水輪機轉輪工作過程中出現疲勞裂紋是所有水輪機普遍存在的問題，這種現象會大大降低水電站的工作效率，造成巨大的經濟損失。對于一個具體的轉輪結構來說，由于它的材料選擇是不變的，因此轉輪的受力狀態(tài)是導致葉片出現疲勞裂紋的關鍵因素。在水輪機工作運行中，轉輪葉片的應力來源主要有工作應力和焊接殘余應力。研究發(fā)現，工作應力峰值出現位置與焊接殘余拉應力峰值一致，都是在葉片出水邊的焊縫附近。對于一個具體的轉輪結構來說，它的工作應力是固定不變的，因此解決轉輪的開裂問題*一途徑是優(yōu)化焊接工藝，以改善轉輪的焊接殘余應力分布狀態(tài)。通過降低葉片危險區(qū)域的焊接殘余拉應力，可以從根本上解決轉輪的開裂問題。

對于一個普通的焊接構件來說，焊縫區(qū)的殘余拉應力是由殘余壓縮塑性變形引起的，此區(qū)域的殘余壓縮塑性變形會影響周圍區(qū)域，使鄰近環(huán)縫的區(qū)域產生了較大的焊接殘余壓應力。針對這種情況，可以利用分段焊的方法對葉片危險區(qū)域附近的焊接殘余應力場進行了調控，使轉輪的葉片危險區(qū)域產生焊接殘余壓應力。

轉輪分段焊優(yōu)化工藝的確定

根據葉片的危險區(qū)域是在葉片出水邊的焊縫附近，在轉輪的分段焊焊接過程中，采用先焊兩端后焊中間的方法，后焊焊段對葉片危險區(qū)域的殘余拉應力造成影響，導致此區(qū)域的拉應力數值下降，甚至變成殘余壓應力。

分段焊的分段方式如圖1所示，圖中的①，②和③分別表示葉片焊縫區(qū)域焊段的編號，④和⑤分別表示葉片出水端與進水端的過渡圓角編號。

具體的焊接工藝如下

1. 焊前預熱：100-120℃，預熱可根據實際情況，采用履帶式電加熱器加熱的方法。

2. 焊接方法：采用氣體保護焊，保護氣體為78%Ar+22%CO₂。

3. 焊接參數：焊接電流為240A，電弧電壓為30V，層間溫度不高150℃。

4. 焊段長度：葉片出水邊的焊段②控制在40-90mm范圍內，焊段③控制在90-110mm范圍內，焊段位置包括葉片與上冠之間以及葉片與下環(huán)之間兩處。

5. 葉片圓角：葉片出水端與進水端的過渡圓角（④和⑤）在進行葉片中間焊段焊①前全部完成。

轉輪焊接殘余應力測量

采用盲孔法對焊后的轉輪進行殘余應力測量。儀器采用南京聚航科技有限公司的JHMK殘余應力測試系統(tǒng)，由JHYC靜態(tài)應變儀和JHZK殘余應力精密鉆孔裝置組成。儀器軟件操作，自動實時計算殘余應力，并實時顯示和保存應力應變數值，精度高，測量結果準確。

應變測點選擇；沿葉片出水邊且垂直焊縫方向共測5個點；在離熔合線20mm與40mm的位置上，沿焊縫方向上共測5個點，每點的距離是30mm。

圖2是當葉片出水邊焊段長度是60mm時，葉片出水邊附近橫向殘余應力沿垂直于焊縫方向的分布，圖中的距離表示點到下環(huán)的最近距離。從圖中可以看出，按非分段焊接工藝進行焊接時，轉輪葉片在焊縫及其熱影響區(qū)的近縫區(qū)出現橫向殘余拉應力，在遠離焊縫的區(qū)域出現殘余壓應力，并且在熔合線附件出現殘余拉應力的峰值。按分段焊工藝進行焊接時，葉片出水邊附近沿垂直于焊縫方向的殘余應力全部為殘余壓應力。這一結果有效地證明了分段焊可以降低葉片危險區(qū)域的殘余拉應力峰值，并且如果在焊段長度選擇合理的情況下，甚至可以將葉片危險區(qū)域的橫向殘余應力變?yōu)閴簯Α?/span>

圖3是當葉片出水邊焊段長度是60mm時，橫向殘余應力沿平行于焊縫方向的應力分布情況，其中距離表示點到葉片出水邊的距離，同時所有點距離焊縫熔合線的距離都是20mm。

通過分析可以看出，在平行于焊縫的方向上，分段焊的殘余應力在距離葉片出水邊為80mm的范圍內，與普通焊相比，殘余應力明顯降低，并且變成壓應力；而距離超過80mm時，分段焊與非分段焊殘余應力值的差距越來越小。在分段焊過程中，當焊縫兩端完成進行中間段的焊接時，中間焊段的殘余壓縮塑性變形會影響鄰近區(qū)域，增加了鄰近區(qū)域的殘余拉伸塑性變形，造成此區(qū)域的應力值下降。

圖4是分段焊葉片出水邊上的殘余應力與出水邊焊段長度的關系，其中圖中點1、2與點3的位置分別在焊縫、熔合線以及距離熔合線20mm的位置。通過分析可知，當葉片出水邊焊段的長度是40mm時，葉片出水變附近的殘余應力最小，隨著長度的增加，殘余應力逐漸增加。此結果與平板焊的結果基本相同，進一步說明了平板試驗設計的合理性。

結論

1. 采用先焊葉片出水邊焊段，后焊中間焊段的分段焊方法，能有效降低葉片危險區(qū)域附近的殘余拉應力峰值，并產生了焊接殘余壓應力；在垂直于焊縫方向上，隨著到焊縫熔合線距離的加大，降低效果逐漸減小。

2. 當葉片出水邊焊段長度在40mm-90mm的范圍內，殘余應力的降低效果隨著葉片出水邊焊段長度的增加而減??；當葉片出水邊焊段的長度為40mm，危險區(qū)域產生了約為-350MPa的焊接殘余壓應力。