水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接接頭殘余應(yīng)力分布研究

侯世璞，梁 妍，潘文娟，趙 鵬

（1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150040；3.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；）

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接接頭殘余應(yīng)力分布研究

侯世璞1，梁 妍2，潘文娟3，趙 鵬1

（1.哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱 150040；3.哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；）

本文通過(guò)對(duì)焊接試板及真機(jī)轉(zhuǎn)輪的殘余應(yīng)力測(cè)試，研究了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律，通過(guò)熱處理前后的焊接殘余應(yīng)力的對(duì)比，對(duì)采用HS13-5和HS367兩種焊接材料焊接轉(zhuǎn)輪的焊后熱處理效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪；盲孔法；殘余應(yīng)力；焊接接頭

1 前言

近些年，大型混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片經(jīng)常在短期運(yùn)行中即出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂位置多數(shù)位于葉片的出水邊，裂紋形式為疲勞破壞。從已產(chǎn)生裂紋的情況分析，轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行時(shí)所承受的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算應(yīng)力，焊接轉(zhuǎn)輪存在一定的焊接殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力和載荷應(yīng)力疊加后在動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用下形成的交變應(yīng)力引起轉(zhuǎn)輪開(kāi)裂。因此掌握焊接轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力的水平和分布規(guī)律，對(duì)尋找降低或改善焊接殘余應(yīng)力的措施，提高轉(zhuǎn)輪的壽命有著重要意義。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用0Cr13Ni5Mo鋼板作為焊接試板母材材料，焊接材料分別選用馬氏體型焊接材料HS13-5和三相組織焊接材料HS367兩種填充材料。鋼板與焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表1。

2.2 焊接試板

為模擬真機(jī)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際焊接工況，能夠較真實(shí)地反映出轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力，先在試驗(yàn)室進(jìn)行焊接試板的應(yīng)力測(cè)試，以40mm厚普通鋼板固定的框架作為約束，由兩塊規(guī)格為300×400×60（mm）的0Cr13Ni5Mo鋼板焊接而成，如圖1所示。焊接采用中等規(guī)范的多層多道焊，試板開(kāi) K型坡口。焊接材料分別選用Ф1.2mm的HS13-5馬氏體型焊絲和HS367三相焊絲，保護(hù)氣體為 95%Ar+5%CO2，保護(hù)氣體流量15～20L/min。焊接參數(shù)如表2所示。

表1 試板母材及焊接材料化學(xué)成分

圖1 試板約束焊接示意圖

表2 焊接參數(shù)

2.3 熱處理

試板焊接后采用轉(zhuǎn)輪退火溫度580±15℃℃，并根據(jù)試板厚度保溫4h，退火過(guò)程中的升溫和降溫速度均小于50/h℃。轉(zhuǎn)輪焊后退火的目的是在保證轉(zhuǎn)輪力學(xué)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上降低焊接應(yīng)力或改善應(yīng)力分布，將疲勞誘因降至最低。

2.4 殘余應(yīng)力測(cè)試方法

目前，殘余應(yīng)力測(cè)試方法可大致分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是無(wú)損的物理測(cè)量方法，在測(cè)試位置不會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生破壞，如X射線衍射法、磁彈性法等；另一類(lèi)是對(duì)被測(cè)工件有一定損傷的機(jī)械釋放測(cè)量法，該方法采用機(jī)械加工的手段使被測(cè)工件上的殘余應(yīng)力部分釋放或完全釋放，利用電阻應(yīng)變計(jì)測(cè)量殘余應(yīng)力的方法。如盲孔法、環(huán)芯法、剝分法等。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力測(cè)試方面，盲孔法有著廣泛、成熟的應(yīng)用。

焊接試板及真機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試均采用盲孔應(yīng)力釋放法。應(yīng)力測(cè)試儀型號(hào)：YC-Ⅲ型應(yīng)力測(cè)試儀；應(yīng)變片型號(hào)：Tj-120-1.5-φ1.5；孔徑1.5mm，孔深2mm。

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪易裂位置一般出現(xiàn)在靠近出水邊焊接接頭區(qū)域[1]，為得到焊縫、熔合線、熱影響區(qū)及母材的整個(gè)焊接接頭殘余應(yīng)力分布狀況，應(yīng)變片的分布采用垂直焊縫的布點(diǎn)方式。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在焊縫及熔合線附近區(qū)域的殘余應(yīng)力變化極其復(fù)雜，在狹窄范圍內(nèi)變化幅度較大。受盲孔法孔距及測(cè)試點(diǎn)不可重復(fù)性的制約，為得到焊接接頭完整的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律，在重點(diǎn)區(qū)域采取了平行焊縫方向交錯(cuò)布點(diǎn)的方式。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 焊接試板力學(xué)性能

為研究焊接接頭整體力學(xué)性能，將分別由HS13-5和HS367焊絲焊接的焊接接頭制備成包含焊縫和母材的拉伸試樣。力學(xué)性能結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 焊接試板力學(xué)性能

通過(guò)力學(xué)性能結(jié)果可見(jiàn)，試驗(yàn)用材料均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。從HS367焊接試樣斷裂在焊縫上可見(jiàn)，HS367焊接材料力學(xué)性能低于母材0Cr13Ni5Mo。

3.2 焊接試板殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

3.2.1 HS367焊絲焊接試板殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

使用HS367焊絲焊接的試板焊態(tài)殘余應(yīng)力測(cè)試分布規(guī)律如圖2所示，經(jīng)熱處理退火后的殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖3所示。

圖2 HS367焊絲焊接試板焊態(tài)殘余應(yīng)力分布

圖3 HS367焊絲焊接試板退火后殘余應(yīng)力分布

從測(cè)試結(jié)果可以看出：采用HS367焊絲焊接的試板，退火前在焊縫兩側(cè)距焊縫中心30mm左右分別出現(xiàn)拉應(yīng)力峰，經(jīng)退火處理后在焊縫中心區(qū)域形成了更高的拉應(yīng)力區(qū)，其拉應(yīng)力水平超過(guò)退火前最高拉應(yīng)力值。這對(duì)于HS367焊絲力學(xué)性能低于母材0Cr13Ni5Mo的焊縫區(qū)來(lái)說(shuō)其抗疲勞性能無(wú)疑是不利的。因此對(duì)于采用HS367焊絲焊接的試板，退火處理除了使高拉應(yīng)力區(qū)重新分布外并沒(méi)有起到降低殘余應(yīng)力的作用。

分析認(rèn)為，導(dǎo)致焊縫區(qū)應(yīng)力變化復(fù)雜的主要原因是HS367焊絲與母材0Cr13Ni5Mo的化學(xué)成份、物理性能及組織不同引起的。理論上認(rèn)為：當(dāng)兩種被焊金屬的線膨脹系數(shù)相差較大，在焊接過(guò)程中將產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而這種熱應(yīng)力又無(wú)法消除[2]。也有人提出，在消除應(yīng)力退火時(shí)，焊接構(gòu)件中的殘余應(yīng)力也應(yīng)該減少，但由于線膨脹系數(shù)不同，在冷卻過(guò)程中隨著被焊材料彈性性能的恢復(fù)，又產(chǎn)生了新的殘余應(yīng)力場(chǎng)[3]。由此可見(jiàn)，焊接試板在經(jīng)過(guò)焊接和退火處理兩次加熱后，由于材料的化學(xué)成分不同并受到試板剛度拘束的影響，焊接殘余應(yīng)力分布產(chǎn)生了比較大的變化。

3.2.2 HS13-5焊絲焊接試板殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

使用 HS13-5焊絲焊接的試板焊態(tài)殘余應(yīng)力測(cè)試分布規(guī)律如圖4所示，經(jīng)熱處理退火后的殘余應(yīng)力分布規(guī)律如圖5所示。

圖4 HS135焊絲焊接試板焊態(tài)殘余應(yīng)力分布

圖5 HS135焊絲焊接試板退火后殘余應(yīng)力分布

從 HS13-5焊絲焊接試板退火前后應(yīng)力分布規(guī)律可以看出：退火前殘余應(yīng)力峰值均分布于焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)范圍內(nèi)，退火后拉應(yīng)力最高值由378MPa減低到199MPa，整體的殘余應(yīng)力得到了降低并且均勻分布。這種工藝是典型的通過(guò)溫度場(chǎng)的變化對(duì)原始應(yīng)力進(jìn)行重新調(diào)整或分配，并達(dá)到新的平衡，材料隨著加熱溫度升高，金屬原子激活能增大，原子間結(jié)合力降低，應(yīng)力則隨著材料抗塑性變形能力下降而被釋放，對(duì)應(yīng)力峰值起到削峰的作用，避免了應(yīng)力集中，達(dá)到了退火效果。

3.3 真機(jī)轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

為了掌握真機(jī)轉(zhuǎn)輪的焊接殘余應(yīng)力的實(shí)際水平，我們選擇了兩臺(tái)不同焊接材料（HS367、HS13-5）焊接的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了殘余應(yīng)力的測(cè)量。

3.3.1 HS367焊絲焊接轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

某電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片材料為0Cr13Ni5Mo，焊接材料使用的是 HS367焊絲，退火工藝溫度：580±15℃℃，焊接殘余應(yīng)力測(cè)試選擇在轉(zhuǎn)輪下環(huán)出水邊焊縫部位，應(yīng)變片垂直焊縫方向分布。轉(zhuǎn)輪焊態(tài)及熱處理退火后的殘余應(yīng)力分布狀況分別如圖 6、圖 7所示。

圖6 HS367焊絲焊接轉(zhuǎn)輪焊態(tài)殘余應(yīng)力分布

圖7 HS367焊絲焊接轉(zhuǎn)輪退火后殘余應(yīng)力分布

對(duì)比該轉(zhuǎn)輪退火前后焊接殘余應(yīng)力分布曲線可以看出，轉(zhuǎn)輪焊縫區(qū)拉應(yīng)力不但沒(méi)有明顯降低，個(gè)別拉應(yīng)力反而升高，且在焊縫中心區(qū)域形成高拉應(yīng)力區(qū)。這是由于焊縫填充金屬與母材金屬的化學(xué)成份和物理性能不同，導(dǎo)致了焊縫區(qū)的焊態(tài)及熱處理后的應(yīng)力變化復(fù)雜，拉應(yīng)力過(guò)高。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)的母材受填充金屬的影響較小，退火后得到了明顯的降低，分布比較均勻。該轉(zhuǎn)輪焊接接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律與HS367焊接試板的殘余應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。

3.3.2 HS13-5焊絲焊接轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

某大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片材料為0Cr13Ni5Mo，焊接材料使用的是與葉片同材質(zhì)的HS13-5焊絲，退火溫度為580±15℃℃。選擇了該轉(zhuǎn)輪1#葉片上冠靠近出水邊焊縫部位進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力測(cè)試，應(yīng)變片垂直焊縫方向分布。該轉(zhuǎn)輪焊態(tài)及熱處理退火后的殘余應(yīng)力分布狀況分別如圖8、圖9所示。

圖8 HS13-5焊絲焊接轉(zhuǎn)輪1#葉片焊態(tài)殘余應(yīng)力分布

圖9 HS13-5焊絲焊接轉(zhuǎn)輪1#葉片退火后殘余應(yīng)力分布

從該轉(zhuǎn)輪退火前后焊接殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出：轉(zhuǎn)輪焊接后在距焊縫中心50mm左右區(qū)域存在較高的拉應(yīng)力，該區(qū)域是轉(zhuǎn)輪葉片易萌生裂紋的部位。轉(zhuǎn)輪經(jīng)過(guò)退火處理后，拉應(yīng)力明顯降低（最高拉應(yīng)力由 449MPa降至 142.2MPa），整個(gè)焊接接頭的殘余應(yīng)力得到了均化，但熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力仍然高于其他部位，由此揭示了制造應(yīng)力與服役中疲勞失效之間的關(guān)聯(lián)性。如果轉(zhuǎn)輪熱處理進(jìn)行得不充分，或者該區(qū)域存在焊接缺陷，如微觀裂紋，那么即使經(jīng)過(guò)消除應(yīng)力退火處理，缺陷也會(huì)殘存在焊件中，它是萌生各種裂紋的重要因素[4]。

焊縫填充金屬HS13-5與葉片材料0Cr13Ni5Mo的化學(xué)成分和組織相同，此類(lèi)焊接接頭通過(guò)熱處理溫度調(diào)整與重新平衡，可使焊縫區(qū)及受焊接溫度影響產(chǎn)生的高拉應(yīng)力，得到均勻降低。

4 結(jié)論

（1）使用 HS367焊絲焊接的轉(zhuǎn)輪，焊態(tài)下高拉應(yīng)力分布在焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)附近，經(jīng)過(guò)580±15℃℃退火處理，在焊縫處形成更高拉應(yīng)力區(qū)，無(wú)法達(dá)到降低焊接殘余應(yīng)力的目的。

（2）使用同材質(zhì)的HS13-5焊絲焊接的轉(zhuǎn)輪，焊態(tài)下焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)母材處存在較高拉應(yīng)力，經(jīng)過(guò)580±15℃℃的退火處理，可以使焊件整體焊接殘余應(yīng)力水平得到明顯改善，有效降低了高應(yīng)力水平，但值得注意的是：熱影響區(qū)的殘余應(yīng)力仍然高于其他部位，由此揭示了制造應(yīng)力與服役中疲勞失效之間的關(guān)聯(lián)性。因此提高該區(qū)域探傷精度，防止微小熱裂紋的產(chǎn)生是防止轉(zhuǎn)輪裂紋萌生的必要手段。

[1] 高云濤, 張敬軍, 付廷勤. 劉家峽水電廠1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(6):50-52.

[2] 斯重遙. 材料的焊接[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

[3] 何康生, 等. 異種金屬焊接[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1986.

[4] 田錫唐. 焊接結(jié)構(gòu)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

審稿人：過(guò) 潔

Residual Stress Distribution Analysis for Welding Joint in Hydroturbine Runner

HOU Shipu1, LIANG Yan2, PAN Wenjuan3, ZHAO Peng1
(1. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China; 2. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150040 China; 3. Harbin Turbine Company Limited, Harbin 150040, China)

The residual stress distribution in the welding joint of hydroturbine runner has been investigated with the hole drilling method on welding test plate and the real runner. The residual stress on the welding joint before and after the heat treatment has been compared to evaluate the effect of heat treatment on the welded runner for HS13-5 and HS367 welding materials, respectively.

hydroturbine runners; the hole drilling method; residual stress; welding joint

TK730.3+23

A

1000-3983(2012)02-0038-04

2011-03-20

侯世璞（1980-），2002年畢業(yè)于佳木斯大學(xué)金屬材料及熱處理專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事金屬材料性能及工藝研究、振動(dòng)時(shí)效、殘余應(yīng)力測(cè)試研究等工作。