趙 強(qiáng)，王 君，陳 瑞，曹佳麗，徐亞鵬

（1.國網(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。焊接是一個快速加熱與快速冷卻的不平衡冶金過程，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)上通過降低碳、硫含量，增加鎳、鉬含量發(fā)展起來的超低碳鉻鎳馬氏體不銹鋼稱為超級馬氏體不銹鋼。由于其含碳量及淬硬傾向較低。超級馬氏體不銹鋼經(jīng)過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年代初開始應(yīng)用超級馬氏體不銹鋼，國內(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，焊接過程中的應(yīng)力較大，合適的焊接工藝及焊后消應(yīng)力對于焊接質(zhì)量的影響重大。轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中由于水力激振、空蝕等會對轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生破壞，在有限時間的非大修過程中對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行修復(fù)對水力機(jī)組的運(yùn)行有重要的意義[6]。

1 問題描述

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，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級檢修過程中滲透檢測發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪4個葉片同上冠的焊縫附近均存在裂紋，1號葉片裂紋清除后長度約為14cm，如圖1所示。

圖1 1號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，對缺陷的分布、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)動砂輪機(jī)、角向砂輪機(jī)和旋轉(zhuǎn)銼等工具。

（2）對于較長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)輪材料牌號為ASTM A743 CA6NM，排號中的C表示鑄造，A表示A類，即合金成分為12Cr-4Ni，其類似于我國的ZG06Cr13Ni4Mo，屬于典型的超級馬氏體不銹鋼，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

對于鎳含量大于4%的超級馬氏體不銹鋼，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可以通過兩種思路確定，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，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560～590℃回火可以改善焊接應(yīng)力。

機(jī)組C修期間，轉(zhuǎn)輪無法吊出，缺陷補(bǔ)焊后無法進(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含量相對較高，熱烈傾向不明顯，焊絲化學(xué)成分見表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算焊縫組織的范圍，計算時標(biāo)識含量上限的元素按照上限計算，標(biāo)識范圍的元素取中值進(jìn)行計算。根據(jù)舍夫勒圖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3%～12%時，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，并在焊接過程中始終保持這一溫度。

在焊接時，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。對于貫穿性裂紋，正面焊接時進(jìn)行多層多道焊，正面焊接完應(yīng)在背面清根，清根時采用碳弧氣刨，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

焊接完成后對母材采取保溫棉覆蓋緩冷。無需進(jìn)行焊后熱處理。焊接缺陷修復(fù)后檢查流道表面，對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)。葉片過流表面不允許出現(xiàn)深度0.5mm以上的凹坑、凸臺。焊接完成后24小時對轉(zhuǎn)輪焊接區(qū)域及與臨近區(qū)域進(jìn)行100%的滲透和超聲檢測合格。

4 結(jié)論

（1）轉(zhuǎn)輪裂紋清除時應(yīng)采用機(jī)械磨削方式清除，清除時應(yīng)防止裂紋清除過程中繼續(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）超級馬氏體不銹鋼具有良好的焊接性，對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，焊接時焊前預(yù)熱，焊后無需回火。焊接時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。