隨著離心壓縮機(jī)葉輪制造工藝技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了焊接結(jié)構(gòu)葉輪[1] ，這是風(fēng)機(jī)葉輪制造工藝的一次變革，它使生產(chǎn)三元流、高速、高壓、高強(qiáng)度、特殊性能、窄流道、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命及安全可靠的葉輪成為現(xiàn)實(shí)。近年來(lái)，高速離心葉輪已基本上全為焊接結(jié)構(gòu)[2-4] 。
某型號(hào)焊接結(jié)構(gòu)的離心葉輪采用低碳調(diào)質(zhì)鋼15MnNiCrMoV，運(yùn)行一段時(shí)間后第3級(jí)葉輪發(fā)生失效，故障葉輪帶有明顯解體疲勞破壞特征。葉輪的宏觀裂紋位置在葉片進(jìn)口輪蓋側(cè)，具體如圖1所示，可以清楚地觀察到疲勞源位于葉片與輪盤(pán)焊接引弧區(qū)。
2 焊接缺陷檢測(cè)
首先選取葉輪中的典型失效葉片分析了失效葉輪的焊接接頭及其缺陷，采用金相檢測(cè)手段，嘗試找出相應(yīng)的失效原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，角接頭存在嚴(yán)重的焊接缺陷，包括未焊透、接頭組織粗化和裂紋等。
經(jīng)過(guò)檢測(cè)，所檢查部位的葉片角焊接均出現(xiàn)了未焊透現(xiàn)象，典型照片見(jiàn)圖2，且未焊透尺寸較大，接近甚至大于單側(cè)焊縫及葉片厚度，這意味著實(shí)際承載面積嚴(yán)重減少，導(dǎo)致葉輪服役過(guò)程中焊縫上承受較大的工作應(yīng)力。形成未焊透的原因有兩個(gè)方面：一是設(shè)計(jì)上的，依據(jù)工藝要求有不需要焊透的部位；二是焊工操作層面上的，剖口尺寸小，焊接方位不正確，電流小等原因[5-7] 。
3 應(yīng)力分析
3.1 分析方法
為了分析角焊縫的焊腳尺寸對(duì)靜載強(qiáng)度的影響，針對(duì)角焊縫焊接接頭中出現(xiàn)的主要缺陷——未焊透進(jìn)行靜力學(xué)分析。將焊接葉輪焊接接頭簡(jiǎn)化為一個(gè)帶有兩個(gè)角焊縫的T型接頭，利用Ansys11.0軟件平臺(tái)進(jìn)行有限元數(shù)值建模及變形與應(yīng)力分析。這個(gè)模型雖然不能完全反映焊接葉輪的真實(shí)受力情況，但分析結(jié)果對(duì)理解焊接葉輪的失效具有意義[8-11] 。
采用有限元數(shù)值建模時(shí)，將焊接葉輪角焊縫結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為如圖3所示的T型接頭，圖中模擬葉片厚度為9mm，高度為50mm；模擬輪盤(pán)厚度為15mm，長(zhǎng)度為100mm。假設(shè)有一靜載力F=300N作用于葉片的頂端，分別對(duì)焊透角焊縫、焊透打磨過(guò)渡圓角、未焊透角焊縫及未焊透打磨過(guò)渡圓角四種情況，在同樣的施力條件下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算與分析。
3.2 結(jié)果與討論
應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。由云圖可以看出，在葉片末端橫向加載時(shí)，在焊縫根部及未焊透的根部均出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中未打磨圓角時(shí)焊縫根部的應(yīng)力集中高于打磨過(guò)渡圓角后的應(yīng)力。比較圖4中的（a）、（b）、（c）和（d），可以看出，未焊透根部的應(yīng)力集中情況較嚴(yán)重，這與Ejaz等人的分析結(jié)果一致[12-14] 。
將模擬輪盤(pán)上邊緣（未焊透缺陷所在直線）的應(yīng)力分布情況（如圖5）和應(yīng)力峰值（如圖6）進(jìn)行比較。圖5（a）和（b）給出了未焊透對(duì)Mises等效應(yīng)力分布的影響。可見(jiàn)，在完全焊透的情況下，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在焊趾根部，大小約260MPa；而當(dāng)存在未焊透缺陷時(shí)，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在未焊透缺陷根部（±3mm處）的位置，其大小遠(yuǎn)高于完全焊透時(shí)的值。這說(shuō)明未焊透缺陷造成了嚴(yán)重的應(yīng)力集中，使結(jié)構(gòu)中存在薄弱環(huán)節(jié)，而未焊透本身也相當(dāng)于裂紋，在較小的應(yīng)力作用下其應(yīng)力集中就會(huì)導(dǎo)致裂紋尖端達(dá)到裂紋擴(kuò)展應(yīng)力門(mén)檻值，從而加速損傷。因此未焊透缺陷對(duì)接頭的靜載能力影響很大。
圖5（c）和（d）表示過(guò)渡圓角對(duì)應(yīng)力分布的影響。在完全焊透無(wú)過(guò)渡圓角的情況下，應(yīng)力峰值出現(xiàn)在±12.5mm處；而當(dāng)加工了過(guò)渡圓角之后，應(yīng)力峰值的位置（約±10.0mm處）略向焊縫中心移動(dòng)（如圖5（c）），應(yīng)力峰值略有降低，但中心的平均應(yīng)力增加。存在未焊透缺陷時(shí)，過(guò)渡圓角使得未焊透根部應(yīng)力值由560MPa增加到810MPa（如圖6）。分析認(rèn)為，這是由于加工過(guò)渡圓角造成了實(shí)際承載面積的減小。此時(shí)，雖然光滑過(guò)渡減小了焊趾處的應(yīng)力集中，但其減小的應(yīng)力將由中間部位承擔(dān)，當(dāng)存在未焊透缺陷的時(shí)候根部的應(yīng)力增加顯著。由此可見(jiàn)，過(guò)渡圓角的具體形式及其打磨尺寸的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，在制定工藝參數(shù)的時(shí)候應(yīng)慎重。
4 結(jié)論
采用金相檢測(cè)和有限元模擬方法對(duì)某型號(hào)離心壓縮機(jī)葉輪的斷裂行為及其機(jī)理進(jìn)行了檢測(cè)與分析。結(jié)果表明：
1） 所失效部位的葉片角焊接存在明顯的應(yīng)力集中；
2） 葉片根部應(yīng)力集中加速了裂紋的擴(kuò)展及失穩(wěn)，成為葉片斷裂失效的主要因素；
3） 過(guò)渡圓角的形式及打磨尺寸的選擇對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響較大，建議調(diào)整和精確控制加工的工藝參數(shù)。-
上虞風(fēng)機(jī)
