堆焊修复技术是利用高温热源将具有一定使用性能的合金材料熔覆在母体材料表面,以赋予其特殊的使用性能或恢复其原有形状尺寸的工艺。汽轮机是将蒸汽(具有一定温度和压力)的能量转换成为机械能的旋转式动力机械,又称蒸汽透平。现有某汽轮机的转子在服役期间叶根槽受损,将采用堆焊方式进行修复,但是为了对焊接残余变形量进行预测、控制和优化,本文采用数值模拟方法计算分析叶轮体埋弧堆焊工艺过程中的热力耦合作用,主要研究内容及创新性进展如下:(1)利用ANSYS软件对汽轮机钢转子叶轮体进行几何和数值建模,获得堆焊修复工艺过程中各个阶段的温度场分布情况,根据焊接模拟结果,分析焊接熔池深度、热影响区范围及层间热处理效应随堆焊进程变化的特点。结果表明,整个焊接过程中,层间存在明显的热处理效应,即前层对后层进行预热,而后层对前层进行后热处理;并且这种多层多道大面积堆焊工艺,采用短时焊后热处理无法快速消除转子内部温度梯度。(2)建立了堆焊工艺过程弹塑性理论模型,分析堆焊修复过程中应力场的分布情况和变化规律。结果表明,堆焊过程中应力的分布与焊接路径有很大关系。比较整个堆焊工艺过程三向应力的分布规律可以发现,有效的焊后热处理,不仅可以极大地降低焊接时积累的焊接应力峰值,还可以使最终转子内部残余应力的分布趋于均匀。对于轴类叶轮体,因转子两端面的冷却速度较中部的冷却速度快,轴向焊接应力集中于堆焊层靠近两端面的部位;同时,随着焊接层数的增加,基于层间动态应力“重绘”理论,越靠近堆焊层外表面应力越大。(3)通过观察和比较叶轮体堆焊过程的轴向和径向变形情况,可以发现:从整体上来看,沿叶轮体轴线方向,表现为由两侧向中间靠拢的轴向收缩变形;对于焊接过程中非均匀局部加热和冷却导致的径向压缩变形,该向变形对转子影响较小。通过比较焊接热处理前后叶轮体轴向的变形情况,后热处理使转子焊接残余应力变小,但热变形累积效应使得焊接变形有所增大并最终趋于均匀。同时,通过比较焊接热处理前后叶轮体的等效应力和残余变形情况,可以发现580℃×20h的热处理效果更为理想。