǎn)輪的受力狀態(tài)是導(dǎo)致葉片出現(xiàn)疲勞裂紋的關(guān)鍵因素。在水輪機(jī)工作運(yùn)行中，轉(zhuǎn)輪葉片的應(yīng)力來源主要有工作應(yīng)力和焊接殘余應(yīng)力。研究發(fā)現(xiàn)，工作應(yīng)力峰值出現(xiàn)位置與焊接殘余拉應(yīng)力峰值一致，都是在葉片出水邊的焊縫附近。對(duì)于一個(gè)具體的轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)來說，它的工作應(yīng)力是固定不變的，因此解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題*一途徑是優(yōu)化焊接工藝，以改善轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。通過降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域的焊接殘余拉應(yīng)力，可以從根本上解決轉(zhuǎn)輪的開裂問題。

對(duì)于一個(gè)普通的焊接構(gòu)件來說，焊縫區(qū)的殘余拉應(yīng)力是由殘余壓縮塑性變形引起的，此區(qū)域的殘余壓縮塑性變形會(huì)影響周圍區(qū)域，使鄰近環(huán)縫的區(qū)域產(chǎn)生了較大的焊接殘余壓應(yīng)力。針對(duì)這種情況，可以利用分段焊的方法對(duì)葉片危險(xiǎn)區(qū)域附近的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了調(diào)控，使轉(zhuǎn)輪的葉片危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生焊接殘余壓應(yīng)力。

轉(zhuǎn)輪分段焊優(yōu)化工藝的確定

根據(jù)葉片的危險(xiǎn)區(qū)域是在葉片出水邊的焊縫附近，在轉(zhuǎn)輪的分段焊焊接過程中，采用先焊兩端后焊中間的方法，后焊焊段對(duì)葉片危險(xiǎn)區(qū)域的殘余拉應(yīng)力造成影響，導(dǎo)致此區(qū)域的拉應(yīng)力數(shù)值下降，甚至變成殘余壓應(yīng)力。

分段焊的分段方式如圖1所示，圖中的①，②和③分別表示葉片焊縫區(qū)域焊段的編號(hào)，④和⑤分別表示葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角編號(hào)。

具體的焊接工藝如下

1. 焊前預(yù)熱：100-120℃，預(yù)熱可根據(jù)實(shí)際情況，采用履帶式電加熱器加熱的方法。

2. 焊接方法：采用氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為78%Ar+22%CO₂。

3. 焊接參數(shù)：焊接電流為240A，電弧電壓為30V，層間溫度不高150℃。

4. 焊段長度：葉片出水邊的焊段②控制在40-90mm范圍內(nèi)，焊段③控制在90-110mm范圍內(nèi)，焊段位置包括葉片與上冠之間以及葉片與下環(huán)之間兩處。

5. 葉片圓角：葉片出水端與進(jìn)水端的過渡圓角（④和⑤）在進(jìn)行葉片中間焊段焊①前全部完成。

轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力測(cè)量

采用盲孔法對(duì)焊后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量。儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀和JHZK殘余應(yīng)力精密鉆孔裝置組成。儀器軟件操作，自動(dòng)實(shí)時(shí)計(jì)算殘余應(yīng)力，并實(shí)時(shí)顯示和保存應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值，精度高，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確。

應(yīng)變測(cè)點(diǎn)選擇；沿葉片出水邊且垂直焊縫方向共測(cè)5個(gè)點(diǎn)；在離熔合線20mm與40mm的位置上，沿焊縫方向上共測(cè)5個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)的距離是30mm。

圖2是當(dāng)葉片出水邊焊段長度是60mm時(shí)，葉片出水邊附近橫向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布，圖中的距離表示點(diǎn)到下環(huán)的最近距離。從圖中可以看出，按非分段焊接工藝進(jìn)行焊接時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片在焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū)出現(xiàn)橫向殘余拉應(yīng)力，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域出現(xiàn)殘余壓應(yīng)力，并且在熔合線附件出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。按分段焊工藝進(jìn)行焊接時(shí)，葉片出水邊附近沿垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力全部為殘余壓應(yīng)力。這一結(jié)果有效地證明了分段焊可以降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域的殘余拉應(yīng)力峰值，并且如果在焊段長度選擇合理的情況下，甚至可以將葉片危險(xiǎn)區(qū)域的橫向殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力。

圖3是當(dāng)葉片出水邊焊段長度是60mm時(shí)，橫向殘余應(yīng)力沿平行于焊縫方向的應(yīng)力分布情況，其中距離表示點(diǎn)到葉片出水邊的距離，同時(shí)所有點(diǎn)距離焊縫熔合線的距離都是20mm。

通過分析可以看出，在平行于焊縫的方向上，分段焊的殘余應(yīng)力在距離葉片出水邊為80mm的范圍內(nèi)，與普通焊相比，殘余應(yīng)力明顯降低，并且變成壓應(yīng)力；而距離超過80mm時(shí)，分段焊與非分段焊殘余應(yīng)力值的差距越來越小。在分段焊過程中，當(dāng)焊縫兩端完成進(jìn)行中間段的焊接時(shí)，中間焊段的殘余壓縮塑性變形會(huì)影響鄰近區(qū)域，增加了鄰近區(qū)域的殘余拉伸塑性變形，造成此區(qū)域的應(yīng)力值下降。

圖4是分段焊葉片出水邊上的殘余應(yīng)力與出水邊焊段長度的關(guān)系，其中圖中點(diǎn)1、2與點(diǎn)3的位置分別在焊縫、熔合線以及距離熔合線20mm的位置。通過分析可知，當(dāng)葉片出水邊焊段的長度是40mm時(shí)，葉片出水變附近的殘余應(yīng)力最小，隨著長度的增加，殘余應(yīng)力逐漸增加。此結(jié)果與平板焊的結(jié)果基本相同，進(jìn)一步說明了平板試驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性。

結(jié)論

1. 采用先焊葉片出水邊焊段，后焊中間焊段的分段焊方法，能有效降低葉片危險(xiǎn)區(qū)域附近的殘余拉應(yīng)力峰值，并產(chǎn)生了焊接殘余壓應(yīng)力；在垂直于焊縫方向上，隨著到焊縫熔合線距離的加大，降低效果逐漸減小。

2. 當(dāng)葉片出水邊焊段長度在40mm-90mm的范圍內(nèi)，殘余應(yīng)力的降低效果隨著葉片出水邊焊段長度的增加而減小；當(dāng)葉片出水邊焊段的長度為40mm，危險(xiǎn)區(qū)域產(chǎn)生了約為-350MPa的焊接殘余壓應(yīng)力。