大型水輪機蝸殼用780MPa級高強鋼焊接工藝研究

吳雄斌，鄢志勇，馮 濤，范陽陽，羅 銘

（1. 東方電氣集團(tuán)東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2.四川西冶新材料股份有限公司，四川省成都市 611730）

0 序言

隨著水輪機組單機容量和水頭高度的不斷提升，目前白鶴灘為代表的混流式水輪機組的單機容量已經(jīng)達(dá)到百萬千瓦，以長龍山為代表的超高水頭抽水蓄能機組的水頭已經(jīng)達(dá)到700m以上，對蝸殼等結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計提出了極高的要求。若繼續(xù)采用目前水電行業(yè)常用的抗拉強度600MPa級鋼板制造水輪機蝸殼等結(jié)構(gòu)，其鋼板厚度將進(jìn)一步增加，一方面制造過程中成形和焊接難度加大，制造成本和周期增加。另一方面，大噸位結(jié)構(gòu)件的運輸和安裝將更加困難。

采用抗拉強度780MPa級低合金高強度鋼（以下簡稱780MPa級高強鋼）鋼板替代抗拉強度600MPa級材料，在相同結(jié)構(gòu)強度要求下，將減少20%左右的鋼板重量和40%左右焊接熔敷金屬量，對于大型水輪機組的輕量化設(shè)計，以及降低機組制造成本和縮短周期，具有重要的意義。

從20世紀(jì)80年代起，國內(nèi)已開始研究并將780MPa級高強鋼應(yīng)用于水電站引水壓力管道的焊接[1-2]。但是，對于需要廠內(nèi)制造并整體熱處理的蝸殼等結(jié)構(gòu)，780MPa級高強鋼則面臨熱處理后焊縫金屬韌性降低的難題，一直未能系統(tǒng)研究和解決。因此，開展大型水輪機蝸殼用780MPa級高強鋼的焊接工藝研究，達(dá)到熱處理態(tài)的技術(shù)要求，是實現(xiàn)水電機組中全面應(yīng)用780MPa級高強鋼的關(guān)鍵所在。

1 研究難點分析

780MPa級高強鋼及配套焊材通常采用C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等合金元素組合進(jìn)行強化設(shè)計。大量合金元素加入，一方面帶來了冷裂紋及再熱裂紋等焊接性問題，另一方面合金元素在焊接及熱處理過程中的擴散及析出行為也會對接頭性能，特別是低溫沖擊韌性帶來顯著影響。

1.1 冷裂紋

780MPa級高強鋼合金強化元素多，碳當(dāng)量較高，當(dāng)焊接熱循環(huán)過快時，焊縫和熱影響區(qū)中易出現(xiàn)淬硬組織，冷裂敏感性強。特別是在板厚大、拘束度大的情況下，易產(chǎn)生焊接冷裂紋。

因此，需要通過焊接性試驗對材料的冷裂傾向及預(yù)熱溫度等參數(shù)進(jìn)行研究。

1.2 再熱裂紋

780MPa高強鋼包含的強化元素中包括Cr、Mo、V等再熱裂紋的傾向大的元素。焊接接頭在進(jìn)行焊后熱處理時，引起Cr、Mo、V的碳化物沉淀強化蠕變，碳化物在晶界上析出，使晶界的結(jié)合強度降低，在熱應(yīng)力作用下有出現(xiàn)再熱裂紋的傾向。

因此，需要通過焊接性試驗對材料的再熱裂紋傾向進(jìn)行研究。

1.3 焊接線能量的適應(yīng)性

高強鋼焊接過程中，當(dāng)焊接熱循環(huán)速度過慢時，熔合線附近的粗晶熱影響區(qū)處于過熱狀態(tài)，冷卻后出現(xiàn)粗大脆性混合組織，該區(qū)域的力學(xué)性能會降低，成為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。若采用調(diào)質(zhì)鋼板，焊接時導(dǎo)致熱影響區(qū)部分區(qū)域出現(xiàn)軟化。對于焊縫金屬，在多層多道焊時受到后一層焊縫熱循環(huán)作用，過慢的熱循環(huán)也會引起焊縫組織的軟化。因此，通常都要求采用較小的線能量焊接，以保證焊接接頭的綜合性能。

但是，對于大型水電機組的結(jié)構(gòu)件制造，提高焊接線能量對于提高焊接效率具有重要意義。因此，需要通過焊接工藝試驗，確定780MPa高強鋼的最佳線能量范圍。

1.4 熱處理脆化傾向

高強鋼在焊接過程中，Cr、Mo、V等元素在奧氏體中固溶。多層多道焊的二次熱循環(huán)，特別是隨后的焊后消應(yīng)力熱處理長時間保溫過程中，Cr、Mo、V的碳化物在晶界上析出，降低了晶界的結(jié)合強度，脆化傾向嚴(yán)重，使接頭的沖擊性能，特別是低溫沖擊性能嚴(yán)重劣化。

通過線能量試驗和熱處理參數(shù)試驗的結(jié)合，盡量降低熱處理過程對接頭性能的影響，是研究的重點和難點。

2 試驗鋼板及焊接材料

2.1 試驗鋼板

2.1.1 選擇原則

在鋼板性能滿足要求的前提下，重點關(guān)注鋼板焊接性，以避免在工程應(yīng)用中出現(xiàn)裂紋等嚴(yán)重缺陷。

碳當(dāng)量（CE）和冷裂敏感指數(shù)（Pcm）是衡量鋼材冷裂紋傾向的兩個重要指標(biāo)，計算公式如下[3]：

選用碳當(dāng)量（CE）和冷裂敏感指數(shù)（Pcm）較低，特別是碳含量較低的合金強化調(diào)質(zhì)鋼板，有利于防止焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

PSR公式是衡量焊后熱處理出現(xiàn)再熱裂紋的依據(jù)，計算公式如下：

2.1.2 試驗鋼板的確定

根據(jù)選擇原則，對比了國內(nèi)外幾種780MPa級高強鋼鋼板后，選用國產(chǎn)寶鋼B780CF低合金高強度調(diào)質(zhì)鋼板進(jìn)行焊接試驗，其化學(xué)成分見表1。鋼板力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)及典型值見表2。

表1 B780CF鋼板化學(xué)成分/wt. %Table 1 Chemical composition of B780CF steel plate

表2 鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of steel plate

2.2 試驗焊接材料

2.2.1 焊接材料的強度匹配

對于抗拉強度高、屈強比高的780MPa低合金高強鋼，其焊接接頭的斷裂性能不僅與焊縫的強度、韌性和塑性有關(guān)，而且受焊接接頭的不均質(zhì)性所制約。焊縫過強或過分低強均不理想，而接近等強匹配的接頭具有最佳的斷裂性能[4]。

水輪機蝸殼等部件的廠內(nèi)制造中，焊接方法為手工電弧焊（SMAW）和熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）。根據(jù)等強匹配原則，對應(yīng)的抗拉強度780MPa的焊材分別為：AWS A5.5 E11018（焊條）和AWS A5.28 ER110S（實心焊絲）。

2.2.2 焊接材料的選擇

根據(jù)大型水電機組蝸殼等部件的焊接特點及材料使用需求，選擇焊材的關(guān)鍵如下：

（1）焊接材料在平、橫、立、仰等全位置下具有良好的焊接操作性。

（2）焊材在熱處理前應(yīng)具有足夠的低溫沖擊韌性裕度，有效應(yīng)對大線能量焊接和焊后熱處理過程的韌性衰減。

（3）焊材應(yīng)具有超低氫特點，以降低焊接過程的冷裂紋敏感性[5]。

依據(jù)上述原則，選擇?1.2mm的實心焊絲進(jìn)行氣體保護(hù)焊試驗，保護(hù)氣為80%Ar+20%CO2。選擇?4.0mm超低氫焊條進(jìn)行手工電弧焊試驗。

3 焊接性試驗研究

3.1 焊接冷裂紋試驗

3.1.1 斜Y坡口焊接冷裂紋試驗

根據(jù)GB4675.1標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行斜Y坡口試驗，在兩端完全拘束的情況下，進(jìn)行單道試驗焊縫的焊接，以評定熱影響區(qū)及焊縫的裂紋傾向。

試板厚度分別為50mm和120mm，試驗溫度分別為80℃、100℃及120℃三種。焊接后自然空冷，置放48小時后，經(jīng)外觀檢查后將試件解剖，對斷面進(jìn)行打磨、拋光和腐蝕后，利用宏觀金相顯微鏡，進(jìn)行斷面的表面裂紋和斷面裂紋檢查，如圖1所示。

圖1 斜Y坡口試樣的斷面檢查Figure 1 Cross section of the oblique Y-groove sample

手工電弧焊及氣體保護(hù)焊的試驗結(jié)果分別見表3和表4。從試驗結(jié)果可知：焊接前對780MPa高強鋼預(yù)熱溫度100℃以上（板厚較大時為120℃），能夠有效避免焊接冷裂紋的產(chǎn)生。

表3 手工電弧焊試驗結(jié)果Table 3 Experimental results of the SMAW

表4 氣體保護(hù)焊試驗結(jié)果Table 4 Experimental results of the GMAW

3.1.2 剛性拘束焊接裂紋試驗

剛性拘束焊接裂紋試驗的目的是檢驗材料在單道焊和多道焊時抗冷裂紋的能力。采用GB/T13817標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。試板厚度30mm，基板厚度60mm，采用氣體保護(hù)焊分別進(jìn)行了單道焊及多層多道焊的焊接。通過外觀及斷面金相檢驗，試件表面和斷面均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

試驗表明：材料在預(yù)熱100℃后，單道焊及多層多道焊時均能保證不會出現(xiàn)焊接冷裂紋。

3.1.3 窗口拘束焊接裂紋試驗

該試驗是評定大厚板焊接接頭多層多道焊下，在大拘束度、高應(yīng)力情況下由于氫的集聚而產(chǎn)生焊接裂紋的傾向。試驗鋼板采用厚度為80mm，基板規(guī)格為120mm×1200mm×1200mm，預(yù)熱溫度100℃。 焊后經(jīng)磁粉、超聲波及TOFD探傷，焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖2所示。

圖2 窗口拘束焊接裂紋試樣Figure 2 Window-type restraint cracking test plate

3.2 再熱裂紋試驗

再熱裂紋試驗與冷裂紋試驗的試樣準(zhǔn)備及焊接過程一致，主要區(qū)別為：拘束焊縫焊接完成后，經(jīng)過檢查確認(rèn)拘束焊縫上無冷裂紋發(fā)生的前提下，進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，評估在熱處理過程中發(fā)生再熱裂紋的傾向。

為了考察不同拘束狀態(tài)下的再熱裂紋傾向，分別采用了斜Y坡口、剛性拘束、角焊縫拘束、120mm厚板對接拘束等多種拘束形式的接頭進(jìn)行焊接。通過焊后熱處理后的表面及斷面金相檢查結(jié)果：多種試驗焊接接頭的焊縫及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)再熱裂紋，所選擇的鋼板及焊接材料具有良好的抗再熱裂紋能力。

4 焊接接頭力學(xué)性能試驗及評估

4.1 焊接線能量及熱處理溫度對性能的影響

在不同的焊接位置下，立向上焊接位置所對應(yīng)的焊接線能量最大。通過立焊位試驗，對線能量的上限范圍進(jìn)行了試驗研究。

采用50mm厚B780CF鋼板，和ER110S實心焊絲進(jìn)行了焊接試驗，保護(hù)氣體為80%Ar +20%CO2。通過系列線能量試驗參數(shù)的變化尋找線能量上限。當(dāng)線能量由3.8kJ/mm提高至4.2kJ/mm時，熔敷金屬的焊態(tài)沖擊韌性由84J降低至56J，距考核標(biāo)準(zhǔn)47J的韌性儲備已不足10J。兩種線能量下焊態(tài)熔敷金屬的性能結(jié)果如表5所示。

表5 線能量對焊接接頭性能的影響Table 5 Effect of the heat-input on the weld properties

從表5可見，線能量提高至4.0kJ/mm以上，熔敷金屬的沖擊韌性的裕度已不足10J。因此，在焊態(tài)接頭考核條件下，線能量的上限不宜超過4.0kJ/mm。

采用3.8kJ/mm線能量同條件焊接3副試板，在水電結(jié)構(gòu)件常用的500～600℃的熱處理溫度區(qū)間內(nèi)，進(jìn)行熱處理參數(shù)的試驗，其結(jié)果如表6所示。

從表6可見，熱處理過程中，焊縫的強度變化并不明顯，而沖擊韌性均有下降。在550℃的保溫溫度下，焊縫仍具有較高的沖擊韌性裕度，符合大型水輪機用780MPa高強鋼的技術(shù)條件。考慮到實際工程應(yīng)用中焊接條件及熱處理條件的波動，將熱處理態(tài)考核條件下的焊接線能量上限設(shè)定為3.8kJ/mm。

表6 熱處理參數(shù)對焊接接頭性能的影響Table 6 Effect of PWHT parameters on the weld properties

4.2 焊接工藝評定

按照ASME標(biāo)準(zhǔn)完成了大型水輪機用780MPa高強鋼的焊接工藝評定。焊接方法為手工電弧焊和氣體保護(hù)焊，試板厚度為120mm，立焊位施焊，焊后狀態(tài)為焊態(tài)和焊后熱處理態(tài)（550℃×10h）。其中，焊態(tài)試板最大線能量4.0kJ/mm，焊后熱處理態(tài)試板最大線能量3.5～3.8kJ/mm。

焊接工藝評定結(jié)果見表7。從表中結(jié)果可見：手工電弧焊和氣體保護(hù)焊的焊接接頭在熱處理前、后的評定試板力學(xué)性能均滿足表2中性能要求，且具備較高的強度和韌性裕度，焊接工藝評定結(jié)果符合大型水輪機用780MPa高強鋼的技術(shù)要求。

表7 焊接工藝評定結(jié)果Table 7 Results of Welding Procedure Qualification

氣體保護(hù)焊評定試板的焊接接頭宏觀斷面如圖3所示。從圖中可見，在立焊狀態(tài)下焊道排布規(guī)則，焊接接頭的側(cè)壁熔合良好，未見夾渣、氣孔等宏觀缺陷。

圖3 焊接接頭宏觀斷面Figure 3 Cross section of weld joint

圖4 焊縫組織Figure 4 Microstructure of the weld

氣體保護(hù)焊熱處理態(tài)接頭的焊縫金屬的金相組織如圖4所示。

焊縫組織以細(xì)小而又相互交接的針狀鐵素體為主，少量存在貝氏體。針狀鐵素體是低合金高強鋼焊縫中期望獲得的組織，其內(nèi)部存在較多亞結(jié)構(gòu)組織，位錯密度較高，由于位錯的存在以及其運動排布，能夠有效提高焊縫的沖擊韌性[6]。

5 工程應(yīng)用

通過焊接工藝研究開發(fā)的大線能量焊接工藝及焊后熱處理態(tài)焊接及熱處理工藝技術(shù)，為780MPa級高強鋼焊接大厚度、大剛度的780MPa級高強鋼焊接件提供了保障。 780MPa級低合金高強度鋼在行業(yè)內(nèi)首次應(yīng)用于公司百萬千瓦級混流式水輪機蝸殼及焊后整體要求消應(yīng)力熱處理的超高水頭抽水蓄能機組的蝸殼等部件的制造，取得了良好的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)束語

（1）780MPa級高強鋼預(yù)熱溫度達(dá)到100℃以上，能夠有效避免焊接冷裂紋。所選擇的鋼板及焊接材料具有良好的抗再熱裂紋能力。

（2）焊態(tài)接頭線能量的上限不超過4.0kJ/mm。熱處理態(tài)接頭使用550℃×4h的熱處理規(guī)范，且線能量的上限不超過3.8kJ/mm，能夠有效保證接頭性能符合材料技術(shù)要求。

（3）按照ASME標(biāo)準(zhǔn)完成了大型水輪機用780MPa高強鋼的焊接工藝評定，采用研究確定的焊接參數(shù)和熱處理參數(shù)，手工電弧焊和氣體保護(hù)焊的焊接接頭在熱處理前、后的力學(xué)性能均合格。

（4）在行業(yè)內(nèi)首次實現(xiàn)了整體熱處理的水輪機780MPa高強鋼蝸殼等產(chǎn)品的制造。