大型水轮机蜗壳用780MPa级高强钢焊接工艺研究

吴雄斌，鄢志勇，冯 涛，范阳阳，罗 铭

（1. 东方电气集团东方电机有限公司，四川省德阳市 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

随着水轮机组单机容量和水头高度的不断提升，目前白鹤滩为代表的混流式水轮机组的单机容量已经达到百万千瓦，以长龙山为代表的超高水头抽水蓄能机组的水头已经达到700m以上，对蜗壳等结构的承载能力设计提出了极高的要求。若继续采用目前水电行业常用的抗拉强度600MPa级钢板制造水轮机蜗壳等结构，其钢板厚度将进一步增加，一方面制造过程中成形和焊接难度加大，制造成本和周期增加。另一方面，大吨位结构件的运输和安装将更加困难。

采用抗拉强度780MPa级低合金高强度钢（以下简称780MPa级高强钢）钢板替代抗拉强度600MPa级材料，在相同结构强度要求下，将减少20%左右的钢板重量和40%左右焊接熔敷金属量，对于大型水轮机组的轻量化设计，以及降低机组制造成本和缩短周期，具有重要的意义。

从20世纪80年代起，国内已开始研究并将780MPa级高强钢应用于水电站引水压力管道的焊接[1-2]。但是，对于需要厂内制造并整体热处理的蜗壳等结构，780MPa级高强钢则面临热处理后焊缝金属韧性降低的难题，一直未能系统研究和解决。因此，开展大型水轮机蜗壳用780MPa级高强钢的焊接工艺研究，达到热处理态的技术要求，是实现水电机组中全面应用780MPa级高强钢的关键所在。

1 研究难点分析

780MPa级高强钢及配套焊材通常采用C、Si、Mn、Ni、Cr、Mo、V、Nb、Ti、B等合金元素组合进行强化设计。大量合金元素加入，一方面带来了冷裂纹及再热裂纹等焊接性问题，另一方面合金元素在焊接及热处理过程中的扩散及析出行为也会对接头性能，特别是低温冲击韧性带来显著影响。

1.1 冷裂纹

780MPa级高强钢合金强化元素多，碳当量较高，当焊接热循环过快时，焊缝和热影响区中易出现淬硬组织，冷裂敏感性强。特别是在板厚大、拘束度大的情况下，易产生焊接冷裂纹。

因此，需要通过焊接性试验对材料的冷裂倾向及预热温度等参数进行研究。

1.2 再热裂纹

780MPa高强钢包含的强化元素中包括Cr、Mo、V等再热裂纹的倾向大的元素。焊接接头在进行焊后热处理时，引起Cr、Mo、V的碳化物沉淀强化蠕变，碳化物在晶界上析出，使晶界的结合强度降低，在热应力作用下有出现再热裂纹的倾向。

因此，需要通过焊接性试验对材料的再热裂纹倾向进行研究。

1.3 焊接线能量的适应性

高强钢焊接过程中，当焊接热循环速度过慢时，熔合线附近的粗晶热影响区处于过热状态，冷却后出现粗大脆性混合组织，该区域的力学性能会降低，成为焊接接头的薄弱环节。若采用调质钢板，焊接时导致热影响区部分区域出现软化。对于焊缝金属，在多层多道焊时受到后一层焊缝热循环作用，过慢的热循环也会引起焊缝组织的软化。因此，通常都要求采用较小的线能量焊接，以保证焊接接头的综合性能。

但是，对于大型水电机组的结构件制造，提高焊接线能量对于提高焊接效率具有重要意义。因此，需要通过焊接工艺试验，确定780MPa高强钢的最佳线能量范围。

1.4 热处理脆化倾向

高强钢在焊接过程中，Cr、Mo、V等元素在奥氏体中固溶。多层多道焊的二次热循环，特别是随后的焊后消应力热处理长时间保温过程中，Cr、Mo、V的碳化物在晶界上析出，降低了晶界的结合强度，脆化倾向严重，使接头的冲击性能，特别是低温冲击性能严重劣化。

通过线能量试验和热处理参数试验的结合，尽量降低热处理过程对接头性能的影响，是研究的重点和难点。

2 试验钢板及焊接材料

2.1 试验钢板

2.1.1 选择原则

在钢板性能满足要求的前提下，重点关注钢板焊接性，以避免在工程应用中出现裂纹等严重缺陷。

碳当量（CE）和冷裂敏感指数（Pcm）是衡量钢材冷裂纹倾向的两个重要指标，计算公式如下[3]：

选用碳当量（CE）和冷裂敏感指数（Pcm）较低，特别是碳含量较低的合金强化调质钢板，有利于防止焊接冷裂纹的产生。

PSR公式是衡量焊后热处理出现再热裂纹的依据，计算公式如下：

2.1.2 试验钢板的确定

根据选择原则，对比了国内外几种780MPa级高强钢钢板后，选用国产宝钢B780CF低合金高强度调质钢板进行焊接试验，其化学成分见表1。钢板力学性能标准及典型值见表2。

表1 B780CF钢板化学成分/wt. %Table 1 Chemical composition of B780CF steel plate

表2 钢板力学性能Table 2 Mechanical properties of steel plate

2.2 试验焊接材料

2.2.1 焊接材料的强度匹配

对于抗拉强度高、屈强比高的780MPa低合金高强钢，其焊接接头的断裂性能不仅与焊缝的强度、韧性和塑性有关，而且受焊接接头的不均质性所制约。焊缝过强或过分低强均不理想，而接近等强匹配的接头具有最佳的断裂性能[4]。

水轮机蜗壳等部件的厂内制造中，焊接方法为手工电弧焊（SMAW）和熔化极气体保护焊（GMAW）。根据等强匹配原则，对应的抗拉强度780MPa的焊材分别为：AWS A5.5 E11018（焊条）和AWS A5.28 ER110S（实心焊丝）。

2.2.2 焊接材料的选择

根据大型水电机组蜗壳等部件的焊接特点及材料使用需求，选择焊材的关键如下：

（1）焊接材料在平、横、立、仰等全位置下具有良好的焊接操作性。

（2）焊材在热处理前应具有足够的低温冲击韧性裕度，有效应对大线能量焊接和焊后热处理过程的韧性衰减。

（3）焊材应具有超低氢特点，以降低焊接过程的冷裂纹敏感性[5]。

依据上述原则，选择ϕ1.2mm的实心焊丝进行气体保护焊试验，保护气为80%Ar+20%CO2。选择ϕ4.0mm超低氢焊条进行手工电弧焊试验。

3 焊接性试验研究

3.1 焊接冷裂纹试验

3.1.1 斜Y坡口焊接冷裂纹试验

根据GB4675.1标准进行斜Y坡口试验，在两端完全拘束的情况下，进行单道试验焊缝的焊接，以评定热影响区及焊缝的裂纹倾向。

试板厚度分别为50mm和120mm，试验温度分别为80℃、100℃及120℃三种。焊接后自然空冷，置放48小时后，经外观检查后将试件解剖，对断面进行打磨、抛光和腐蚀后，利用宏观金相显微镜，进行断面的表面裂纹和断面裂纹检查，如图1所示。

图1 斜Y坡口试样的断面检查Figure 1 Cross section of the oblique Y-groove sample

手工电弧焊及气体保护焊的试验结果分别见表3和表4。从试验结果可知：焊接前对780MPa高强钢预热温度100℃以上（板厚较大时为120℃），能够有效避免焊接冷裂纹的产生。

表3 手工电弧焊试验结果Table 3 Experimental results of the SMAW

表4 气体保护焊试验结果Table 4 Experimental results of the GMAW

3.1.2 刚性拘束焊接裂纹试验

刚性拘束焊接裂纹试验的目的是检验材料在单道焊和多道焊时抗冷裂纹的能力。采用GB/T13817标准进行。试板厚度30mm，基板厚度60mm，采用气体保护焊分别进行了单道焊及多层多道焊的焊接。通过外观及断面金相检验，试件表面和断面均未发现裂纹。

试验表明：材料在预热100℃后，单道焊及多层多道焊时均能保证不会出现焊接冷裂纹。

3.1.3 窗口拘束焊接裂纹试验

该试验是评定大厚板焊接接头多层多道焊下，在大拘束度、高应力情况下由于氢的集聚而产生焊接裂纹的倾向。试验钢板采用厚度为80mm，基板规格为120mm×1200mm×1200mm，预热温度100℃。 焊后经磁粉、超声波及TOFD探伤，焊缝及热影响区均未发现裂纹，如图2所示。

图2 窗口拘束焊接裂纹试样Figure 2 Window-type restraint cracking test plate

3.2 再热裂纹试验

再热裂纹试验与冷裂纹试验的试样准备及焊接过程一致，主要区别为：拘束焊缝焊接完成后，经过检查确认拘束焊缝上无冷裂纹发生的前提下，进行消应力热处理，评估在热处理过程中发生再热裂纹的倾向。

为了考察不同拘束状态下的再热裂纹倾向，分别采用了斜Y坡口、刚性拘束、角焊缝拘束、120mm厚板对接拘束等多种拘束形式的接头进行焊接。通过焊后热处理后的表面及断面金相检查结果：多种试验焊接接头的焊缝及热影响区均未发现再热裂纹，所选择的钢板及焊接材料具有良好的抗再热裂纹能力。

4 焊接接头力学性能试验及评估

4.1 焊接线能量及热处理温度对性能的影响

在不同的焊接位置下，立向上焊接位置所对应的焊接线能量最大。通过立焊位试验，对线能量的上限范围进行了试验研究。

采用50mm厚B780CF钢板，和ER110S实心焊丝进行了焊接试验，保护气体为80%Ar +20%CO2。通过系列线能量试验参数的变化寻找线能量上限。当线能量由3.8kJ/mm提高至4.2kJ/mm时，熔敷金属的焊态冲击韧性由84J降低至56J，距考核标准47J的韧性储备已不足10J。两种线能量下焊态熔敷金属的性能结果如表5所示。

表5 线能量对焊接接头性能的影响Table 5 Effect of the heat-input on the weld properties

从表5可见，线能量提高至4.0kJ/mm以上，熔敷金属的冲击韧性的裕度已不足10J。因此，在焊态接头考核条件下，线能量的上限不宜超过4.0kJ/mm。

采用3.8kJ/mm线能量同条件焊接3副试板，在水电结构件常用的500～600℃的热处理温度区间内，进行热处理参数的试验，其结果如表6所示。

从表6可见，热处理过程中，焊缝的强度变化并不明显，而冲击韧性均有下降。在550℃的保温温度下，焊缝仍具有较高的冲击韧性裕度，符合大型水轮机用780MPa高强钢的技术条件。考虑到实际工程应用中焊接条件及热处理条件的波动，将热处理态考核条件下的焊接线能量上限设定为3.8kJ/mm。

表6 热处理参数对焊接接头性能的影响Table 6 Effect of PWHT parameters on the weld properties

4.2 焊接工艺评定

按照ASME标准完成了大型水轮机用780MPa高强钢的焊接工艺评定。焊接方法为手工电弧焊和气体保护焊，试板厚度为120mm，立焊位施焊，焊后状态为焊态和焊后热处理态（550℃×10h）。其中，焊态试板最大线能量4.0kJ/mm，焊后热处理态试板最大线能量3.5～3.8kJ/mm。

焊接工艺评定结果见表7。从表中结果可见：手工电弧焊和气体保护焊的焊接接头在热处理前、后的评定试板力学性能均满足表2中性能要求，且具备较高的强度和韧性裕度，焊接工艺评定结果符合大型水轮机用780MPa高强钢的技术要求。

表7 焊接工艺评定结果Table 7 Results of Welding Procedure Qualification

气体保护焊评定试板的焊接接头宏观断面如图3所示。从图中可见，在立焊状态下焊道排布规则，焊接接头的侧壁熔合良好，未见夹渣、气孔等宏观缺陷。

图3 焊接接头宏观断面Figure 3 Cross section of weld joint

图4 焊缝组织Figure 4 Microstructure of the weld

气体保护焊热处理态接头的焊缝金属的金相组织如图4所示。

焊缝组织以细小而又相互交接的针状铁素体为主，少量存在贝氏体。针状铁素体是低合金高强钢焊缝中期望获得的组织，其内部存在较多亚结构组织，位错密度较高，由于位错的存在以及其运动排布，能够有效提高焊缝的冲击韧性[6]。

5 工程应用

通过焊接工艺研究开发的大线能量焊接工艺及焊后热处理态焊接及热处理工艺技术，为780MPa级高强钢焊接大厚度、大刚度的780MPa级高强钢焊接件提供了保障。 780MPa级低合金高强度钢在行业内首次应用于公司百万千瓦级混流式水轮机蜗壳及焊后整体要求消应力热处理的超高水头抽水蓄能机组的蜗壳等部件的制造，取得了良好的经济效益。

6 结束语

（1）780MPa级高强钢预热温度达到100℃以上，能够有效避免焊接冷裂纹。所选择的钢板及焊接材料具有良好的抗再热裂纹能力。

（2）焊态接头线能量的上限不超过4.0kJ/mm。热处理态接头使用550℃×4h的热处理规范，且线能量的上限不超过3.8kJ/mm，能够有效保证接头性能符合材料技术要求。

（3）按照ASME标准完成了大型水轮机用780MPa高强钢的焊接工艺评定，采用研究确定的焊接参数和热处理参数，手工电弧焊和气体保护焊的焊接接头在热处理前、后的力学性能均合格。

（4）在行业内首次实现了整体热处理的水轮机780MPa高强钢蜗壳等产品的制造。