水电厂高强度调质钢焊接技术研究

杨本勇

（浙江富春江水电设备股份有限公司，浙江杭州 311504）

1 概述

秘鲁Quitaracsa水电站水轮发电机组出力为Nr=65.9 MW，转速为nr=720 r/min，机组属于中等的出力，但是有很高的转速，这样导致其磁极端的线速度很大。

在线速度较大的磁极端板采用了Q690D高强度结构用调质钢板（GB/T16270）焊接结构，见图1，表1，表2。

图1 磁极端板焊接图Fig. 1 welding drawing of poles end plates

2 Q690D钢板特性

由于T型焊接接头形式，比较容易产生层状撕裂，所以首先要进行层状撕裂的敏感性分析。

计算焊接冷裂纹敏感性指数Pcm:

层状撕裂敏感性指数PL

考虑我们将采用实芯焊丝焊接，式中扩散氢含量[H]按照1.0 mL/100 mg算；

表1 Q690D钢板的化学成分Tab. 1 Chemical composition of the Q690D steel plate %

表2 Q690D钢板机械性能Tab. 2 Mechanical performance of the Q690D steel plate

参照层状撕裂敏感性指数PL和（σz）Cr的关系图可以看出，Q690D钢板极易产生层状撕裂。

3 焊接性分析

3.1 碳当量

按JIS和WES碳当量计算公式

碳当量CE＞0.6%

3.2 淬硬性

C、Mn、Cr、Mo是直接影响焊接HAZ淬硬的元素，淬硬会导致HAZ裂纹（crack）。

按照Q690D钢板的化学成分，其Cr、Mo超出临界值，故材料有一定的淬硬倾向。

3.3 HAZ最高硬度计算

HVmax远大于极限值350 HV，HAZ有严重的焊接裂纹倾向；

表3 淬硬元素极限含量表Tab.3 Maximum content of the quench hardened elements

3.4 焊接裂纹分析

3.4.1 焊接冷裂纹

Pcm=0.328%＞0.25%有焊接冷裂纹倾向；

3.4.2 焊接根部裂纹

Pc＞0.3，有焊根冷裂倾向；

3.4.3 焊接热裂纹

HCS＜3.6，不会产生热裂纹；

4 焊接工艺

制订Q690D材料的焊接工艺必须要考虑其低温韧性、高强度、较差的焊接性、焊接接头层状撕裂敏感性，来综合设定各种的焊接变素和保证措施，其中尤其考虑其焊接接头的低温缺口韧性是最重要的性能要求；

同时还应联系到Q690D的低温钢和调质钢的特点，要同时解决冷裂纹、HAZ脆化和软化较为困难，必须遵守在不产生焊接裂纹的前提下保证焊接接头的性能为唯一原则。

4.1 焊接方法

选定为富氩气体保护焊（MAG），焊丝首选实芯焊丝。

4.2 预热温度的选择

通过上述的计算和分析，Q690D材料碳当量比较高，必须选择较高的预热温度，但是预热温度过高会导致热影响区HAZ晶粒长大，在晶界处析出碳化物而降低韧性，综合考虑，选择预热温度为150 ℃。

4.3 焊接线能量的选择

限制焊接热输入是降低焊接接头脆化的方法，且降低焊接热输入可以改善焊接接头的韧性；较低的线能量也有利于缩小HAZ软化区的宽度，软化程度也有所降低，由于我们已经选择了较高的预热温度，必须选择低的线能量，初步选定为10～18 kJ/cm。

4.4 焊接材料的选择

根据等强匹配的原则，考虑降低热输入，同时焊接后消应热处理会导致强度降低的因素，我们选择伯乐焊接集团生产的T Union GM 100（EN1597-1，ER100S-G）、直径准1.2 mm的实芯焊丝作为填充材料。焊丝资料如表4所示。

表4 焊丝机械性能Tab. 4 Mechanical performance of the welding electrode

4.5 焊接工艺

1）采用多道焊，为了减小焊接应力，要求焊接焊道宽度小于10 mm，厚度小于5 mm；

2）采用多层焊，利用后层焊道的热量对前层二次加热细化晶粒，从而改善焊接接头的韧性。

3）焊接参数：电流180～220 A，电压26～28 V。

4）严格控制层间温度≤200 ℃。

5）气体配比：Ar∶CO2=90%∶10%。

6）焊道间细心清理，防止有造成下道焊接缺陷的疑点存在。

7）焊前必须对坡口以及周边50 mm范围进行清洗和清理干净。

8）焊接后热处理，后热温度计算TPHWT=455.5CE-111.4=207.5 ℃

5 退火PWHT参数的选择

接头再热裂纹的分析

PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2=0.8 PSR＞0，退火可能产生再热裂纹

根据调质钢的回火脆性区为400～550 ℃、退火消应处理加热温度高于580 ℃时会降低材料的强度性能的特点，我们选择565 ℃±15 ℃温度进行焊后消应处理PWHT。

6 焊接工艺评定试验

1）根据以上的分析和选择的工艺方案，制定严谨的预焊接工艺指导书PWPS。

2）按ASME IX规范规定的厚度含盖关系以及保证无损探伤的要求，采用40 mm×200 mm×500 mm的两块试板，进行X型坡口对接焊接，施焊严格按照制定的PWPS进行。

3）机械加工取样进行拉伸试验、弯曲试验、冲击试验。

①拉伸试验的4个试样数据见表5。

表5 拉伸试样抗拉强度Tab. 5 Tensile strength of the tensile specimen

②试样弯后全部未发现有肉眼可见裂纹，合格。

③冲击试验，在焊缝、3/4焊缝、HAZ处各取3个试样，－20 ℃时V型缺口冲击试验数据如表6。

表6 冲击试验数据Tab. 6 Impact test data

以上数据显示力学试验的结果完全满足母材标准的要求，表明我们制订的焊接工艺和焊接变素是正确的，得到的焊接接头性能完全满足预期的使用性能。

7 结论

Q690D钢种，有着低温韧性和调质处理、高强度的特点，为保证其焊接接头性能就必然存在着互相矛盾点，这将导致合理的焊接工艺参数有着狭小的范围，必须合理、慎重的仔细分析、选择并通过试验来验证，而且要在施工中得到严格的执行，才能使焊接接头的性能得到保证，满足产品需要。

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