楊本勇

（浙江富春江水電設(shè)備股份有限公司，浙江杭州 311504）

1 概述

秘魯Quitaracsa水電站水輪發(fā)電機(jī)組出力為Nr=65.9 MW，轉(zhuǎn)速為nr=720 r/min，機(jī)組屬于中等的出力，但是有很高的轉(zhuǎn)速，這樣導(dǎo)致其磁極端的線速度很大。

在線速度較大的磁極端板采用了Q690D高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)用調(diào)質(zhì)鋼板（GB/T16270）焊接結(jié)構(gòu)，見圖1，表1，表2。

圖1 磁極端板焊接圖Fig. 1 welding drawing of poles end plates

2 Q690D鋼板特性

由于T型焊接接頭形式，比較容易產(chǎn)生層狀撕裂，所以首先要進(jìn)行層狀撕裂的敏感性分析。

計(jì)算焊接冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm:

層狀撕裂敏感性指數(shù)PL

考慮我們將采用實(shí)芯焊絲焊接，式中擴(kuò)散氫含量[H]按照1.0 mL/100 mg算；

表1 Q690D鋼板的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the Q690D steel plate %

表2 Q690D鋼板機(jī)械性能Tab. 2 Mechanical performance of the Q690D steel plate

參照層狀撕裂敏感性指數(shù)PL和（σz）Cr的關(guān)系圖可以看出，Q690D鋼板極易產(chǎn)生層狀撕裂。

3 焊接性分析

3.1 碳當(dāng)量

按JIS和WES碳當(dāng)量計(jì)算公式

碳當(dāng)量CE＞0.6%

3.2 淬硬性

C、Mn、Cr、Mo是直接影響焊接HAZ淬硬的元素，淬硬會(huì)導(dǎo)致HAZ裂紋（crack）。

按照Q690D鋼板的化學(xué)成分，其Cr、Mo超出臨界值，故材料有一定的淬硬傾向。

3.3 HAZ最高硬度計(jì)算

HVmax遠(yuǎn)大于極限值350 HV，HAZ有嚴(yán)重的焊接裂紋傾向；

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

3.4 焊接裂紋分析

3.4.1 焊接冷裂紋

Pcm=0.328%＞0.25%有焊接冷裂紋傾向；

3.4.2 焊接根部裂紋

Pc＞0.3，有焊根冷裂傾向；

3.4.3 焊接熱裂紋

HCS＜3.6，不會(huì)產(chǎn)生熱裂紋；

4 焊接工藝

制訂Q690D材料的焊接工藝必須要考慮其低溫韌性、高強(qiáng)度、較差的焊接性、焊接接頭層狀撕裂敏感性，來綜合設(shè)定各種的焊接變素和保證措施，其中尤其考慮其焊接接頭的低溫缺口韌性是最重要的性能要求；

同時(shí)還應(yīng)聯(lián)系到Q690D的低溫鋼和調(diào)質(zhì)鋼的特點(diǎn)，要同時(shí)解決冷裂紋、HAZ脆化和軟化較為困難，必須遵守在不產(chǎn)生焊接裂紋的前提下保證焊接接頭的性能為唯一原則。

4.1 焊接方法

選定為富氬氣體保護(hù)焊（MAG），焊絲首選實(shí)芯焊絲。

4.2 預(yù)熱溫度的選擇

通過上述的計(jì)算和分析，Q690D材料碳當(dāng)量比較高，必須選擇較高的預(yù)熱溫度，但是預(yù)熱溫度過高會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)HAZ晶粒長(zhǎng)大，在晶界處析出碳化物而降低韌性，綜合考慮，選擇預(yù)熱溫度為150 ℃。

4.3 焊接線能量的選擇

限制焊接熱輸入是降低焊接接頭脆化的方法，且降低焊接熱輸入可以改善焊接接頭的韌性；較低的線能量也有利于縮小HAZ軟化區(qū)的寬度，軟化程度也有所降低，由于我們已經(jīng)選擇了較高的預(yù)熱溫度，必須選擇低的線能量，初步選定為10～18 kJ/cm。

4.4 焊接材料的選擇

根據(jù)等強(qiáng)匹配的原則，考慮降低熱輸入，同時(shí)焊接后消應(yīng)熱處理會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低的因素，我們選擇伯樂焊接集團(tuán)生產(chǎn)的T Union GM 100（EN1597-1，ER100S-G）、直徑準(zhǔn)1.2 mm的實(shí)芯焊絲作為填充材料。焊絲資料如表4所示。

表4 焊絲機(jī)械性能Tab. 4 Mechanical performance of the welding electrode

4.5 焊接工藝

1）采用多道焊，為了減小焊接應(yīng)力，要求焊接焊道寬度小于10 mm，厚度小于5 mm；

2）采用多層焊，利用后層焊道的熱量對(duì)前層二次加熱細(xì)化晶粒，從而改善焊接接頭的韌性。

3）焊接參數(shù)：電流180～220 A，電壓26～28 V。

4）嚴(yán)格控制層間溫度≤200 ℃。

5）氣體配比：Ar∶CO2=90%∶10%。

6）焊道間細(xì)心清理，防止有造成下道焊接缺陷的疑點(diǎn)存在。

7）焊前必須對(duì)坡口以及周邊50 mm范圍進(jìn)行清洗和清理干凈。

8）焊接后熱處理，后熱溫度計(jì)算TPHWT=455.5CE-111.4=207.5 ℃

5 退火PWHT參數(shù)的選擇

接頭再熱裂紋的分析

PSR=Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2=0.8 PSR＞0，退火可能產(chǎn)生再熱裂紋

根據(jù)調(diào)質(zhì)鋼的回火脆性區(qū)為400～550 ℃、退火消應(yīng)處理加熱溫度高于580 ℃時(shí)會(huì)降低材料的強(qiáng)度性能的特點(diǎn)，我們選擇565 ℃±15 ℃溫度進(jìn)行焊后消應(yīng)處理PWHT。

6 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)

1）根據(jù)以上的分析和選擇的工藝方案，制定嚴(yán)謹(jǐn)?shù)念A(yù)焊接工藝指導(dǎo)書PWPS。

2）按ASME IX規(guī)范規(guī)定的厚度含蓋關(guān)系以及保證無損探傷的要求，采用40 mm×200 mm×500 mm的兩塊試板，進(jìn)行X型坡口對(duì)接焊接，施焊嚴(yán)格按照制定的PWPS進(jìn)行。

3）機(jī)械加工取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)。

①拉伸試驗(yàn)的4個(gè)試樣數(shù)據(jù)見表5。

表5 拉伸試樣抗拉強(qiáng)度Tab. 5 Tensile strength of the tensile specimen

②試樣彎后全部未發(fā)現(xiàn)有肉眼可見裂紋，合格。

③沖擊試驗(yàn)，在焊縫、3/4焊縫、HAZ處各取3個(gè)試樣，－20 ℃時(shí)V型缺口沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表6。

表6 沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab. 6 Impact test data

以上數(shù)據(jù)顯示力學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果完全滿足母材標(biāo)準(zhǔn)的要求，表明我們制訂的焊接工藝和焊接變素是正確的，得到的焊接接頭性能完全滿足預(yù)期的使用性能。

7 結(jié)論

Q690D鋼種，有著低溫韌性和調(diào)質(zhì)處理、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，為保證其焊接接頭性能就必然存在著互相矛盾點(diǎn)，這將導(dǎo)致合理的焊接工藝參數(shù)有著狹小的范圍，必須合理、慎重的仔細(xì)分析、選擇并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，而且要在施工中得到嚴(yán)格的執(zhí)行，才能使焊接接頭的性能得到保證，滿足產(chǎn)品需要。

[1] 李亞江. 高強(qiáng)鋼的焊接[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版，2010.

[2] 鄒增大，李亞江，尹士科. 低合金調(diào)質(zhì)高強(qiáng)度鋼焊接及工程應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[3] 國際焊接工程師培訓(xùn)教程[M]. 哈爾濱：哈爾濱焊接技術(shù)培訓(xùn)中心，2006.

[4] 丁啟湛，丁成鋼，史春元. 低溫用鋼的焊接[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] 傅積和，孫玉林. 焊接數(shù)據(jù)資料手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.