水轮机叶片焊接残余应力与焊接工艺优化研究

摘要

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。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2 水轮机转轮介绍

1.3 焊接研究现状

1.4 当前存在问题

1.5 本文主要内容

2.焊接有限元理论分析

2.1概述

2.2焊接过程的分析

2.3焊接过程理论

2.4 本章小结

3. 焊接有限元分析过程

3.1 焊接温度场的模拟计算

3.2 焊接应力场模拟计算

3.3 本章小结

4 水轮机受力分析

4.1 转轮模型及实际运行背景介绍

4.2 正常情况下叶片的受力状况

4.3 焊接模拟时所作假设

4.4 模型材料参数选择及相关说明

4.5 有限元模型的建立及网格划分

4.6 四种焊接工艺详述

4.7 材料冷却过程的温度分析

4.8 第一种和第二种工艺残余应力计算结果分析

4.9 本章小结

5 焊接残余应力的产生与消除办法

5.1 焊接残余应力产生

5.2 第三种和第四种工艺温度场计算结果

5.3 第三种和第四种工艺焊接残余应力计算结果

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献