混流式轉(zhuǎn)矩焊接殘余應(yīng)力分析

混流式轉(zhuǎn)矩焊接殘余應(yīng)力分析

0混流式轉(zhuǎn)輪分段焊接工藝優(yōu)化車輪是該工藝最重要的部件之一，其質(zhì)量直接影響到該工藝的工作效率和使用壽命。在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中，每一輪的失敗形式都是由動(dòng)態(tài)加載造成的疲勞。在葉片連接到下環(huán)或上下冠的t形焊接頭的地區(qū)，由于應(yīng)力集中，這兩個(gè)區(qū)域的局部應(yīng)力最高，因此是疲勞最危險(xiǎn)的區(qū)域。在實(shí)際運(yùn)行中，大多數(shù)旋轉(zhuǎn)輪和這兩個(gè)區(qū)域的葉片表面都會(huì)發(fā)生短期斷裂。這種斷裂是不可預(yù)測(cè)的，它會(huì)發(fā)生在設(shè)計(jì)使用壽命中，這不僅會(huì)嚴(yán)重影響旋轉(zhuǎn)的使用壽命，還會(huì)發(fā)生葉片斷裂，造成嚴(yán)重的損壞，嚴(yán)重影響礦山的安全運(yùn)行?；炝魇剿啓C(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)在工作運(yùn)行中葉片應(yīng)力的來源有工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力.工作應(yīng)力主要與水輪機(jī)的工作環(huán)境有關(guān),內(nèi)應(yīng)力主要來源于焊接應(yīng)力,焊接應(yīng)力是在轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)制造過程中產(chǎn)生的.焊接殘余應(yīng)力是焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)局部區(qū)域發(fā)生不可逆的塑性變形所致的自平衡應(yīng)力,其拉應(yīng)力與壓應(yīng)力同時(shí)產(chǎn)生而又相互平衡.殘余拉應(yīng)力的存在大大降低了轉(zhuǎn)輪的抗疲勞強(qiáng)度,消除焊接接頭應(yīng)力集中處的殘余拉應(yīng)力或使該處產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力都可以提高接頭的疲勞強(qiáng)度.對(duì)于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪,采用整體退火的方法可以起到殘余應(yīng)力均勻化和降低殘余應(yīng)力峰值的作用,然而機(jī)組實(shí)際運(yùn)行證明,對(duì)提高轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度的作用非常有限.基于以上原因,采用有限元數(shù)值模擬及真機(jī)試驗(yàn)的方法對(duì)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪分段焊接工藝進(jìn)行了優(yōu)化,以此來降低易開裂區(qū)域的殘余拉應(yīng)力,調(diào)控轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的應(yīng)力分布狀態(tài),將焊接殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力,實(shí)現(xiàn)混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力局部壓應(yīng)力化.對(duì)提高轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命,指導(dǎo)混流式轉(zhuǎn)輪的制造有著重要的理論意義和實(shí)際工程意義.1混流式織物的數(shù)值模擬由于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,因此在對(duì)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,利用非線性有限元軟件MSC.MARC/MENTAT對(duì)混流式水輪機(jī)簡(jiǎn)化模型焊接過程的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬.圖1是轉(zhuǎn)輪模擬件有限元網(wǎng)格的劃分,在數(shù)值模擬過程中,葉片、上冠、下環(huán)以及焊接材料均為0Cr13Ni5Mo.2焊接殘余應(yīng)力分析在分段焊接過程中,后完成焊段的殘余壓縮塑性變形對(duì)鄰近區(qū)域產(chǎn)生影響,增加了鄰近區(qū)域的殘余拉伸塑性變形,結(jié)果將造成此區(qū)域的應(yīng)力值下降.因此為降低葉片出水邊接頭區(qū)域的殘余應(yīng)力值,在數(shù)值模擬過程中,首先完成出水邊焊段L3的焊接,焊接過程起弧于出水邊,然后完成進(jìn)水邊焊段L1的焊接,焊接過程起弧于靠近出水邊的一側(cè),最后完成中間L2的焊接,由靠近進(jìn)水邊一側(cè)起弧,收弧于靠近出水邊一側(cè),如圖2所示.采用熔化極氣體保護(hù)焊,電弧電壓25V,焊接電流210A,焊接速度為5mm/s.焊接殘余應(yīng)力分布如圖2所示.從圖2中可以看到,焊接殘余拉應(yīng)力場(chǎng)出現(xiàn)在焊縫及其附近區(qū)域,在出水邊L3的兩端A,B出現(xiàn)低拉應(yīng)力區(qū),焊縫的中間區(qū)域C出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值.由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的疲勞開裂主要與垂直于開裂方向的z向應(yīng)力有關(guān),因此主要針對(duì)z向的焊接殘余應(yīng)力σz進(jìn)行了分析.圖3為出水邊焊段的長(zhǎng)度對(duì)出水邊易開裂區(qū)域z向殘余應(yīng)力σz的影響,可以看到,在L3增加的過程中,易開裂區(qū)殘余應(yīng)力存在一個(gè)低拉應(yīng)力區(qū)間.當(dāng)L3很小時(shí),殘余應(yīng)力值很高,而當(dāng)L3長(zhǎng)度增加到一定值后,殘余應(yīng)力增加到一定數(shù)值并趨于穩(wěn)定.這是因?yàn)樵谥虚g段的焊接過程中,當(dāng)焊接熱源位于B點(diǎn)附近時(shí),該區(qū)域的金屬熔化,由于受周圍金屬的拘束,產(chǎn)生很大的壓縮塑性變形,因此A點(diǎn)附近就會(huì)受到影響而產(chǎn)生拉伸塑性變形.在隨后的冷卻過程中,B點(diǎn)附近區(qū)域的壓縮塑性變形不能完全的消失,產(chǎn)生較大的拉伸殘余應(yīng)力,相反地,A點(diǎn)附近區(qū)域所受到的拉伸塑性變形也不能完全消失,這樣就會(huì)抵消一部分在焊接段L3時(shí)在A點(diǎn)附近產(chǎn)生的壓縮塑性變形,造成A點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力降低,這就是L3越小,A點(diǎn)的殘余拉應(yīng)力越低的原因.但是當(dāng)距離足夠小時(shí),A點(diǎn)與B點(diǎn)趨于重合,相當(dāng)于對(duì)A點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行了第二次焊接,致使殘余拉應(yīng)力值反而升高.對(duì)于大型混流式轉(zhuǎn)輪,出水邊焊段長(zhǎng)度均在100mm以上,焊后出水邊的殘余拉應(yīng)力值很高,嚴(yán)重降低了轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能,又由于轉(zhuǎn)輪出水邊的厚度最小,強(qiáng)度較低.因此在實(shí)際運(yùn)行過程中,該區(qū)域易發(fā)生疲勞開裂.由以上結(jié)果和分析可知,適當(dāng)調(diào)節(jié)出水邊焊段長(zhǎng)度,能夠有效降低轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的殘余拉應(yīng)力,可有效提高轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命.3殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析混流式轉(zhuǎn)輪的原有焊接工藝是由轉(zhuǎn)輪葉片的中間部位開始焊起,采取退步分段焊接的方法完成整個(gè)轉(zhuǎn)輪的焊接.相對(duì)于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊而言,第一,在完成中間段的焊接之后,最后完成出水邊的焊接;第二,由遠(yuǎn)離出水邊一側(cè)啟弧,而在出水邊一側(cè)收弧.結(jié)合數(shù)值模擬的分析結(jié)果,獲得的優(yōu)化的轉(zhuǎn)輪焊接工藝為首先完成出水邊的焊接,焊接過程起弧于出水邊,然后完成進(jìn)水邊的焊接,而中間所有焊段由靠近進(jìn)水邊一側(cè)起弧,收弧于靠近出水邊一側(cè),順次完成轉(zhuǎn)輪的焊接.分別采用優(yōu)化及原有的焊接工藝對(duì)真機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了焊接,焊接完成后,采用盲孔法對(duì)葉片出水邊垂直于焊道方向的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試,應(yīng)力測(cè)試裝置為YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)量?jī)x,測(cè)試位置分布如圖4所示.圖5為葉片出水邊附近σz沿垂直于焊縫方向的分布(圖5中距離為測(cè)試點(diǎn)至下環(huán)的最近距離),可以看出,采用原有工藝進(jìn)行焊接時(shí),在轉(zhuǎn)輪葉片易開裂區(qū)域(焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū))存在較高的殘余拉應(yīng)力,而壓應(yīng)力出現(xiàn)在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域,并且在熔合區(qū)附近出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值.采用優(yōu)化的焊接工藝進(jìn)行焊接時(shí),轉(zhuǎn)輪易開裂區(qū)域的焊接殘余應(yīng)力分布發(fā)生明顯變化,葉片出水邊附近沿垂直于焊縫方向的殘余應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力,在距離下環(huán)80mm的范圍內(nèi)產(chǎn)生了100MPa以上的殘余壓應(yīng)力,而且越靠近出水邊,殘余壓應(yīng)力值越大.這種應(yīng)力分布狀態(tài)可有效提高轉(zhuǎn)輪的抗疲勞性能.圖6為σz沿平行于焊縫方向的分布(圖6中距離表示測(cè)試點(diǎn)至葉片出水邊的距離),其中所有測(cè)試點(diǎn)距離熔合區(qū)的距離均為20mm.可以看出,與原有工藝相比,采用優(yōu)化的焊接工藝后,在平行于焊縫的方向上,距離葉片出水邊為80mm的范圍內(nèi)殘余應(yīng)力得到明顯的降低,而且在出水邊區(qū)域轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力;而在距離超過80mm時(shí),兩種焊接工藝條件下的殘余應(yīng)力值的差距越來越小.圖7為優(yōu)化焊接工藝條件下,葉片出水邊易開裂區(qū)域殘余應(yīng)力與出水邊焊段長(zhǎng)度的關(guān)系,其中測(cè)試位置分別為葉片出水邊焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及距離熔合區(qū)20mm的近縫區(qū)熱影響區(qū)上.可以看出,出水邊焊段長(zhǎng)度在100mm范圍時(shí),葉片出水邊焊縫區(qū)、熔合區(qū)及近縫區(qū)熱影響區(qū)的焊接殘余應(yīng)力均為壓應(yīng)力,而且隨著焊段長(zhǎng)度的增加,殘余壓應(yīng)力逐漸減小.4殘余應(yīng)力的局部壓應(yīng)力化(1)轉(zhuǎn)輪出水邊接頭區(qū)域存在較高的殘余拉應(yīng)力,當(dāng)轉(zhuǎn)輪出水邊焊段長(zhǎng)度小于100mm時(shí),可有效降低殘余拉應(yīng)力峰值.(2)在原有焊接工藝條件下,轉(zhuǎn)輪出水邊焊接接頭區(qū)域存在較高的殘余拉應(yīng)力,