水轮机叶片焊接残余应力与焊接工艺优化研究

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近年来,随着国内水电资源的大力投入使用,水力机组的安全设计也越来越受到关注。通过大量的运行实例,与水轮机的空蚀空化并列的破坏方式是,水轮机转轮焊接部位的裂纹破坏。因此,焊接质量的好坏直接影响到水轮机的安全运行。  本文主要对水轮机叶片的焊接工艺进行探讨。前期结合实际运行中的特定工况,先对水轮机叶片进行流场计算,将所得结果施加至叶片的固体域上,对叶片进行受力分析,确定运行过程中的危险部位。后期应用热-固耦的计算方法,对转轮叶片先进行热分析,再进行热应力分析。通过比较四种不同焊接工艺,得到结论如下:  1.水利机组在实际运行过程中,其应力集中部位为:水轮机转轮叶片与轮毂焊接处。本文通过四种不同焊接工艺的比较,以寻求降低运行过程中危险部位残余应力的最优焊接工艺。  2.通过比较第一种和第二种焊接工艺残余应力可得,当焊缝的降温速率较大时,通过改变施焊顺序对于减小焊接残余应力的作用不大。在降温速率大于材料临界冷却速率的情况下,热源位置的改变对于焊接前后的界面能改变的影响较小,因此焊接残余应力相差不大。  3.焊接过程中,通过减小焊缝降温速率,有助于减小焊接残余应力。本文选用的焊接水轮机为 T型焊接接头。相比于以往的热处理工艺,大多是在焊接完成后,对工件进行整体回火。本文通过减小焊缝降温速率,相当于在焊接过程中加入回火过程,有效地降低焊接残余应力。  4.根据每种工艺的焊接残余应力曲线可得:在焊缝的热影响区监测点上,焊接残余应力曲线都是先上升、再下降、最后再上升。这主要是因为:在热源靠近过程中,焊接材料的硬度降低,材料组织界面能升高,促进金属相态发生改变,使得焊接残余应力逐渐升高;当热源到达时,检测点材料硬度最低,同时焊接残余应力也最低;当焊接热源逐渐远离后,在焊缝周围金属逐渐凝固的过程中,焊接残余应力也逐渐升高。
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