混流式水轮机分段焊焊接顺序的优化

混流式水轮机分段焊焊接顺序的优化

基于数值模拟的齿轮焊接残余应力的方法在服务过程中，一些电机行业都存在短期叶片撕裂和破碎的情况。这种裂纹主要有两个共同特点。一个是裂缝，另一个是裂缝在叶片表面附近的焊接附近。针对叶片的开裂问题,国内外的科研工作者提出了一些解决转轮裂纹的方法,如在下环焊缝中部安装楔子板、在下环焊缝外面增加加强板、在下环的上下端部先焊上搭块以及在焊前在上冠处装上假轴等。但这些方法的实际效果不是很好,且不能从根本上解决转轮叶片的裂纹问题。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。在水轮机的工作运行中,转轮叶片的应力来源主要有工作应力和焊接残余应力两种。研究发现,工作应力峰值的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。由于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可利用焊接工艺的优化来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从根本上解决转轮的开裂问题。一般来讲,研究焊接残余应力的方法有两种,一种是试验方法,一种是数值模拟方法。由于转轮的结构非常庞大,如果直接对其进行大量的焊接工艺优化的试验研究是不现实的,因此,只能借助于数值模拟手段对转轮的焊接工艺进行优化。本文利用数值模拟技术对转轮分段焊的焊接顺序优化进行了研究,得出了降低叶片出水边危险区域焊接残余拉应力峰值的工艺优化方案。由于本文提出的分段焊焊接工艺具有普遍的适用性,因此,具有着重要的理论意义与实际工程意义。1车轮模型的构建1.1转轮简化后模型的建立由于混流式水轮机转轮结构复杂,一般叶片为9~15片,为水轮机的数值模拟带来很大的困难。因此,需要将水轮机的模型简化。由于叶片是均匀的,为了简化计算,取一片叶片作为研究对象进行分析。转轮简化后模型的网格划分情况如图1所示。转轮整体共34013个10节点四面体单元,8560个节点。由于叶片与上冠或叶片与下环用焊接方法连接,因此,接触区域(焊缝)附近单元细分,而远离此区域的部分单元较大。1.2cr12niwmond模型叶片、上冠、下环以及焊接过程中所采用的焊丝材料皆为1Cr12NiWMoNb。焊接方法为熔化极气体保护焊(GMAW),电弧电压为30V,电弧电流为240A,焊接速度为5mm/s。1.3模型中加载热的计算由于水轮机转轮叶片与上冠或叶片与下环通过焊接方式连接,所以焊接热源在模拟中的加载是一个重要的问题。由于实际转轮的焊接方法为熔化极气体保护焊,保护气体是CO2,在数值模拟过程中采用椭球形移动热源,其表达式如下所示:式中:v—焊接速度;Q—热输入率;a——椭球的尺寸参数,其值是5.0mm;1.4残余应力分段焊的方案对于一个普通的焊接构件来说,焊缝区的残余拉应力是由于残余压缩塑性变形产生的,此区的残余压缩塑变形对周围区域产生影响,使邻近焊缝的区域产生了较大焊接残余压应力。针对这种情况以及以降低叶片危险区域残余拉应力为出发点,提出了分段焊的三种顺序方案,这三种方案都是先焊两端后焊中间的方法,如图2所示。假设将叶片的焊缝沿焊缝方向分成三段,靠近进水边的称为段a,靠近出水边的称为段c,中间部分称为段b。在方案1中,(1)的开始端表示叶片焊缝的进水边,而(2)的末端表示叶片焊缝的出水边,并且(1)、(2)与(3)表示在焊接过程中每段的焊接顺序,箭头方向表示焊接方向。2单元死亡模拟混流式水轮机转轮叶片形状非常复杂,即曲又弯,叶片的厚度随位置的不同而改变。在模拟过程中,根据叶片焊缝不同区域的厚度来决定此区域在焊接过程中应该填充的层数。同时,为了提高模拟结果的准确性,单元死活技术被用来模拟分段焊的焊接温度场。图3、图4与图5分别表示方案1中焊接时间为40s,1903s与3802s时的焊接温度场的分布情况。为了直观起见,将上冠与下环去掉,同时将叶片进行局部放大。通过分析可知,利用单元死活技术杀死未焊区域的单元可以更好地描述焊接过程的温度场,从而进一步保证了转轮焊接残余应力场的准确性。3叶片出采用残余应力的方式及分析图6是叶片的VonMises等效应力的分布情况,由于每种方案焊后残余应力的分布基本相同,因此,这里只给出了方案1的情况。VonMises等效应力σ与材料屈服极限σs的关系是判断材料处于弹性阶段还是塑性阶段的准则。如果假设σ1、σ2、σ3是空间某点所受的三个主应力,那么VonMises等效应力表达式为:通过分析可知,转轮等效应力的峰值出现在焊缝及其附近区域,同时分段焊的方法可以增加整个焊缝中的残余低应力区。针对叶片的危险区域是出水边的焊缝附近,下面以第一种方案为例,对叶片出水边在焊缝熔合线上的点(设为A)进行研究。图7是点A的焊接残余应力与段c长度的关系,图中横坐标为0的点是分段焊的一种极限情况,表示段b与段c合并为一段进行焊接。通过分析可知,随着段c长度的减少,点A残余应力的值降低,但当段c的长度减小到一定程度时,应力值反而增加。这是因为在焊接过程中,当段b的焊接将要结束时,段b末端区域的金属熔化膨胀,由于受周围金属的拘束,产生很大的压缩塑性变形,因此点A附近就会受到影响而产生拉伸塑性变形。在随后的冷却过程中,段b区域的压缩塑性变形不能完全消失,产生较大的拉伸残余应力,相同地,点A附近区域所受到的拉伸塑性变形也不能完全消失,这样就会抵消一部分在焊接段c时在点A附近产生的压缩塑性变形,造成点A的残余拉应力降低,这就是段b的末端离点A越近,点A的残余拉应力越低的原因。当距离足够小时,点A的附近区域将在段b的焊接即将完成时发生塑性变形甚至熔化,结果使点A附近区域相当于进行了第二次焊接,残余拉应力值反而升高。为了比较图2中三种方案对焊后残余应力的影响,针对叶片的危险区域是出水边的焊缝附近,下面以叶片出水边在焊缝熔合线上的点(设为A)进行研究,如表1所示。其中对于每种方案,段c的长度选择为20mm。通过分析可知,在转轮的焊接过程中,采用第二种方案,即段c起弧于叶片出水边,段b收弧于靠近叶片出水边的位置所得到的残余拉应力峰值是最小的。对于转轮叶片出水边的残余应力σz,第一方案比第二种方案的高42.8MPa,而比第三种方案低19.3MPa。4分段焊接焊接顺序优化方案(1)转轮等效应力的峰值出现在焊缝及其附近区域,且分段焊的方法可以增加焊缝的焊接残余低应力区。(2)在转轮的焊接过程中采用先焊两端后焊中间的方法可以起到降低叶片危险区域的拉应力峰值的作用