CN102853952A - 混流式转轮焊接残余应力测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混流式转轮焊接残余应力测试方法，测试设备包括：残余应力应力仪、残余应力测试对中及钻孔装置，采用本发明后测试点数量为原有方法的1/4以下，测试效率为原有方法的4倍以上，而且劳动强度显著降低。本发明在提高转轮制造效率的同时缩短了转轮在焊后及热处理前的停留时间，避免了转轮接头区域冷裂问题的发生，有效提高了转轮制造质量和效率。
Description
技术领域：本发明涉及一种混流式转轮焊接残余应力测试方法
背景技术：混流式转轮的疲劳开裂与焊接残余应力分布有着重要关系，较高的焊接残余应力存在严重影响转轮的抗疲劳性能。因此，在转轮焊接完成后需要采用整体退火的方法来降低残余应力峰值，并使残余应力均匀化，以提高转轮抗疲劳开裂的性能。混流式转轮最大弯曲应力出现在叶片与下环或者上冠连接处的T型焊接接头区域，由于应力集中及焊接残余应力的共同作用，这两个区域的局部应力最高，而且，由于转轮叶片出水边的厚度最小，强度最低，该区域就成为了疲劳发生的最危险的区域。混流式转轮的实际运行情况表明，转轮疲劳开裂的启裂位置基本位于离叶片与上冠、下环连接焊缝熔合区大约20～30mm的叶片出水边附近，因此，在运行过程中，该区域是整个转轮最薄弱的区域，其抗疲劳性能对转轮使用寿命具有决定性作用。因此，相对于混流式转轮的其他部位，转轮叶片出水边焊接接头区域的焊接残余应力分布状况对转轮抗疲劳性能最为重要，该部位的焊后退火消应力处理效果也最具代表性，最为重要。
目前，国内外普遍采用盲孔应力释放法对焊后及热处理后的混流式转轮进行残余应力测试，以对残余应力水平及热处理效果进行分析，其测试精度及效率对转轮制造质量及效率有重要影响。传统测试方法往往仅从评价热处理效果的角度考虑，测试部位包含了转轮叶片的整个空间位置，测点数量庞大，对于大型转轮一次测试可达80点以上，但测点分布较为分散，没有对转轮最薄弱的出水边焊接接头区域焊接残余应力分布的详细测试与分析。而且，测试过程劳动强度大，测试时间长，大型转轮可达20天以上。同时，为防止冷裂纹的产生，焊后的测试过程中转轮处于60℃左右加热状态，测试环境恶劣。焊后转轮长时间不能进行后续的消应力热处理工序，容易产生接头区域的冷裂问题，影响转轮质量。
发明内容：本发明公开了一种混流式转轮焊接残余应力测试方法，在提高转轮制造效率的同时缩短了转轮在焊后及热处理前的停留时间，避免了转轮接头区域冷裂问题的发生，有效提高了转轮制造质量和效率。本发明的技术方案为：一种混流式转轮焊接残余应力测试方法，对混流式转轮抗疲劳性能影响最大的叶片出水边与上冠及叶片与下环相连接的焊接接头区域的焊接残余应力场进行测试，并通过所得测试结果对转轮残余应力水平及热处理效果进行评估，测试方法为盲孔应力释放法，测试设备包括：残余应力应力仪、残余应力测试对中及钻孔装置，采用该方法后测试点数量为原有方法的1/4以下，测试效率为原有方法的4倍以上，而且劳动强度显著降低；水轮机转轮的焊接残余应力测试过程在其制造场地现场进行的具体过程如下：首先，确定进行残余应力测试的叶片及叶片的残余应力测试区域，选取转轮对称的两个叶片进行测试，其中对一个叶片（Ⅲ1）与下环（Ⅰ1）出水边（L1）的焊缝（Ⅱ1）附近区域进行测试，测试区域（A1）中心线距离叶片出水边最近距离100mm，宽度100mm，另一个叶片（Ⅲ2）与上冠（Ⅰ2）出水边（L2）的焊缝（Ⅱ2）附近区域进行测试，测试区域（A2）中心线距离叶片出水边最近距离80mm，宽度100mm，测试区域垂直于焊缝方向，范围由上冠及下环的热影响区至叶片母材区域。区域选定后，先后采用风砂轮和抛光布轮对测试区域进行打磨抛光处理，保证表面光洁度在3.2以上，然后，确定测点位置并贴应变片，测点垂直焊缝方向分布，且位置位于打磨区域中心线，在下环处位于下环热影响区（1）、下环熔合区（2）、下环焊缝中心（3）、下环叶片熔合区（4）、下环叶片热影响区（5）、下环叶片近热影响区母材区域（6）及下环叶片母材区域（7）；在上冠处位于上冠热影响区（8）、上冠熔合区（9）、上冠焊缝中心（10）、上冠叶片熔合区（11）、上冠叶片热影响区（12）、上冠叶片近热影响区母材区域（13）及上冠叶片母材区域（14），应变片采用502胶水进行粘贴，并且保证应变面与测试位置表面完全贴合，没有空隙，待胶水固化24小时后，采用盲孔应力释放法对转轮进行残余应力测试，测量标准：CB3395-1992。
本发明适用于混流式转轮的残余应力测试，测试所得结果能够真实反映热处理前后转轮易开裂区域的残余应力分布情况。采用该技术后，测试效率和测试精度显著提高，测点数量大幅减少，一次测试仅需2天即可完成，时间大为缩短，劳动强度显著降低。在提高转轮制造效率的同时缩短了转轮在焊后及热处理前的停留时间，避免了转轮接头区域冷裂问题的发生，有效提高了转轮的质量。
附图说明
图1是叶片下环处残余应力测试位置分布
图2是叶片上冠处残余应力测试位置分布
图3是某电站转轮焊后及热处理后叶片下环处残余应力分布
图4是某电站转轮焊后及热处理后叶片上冠处残余应力分布
图5是某电站转轮焊后及热处理后叶片下环处残余应力分布
图6是某电站转轮焊后及热处理后叶片上冠处残余应力分布
图7是某电站转轮焊后及热处理后叶片下环处残余应力分布
图8是某电站转轮焊后及热处理后叶片上冠处残余应力分布
具体实施方式
对混流式转轮抗疲劳性能影响最大的叶片出水边与上冠及叶片与下环相连接的焊接接头区域的焊接残余应力场进行测试，测试方法为盲孔应力释放法，测试设备包括：残余应力应力仪、残余应力测试对中及钻孔装置；水轮机转轮的焊接残余应力测试过程在其制造场地现场进行的具体过程如下：如图1所示，首先，确定进行残余应力测试的叶片及叶片的残余应力测试区域，选取转轮对称的两个叶片进行测试，其中对一个叶片Ⅲ1与下环Ⅰ1出水边L1的焊缝Ⅱ1附近区域进行测试，测试区域A1中心线距离叶片出水边最近距离100mm，宽度100mm，另一个叶片Ⅲ2与上冠Ⅰ2出水边L2的焊缝Ⅱ2附近区域进行测试，测试区域A2中心线距离叶片出水边最近距离80mm，宽度100mm，测试区域中心线距离叶片出水边最近距离80mm，宽度100mm，测试区域垂直于焊缝方向，范围由上冠及下环的热影响区至叶片母材区域。区域选定后，先后采用风砂轮和抛光布轮对测试区域进行打磨抛光处理，保证表面光洁度在3.2以上。然后，确定测点位置并贴应变片，测点垂直焊缝方向分布，且位置位于打磨区域中心线，在下环处位于下环热影响区、下环熔合区、下环焊缝中心、下环叶片熔合区、下环叶片热影响区、下环叶片近热影响区母材区域及下环叶片母材区域；在上冠处位于上冠热影响区、上冠熔合区、上冠焊缝中心、上冠叶片熔合区、上冠叶片热影响区、上冠叶片近热影响区母材区域及上冠叶片母材区域，应变片采用502胶水进行粘贴，并且保证应变面与测试位置表面完全贴合，没有空隙，待胶水固化24小时后，采用盲孔应力释放法对转轮进行残余应力测试，测量标准：CB 3395-1992。
实施例1：图3和图4分别为某电站转轮焊后及热处理后的焊接残余应力分布。可以看出，转轮焊后叶片出水边焊接接头区域焊接残余应力分布不均匀，在叶片下环处存在170MPa以上的残余压应力，叶片上冠处的残余应力峰值可达280MPa。热处理后残余应力趋于均匀分布，残余应力峰值显著降低至100MPa以内，热处理去应力效果显著。
实施例2：图5和图6分别为某电站转轮焊后及热处理后的焊接残余应力分布。可以看出，转轮焊后叶片出水边焊接接头区域焊接残余应力分布不均匀，在叶片下环处存在560MPa以上的残余压应力，叶片上冠处的残余应力峰值可达240MPa。热处理后残余应力趋于均匀分布，残余应力峰值显著降低至120MPa以内，热处理去应力效果显著。
实施例3：图7和图8分别为某电站转轮焊后及热处理后的焊接残余应力分布。可以看出，转轮焊后叶片出水边焊接接头区域焊接残余应力分布不均匀，在叶片下环处存在140MPa以上的残余拉应力，叶片上冠处的残余应力峰值可达400MPa。热处理后残余应力趋于均匀分布，残余应力峰值分别显著降低至40MPa及180MPa以内，热处理去应力效果显著。
Claims (1)
1.一种混流式转轮焊接残余应力测试方法，其特征是：对混流式转轮抗疲劳性能影响最大的叶片出水边与上冠及叶片与下环相连接的焊接接头区域的焊接残余应力场进行测试，并通过所得测试结果对转轮残余应力水平及热处理效果进行评估，测试方法为盲孔应力释放法，测试设备包括：残余应力应力仪、残余应力测试对中及钻孔装置，采用该方法后测试点数量为原有方法的1/4以下，测试效率为原有方法的4倍以上，而且劳动强度显著降低；水轮机转轮的焊接残余应力测试过程在其制造场地现场进行的具体过程如下：首先，确定进行残余应力测试的叶片及叶片的残余应力测试区域，选取转轮对称的两个叶片进行测试，其中对一个叶片（Ⅲ1）与下环（Ⅰ1）出水边（L1）的焊缝（Ⅱ1）附近区域进行测试，测试区域（A1）中心线距离叶片出水边最近距离100mm，宽度100mm，另一个叶片（Ⅲ2）与上冠（Ⅰ2）出水边（L2）的焊缝（Ⅱ2）附近区域进行测试，测试区域（A2）中心线距离叶片出水边最近距离80mm，宽度100mm，测试区域垂直于焊缝方向，范围由上冠及下环的热影响区至叶片母材区域，区域选定后，先后采用风砂轮和抛光布轮对测试区域进行打磨抛光处理，保证表面光洁度在3.2以上，然后，确定测点位置并贴应变片，测点垂直焊缝方向分布，且位置位于打磨区域中心线，在下环处位于下环热影响区（1）、下环熔合区（2）、下环焊缝中心（3）、下环叶片熔合区（4）、下环叶片热影响区（5）、下环叶片近热影响区母材区域（6）及下环叶片母材区域（7）；在上冠处位于上冠热影响区（8）、上冠熔合区（9）、上冠焊缝中心（10）、上冠叶片熔合区（11）、上冠叶片热影响区（12）、上冠叶片近热影响区母材区域（13）及上冠叶片母材区域（14），应变片采用502胶水进行粘贴，并且保证应变面与测试位置表面完全贴合，没有空隙，待胶水固化24小时后，采用盲孔应力释放法对转轮进行残余应力测试，测量标准：CB3395-1992。
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