大型水电站分瓣座环上、下环板焊接仿真及防变形施工控制

1 概述

随着计算机技术的发展，目前已有ABAQUS、ANSYS、SYSWELD、WELDPLANER、MATLAB等软件可以很好的进行焊接过程模拟仿真或数值计算，通过运用基础科学理论对焊接过程中的物理或化学现场进行分析，可以模拟仿真焊接过程和求解得到计算结果，从而达到优化设备结构和工艺设计、缩短实践检验积累所需时间，提高产品焊接质量和品质的目标。

2 模型的建立及仿真

两河口水电站水轮机座环为钢板焊接结构，分四瓣运输至工地进行现场组装焊接。座环本体主要由上环板、下环板、固定导叶、上过渡板、下过渡板、中法兰（底环支撑板）等组成，如图1所示。

图1 分瓣座环各部位结构名称示意图

分瓣座环焊接过程中，焊接导致座环变形的因素有很多种，例如焊接电压、电流、焊接方法以及组合块定位、焊缝加温、焊接工艺、焊接顺序等都会对焊接形变造成较大的影响。在以上各种工艺影响中，由于其上、下环板板厚为250 mm，材质为S355J2-Z35，因此座环上、下环板焊接顺序及焊接工艺参数的影响最为明显，焊接重点及难点为控制座环上、下环板焊接过程中的焊接变形及焊接质量。座环上、下环板焊接坡口形式如图2所示。

图2 座环上、下环板焊缝结构形式示意图

座环焊接仿真三维模型采用Solidworks软件对座环上、下环板及固定导叶、对接坡口进行了实体建模，模型及焊缝均采用Sysweld的Visual-mesh功能进行网格划分，如图3所示。

图3 座环上、下环板模型网格划分

焊接仿真计算采用Sysweld的Welding功能根据厂家预设焊接工艺文件对焊接各工艺参数进行了设置，采用仿真计算时，8条焊缝焊接方式全部采取多层多道、同速焊接，工艺参数按焊接电流、电压、焊接速度给定值进行焊接线能量选择和设定，选定各条焊缝焊接线能量后，通过同时改变各条焊缝焊接顺序、焊接线能量输入对比变形趋势。例如预设上、下环板8条焊缝同时从内向外焊接，焊机工艺参数采用制造厂家提供的电流、电压、焊接速度等，通过焊接仿真可得每道焊接如图4所示的焊接变形量（单位：mm）。

图4 预设8条焊接从内向外焊接每道焊接后变形量

由于焊接仿真计算量非常大，对电脑要求配置高，座环焊接仿真模型采用1:10对座环上、下环板和固定导叶结构进行简化，且未考虑座环其余本体钢结构形式、外部约束条件等因素，因此焊接仿真变形量结果与实际值存在较大偏差，但焊接导致的变形趋势一致，因此数据可作为参考依据，另外现场架设了一套数显百分表系统在座环上、下环板焊接时进行了实时监测，用于指导座环上、下环板焊接，同时用以对比仿真结果。

3 现场实时监测

座环焊接前，用内径千分尺，各均布16点测量座环上法兰，座环上、下环板内径并作记录，用精密水准仪各均布16点测量座环上法兰、中法兰水平度并记录。座环组合缝加温预热前，在座环4个组合缝位置架设数显百分表系统，在座环上、下环板焊接时对座环上法兰，上、下环板焊接变形实时监测，具体方式如图5所示。

图5 座环上、下环板焊接变形监测示意图

百分表架设完成后，对座环上、下组合缝及周边100 mm范围内采用履带式加热板预热100～120℃，焊接采用手工电弧焊，由8名焊工在不同位置采用多层多道退步焊接，首先进行座环上、下环板定位焊，然后再进行焊缝的正式焊接。

在座环上、下环板焊接实施过程中，通过在组合缝位置架设数显百分表、USB数据线、集线器然后接入笔记本电脑的数显测微计系统软件中，设定每隔5分钟实时、同步记录一组监测数据，现场根据变形趋势和焊接顺序每小时预判一次后续变形趋势，并及时进行调整，用于控制焊接同步性和减小焊接变形，如图6所示。

图6 测微计系统接线及现场实施应用

4 反变形措施及效果

根据厂家焊接工艺文件及焊接参数，通过对座环上、下环板的焊接仿真，仅采用合理安排焊接顺序，对称同速多层多道焊很难保证最终焊接变形量。因此为减小焊接变形量，在出厂焊缝组合块继续保留的基础上，在相应位置背面采取增加刚性固定法，加强焊接反变形措施，辅助用以减小焊接变形，具体做法为在各组焊缝组合块对应面增加焊接骑马板，如图6所示。骑马板在上、下环板位置处为板厚40 mm，其余各处板厚30 mm。同时为减小焊接应力，对现场定位焊采取了焊前预热，正式焊接均采取了焊前预热和焊后250℃热处理工艺。

通过座环上、下环板焊接仿真及焊接变形预控措施，两河口水电站6台机组座环焊接经无损检测，焊缝一次合格率高达98.5%以上，座环整体焊接完成后，6台机组各法兰水平度≤0.90 mm，上、下环板圆度≤1.8 mm，均优于国标及企业标准。

图7 座环组合缝骑马板位置示意图

5 结束语

水电站分瓣座环整体焊接减少焊接变形的工艺控制措施主要为通过焊接方式的合理选择、焊接参数和焊接顺序的科学确定进行，同时采用刚性固定法、冷却（散热）法可以有效减小焊接变形。通过对两河口水电站座环上、下环板焊接组合缝的焊接模拟仿真，仿真了对不同焊接顺序和不同约束条件、焊接工艺参数下分瓣座环上、下环板焊接完成后的变形情况及验证了厂家焊接工艺指导文件，用于预判焊接完成后的变形量。通过采取反变形措施、现场架设百分表实时监测焊接过程中的变形量，采取实时调整焊接工艺和顺序的方式，减小焊接变形量，可用于指导后续同类型座环现场焊接变形控制的理论依据和借鉴。