錦屏二級水電站壓力鋼管選用600 MPa 級高強(qiáng)鋼厚板焊接接頭沖擊韌性影響因素分析

毛勇

(葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司，四川成都 610091)

焊接線能量是影響焊接接頭(接頭組織、力學(xué)性能)質(zhì)量的基本工藝參數(shù)。選擇線能量的大小不僅與焊接方法、焊接材料、焊接技術(shù)要求、工藝參數(shù)等有關(guān)，更主要的是考慮到了焊接熱影響區(qū)的組織力學(xué)性能及抗裂性能的綜合平衡。焊接線能量對焊接接頭的力學(xué)性能尤其是沖擊韌性影響很大，對于調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用的低合金高強(qiáng)鋼而言，這種影響將更為顯著。筆者就錦屏二級水電站壓力鋼管使用600 MPa 級高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼(B610CF)板材的現(xiàn)場施工情況以及焊接影響因素進(jìn)行了分析，以期對今后現(xiàn)場施工起到一定的借鑒作用。

1 錦屏二級水電站壓力管道工程

錦屏二級水電站共布置8條高壓管道，每條高壓管道下平段壓力鋼管在距廠房上游側(cè)邊墻2.38 m 處(壓力鋼管末端)往上游方向的28.8 m段采用600 MPa 級高強(qiáng)鋼板，材質(zhì)為B610CF，該段鋼管內(nèi)徑為6.05～6.5 m，板厚為56～40 mm，設(shè)計壓力為2.58 MPa。

B610CF 鋼屬于低焊接裂紋敏感性、低合金高強(qiáng)度鋼，此類鋼的合金化原理是在低碳的基礎(chǔ)上，通過加入合金元素并通過調(diào)質(zhì)處理獲得強(qiáng)度高、韌性好的低碳馬氏體和低碳貝氏體的混合組織。當(dāng)采用大線能量焊接時，低碳低合金調(diào)質(zhì)鋼冷卻時間t 8/5(熔合線附近的點由800℃冷卻至500℃的時間)過長會導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化以及上貝氏體的生成，從而引起過熱區(qū)的脆化，使沖擊韌性明顯下降。

理論上講，通過采取預(yù)熱、控制層間溫度、后熱以及嚴(yán)格控制焊接線熱量等工藝措施可以有效保證材料的沖擊韌性指標(biāo)。而在實際施工中，這些措施和工程需求往往會發(fā)生沖突。比如，焊接線能量過低，相對而言更容易產(chǎn)生焊接缺陷，同時工作效率降低，工人勞動強(qiáng)度加大，與施工工期要求會發(fā)生矛盾。因此，有必要在最大限度滿足對焊接接頭沖擊韌性要求的同時，兼顧施工現(xiàn)場實際情況，對影響因素進(jìn)行進(jìn)一步分析，以保質(zhì)保量地完成施工任務(wù)。

參加本次壓力鋼管焊接的焊工均長期從事壓力鋼管焊接工作，操作經(jīng)驗豐富，底片合格率亦很高，在長期從事16 MnR 等材質(zhì)的焊接中，養(yǎng)成了大線能量焊接的習(xí)慣，但其對于調(diào)質(zhì)低合金高強(qiáng)鋼材的焊接特性知之甚少。因此，在進(jìn)行壓力鋼管制作縱縫和安裝環(huán)縫焊接之前對他們進(jìn)行了基本理論和實際操作的培訓(xùn)并進(jìn)行了考核。筆者通過對考核試板以及隨后進(jìn)行的壓力鋼管的生產(chǎn)試板焊接情況及沖擊試驗結(jié)果進(jìn)行了分析，力求找出主要影響因素。

2 鋼板及焊材

鋼板的力學(xué)性能(產(chǎn)品質(zhì)量證明書)及其復(fù)驗數(shù)據(jù)見表1。產(chǎn)品試板由利用每種板厚用于制作管節(jié)的加長板的邊角余料制取，所有鋼板均按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了復(fù)驗，沖擊功平均值均在200 J以上。B610CF 鋼板配套選用的焊條為四川大西洋焊接材料股份有限公司生產(chǎn)的、牌號為CHE62CFLH、直徑為3.2 mm 和4 mm 的焊條。焊條質(zhì)保書及復(fù)驗提供的力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2。從表2可知，鋼板及焊材完全滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，均具有很高的沖擊韌性儲備量。

3 焊工考核試板及產(chǎn)品試板沖擊功試驗

表1 鋼板力學(xué)性能表

表2 焊條力學(xué)性能(摘錄)表

3.1 考核試板焊接工藝

所有焊工經(jīng)過基本理論和實際操作培訓(xùn)后均進(jìn)行了考核，考核試板采用立焊方式垂直放置，尺寸為300 mm ×150 mm。焊接時環(huán)境溫度為25℃～35℃，環(huán)境濕度為35%～65%，預(yù)熱溫度為120℃～150℃。不同的組別有不同的層間溫度要求，焊后均沒有進(jìn)行消氫熱處理，主要焊接工藝參數(shù)見表3。坡口形式、組對間隙等均符合設(shè)計圖樣要求。

3.2 考核試板的結(jié)果及分析

表3 立焊考核試板焊接工藝參數(shù)表

3.2.1 考核試板分組

共有28人參加了試板考核，為了進(jìn)行對比并積累數(shù)據(jù)，將考核分成為3組。第1～3組焊工人數(shù)分別為8人、10人、10人。

(1)第1組。為了更好地模擬壓力鋼管焊接的實際情況，對8名焊工不做要求，僅對其焊接工藝參數(shù)進(jìn)行記錄，對考核試板也僅進(jìn)行了-20℃沖擊試驗。

(2)第2組。要求焊工嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，但對層間溫度不做要求，要求焊工連續(xù)完成試板的焊接。

(3)第3組。要求焊工嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，同時必須保證層間溫度不超過200℃。由于試板尺寸較小，溫度下降慢，因此，焊工每焊完一層，須停焊一段時間，待層間溫度降到200℃后再重新施焊。

3.2.2 各組試板結(jié)果及分析

對3組試板進(jìn)行的記錄顯示，第2～3組焊接電流、速度基本符合要求，電流最大值均在160 A以內(nèi)，第1組的焊接電流偏大，個別甚至達(dá)到185 A 左右，且焊接速度低。第1～第2組的層間溫度因不進(jìn)行控制，實際測量值均在230℃左右。

根據(jù)所記錄的不同焊接工藝參數(shù)值，從每組中各選2塊具有代表性的焊接試板制取沖擊試樣進(jìn)行沖擊韌性試驗，試驗結(jié)果見表4，表4中的數(shù)據(jù)為3個沖擊功的平均值。

從試驗記錄的單個數(shù)值中可以得出:第1組焊縫最低值為34 J，最高值為45 J，熱影響區(qū)(HAZ)最低值為40 J，最高值為48 J;第2組焊縫最低值為43 J，最高值為52 J，熱影響區(qū)(HAZ)最低值為46 J，最高值為55 J;第3組焊縫最低值為75 J，最高值為86 J，熱影響區(qū)(HAZ)最低值為87 J，最高值為116 J。

表4 試板沖擊韌性試驗結(jié)果表(平均值)

從表4中可以看出，大線能量焊接以及不控制層間溫度，則-20℃沖擊功值很低(第1組數(shù)據(jù))。嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝卻不控制層間溫度，則對焊縫的沖擊韌性影響也很明顯(第2組數(shù)據(jù))。只有嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，同時嚴(yán)格控制層間溫度，才能得到令人滿意的沖擊韌性(第3組數(shù)據(jù))。

從表4中還可以看出:焊條電弧焊時，線能量的最佳范圍為15～35 k/cm，在此范圍內(nèi)其沖擊韌性在-20℃時為75 J 以上;當(dāng)線能量大于45 kJ/cm 時，其沖擊韌性降至47 J 以下。

600 MPa 級高強(qiáng)鋼壓力鋼管嚴(yán)格按照第3組工藝要求完成焊接，工期略有增加，焊工單位時間的勞動強(qiáng)度也略有提高，但由于嚴(yán)格限制了焊接線能量，焊接質(zhì)量得到了有效保證，這一點從產(chǎn)品試板的性能檢驗結(jié)果中得到了進(jìn)一步證實。同時，由于線能量選擇范圍的合理性，對焊接操作并沒有增加太大難度，最終壓力鋼管的X 射線檢測底片合格率均很高。

3.3 產(chǎn)品試板結(jié)果及分析

產(chǎn)品試板的制備按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。由質(zhì)檢部門隨機(jī)抽取的焊工完成600 MPa 級高強(qiáng)鋼壓力鋼管各種板厚產(chǎn)品試板沖擊功值中可以看出:焊縫最低沖擊功為46 J，最高為78 J;熱影響區(qū)(HAZ)最低為65 J，最高為95 J。

從以上分析結(jié)果可以看出，只要嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，焊接接頭的沖擊韌性是完全能夠得到保證的。

4 線能量對焊縫質(zhì)量的影響

B610CF 鋼在工廠內(nèi)經(jīng)高溫淬火+回火后提高了鋼的強(qiáng)度。焊接時，小的線能量較好，但過小會影響焊接速度，增加焊工的勞動強(qiáng)度。鋼管除縱縫在鋼管廠現(xiàn)場拼焊外，環(huán)縫則全部在隧洞內(nèi)組裝后焊接，幾乎全靠焊條電弧焊完成，故線能量不宜過小。一般焊工喜歡偏大些，這樣能提高焊接速度。但線能量過大會影響焊接接頭的性能，即焊縫、熔合線和熱影響區(qū)的沖擊韌性和硬度降低，進(jìn)而影響到壓力鋼管的安全運(yùn)行。故線能量不宜過大，焊縫不宜過寬，一般手工焊時，焊縫寬度為焊條直徑的3倍多，即:3×φ+3～5(mm)，φ為焊條直徑。

通過試驗可知，B610CF 鋼焊接熱影響區(qū)的粗晶區(qū)(熔合區(qū))的韌性隨線能量的增加會出現(xiàn)粗大的上貝氏體組織，使接頭的韌性降低。因此，焊接線能量的大小必須控制。

5 分析與討論

5.1 高強(qiáng)鋼焊接線能量的確定

焊接線能量的確定主要取決于過熱區(qū)的脆化和冷裂兩個因素。對B610CF 調(diào)質(zhì)鋼而言，由于其淬硬傾向增加，隨著線能量的減少，過熱區(qū)的沖擊韌性不是提高而是降低并易出現(xiàn)延遲裂紋，故焊接線能量不宜過小。單層焊時，焊接線能量以手工焊小于40 kJ/cm 為宜，但實際厚板焊接由于采用了多層多道焊，層道之間能對焊縫起退火作用，故在實際的壓力鋼管焊接過程中，焊接線能量取上限是可行的。

5.2 線能量對焊縫及近縫區(qū)組織性能的影響

焊接線能量的大小直接影響到焊接接頭組織的性能。B610CF 調(diào)質(zhì)鋼對熱影響區(qū)的線能量比較敏感，即小的線能量會產(chǎn)生低碳馬氏體，對韌性無明顯的破壞作用，但高碳馬氏體會使脆性轉(zhuǎn)變溫度升高。當(dāng)線能量達(dá)到25 kJ/cm 時，會得到下貝氏體或B1型貝氏體，可以獲得最佳的韌性效果，脆性轉(zhuǎn)變溫度最低。當(dāng)焊接線能量升高到35 kJ/cm 時，會出現(xiàn)上貝氏體。由于多層多道焊的熱循環(huán)作用，后一道焊縫對前一道焊縫的正火作用，細(xì)化了晶粒，在粗晶區(qū)未見到M-A 組元的脆化作用，韌性也較好。當(dāng)線能量升高到45 kJ/cm以上時，近縫區(qū)組織轉(zhuǎn)變?yōu)樯县愂象w，向F+P變化，對韌性則不利。晶粒粗大，可能會出現(xiàn)M一A 組元。當(dāng)線能量加大到55 kJ/cm 以上時，會轉(zhuǎn)變成鐵素體和粗大的珠光體，形成過燒，產(chǎn)生魏氏組織等，發(fā)生脆化現(xiàn)象，對韌性不利。因此，對熱影響區(qū)的焊接線能量必須控制。

6 結(jié)語

(1)大中型水電站壓力鋼管選用B610CF 調(diào)質(zhì)高強(qiáng)鋼，強(qiáng)度高，韌性好，焊接性能好。焊接線能量必須控制，不能過大，也不宜過小。

(2)層間溫度對焊接接頭的沖擊韌性影響很大，當(dāng)層間溫度超過200℃時，焊接接頭特別是焊縫的沖擊功值下降非常明顯。因此，對于調(diào)質(zhì)鋼，控制層間溫度是非常必要的。

(3)為保證錦屏二級水電站壓力鋼管的焊接質(zhì)量，在進(jìn)行焊接工藝評定及焊接工藝規(guī)范的制定時，應(yīng)綜合考慮熱影響區(qū)的組織力學(xué)性能，選擇最佳的焊接線能量。為提高焊接生產(chǎn)率，降低成本，保證接頭質(zhì)量，手工焊E線≈15～40 kJ/cm 最為合適。