局部錘擊法在水輪機輪焊中的應用

局部錘擊法在水輪機輪焊中的應用

0齒輪殘余拉應力的解決途徑在發(fā)電站的實際運行中，大多數手機座在一定程度上存在短期葉片斷裂。這種缺陷是在施工后發(fā)生的。開口的位置是葉片表面附近的焊接點附近的一片葉子。水輪機轉輪出現(xiàn)裂紋后,會大大降低水電站的工作效率,造成巨大的經濟損失。針對葉片的開裂問題,國內外的科研工作者提出了一些解決轉輪裂紋的方法,如在下環(huán)焊縫中部安裝楔子板、在下環(huán)焊縫外面增加加強板、在下環(huán)的上下端部先焊上搭塊與焊前在上冠處裝上假軸等。但這些方法的實際效果不是很好,且不能從根本上解決轉輪葉片的裂紋問題。葉片的裂紋屬于疲勞裂紋,而受力狀態(tài)是葉片產生疲勞裂紋的關鍵因素之一。在水輪機的工作運行中,轉輪葉片的應力來源主要是工作應力和內應力兩種。工作應力主要與水輪機的工作環(huán)境有關;內應力則主要來源于焊接殘余應力。研究發(fā)現(xiàn),工作應力峰值的出現(xiàn)位置與焊接殘余拉應力峰值一致,都是在葉片出水邊的焊縫附近。由于對于一個具體的轉輪結構來說,它的工作應力是固定不變的,因此解決轉輪的開裂問題只能從改善轉輪的焊接殘余應力分布狀態(tài)入手進行研究,通過降低葉片危險區(qū)域的焊接殘余拉應力從根本上解決轉輪的開裂問題。針對焊接殘余拉應力是由殘余壓縮塑性變形產生的情況,設想如果采用某種工藝降低葉片危險區(qū)域的殘余壓縮塑性變形,則可以降低焊接殘余拉應力,甚至變成殘余壓應力。作者利用數值模擬的方法研究了局部錘擊法對轉輪焊接殘余應力狀態(tài)的影響,并利用真機試驗驗證了局部錘擊法的合理性與正確性。1車輪模型的構建1.1模型網格劃分混流式水輪機轉輪的結構復雜,葉片的形狀既彎又扭,葉片斷面形狀為翼形,且數量一般為9～15片,為水輪機的數值模擬帶來很大的困難。但由于葉片分布是均勻的,為了簡化計算,取一片葉片作為研究對象進行分析。其簡化后模型的網格劃分情況如圖1所示。該模型選用10節(jié)點四面體單元,轉輪整體共34013個單元,8560個節(jié)點。由于葉片與上冠或葉片與下環(huán)用焊接方法連接,因此,接觸區(qū)域(焊縫)附近單元細分,而遠離此區(qū)域的部分單元較大。這樣在盡可能地縮短計算效率的前提下,也可以保證數值模擬工作的計算精度。1.2料、料和用量葉片、上冠、下環(huán)以及焊接過程中所采用的焊絲材料皆為1Cr12NiWMoNb。焊接方法為熔化極氣體保護焊(GMAW),電弧電壓為30V,焊接電流為240A,焊接速度為5mm/s。1.3護氣體模型由于水輪機轉輪葉片與上冠或葉片與下環(huán)通過焊接方式連接,所以焊接熱源在模擬中的加載是一個重要的問題。由于實際轉輪的焊接方法為熔化極氣體保護焊,保護氣體是CO2,在數值模擬過程中采用橢球形移動熱源,其表達式為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表示熱輸入率;a,b與c是參數,其值分別為5.0mm,4.0mm,5.0mm;t表示焊接時間;?表示焊接熱源的滯后時間。1.4錘擊法:以克氏原螯蝦的殘余拉伸塑性變形形成局部錘擊法是從減小葉片危險區(qū)域殘余壓縮塑性變形的角度提出來的。焊接殘余拉應力是由殘余壓縮塑性變形產生的,而錘擊法恰好可以起到降低錘擊區(qū)域的殘余壓縮塑性變形甚至產生殘余拉伸塑性變形的作用。在數值模擬過程中,錘擊力利用非線性有限元軟件Marc中的力加載選項“FaceLoad”施加,并且錘擊力采用隨焊錘擊的方式進行施加,當轉輪焊后的溫度達到室溫時,錘擊力卸載。2葉片在焊縫上的殘余應力分析混流式水輪機轉輪葉片形狀非常復雜,即曲又彎,葉片的厚度隨位置的不同而改變。在模擬過程中,根據葉片焊縫不同區(qū)域的厚度來決定此區(qū)域在焊接過程中應該填充的層數。另外,針對葉片裂紋的產生主要與橫向殘余應力有關,下面主要對葉片的橫向殘余應力進行討論。由于轉輪的危險區(qū)域是在葉片出水邊的焊縫附近,為了便于觀察,將此區(qū)域放大進行研究。圖2是混流式水輪機轉輪焊后的殘余應力場的分布情況,通過分析可知,葉片出水邊處的殘余拉應力最大值主要出現(xiàn)在焊縫的熔合線附近。圖3是葉片出水邊上在隨焊錘擊情況下的殘余應力與普通焊情況的比較,其中錘擊力是300MPa,且當錘擊部位的溫度在600℃左右時錘擊過程開始。通過分析可知,當錘擊部位的溫度在600℃時,葉片出水邊上焊縫附近的殘余應力峰值明顯低于普通焊的情況。圖4是葉片出水邊熔合線上點的殘余應力與錘擊溫度的關系,其中溫度為0時的點表示普通焊時的殘余應力。通過分析可知,錘擊法降低葉片危險區(qū)域殘余應力的效果與錘擊部位的溫度有很大的關系。當錘擊溫度低于500℃時,殘余應力降低的效果不明顯,當溫度高于500℃時,殘余應力降低的效果非常明顯。這是由1Cr12NiWMoNb的塑性變形溫度是522℃所造成的。3殘余應力的測量為了驗證局部錘擊法的正確性,對某水站某型號轉輪進行了局部錘擊法的研究。在試驗過程中,錘擊部位在葉片出水邊焊縫附近的50mm范圍內;在焊縫剛完成時,立刻利用風鏟在相應部位進行錘擊。由于錘擊面積(即焊縫面積)比較小,因此在錘擊過程中,可以保證錘擊部位的溫度在500℃以上。利用盲孔法在焊后的轉輪上進行應力的測量。盲孔法屬于殘余應力測量的部分釋放法。按小孔法測量殘余應力時需先在各測點部位貼上應變片,然后在緊靠應變片的適當位置鉆一小孔,根據應力釋放前后應變片所測得的應變差,可借助彈性理論推算出試件內的殘余應力(應力測量裝置采用機械工業(yè)部鄭州研究所生產的YC-Ⅲ型應力測量儀)。圖5是分段焊后應力測量位置分布圖,圖6是貼有應變花的轉輪局部放大圖。其中沿葉片出水邊且垂直焊縫方向共測5個點。其中點1位于焊縫區(qū)域,點2到點5位于熔合線到離熔合線60mm的區(qū)域且點2至點5的距離平均分配。并且在離熔合線20mm與40mm的位置上,沿焊縫方向上共測5個點,每點的距離是30mm。圖7是葉片出水邊上的殘余應力沿垂直焊縫方向上的分布,其中距離表示測量點到下環(huán)的位置。圖8是葉片出水邊附近的殘余應力沿平行于焊縫方向上的分布,其中距離表示點到葉片出水邊的位置,且圖中測量點到轉輪熔合線的距離是20mm。通過分析可知,在焊接過程中進行錘擊時,在降低錘擊部位與相鄰區(qū)域的殘余應力的同時,增加了遠離焊縫區(qū)域的殘余應力數值;葉片危險區(qū)域的殘余拉應力峰值從普通工藝的411.9MPa降低到132.6MPa,僅相當于普通工藝的三分之一左右。由于混流式水輪機轉輪產生裂紋的區(qū)域大部分是焊縫以及距離熔合線20mm的范圍內,因此錘擊法有利于改善葉片出水邊危險區(qū)域的應力狀態(tài)。4設置焊接殘余應力(1)利用數值模擬的方法研究了局部錘擊法對轉輪葉片出水邊附近殘余應力場的影響。結果表明,局部錘擊法可以起到降低錘擊部位的焊接殘余拉應力的作用。當錘擊部位的溫度接近或