论文摘要
针对大型焊接结构进行试验研究存在着周期长与耗资大的缺点,提出了虚拟焊接的概念。在利用相似理论建立实际构件与模拟件之间焊接残余应力对应关系的基础上,采用数值模拟的方法对混流式水轮机转轮的焊接工艺进行了优化,使叶片危险区域附近产生了焊接残余压应力,达到了预期的效果。因此,本课题的研究具有着重要的理论意义与实际工程意义。为了能顺利的对混流式水轮机转轮的焊接工艺进行优化,本文首先从多道焊、分段焊、多层焊与多个接头等四个角度分别讨论了焊接顺序对T形接头焊接残余应力场的影响。得到了如下规律:在多道焊过程中,相邻焊道之间采用首尾相接的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的;分段焊不仅可以增加焊缝低应力的区域,合理的焊接顺序与方向可以有效的降低焊缝某区域的应力峰值;在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的焊接残余拉应力峰值是最小的;在多个接头焊接结构的焊接过程中,尽量保证多个接头同时施焊,以确保尽可能地降低结构整体的残余拉应力峰值,这对于大型结构更是如此。对于大型焊接结构来说,单元数量大与增量步多是数值模拟过程中的两大难题。本文引入串状带热源的概念,推导出了适合于任意焊缝宽度的串状带热源模型的表达式,解决了大型结构焊接过程中增量步多的问题,使具有规则形状焊缝的大结构焊件的焊接应力场的定量分析成为可能。在利用π定理以及相似定数法推导出在温度场完全相似的条件下模型和实际构件对应位置的残余应变关系式的前提下,利用焊接热传导理论和虚拟模拟件的概念,建立了实用的大型构件和模拟件对应位置的焊接残余应力对应关系。此关系不仅可以指导模拟件的试验研究来降低试验研究的周期与成本,还可以克服大型焊接结构在数值模拟过程中单元数量庞大的缺点,使大型结构焊接过程的数值模拟成为可能。在验证转轮模拟件与转轮实体模型的叶片危险区域焊接残余应力对应关系正确性的基础上,在解决焊接热源沿任意空间路径移动的加载问题、转轮各部分之间的热传导问题以及转轮焊缝填丝过程的前提下,对转轮的焊接工艺从多层焊、分段焊、局部加热以及局部锤击四个方面进行了优化。结果表明:在多层焊的过程中,采用对称施焊的方法得到的叶片出水边的残余拉应力的峰值是最小的;采用先焊两端后焊中间的方法可以降低叶片危险区域的焊接残余拉应力峰值,降低效果与叶片出水边焊段长度、焊缝各段的焊接方向有关;局部加热法降低转轮危险区域残余应力的效果主要与加热时间、加热温度以及加热面积成正比,与冷却面积成反比,并且危险区域的残余应力随加热位置的增大呈先降低后升高的趋势。对局部锤击法的研究发现,局部锤击法可以起到降低锤击部位的焊接残余拉应力的作用。当锤击部位的温度接近或超过材料本身的塑性温度时,锤击效果非常明显;当锤击温度比较低时,效果不明显。在利用平板试验得到分段焊与局部加热合理工艺参数的前提下,从分段焊、局部加热与局部锤击等多种工艺方案的角度对转轮的焊接残余应力场进行了调节与控制,使叶片出水边危险区域附近产生了较大的残余压应力,且转轮整体的残余应力水平低于转轮材料屈服极限(550MPa)的三分之一。
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