趙 強(qiáng)，王 君，陳 瑞，曹佳麗，徐亞鵬

（1.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161；2.湖南黑麋峰抽水蓄能有限責(zé)任公司，湖南省長(zhǎng)沙市 410200）

0 引言

傳統(tǒng)的13%Cr和17%Cr不銹鋼含碳量較高，淬火后形成高碳馬氏體，淬硬性很高。焊接是一個(gè)快速加熱與快速冷卻的不平衡冶金過(guò)程，馬氏體不銹鋼的焊縫及焊接熱影響區(qū)焊后的組織通常為硬而脆的高碳馬氏體，含碳量越高，這種硬脆傾向就越大。在馬氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上通過(guò)降低碳、硫含量，增加鎳、鉬含量發(fā)展起來(lái)的超低碳鉻鎳馬氏體不銹鋼稱為超級(jí)馬氏體不銹鋼。由于其含碳量及淬硬傾向較低。超級(jí)馬氏體不銹鋼經(jīng)過(guò)淬火及回火后的組織為回火低碳板條狀馬氏體與逆轉(zhuǎn)變奧氏體（由淬火后的低碳馬氏體轉(zhuǎn)變而成）的復(fù)相組織，從而既保留了高的強(qiáng)度水平又提高了鋼的韌性和可焊性[1-4]。

超級(jí)馬氏體不銹鋼由于其高硬度及高耐蝕性及良好的焊接性在水輪機(jī)及大型水泵中有廣泛應(yīng)用。瑞士于20世紀(jì)50年代初開(kāi)始應(yīng)用超級(jí)馬氏體不銹鋼，國(guó)內(nèi)的轉(zhuǎn)輪從最初采用上冠為碳鋼，葉片和下環(huán)為不銹鋼的異種鋼轉(zhuǎn)輪逐漸發(fā)展為整體超級(jí)馬氏體不銹鋼轉(zhuǎn)輪[5]。轉(zhuǎn)輪的形狀復(fù)雜且體積較大，焊接過(guò)程中的應(yīng)力較大，合適的焊接工藝及焊后消應(yīng)力對(duì)于焊接質(zhì)量的影響重大。轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過(guò)程中由于水力激振、空蝕等會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生破壞，在有限時(shí)間的非大修過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行修復(fù)對(duì)水力機(jī)組的運(yùn)行有重要的意義[6]。

1 問(wèn)題描述

某抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪材質(zhì)為ASTM A743 CA6NM。轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)量為9個(gè)，制造方式為葉片及上冠和下環(huán)鑄造、熱處理、焊接、消應(yīng)力處理和修磨。

在某次C級(jí)檢修過(guò)程中滲透檢測(cè)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪4個(gè)葉片同上冠的焊縫附近均存在裂紋，1號(hào)葉片裂紋清除后長(zhǎng)度約為14cm，如圖1所示。

圖1 1號(hào)葉片裂紋清除后的形貌（cm）Figure 1 The morphology of NO.1 blade after cleaning cracks（cm）

2 缺陷清理

對(duì)轉(zhuǎn)輪焊接區(qū)域及與臨近區(qū)域進(jìn)行100%的滲透和超聲檢測(cè)，對(duì)缺陷的分布、尺寸及性質(zhì)進(jìn)行確認(rèn)并做記錄。根據(jù)缺陷的分布、尺寸及性質(zhì)選擇合適的清除方式：

（1）對(duì)于淺表層（10mm以內(nèi)）的裂紋原則上應(yīng)采取機(jī)械磨削方式清除。如采用風(fēng)動(dòng)砂輪機(jī)、角向砂輪機(jī)和旋轉(zhuǎn)銼等工具。

（2）對(duì)于較長(zhǎng)的未貫透或貫透的裂紋，應(yīng)采取“先斷頭，再分段清除”的方式。先在裂紋端部分別使用砂輪或旋轉(zhuǎn)銼等機(jī)械磨削方式清除，給出清除的預(yù)設(shè)余量，防止裂紋清除過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)展。

（3）使用碳弧氣刨前，需預(yù)熱到80℃以上，防止在氣刨過(guò)程中產(chǎn)生新的裂紋或裂紋擴(kuò)展。碳弧氣刨清除裂紋的部位必須仔細(xì)鏟磨，徹底去除滲碳層，全部漏出金屬光澤。

（4）缺陷修補(bǔ)之前，制備出焊接坡口，坡口角度為40°～45°，坡口深度視實(shí)際情況而定。坡口面及坡口兩側(cè)30mm以內(nèi)母材表面的熔渣、油污等所有影響焊接質(zhì)量的異物應(yīng)清理干凈。尤其須注意的是碳弧氣刨之后，氣刨表面的滲碳層必須徹底清除，否則對(duì)接頭可焊性有非常不利的影響。通常采用的清理方法是砂輪鏟磨，至少要磨掉0.5mm，露出金屬光澤。

3 焊接修補(bǔ)

3.1 轉(zhuǎn)輪材料的焊接性及焊接材料的選擇

轉(zhuǎn)輪材料牌號(hào)為ASTM A743 CA6NM，排號(hào)中的C表示鑄造，A表示A類，即合金成分為12Cr-4Ni，其類似于我國(guó)的ZG06Cr13Ni4Mo，屬于典型的超級(jí)馬氏體不銹鋼，成分如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)輪化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %Table 1 Chemical composition of the runner

對(duì)于鎳含量大于4%的超級(jí)馬氏體不銹鋼，淬火后形成低碳馬氏體，回火后獲得的是超微細(xì)化的馬氏體+逆變奧氏體的復(fù)相組織，具有優(yōu)異的強(qiáng)韌性組合及焊接性[7]。

3.2 轉(zhuǎn)輪焊接材料的選擇

馬氏體不銹鋼焊接材料選擇時(shí)可以通過(guò)兩種思路確定，第一種是采用與母材金屬的化學(xué)成分相同或相近的焊接材料，如410NiMo型，由于焊縫與母材金屬成分接近，不會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，但是焊縫金屬具有比較明顯的淬硬性，具有冷裂的傾向，因此焊前需要預(yù)熱，防止冷裂。此外，還要進(jìn)行焊后熱處理，以消除焊接應(yīng)力，比較適合焊后具有熱處理?xiàng)l件的制造場(chǎng)合。第二種是采用與母材金屬化學(xué)成分完全不同的焊接材料，采用奧氏體不銹鋼材料，如316型、309L型，由于焊縫金屬為奧氏體組織，焊縫具有較高的塑性和韌性，但是奧氏體不銹鋼容易產(chǎn)生熱裂紋[8]。此外，奧氏體焊材熱導(dǎo)率低且熱膨脹系數(shù)高，且這種焊接接頭的材質(zhì)不均勻，焊縫與母材金屬的熱膨脹系數(shù)也不相同，有較大的應(yīng)力。

轉(zhuǎn)輪在工廠制造時(shí)，由于具備焊接后的熱處理?xiàng)l件，一般選用熔敷金屬與母材較為接近的焊材，例如410NiMo，由于在材料中加入了5%～7%Ni，冷裂性能得到改善。按照DL/T 905—2016《汽輪機(jī)葉片、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪焊接修復(fù)技術(shù)規(guī)程》的要求，焊后通過(guò)560～590℃回火可以改善焊接應(yīng)力。

機(jī)組C修期間，轉(zhuǎn)輪無(wú)法吊出，缺陷補(bǔ)焊后無(wú)法進(jìn)行焊后熱處理，因此選擇奧氏體型焊接材料。在各種合金元素中，鉻是典型的鐵素體形成元素，而鎳是典型的奧氏體形成元素，其他元素都可以按其作用大小折算成相應(yīng)的鉻或者鎳當(dāng)量，即Creq和Nieq，根據(jù)鉻或者鎳當(dāng)量可以確定焊縫的組織。

焊接選用ER316L焊絲，ER316L焊絲的碳含量很低，焊接性較好，且其Ni含量相對(duì)較高，熱烈傾向不明顯，焊絲化學(xué)成分見(jiàn)表2。焊絲直徑為φ1.2mm，采用熔化極氣體保護(hù)焊，保護(hù)氣體為95%富氬氣。

表2 ER316L化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %Table 2 Chemical composition of ER316L

圖2 舍夫勒焊縫組織圖Figure 2 Schaeffler schematic diagram of microstructure of weld metal

由焊絲的化學(xué)成分可以根據(jù)圖2的舍夫勒焊縫組織圖計(jì)算焊縫組織的范圍，計(jì)算時(shí)標(biāo)識(shí)含量上限的元素按照上限計(jì)算，標(biāo)識(shí)范圍的元素取中值進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)舍夫勒?qǐng)D可以查得焊縫的組織中含5%～10%鐵素體。防止熱裂紋最直接的措施就是嚴(yán)格限制有害雜質(zhì)，提高焊縫抗裂最有效的方法就是焊縫成為γ+δ的雙相組織。當(dāng)一般焊縫中的δ鐵素體含量過(guò)3%～12%時(shí)，其熱裂紋敏感性顯著降低[9]。

3.3 轉(zhuǎn)輪補(bǔ)焊的實(shí)施

不銹鋼的焊接裂紋一般分為冷裂紋和熱裂紋。轉(zhuǎn)輪材料有一定的淬硬性，焊接后會(huì)急速冷卻淬硬形成冷裂紋，焊前預(yù)熱可以有效防止冷裂紋。奧氏體焊材在焊接過(guò)程中，由于其導(dǎo)熱系數(shù)小，電阻率大，焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋[10]。因此在焊接過(guò)程中必須嚴(yán)格控制焊接工藝參數(shù)，避免熱輸入量太大而產(chǎn)生熱裂紋及晶間腐蝕[11,12]。

綜合考慮轉(zhuǎn)輪材料的冷裂傾向不明顯和焊接材料的熱裂傾向不明顯，采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷的方式，預(yù)熱溫度為110～150℃。施焊前，采用電阻加熱的方法預(yù)熱，加熱寬度、保溫和測(cè)溫要求參照DL/T 819執(zhí)行。補(bǔ)焊區(qū)域及相鄰約150mm范圍內(nèi)的母材應(yīng)預(yù)熱至不低于預(yù)熱溫度，并在焊接過(guò)程中始終保持這一溫度。

在焊接時(shí)，盡量采用較小的熱輸入施焊，小電流及多層多道焊[10]，控制層間溫度不大于150℃，降低焊接應(yīng)力。除第一層焊縫外每層焊縫采用錘擊方法消除應(yīng)力。錘擊擊至焊縫表面達(dá)到均勻屈服為止，降低焊接殘余應(yīng)力。對(duì)于貫穿性裂紋，正面焊接時(shí)進(jìn)行多層多道焊，正面焊接完應(yīng)在背面清根，清根時(shí)采用碳弧氣刨，打磨出金屬光澤。清根后用PT探傷，確認(rèn)裂紋清除干凈，如圖3所示。

圖3 貫穿性裂紋返修示意圖Figure 3 The schematic diagram of perfoliate cracks repairing

焊接完成后對(duì)母材采取保溫棉覆蓋緩冷。無(wú)需進(jìn)行焊后熱處理。焊接缺陷修復(fù)后檢查流道表面，對(duì)于不圓順的部位采用表面堆焊、打磨的方法進(jìn)行處理， 不允許存在應(yīng)力集中點(diǎn)。葉片過(guò)流表面不允許出現(xiàn)深度0.5mm以上的凹坑、凸臺(tái)。焊接完成后24小時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)輪焊接區(qū)域及與臨近區(qū)域進(jìn)行100%的滲透和超聲檢測(cè)合格。

4 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)輪裂紋清除時(shí)應(yīng)采用機(jī)械磨削方式清除，清除時(shí)應(yīng)防止裂紋清除過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)展。缺陷修補(bǔ)前的氣刨表面的滲碳層必須徹底清除。

（2）超級(jí)馬氏體不銹鋼具有良好的焊接性，對(duì)于不具備焊接后回火條件的轉(zhuǎn)輪，可以選用熱裂傾向不明顯的奧氏體不銹鋼焊材，焊接時(shí)焊前預(yù)熱，焊后無(wú)需回火。焊接時(shí)采用較小的熱輸入施焊，小電流及多層多道焊，控制層間溫度不大于150℃，避免產(chǎn)生熱裂紋和晶間腐蝕。焊后采用錘擊方法降低焊接應(yīng)力。