随着离心压缩机叶轮制造工艺技术的发展，出现了焊接结构叶轮[1] ，这是风机叶轮制造工艺的一次变革，它使生产三元流、高速、高压、高强度、特殊性能、窄流道、高质量、长寿命及安全可靠的叶轮成为现实。近年来，高速离心叶轮已基本上全为焊接结构[2-4] 。
某型号焊接结构的离心叶轮采用低碳调质钢15MnNiCrMoV，运行一段时间后第3级叶轮发生失效，故障叶轮带有明显解体疲劳破坏特征。叶轮的宏观裂纹位置在叶片进口轮盖侧，具体如图1所示，可以清楚地观察到疲劳源位于叶片与轮盘焊接引弧区。
2 焊接缺陷检测
首先选取叶轮中的典型失效叶片分析了失效叶轮的焊接接头及其缺陷，采用金相检测手段，尝试找出相应的失效原因。结果发现，角接头存在严重的焊接缺陷，包括未焊透、接头组织粗化和裂纹等。
经过检测，所检查部位的叶片角焊接均出现了未焊透现象，典型照片见图2，且未焊透尺寸较大，接近甚至大于单侧焊缝及叶片厚度，这意味着实际承载面积严重减少，导致叶轮服役过程中焊缝上承受较大的工作应力。形成未焊透的原因有两个方面：一是设计上的，依据工艺要求有不需要焊透的部位；二是焊工操作层面上的，剖口尺寸小，焊接方位不正确，电流小等原因[5-7] 。
3 应力分析
3.1 分析方法
为了分析角焊缝的焊脚尺寸对静载强度的影响，针对角焊缝焊接接头中出现的主要缺陷——未焊透进行静力学分析。将焊接叶轮焊接接头简化为一个带有两个角焊缝的T型接头，利用Ansys11.0软件平台进行有限元数值建模及变形与应力分析。这个模型虽然不能完全反映焊接叶轮的真实受力情况，但分析结果对理解焊接叶轮的失效具有意义[8-11] 。
采用有限元数值建模时，将焊接叶轮角焊缝结构简化为如图3所示的T型接头，图中模拟叶片厚度为9mm，高度为50mm；模拟轮盘厚度为15mm，长度为100mm。假设有一静载力F=300N作用于叶片的顶端，分别对焊透角焊缝、焊透打磨过渡圆角、未焊透角焊缝及未焊透打磨过渡圆角四种情况，在同样的施力条件下的应力分布情况进行数值模拟计算与分析。
3.2 结果与讨论
应力计算结果见图4。由云图可以看出，在叶片末端横向加载时，在焊缝根部及未焊透的根部均出现了应力集中，其中未打磨圆角时焊缝根部的应力集中高于打磨过渡圆角后的应力。比较图4中的（a）、（b）、（c）和（d），可以看出，未焊透根部的应力集中情况较严重，这与Ejaz等人的分析结果一致[12-14] 。
将模拟轮盘上边缘（未焊透缺陷所在直线）的应力分布情况（如图5）和应力峰值（如图6）进行比较。图5（a）和（b）给出了未焊透对Mises等效应力分布的影响。可见，在完全焊透的情况下，应力峰值出现在焊趾根部，大小约260MPa；而当存在未焊透缺陷时，应力峰值出现在未焊透缺陷根部（±3mm处）的位置，其大小远高于完全焊透时的值。这说明未焊透缺陷造成了严重的应力集中，使结构中存在薄弱环节，而未焊透本身也相当于裂纹，在较小的应力作用下其应力集中就会导致裂纹尖端达到裂纹扩展应力门槛值，从而加速损伤。因此未焊透缺陷对接头的静载能力影响很大。
图5（c）和（d）表示过渡圆角对应力分布的影响。在完全焊透无过渡圆角的情况下，应力峰值出现在±12.5mm处；而当加工了过渡圆角之后，应力峰值的位置（约±10.0mm处）略向焊缝中心移动（如图5（c）），应力峰值略有降低，但中心的平均应力增加。存在未焊透缺陷时，过渡圆角使得未焊透根部应力值由560MPa增加到810MPa（如图6）。分析认为，这是由于加工过渡圆角造成了实际承载面积的减小。此时，虽然光滑过渡减小了焊趾处的应力集中，但其减小的应力将由中间部位承担，当存在未焊透缺陷的时候根部的应力增加显著。由此可见，过渡圆角的具体形式及其打磨尺寸的选择对结构强度影响较大，在制定工艺参数的时候应慎重。
4 结论
采用金相检测和有限元模拟方法对某型号离心压缩机叶轮的断裂行为及其机理进行了检测与分析。结果表明：
1） 所失效部位的叶片角焊接存在明显的应力集中；
2） 叶片根部应力集中加速了裂纹的扩展及失稳，成为叶片断裂失效的主要因素；
3） 过渡圆角的形式及打磨尺寸的选择对结构强度影响较大，建议调整和精确控制加工的工艺参数。-
上虞风机
