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唯yi途徑是優化焊接工藝，以改善轉輪的焊接殘余應力分布狀態。通過降低葉片危險區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，焊縫區的殘余拉應力是由殘余壓縮塑性變形引起的，此區域的殘余壓縮塑性變形會影響周圍區域，使鄰近環縫的區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域產生焊接殘余壓應力。

轉輪分段焊優化工藝的確定

根據葉片的危險區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域的殘余拉應力造成影響，導致此區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，由JHYC靜態應變儀和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的近縫區出現橫向殘余拉應力，在遠離焊縫的區域出現殘余壓應力，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域的橫向殘余應力變為壓應力。

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域，增加了鄰近區域的殘余拉伸塑性變形，造成此區域的應力值下降。

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小；當葉片出水邊焊段的長度為40mm，危險區域產生了約為-350MPa的焊接殘余壓應力。