在水电站中,蜗壳和座环是水轮机的重要组成部分,其中过流结构金属蜗壳是通过焊接方式与承重结构座环进行连接的。蜗壳-座环焊接是一个复杂的过程,在焊接过程中,其温度会随着热源的输入而变化,同时还会产生相变;由于较高热源的集中输入,焊缝区域会在高温作用下熔化,之后随着温度的降低产生凝固,并伴随着相变的发生。在水轮机的运转过程中,蜗壳-座环的运行的速度越高,其所承受的载荷就越复杂,存在的焊接缺陷就越会被放大,在蜗壳-座环焊接接头处出现裂纹的可能性就更高。蜗壳-座环的焊接接头性能的好坏直接影响水轮机组的效率、稳定性等性能,本文运用ANSYS有限元软件对蜗壳-座环的焊接过程进行数值模拟分析,在考虑温度场对应力应变场单向耦合情形下,对蜗壳节的焊接温度场进行模拟计算,在此基础上进一步研究蜗壳节应力应变的分布,并对其结果进行分析,同时进行了温度测量、金相分析和残余应力测试等实验,结果表明:(1)在焊接时,热量由焊缝区不断向周围扩散,近焊缝区受温度影响最大,远离焊缝区受影响较小。随着热源的移动,焊接开始阶段,温度变化梯度较大,而且焊接温度在短时间内迅速升高,之后便缓慢冷却。在焊缝中央的温度峰值最大,靠近焊缝两侧的离焊缝中心10mm区域次之,焊缝两侧的离焊缝中心20mm区域温度依次变低,且靠近座环侧区域的温度高于靠近蜗壳侧区域的温度。(2)由焊接应力场模拟结果可知,焊接熔池中金属的应力为零;在升温阶段,熔池周围的出现较大应力,应力较大值区域主要出现在已经完成的焊缝上,随着离熔池中心距离的远近,应力值的大小也变化不一,在近焊缝区域的应力值较大,远离焊缝区的应力值较小,而且在由近及远,应力值逐渐降低;在冷却阶段,所表现出来的规律与升温阶段相一致,与升温阶段不一致的是总体的应力值大于升温阶段的应力值;在焊接过程中,无论是纵向残余应力,还是横向残余应力,中部都有较长一段拉应力较大,且蜗壳侧的纵向残余应力蜗壳侧大于同区域座环侧的,而横向应力呈现相反规律。焊接残余应力的第一、二主应力值在焊缝区域最大,并随着离焊缝中心距离的增大而降低。(3)通过实验的验证,可以得出:焊接过程温度测试和残余应力测试结果与模拟计算结果较吻合。金相组织测试表明试样表面组织为压扁的原奥氏体晶界面上析出的细小先共析铁素体和珠光体的混合组织,且其组织分布呈现一定方向性;而试样中部组织为等轴状铁素体+珠光体混合组织,而且表面硬度值较小。