徐健，熊建坤,2，趙鵬飛，潘思蒙，黃麗，羅軍

(1.東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.清華大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京，100084)

自主核電空心靜葉片裝焊及精控技術(shù)研究

徐健1，熊建坤1,2，趙鵬飛1，潘思蒙1，黃麗1，羅軍1

(1.東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000；2.清華大學(xué) 機械工程學(xué)院，北京，100084)

自主核電空心靜葉片為型線復(fù)雜、彎扭度大、超長超大葉片，裝配精度和焊接變形是焊接式空心靜葉片生產(chǎn)制造的關(guān)鍵。文章針對葉片結(jié)構(gòu)特點，對葉片裝焊精度影響因素進行了分析，并利用有限元軟件對焊接過程進行模擬分析。重點從葉片的裝配質(zhì)量、焊接分段及順序、裝焊工裝等方面開展裝焊及精控技術(shù)研究，設(shè)計出多功能裝焊夾具，并制定出20段焊法的策略。結(jié)果表明：該工裝、工藝及20段焊法完全適用于葉片的焊接，并將空心靜葉片的裝焊變形控制在2 mm以內(nèi)。該技術(shù)不僅解決了葉片的重大制造難題，而且具有獨特的創(chuàng)新性。

自主核電，空心靜葉片，焊接變形

0 引言

葉片是核電汽輪機中的關(guān)鍵部件，其制造精度及質(zhì)量是汽輪機正常運行的重要保證。空心靜葉片因為具有重量輕、成本低等優(yōu)勢而成為未來靜葉片的發(fā)展方向，并被廣泛應(yīng)用于核電汽輪機低壓模塊。 “華龍1號”示范工程—福清5#、6#第三代核電汽輪機組為公司自主設(shè)計，汽輪機低壓末級靜葉片采用焊接式空心結(jié)構(gòu)。

自主核電空心靜葉片為大彎扭復(fù)雜空間型線結(jié)構(gòu)，葉片的裝焊及精控技術(shù)是影響葉片質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。目前對類似結(jié)構(gòu)的葉片裝焊及精控技術(shù)研究在國內(nèi)外都是一片空白。因此，深入研究自主核電空心靜葉片的裝焊及精控技術(shù)及其影響因素，對制造技術(shù)創(chuàng)新具有重要意義。

1 自主核電空心靜葉片結(jié)構(gòu)簡介

自主核電空心靜葉片為變截面、大彎扭度葉片，其空間型線極其復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該葉片由內(nèi)弧、背弧兩個零件通過鋼板熱壓成型后焊接而成，零件厚度6±0.2 mm，材料牌號為3359PA1（相當(dāng)于X2CrNi12）。葉片共2條焊縫，每條焊縫長1 800 mm，其中進汽邊為對接焊縫，出汽邊則為堆焊焊縫，堆焊焊縫寬，堆焊面積大，且兩條焊縫均為變截面坡口空間曲線。

圖1 自主核電空心靜葉片結(jié)構(gòu)

2 自主核電空心靜葉片裝焊難點及工藝流程分析

2.1 葉片裝焊難點分析

葉片的裝焊是一個極其復(fù)雜的過程，對于空間曲面型線的葉片裝焊難度更加復(fù)雜。裝配是保證葉片裝配質(zhì)量的關(guān)鍵，裝配時要受到葉片壓型型線的影響，坡口間隙、內(nèi)錯邊、型線精度也將會直接影響葉片的裝配質(zhì)量。焊接過程中的工藝參數(shù)、外部約束等因素引起的焊接變形會直接決定葉片的最終質(zhì)量，同時還受到裝配質(zhì)量的影響。

自主核電空心靜葉片為薄壁焊接結(jié)構(gòu)件，型線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，焊接裝配難度大，焊接時很容易產(chǎn)生焊接變形。其裝焊難點如下：

（1）進汽邊為變截面曲面對接坡口焊縫，內(nèi)錯邊和間隙很難控制。

（2）為保證葉片整體型線，出汽邊裝配間隙不易控制。

（3）不銹鋼導(dǎo)熱性差，線膨脹系數(shù)大，易造成熱聚集。

（4）焊接位置及角度變大，焊接變形具有復(fù)雜性和多元性，葉片的變形很難控制。

（5）進汽邊剛性較差，易產(chǎn)生彎曲變形；出汽邊大量堆焊，易產(chǎn)生波浪變形。

（6）葉片彎扭度大，整體剛性較差，葉片焊后極易產(chǎn)生整體彎曲和扭曲變形。

2.2 葉片裝焊工藝流程分析

葉片為薄壁復(fù)雜空間曲面型線焊接結(jié)構(gòu)，其裝焊及精控技術(shù)是影響葉片質(zhì)量的關(guān)鍵核心技術(shù)。解決這些核心問題，必須要采用先進的焊接有限元模擬、裝配與焊接工裝夾具設(shè)計等手段和方法，圖2為葉片裝焊工藝流程分析。

圖2 葉片裝焊工藝流程分析

3 自主核電空心靜葉片裝焊工藝分析

3.1 焊接有限元模擬分析

焊接變形是影響葉片質(zhì)量的關(guān)鍵，評估葉片焊接變形應(yīng)用較為廣泛的方法即采用數(shù)值方法對焊接過程進行分析，而焊接過程有限元模擬則能從理論上很好地分析葉片焊接后的殘余應(yīng)力。本文將采用Sysweld有限元軟件對空心靜葉片焊接過程進行有限元模擬分析，得出其溫度場和焊接殘余應(yīng)力分布、焊接變形趨勢，并計算出合理的焊縫順序。同時將分析結(jié)果用于葉片的裝配型線優(yōu)化和焊接工裝設(shè)計。

在葉片焊接時，焊縫及熱影響區(qū)具有較大的瞬態(tài)溫度梯度，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力。應(yīng)力的釋放帶來的變形及組織內(nèi)應(yīng)力將大大影響葉片的質(zhì)量。焊縫熔池局部高溫可達1 500℃以上，與環(huán)境溫度相差很大，造成了焊縫附近極不均勻的溫度場，冷卻過程焊接結(jié)構(gòu)各處收縮率不同，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域產(chǎn)生了殘留的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生焊接變形。

交叉式分段焊接設(shè)計是控制焊接變形的有效措施之一。 交叉式分段焊接設(shè)計從本質(zhì)上講就是合理的焊接順序，通過該舉措的根本原因就是將焊接殘余應(yīng)力降到一個最低的水平，使焊縫及周圍的拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，從而將焊接變形控制到最小[1]。

3.1.1 焊接有限元建模

焊接是一個典型的瞬態(tài)高溫過程，為了避免集中熱源突然作用于系統(tǒng)時產(chǎn)生熱振蕩，在計算時采用集中質(zhì)量矩陣和集中熱源矩陣。同時激活大位移大應(yīng)變塑性分析，來約束焊接變形。在焊接過程中，焊縫及其附近區(qū)域的溫度場與應(yīng)力場變化是非常劇烈的[2]。為了保證計算精度，將焊縫及其附近區(qū)域的網(wǎng)格劃分的非常細小，同時為了縮短計算周期，將遠離焊縫區(qū)域的網(wǎng)格劃分的比較粗大，如圖3所示。該模型的焊縫區(qū)域網(wǎng)格大小為0.1 mm，遠離焊縫區(qū)域網(wǎng)格大小為0.5 mm?？傆嬀W(wǎng)格133萬個。

圖3 葉片焊接有限元網(wǎng)格劃分

由于焊接方法為熔化極氣體保護焊，為減小高斯熱源在三維熱傳導(dǎo)分析中帶來的不必要誤差，擬采用Coldak提出的雙橢球熱源模型[3]。其中熱源前半部數(shù)學(xué)模式：數(shù)值計算時以此雙橢圓熱源模型前半部的數(shù)學(xué)關(guān)系模擬焊件加熱時的熱量分布。

熱源后半部數(shù)學(xué)模式：數(shù)值計算時以此雙橢圓熱源模型前半部的數(shù)學(xué)關(guān)系模擬焊件冷卻時的熱量分布。

葉片總共2條焊縫，在焊接過程中，為了研究焊接順序與方向?qū)堄鄳?yīng)力大小及分布情況的影響，設(shè)計了2種不同的焊接方案，如圖4所示。方案中進汽邊采用單層單道焊，出汽邊采用兩層多道焊，先焊進汽邊，后焊出汽邊。為了兼顧計算效率和計算精度，劃分溫度區(qū)間并設(shè)置不同的增量控制準(zhǔn)則。每條焊縫按圖中給出的焊接順序分段施焊、冷卻至室溫。在相變溫度附近，每個增量步始末溫度變化容許值設(shè)置的相對較小，以便更好地考慮相變潛熱的影響。

圖4 葉片兩種不同焊接順序

3.1.2 焊接溫度場分析

焊接溫度場和焊接應(yīng)力變形場是影響焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率的重要因素，空心葉片在焊接過程中，由于葉片結(jié)構(gòu)特點在焊接后必然會產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，最終引起焊接變形。

在焊接時，熱源是焊接過程中唯一的外加負荷[4]，因此數(shù)值模擬時熱傳遞模式的計算相當(dāng)重要，其溫度場計算結(jié)果是影響力學(xué)計算的重要因素。故計算流程中將以高溫分布結(jié)果與材料熔點進行比較，以其熔化范圍是否合適作為評判條件，否則，則以修改熱源公式的方式來改善，得到合理的溫度分布后才進入力學(xué)模式的計算。

葉片施焊過程中，隨著熱源的移動，加熱過程中近焊縫區(qū)域溫度梯度很大，尤其是在熱源中心前部等溫線密集，溫度梯度極大，熱源中心后部和遠離焊縫的地方溫度梯度漸漸減小甚至不受熱源影響。冷卻過程中閉合的橢圓形等溫線逐漸向易于散熱端偏移，縱向溫度梯度相對較大，而沿圓周方向溫度梯度減小。

3.1.3 焊接應(yīng)力場分析

葉片的焊接加熱和冷卻過程中，總體表現(xiàn)為先受熱膨脹后略收縮，待冷卻至室溫后，焊縫中心部位呈壓應(yīng)力，相鄰兩邊則是拉應(yīng)力。離焊縫較遠處，應(yīng)力值很小，接近于0。在焊縫中心部位產(chǎn)生不同程度的曲翹變形，變形量隨冷卻過程的進行稍有增大。

從圖5可以看出，焊板的縱向殘余拉應(yīng)力主要分布于焊縫及其附近區(qū)域，而在遠離焊縫的區(qū)域出現(xiàn)焊接縱向殘余壓應(yīng)力。同時，后續(xù)的焊道在焊接過程中對先焊區(qū)域的應(yīng)力場產(chǎn)生影響，造成先焊區(qū)域的拉應(yīng)力峰值增加。

圖5 葉片焊接應(yīng)力分布與分析

3.1.4 焊接變形分析

葉片結(jié)構(gòu)為空間復(fù)雜型線，具有曲率大、長度長，彎扭度大等特點。焊縫為空間曲線，在焊接過程中由于受熱不均，受熱膨脹部分將受到周圍低溫部分的拘束，產(chǎn)生沿焊縫切向的縱向應(yīng)力和垂直于焊縫的橫向應(yīng)力。由于堆焊焊縫處于葉片的出汽邊位置，靠近寬度方向端面，在力的作用下，焊縫將產(chǎn)生相同的縱向伸長和向上撓曲突起，必將引起出汽邊的角變形和波浪變形。在進汽邊的對接焊縫的雙重作用下，葉片將產(chǎn)生整體沿中間對稱的彎曲變形和扭曲變形。

3.2 裝焊工裝夾具設(shè)計

葉片焊縫為變截面曲面坡口，焊接裝配難度較大，裝配時必須要有精確的裝配胎具來保證葉片的裝配質(zhì)量。如圖6所示，該裝配胎具由3塊不同截面的型線樣板組成，裝配時以出汽邊為基準(zhǔn)，背弧型線面采用自適應(yīng)型線和樣沖眼軸向定位，通過調(diào)整內(nèi)弧裝配位置來保證型面及進汽邊漏光間隙，保證葉片裝配后的整體型線。

焊接工裝是控制葉片焊接變形的重要措施之一，根據(jù)葉片型線結(jié)構(gòu)特點設(shè)計了控制葉片變形的焊接工裝。如圖6所示，該工裝以型面軸向定位，總體采用型腔內(nèi)部灌鋼柱+外部組合式型線壓塊實現(xiàn)葉片剛性固定。其中型腔內(nèi)部灌鋼柱能有效保證葉片焊接時的整體剛性；型腔外部通過內(nèi)弧截面型線壓塊和背弧截面型線撐塊實現(xiàn)葉片的自適應(yīng)型線定位，焊縫背側(cè)采用出汽邊整體型面塊定位，工裝通過三個自由度的控制來確保葉片型線的最佳配合。

圖6 葉片裝焊工裝

3.3 葉片試驗及結(jié)果分析

選取圖4中給出的2種不同焊接分段順序進行葉片焊接，采用GTAW點焊并加固，F(xiàn)CAW填充焊接。焊絲選用神鋼規(guī)格φ1.2 mm的E309LT0-4，焊接電流140～180 A，焊接電壓22～24 V，焊接速度150～240 mm/min，焊接層溫控制在50℃以下。

對焊后的葉片在檢測量具上測量各位置的焊接變形，表1是2種方案的葉片焊接變形數(shù)據(jù)。葉片在焊后進汽邊變形最小，出汽邊上翹產(chǎn)生較大的角變形和旁彎變形，2種變形的疊加使葉片呈整體中間彎曲變形和扭曲變形。葉片出汽邊變形6.5 mm，整體焊接變形為3.5 mm。2種方案的變形對比可以看出通過調(diào)整焊接順序?qū)⒊銎叺暮附幼冃魏团詮澴冃畏謩e提高2 mm和1.5 mm。

從表1中可以看出實測值與模擬值數(shù)據(jù)基本一致，只是具體數(shù)值有些偏差。這也驗證了有限元模擬完全可以從理論層面對葉片的焊接變形規(guī)律、方向進行掌控，為葉片的后續(xù)優(yōu)化指引了方向，同時也大大提高了葉片的試驗效率。

表1 葉片焊接變形數(shù)據(jù)單位：mm

4 自主核電空心靜葉片精控技術(shù)研究

4.1 葉片裝配精控技術(shù)研究

葉片在裝配過程中的進汽邊由于成型型線不到位和整體型線扭曲，葉片小端在裝配時不可避免地產(chǎn)生了較大的坡口間隙，在焊接時通過大量的堆焊來保證進汽邊的型線，造成葉片焊接變形大大增加，因此葉片裝配時必須保證進汽邊裝配間隙。對葉片焊接變形數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為葉片在裝配時需增加2個中間裝配截面，將進汽邊R位置間隙和內(nèi)弧整體型線間隙進行修正。具體截面的型線漏光值設(shè)定為：進汽邊控制在1.5～3 mm，內(nèi)弧兩端截面間隙控制在1～2.5 mm，內(nèi)弧中間截面間隙控制在0.5～2 mm。

4.2 葉片焊接精控技術(shù)研究

焊接對葉片的精度起著決定性的影響，要控制葉片精度，必須要控制焊接變形。焊接順序、焊接定位裝卡以及熱輸入量是影響焊接變形的主要因素。在焊接時，尤其是在多道焊接過程中，焊接順序的選擇對殘余應(yīng)力和焊接變形有很大影響，采用不同的焊接順序，可以改變殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。通過試驗表明，對葉片的焊接變形優(yōu)化主要從焊接有限元、焊接工裝兩個方面進行聯(lián)合控制。

4.2.1 焊接有限元

前期試驗結(jié)果表明，焊接殘余拉應(yīng)力場出現(xiàn)在焊縫及其附近區(qū)域，而殘余壓應(yīng)力出現(xiàn)在遠離焊縫的區(qū)域，焊縫的中間區(qū)域出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力的峰值。尤其在葉片出汽邊焊縫處出現(xiàn)了殘余應(yīng)力最大。在焊縫及其近區(qū)存在殘余塑性應(yīng)變，它們是產(chǎn)生焊接變形和殘余應(yīng)力的根源，其中最主要的是沿焊縫的縱向殘余塑性應(yīng)變和垂直焊縫的橫向殘余塑性應(yīng)變。

為控制葉片焊接變形，需要調(diào)整每道焊縫的熱源模型，通過調(diào)整熱源來控制溫度場。同時基于方案2進行優(yōu)化改進，進汽邊由于變形較小不需考慮，主要對出汽邊的應(yīng)力分布進行優(yōu)化。通過調(diào)整葉片的應(yīng)力峰值區(qū)域，將葉片分為中間對稱的20段焊法，焊接層數(shù)設(shè)置為單層多道焊。分析得出由中間向兩端的間斷焊接得到的殘余應(yīng)力得到有效控制，應(yīng)力分布趨穩(wěn)，焊接變形趨小，具體見圖7。

圖7 葉片精控后焊接應(yīng)力分布與分析

4.2.2 焊接工裝

試驗階段設(shè)計的焊接工裝將葉片的整體焊接變形控制在一個合理的范圍內(nèi)，但是由于出汽邊大量的堆焊造成焊接熱聚集，使葉片出汽邊產(chǎn)生了較大的角變形和旁彎變形。為了降低出汽邊的焊接殘余應(yīng)力，在焊接工裝優(yōu)化時引入溫差法。溫差法的原理是通過降低焊接應(yīng)力場，使應(yīng)力分布更加均勻，將大部分拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力[5]。

對工裝增加水冷裝置，在工裝焊縫背側(cè)的出汽邊整體型面塊定位設(shè)計成循環(huán)水冷通道，在葉片焊縫背側(cè)區(qū)域進行噴水冷卻方法，方法主要目的是為了不讓葉片危險區(qū)域由于溫度的關(guān)系產(chǎn)生壓縮塑性變形且盡可能地增加葉片出水邊與危險區(qū)域的溫度差，具體結(jié)構(gòu)見圖8。確保葉片焊接時的焊縫區(qū)域溫降。從上面的分析可以看出，溫差法完全可以起到殘余應(yīng)力且使應(yīng)力場均勻化以及降低高殘余應(yīng)力區(qū)峰值的作用，最終控制葉片焊接變形。

圖8 葉片焊接優(yōu)化工裝

4.3 葉片精控前后對比分析

采用精控技術(shù)進行葉片的焊接試驗，將試驗后的葉片與前期試驗葉片數(shù)據(jù)進行整理分析，具體數(shù)值見圖9。葉片的出汽邊變形得到較大提高，控制在2.5 mm以內(nèi)，葉片旁彎變形僅1.5 mm，進汽邊變形也提高到1 mm。這也充分說明裝配質(zhì)量和焊接順序及工裝夾具對葉片焊接變形影響極大，采用20段焊法的葉片焊接變形相比精控前有了很大提高，特別是中間截面的凹彎曲變形得到有效控制，葉片整體焊接變形控制在2 mm以內(nèi)。

通過從裝配和焊接兩個方面對葉片實施精控制造，葉片無論是焊接殘余應(yīng)力還是焊接變形都控制在一個合理范圍內(nèi)，從而使葉片的裝焊整體變形完全達到預(yù)期目標(biāo)。

圖9 葉片精控前后焊接變形

5 結(jié)論

通過對自主核電空心靜葉片裝焊及精控技術(shù)研究，并結(jié)合試制結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

（1）數(shù)值模擬的高效、精密、完善、智能給焊接變形的精控提供了有效的工具。

（2）設(shè)計的工裝、裝焊工藝、20段焊法完全適用于自主核電空心靜葉片制造。

（3）掌握了葉片精控制造方法及解決措施，將葉片的裝焊整體變形控制在2 mm以內(nèi)。

（4）該裝焊精控方法對葉片的批量生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義，且具有獨特的創(chuàng)新性。

[1]趙海燕，蔡志鵬，吳甦，等.分段移動的焊接熱源模型的研究及應(yīng)用[A].第十次全國焊接會議文集[C].2001.

[2]陳楚,張月嫦.焊接熱模擬技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社,1985：52-58.

[3]陸?zhàn)?，陳俊梅，陳家?薄板結(jié)構(gòu)焊接變形數(shù)值模擬及其應(yīng)用[J].電焊機,2007,37(6)：71-74.

[4]汪建華，戚新海，鐘小敏.三維瞬態(tài)焊接溫度場的有限元模擬[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,1996,30(3)：120-125.

[5]關(guān)橋，張崇顯，郭德倫.動態(tài)控制的低應(yīng)力無變形焊接新技術(shù)[J].焊接學(xué)報,1994,15(1):8-15.

Fabrication and Precision Control Technology Research for Hollow Blade of Independent Nuclear Power Units

Xu Jian1， Xiong Jiankun1,2， Zhao Pengfei1， Pan Simeng1， Huang Li1， Luo Jun1

（1.Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000;
2.Department of Mechanical Engineering Tsinghua University,Beijing,100084）

Independent nuclear power hollow blade has complex shape,bending and twisting,super long and super large blade,assembly precision and welding deformation are the key problem of welded hollow blade manufacturing.In this paper,according to the characteristics of blade structure,the influence factors of vane fabrication precision are analyzed,and the welding process is simulated and analyzed by finite software.Focus on the blade assembly quality,welding section,fabrication equipment,etc,assemly welding and precise control technology is researched,a multi-function fabrication jig is designed,and the fabrication process and the strategy of the 20 period of welding are worked out.Results show that the tooling,the process and 20 period of welding technology are all suitable for welding blade,and the welding deformation of hollow blade is controlled within 2 mm.The fabrication and precision control technology not only solves the major manufacturing difficulties of blades,but also has unique innovation.

independent nuclear power units,hollow blade,welding deformation

TK266

B

1674-9987（2017）04-0030-06

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2017.04.007

項目說明：國家科技支撐計劃，項目名稱——面向大型汽輪機及發(fā)動機等關(guān)鍵零部件制造的數(shù)字化車間

項目編號：2015BAF02B00

徐健 （1985-），男，本科，工程師，2008年畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)材料成型及控制工程專業(yè)，長期從事汽輪機焊接技術(shù)及工藝開發(fā)工作。