直焊式隔板焊接裂紋分析及控制技術研究

黃麗，趙鵬飛，徐健，羅軍，楊林，楊東

(東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000)

0 前言

某項目低壓次末級隔板葉片采用的精鑄空心導葉（ZG1Cr13），內環(huán)為T型鋼板拼焊結構（Q345-D），外環(huán)為鑄件（GP280）。在隔板焊接完成后，去應力熱處理前進行清理打磨焊縫時，發(fā)現(xiàn)整圈80只導葉，其中64只導葉焊縫出現(xiàn)批量共性裂紋，如圖1所示：均出現(xiàn)在導葉背弧，裂紋位于導葉側熱影響區(qū)熔合線，PT顯示為貫穿性裂紋。

圖1 隔板焊縫缺陷情況圖

通常直焊式隔板出現(xiàn)的裂紋處于焊縫中間位置，此次出現(xiàn)在焊縫熔合線，初步分析為焊接應力導致，選擇一處典型缺陷進行返修：通過消缺3～4 mm后手工氬弧焊焊接，焊后及焊后24 h、48 h進行PT檢驗，結果如圖2所示，返修后PT無顯示，但24 h后發(fā)現(xiàn)點狀顯示，48 h后擴展為貫穿性裂紋，裂紋位置處于補焊焊縫導葉側熱影響區(qū)熔合線。

圖2 返修試驗情況圖

1 焊接裂紋成因分析

1.1 實物解剖分析

返修試驗后裂紋的形態(tài)位置均與返修前一致，因此對返修裂紋進行取樣分析。包括金相、硬度和裂紋性質。

通過金相分析，熱影響區(qū)組織明顯異常，分成了2-3#，2-4#，2-6#三個截然不同的組織區(qū)域（見圖 3）。

圖3 金相分析

其中2-3#組織疑為補焊時再次加熱導致高溫下重結晶，且晶粒度被顯著細化，2-6#區(qū)域為2-3#區(qū)域中最靠近補焊焊道的區(qū)域，其被加熱的溫度更高，冷卻下來的時候在晶界形成了網狀的第二相。

圖4 取樣接頭顯微硬度及裂紋斷口分析

如圖4所示，熱影響區(qū)硬度高達HV433，整個熱影響區(qū)的硬度都偏高，從裂紋形貌進行微觀分析，裂紋開裂的形式為穿晶及沿晶混合型。

綜上分析，導致產品焊縫開裂的原因是焊接過程中熱影響區(qū)位置的熱應力。

1.2 焊接數值模擬分析

1.2.1 模型建立

采用單只葉片進行建模分析，模型及網格劃分如圖5所示，網格數量10萬，內外環(huán)全固定約束。材料選用SYSWELD模擬軟件已有的材料模，內外環(huán)為S3565J2G3、焊材為316L。采用普通角接模型加載雙橢球熱源，提取了穩(wěn)定焊接后焊縫的熱循環(huán)曲線，將結果輸入成熱源文件，在隔板焊接過程中使用簡化的熱循環(huán)曲線來代替熱源模型[1-2]。

圖5 幾何模型及網格劃分

1.2.2 應力分布情況

經過計算，得出焊接接頭的應力分布情況，如圖6所示。導葉出汽側背弧段與外環(huán)角度較大，這段位置的表面米塞斯應力最高，與產品裂紋位置分布情況相符合。

圖6 焊接接頭應力分布

1.2.3 馬氏體組織及硬度分布情況

圖7 截面馬氏體組織占比分布和硬度變化趨勢分布情況

圖7（a）為兩道焊后截面的馬氏體占比分布，馬氏體組織沿著葉片熱影響區(qū)的位置分布最多，且在葉片表面熔合線附近區(qū)域集中分布；圖7（b）硬度也呈相同變化趨勢分布。

數值模擬計算的結果與理論分析及實物缺陷相吻合，可以判定：導致焊縫產生裂紋及補焊后再次開裂的原因均為焊接熱應力。

1.3 焊接工藝分析

梳理焊接工藝流程，裂紋產生節(jié)點為隔板導葉焊縫全部焊接完成，焊接過程中無去應力處理，產品此時結構應力較大[3]。

2 裂紋控制技術研究

2.1 焊接數值模擬優(yōu)化

結合上述裂紋萌生原因分析，提出增加一次中間熱處理、焊前預熱以及焊后后熱的工藝方案，降低結構應力和減小淬硬組織的影響，并進行數值模擬計算。最終計算結果如下：

（1）中間熱處理參數為590℃/6 h，升降溫速度均為50℃/h，進出爐溫度為20℃，模擬結果：應力峰值區(qū)域平均降低約250 MPa的米塞斯應力；

（2）焊前預熱到250℃，應力峰值區(qū)域平均降低約150 MPa的米塞斯應力；

（3）每層焊后及時進行200℃/1 h的后熱處理，然后緩冷，應力峰值區(qū)域平均降低約100 MPa的米塞斯應力。

采用上述3種優(yōu)化方案中的部分或全部，其降低的應力值并不能簡單相加，而屬于一種遞減疊加的效果，假設一種模型，其應力綜合降低值σ與3種優(yōu)化方案的單獨降低值（σn）的關系如下：

采用中間熱處理+預熱+后熱的方案，其米塞斯應力降低值σ≈360 MPa。據此，初步確定返修焊接工藝為：590℃/6 h中間熱處理，焊前預熱250℃，焊后后熱200℃，590℃/6 h最終熱處理。

2.2 模擬件焊接試驗

制作1∶1弧段模擬件，驗證如圖8所示，按照上述焊接工藝焊接2只導葉產品焊縫，無裂紋顯示。按照原始焊接工藝焊接另外2只導葉焊縫，仍然出現(xiàn)裂紋，裂紋形態(tài)位置與產品一致，對缺陷部位按照本文2.1節(jié)確認的焊接工藝進行返修，返修焊縫合格。

圖8 模擬件驗證

2.3 產品返修驗證

對整副隔板缺陷進行返修，首先進行590℃/6 h中間熱處理，按照補焊前預熱，焊后及時后熱的工藝方案進行返修。由于空心導葉散熱較快，為保持預熱/后熱均勻性，將隔板入爐進行整體預熱，焊接采用AWS ER309L進行焊接，補焊完成后整體入爐后熱，并進行590℃/6 h最終熱處理，打磨清整后PT顯示，裂紋全部一次性返修合格。

2.4 新產品制造工藝技術研究

鑒于次末級隔板制造過程中出現(xiàn)上述焊接缺陷，在進行末級隔板制造前，首先采用數值模擬技術計算該產品在制造過程中的應力分布，數據顯示應力峰值達600 MPa，極易在焊縫熔合線位置產生裂紋。通過對新產品制造工藝技術進行分析，提出以下三種預案：（1）焊前預熱，焊后及時后熱；（2）焊接過程中增加一次中間熱處理；（3）調整單只導葉焊接順序；考慮新產品批量制造的工藝性及可操作性，選擇實施方案2+方案3用于末級隔板制造，產品一次合格。

3 結束語

本次隔板裂紋產生位置處于焊縫熔合線，通過對裂紋的微觀及宏觀分析，采用數值模擬計算進行驗證，找出產生裂紋的根本原因。有針對性地制定增加中間熱處理、整體入爐預熱及后熱的返修工藝，制作模擬件進行焊接驗證后，在產品上將裂紋全部一次性返修合格。

同時，在末級新產品制造前提出裂紋風險控制預案，最終新產品焊接一次合格。