水轮机转轮分段焊工艺残余应力测量与分析

水轮机转轮工作过程中出现疲劳裂纹是所有水轮机普遍存在的问题，这种现象会大大降低水电站的工作效率，造成巨大的经济损失。对于一个具体的转轮结构来说，由于它的材料选择是不变的，因此转轮的受力状态是导致叶片出现疲劳裂纹的关键因素。在水轮机工作运行中，转轮叶片的应力来源主要有工作应力和焊接残余应力。研究发现，工作应力峰值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。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的途径是优化焊接工艺，以改善转轮的焊接残余应力分布状态。通过降低叶片危险区域的焊接残余拉应力，可以从根本上解决转轮的开裂问题。

对于一个普通的焊接构件来说，焊缝区的残余拉应力是由残余压缩塑性变形引起的，此区域的残余压缩塑性变形会影响周围区域，使邻近环缝的区域产生了较大的焊接残余压应力。针对这种情况，可以利用分段焊的方法对叶片危险区域附近的焊接残余应力场进行了调控，使转轮的叶片危险区域产生焊接残余压应力。

转轮分段焊优化工艺的确定

根据叶片的危险区域是在叶片出水边的焊缝附近，在转轮的分段焊焊接过程中，采用先焊两端后焊中间的方法，后焊焊段对叶片危险区域的残余拉应力造成影响，导致此区域的拉应力数值下降，甚至变成残余压应力。

分段焊的分段方式如图1所示，图中的①，②和③分别表示叶片焊缝区域焊段的编号，④和⑤分别表示叶片出水端与进水端的过渡圆角编号。

具体的焊接工艺如下

1. 焊前预热：100-120℃，预热可根据实际情况，采用履带式电加热器加热的方法。

2. 焊接方法：采用气体保护焊，保护气体为78%Ar+22%CO₂。

3. 焊接参数：焊接电流为240A，电弧电压为30V，层间温度不高150℃。

4. 焊段长度：叶片出水边的焊段②控制在40-90mm范围内，焊段③控制在90-110mm范围内，焊段位置包括叶片与上冠之间以及叶片与下环之间两处。

5. 叶片圆角：叶片出水端与进水端的过渡圆角（④和⑤）在进行叶片中间焊段焊①前全部完成。

转轮焊接残余应力测量

采用盲孔法对焊后的转轮进行残余应力测量。仪器采用南京聚航科技有限公司的JHMK残余应力测试系统，由JHYC静态应变仪和JHZK残余应力精密钻孔装置组成。仪器软件操作，自动实时计算残余应力，并实时显示和保存应力应变数值，精度高，测量结果准确。

应变测点选择；沿叶片出水边且垂直焊缝方向共测5个点；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2是当叶片出水边焊段长度是60mm时，叶片出水边附近横向残余应力沿垂直于焊缝方向的分布，图中的距离表示点到下环的最近距离。从图中可以看出，按非分段焊接工艺进行焊接时，转轮叶片在焊缝及其热影响区的近缝区出现横向残余拉应力，在远离焊缝的区域出现残余压应力，并且在熔合线附件出现残余拉应力的峰值。按分段焊工艺进行焊接时，叶片出水边附近沿垂直于焊缝方向的残余应力全部为残余压应力。这一结果有效地证明了分段焊可以降低叶片危险区域的残余拉应力峰值，并且如果在焊段长度选择合理的情况下，甚至可以将叶片危险区域的横向残余应力变为压应力。

图3是当叶片出水边焊段长度是60mm时，横向残余应力沿平行于焊缝方向的应力分布情况，其中距离表示点到叶片出水边的距离，同时所有点距离焊缝熔合线的距离都是20mm。

通过分析可以看出，在平行于焊缝的方向上，分段焊的残余应力在距离叶片出水边为80mm的范围内，与普通焊相比，残余应力明显降低，并且变成压应力；而距离超过80mm时，分段焊与非分段焊残余应力值的差距越来越小。在分段焊过程中，当焊缝两端完成进行中间段的焊接时，中间焊段的残余压缩塑性变形会影响邻近区域，增加了邻近区域的残余拉伸塑性变形，造成此区域的应力值下降。

图4是分段焊叶片出水边上的残余应力与出水边焊段长度的关系，其中图中点1、2与点3的位置分别在焊缝、熔合线以及距离熔合线20mm的位置。通过分析可知，当叶片出水边焊段的长度是40mm时，叶片出水变附近的残余应力最小，随着长度的增加，残余应力逐渐增加。此结果与平板焊的结果基本相同，进一步说明了平板试验设计的合理性。

结论

1. 采用先焊叶片出水边焊段，后焊中间焊段的分段焊方法，能有效降低叶片危险区域附近的残余拉应力峰值，并产生了焊接残余压应力；在垂直于焊缝方向上，随着到焊缝熔合线距离的加大，降低效果逐渐减小。

2. 当叶片出水边焊段长度在40mm-90mm的范围内，残余应力的降低效果随着叶片出水边焊段长度的增加而减小；当叶片出水边焊段的长度为40mm，危险区域产生了约为-350MPa的焊接残余压应力。