李浩 黃建澤 茹旺軍 盛耀戈

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川 德陽 618000)

水電機(jī)組典型馬氏體鑄鋼件是二重裝備鑄鋼件的拳頭產(chǎn)品、核心產(chǎn)品，產(chǎn)品種類包括上冠、下環(huán)、葉片、導(dǎo)葉等。二重裝備是實(shí)現(xiàn)大型水電馬氏體不銹鋼鑄件國產(chǎn)化的企業(yè)。隨著全球水電行業(yè)的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)指標(biāo)更加嚴(yán)格，用戶對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也不斷提高。本文主要研究GX4CrNiMo16-5-1馬氏體不銹鋼鑄鋼件材質(zhì)的焊接性和幾種適用的焊接方法研究，為其產(chǎn)品焊接提供依據(jù)。

1 GX4CrNiMo16-5-1馬氏體不銹鋼鑄鋼件焊接性分析

馬氏體不銹鋼線膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱系數(shù)很小。在焊接冷卻過程中奧氏體組織會(huì)向馬氏體組織轉(zhuǎn)變，由于體積發(fā)生了變化，母材的硬度有所增加，塑性也會(huì)相應(yīng)降低，導(dǎo)致淬硬傾向明顯。焊縫中的擴(kuò)散氫和焊接過程應(yīng)力導(dǎo)致焊縫存在殘余應(yīng)力，容易產(chǎn)生裂紋。同時(shí)焊接過程中熱影響區(qū)產(chǎn)生粗大的鐵素體和碳化物，最終形成粗大的馬氏體組織，熱影響區(qū)的塑性和韌性降低導(dǎo)致脆化。當(dāng)焊接接頭剛度大或含氫量高時(shí)，在焊接應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生冷裂紋[1]。

公司承制的GX4CrNiMo16-5-1馬氏體不銹鋼材質(zhì)水電鑄鋼件產(chǎn)品，要求采用歐盟標(biāo)準(zhǔn)完成焊接技術(shù)準(zhǔn)備。該材質(zhì)與常規(guī)的Cr13Ni4Mo類馬氏體不銹鋼相比，Cr和Ni元素含量更高，在焊接過程中熔敷金屬流動(dòng)性相對(duì)較差一些。焊接后焊縫需要進(jìn)行嚴(yán)格的超聲檢測。同時(shí)根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際壁厚，需要按照ISO 15614-1-2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定—焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》[2]內(nèi)容策劃不同規(guī)格的焊接工藝評(píng)定試板，做到全覆蓋。試驗(yàn)性研究需要包括熔敷金屬主要合金元素成分分析、焊接接頭的力學(xué)性能(拉伸、側(cè)彎、沖擊、硬度)、焊接接頭的金相分析(低倍組織和高倍組織)、焊縫無損檢測(磁粉檢測和超聲檢測)等內(nèi)容。根據(jù)以往Cr13Ni4Mo類馬氏體不銹鋼焊后熱處理溫度選擇經(jīng)驗(yàn)，溫度選擇過低，影響彎曲指標(biāo)和沖擊指標(biāo)，溫度選擇過高，則影響拉伸指標(biāo)。初步選擇580～600℃作為焊后熱處理溫度范圍，既低于產(chǎn)品性能熱處理中的回火溫度，又結(jié)合了各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)溫度的敏感范圍。表1和表2分別為GX4CrNiMo16-5-1材質(zhì)鑄件的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求。

表1 GX4CrNiMo16-5-1材質(zhì)鑄件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 GX4CrNiMo16-5-1材質(zhì)鑄件力學(xué)性能要求

2 焊接材料的選擇

國內(nèi)外針對(duì)GX4CrNiMo16-5-1同材質(zhì)的焊材品牌很少，對(duì)所篩選的少數(shù)品牌焊材性能進(jìn)行分析后，決定采用質(zhì)量穩(wěn)定的伯樂Thermanit 16/05 Mo牌號(hào)，?1.2 mm規(guī)格焊絲進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊絲化學(xué)成分見表3，力學(xué)性能見表4。

表3 Thermanit 16/05 Mo牌號(hào)焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 Thermanit 16/05 Mo牌號(hào)焊絲力學(xué)性能

3 焊接工藝試驗(yàn)

3.1 試板焊接過程

依據(jù)ISO 15614-1-2017內(nèi)容，分別準(zhǔn)備600 mm×220 mm×50 mm和300 mm×150 mm×12 mm的兩種規(guī)格試板，坡口設(shè)計(jì)為60°的V形。基于鑄鋼件產(chǎn)品實(shí)際壁厚情況，選擇50 mm厚度試板可以覆蓋25～100 mm厚的產(chǎn)品，選擇12 mm厚度試板可以覆蓋3～24 mm厚的產(chǎn)品。在焊接方法的選擇上，GMAW(熔化極氣體保護(hù)焊)適合面積型部位焊接，GTAW(鎢極氬弧焊)適合淺表單點(diǎn)部位焊接。通過以上兩個(gè)方面的技術(shù)考慮，做到了全面覆蓋產(chǎn)品焊接的需求。

對(duì)試板坡口及周圍表面進(jìn)行滲透檢測，試板組裝后，底部間隙控制在2～4 mm之間，反變形量為10～15 mm。焊接過程清根要清透，每焊一道必須打磨干凈后才能繼續(xù)施焊。坡口焊接完成后，采用砂輪將焊縫表面打磨平整，露出金屬光澤[3]。

在焊接預(yù)熱溫度和層間溫度選擇上，預(yù)熱溫度太高產(chǎn)生的熱輻射會(huì)降低焊接過程保護(hù)氣體的保護(hù)性，層間溫度控制過高則不利于熔敷金屬的組織轉(zhuǎn)變。因此，GMAW焊接溫度按照80～200℃控制，GTAW焊接溫度按照80～150℃控制是合理的。焊接溫度設(shè)定如表5所示。

表5 焊接溫度設(shè)定

焊接電流、電壓、焊接速度是影響焊接熱輸入的重要因素，尤其是對(duì)于多層多道焊技術(shù)而言。電流匹配不當(dāng)會(huì)影響焊接過程的過渡形式，電壓匹配不當(dāng)會(huì)影響焊接過程的熔深和熔寬，焊接速度匹配不當(dāng)會(huì)影響每道焊縫的成型情況和產(chǎn)品焊接周期。因此，焊接試驗(yàn)過程的參數(shù)應(yīng)該匹配恰當(dāng)，可以依據(jù)焊材規(guī)格進(jìn)行匹配，再依據(jù)焊接角度、形狀、焊接過程形式、試板的厚度等因素進(jìn)行合理的設(shè)定。本次三種試驗(yàn)按照表6設(shè)定的焊接工藝電流電壓參數(shù)進(jìn)行焊接。實(shí)際焊接過程參數(shù)記錄見表7、表8和表9。

表6 預(yù)焊接工藝規(guī)范

表8 2#接頭焊接過程記錄表

表9 3#接頭焊接過程記錄表

3.2 焊接工藝試驗(yàn)

試板全部焊完后對(duì)焊縫進(jìn)行超聲、磁粉無損檢測，超聲檢測主要判定焊縫內(nèi)部熔合質(zhì)量是否存在超標(biāo)缺陷，結(jié)果需滿足ISO 17640-2010《焊縫無損檢測 超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)[4]，磁粉檢測主要判定焊縫淺表是否存在超標(biāo)線性缺陷，結(jié)果需滿足ISO 17638-2016《焊縫無損檢測 磁粉檢測》標(biāo)準(zhǔn)[5]要求。經(jīng)檢驗(yàn)，所有試板焊縫的超聲檢測和磁粉檢測均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。焊縫無損檢查圖如圖1所示。

圖1 焊縫無損檢查圖

無損檢測合格后對(duì)1#和2#試板進(jìn)行580～600℃、保溫15 h的焊后消應(yīng)熱處理，對(duì)3#試板焊后進(jìn)行緩冷至常溫。熱處理結(jié)束后，按照ISO 15614-1-2017《金屬材料焊接工藝規(guī)程及評(píng)定 焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》相關(guān)內(nèi)容和產(chǎn)品技術(shù)要求進(jìn)行一系列試驗(yàn)。其中對(duì)接焊縫橫向拉伸試驗(yàn)的試樣和試驗(yàn)要符合ISO 4136-2012《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—橫向拉伸試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[6]要求，試驗(yàn)需代表整個(gè)焊縫的厚度，試驗(yàn)結(jié)果中的抗拉強(qiáng)度不低于母材抗拉值的下限，即不低于760 MPa。彎曲試驗(yàn)的試樣和試驗(yàn)要符合ISO 5173-2009《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—彎曲試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[7]要求，試樣不得在任何方向存在超過3 mm的缺陷顯示。沖擊試驗(yàn)的試樣和試驗(yàn)要符合ISO 9016-2012《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—沖擊試驗(yàn)、試樣位置、缺口方向和檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[8]要求，試驗(yàn)結(jié)果平均值應(yīng)滿足產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，即不低于50 J，其中單個(gè)值可以低于規(guī)定的最低平均值，但不低于該數(shù)值的70%，即不低于35 J。硬度試驗(yàn)的試樣和試驗(yàn)要符合ISO 9015-1-2011《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—硬度試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[9]要求，采用載荷為HV10的維氏硬度，由于試板厚度已經(jīng)超過5 mm，需要在焊縫和熱影響區(qū)的上、下表面2 mm處各打一排壓痕，試驗(yàn)結(jié)果不超過產(chǎn)品技術(shù)要求規(guī)定的350HV10。低倍和顯微組織試樣應(yīng)按ISO 17639-2013《金屬材料焊縫的破壞性試驗(yàn)—焊縫的宏觀和微觀檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)[10]規(guī)定制備并在一側(cè)腐蝕，能清晰地顯示出熔合線、熱影響區(qū)和各層焊道。

根據(jù)以上內(nèi)容，對(duì)所有焊接接頭分別完成了熔敷金屬的主要合金元素(表10)、焊接接頭的力學(xué)性能包括2組拉伸試驗(yàn)(表11)、4件側(cè)彎試驗(yàn)(表12)、2組沖擊試驗(yàn)(表13)、6組硬度試驗(yàn)(表14)、1組高倍金相組織分析(表15，圖2)、1組低倍金相組織分析(表16，圖3)等焊接試驗(yàn)內(nèi)容。

表10 試板熔敷金屬主要合金元素分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表11 焊接接頭拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表12 焊接接頭彎曲試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(a)1#試板 焊縫 500× (b)2#試板 焊縫 500× (c)3#試板 焊縫 500×

(a)1#試板 (b)2#試板 (c)3#試板

表13 焊縫和熱影響區(qū)沖擊韌性試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表14 焊縫和熱影響區(qū)硬度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表15 高倍組織試驗(yàn)

表16 低倍組織試驗(yàn)

以上試驗(yàn)結(jié)果顯示，GMAW和GTAW兩種焊接方法在三種不同焊接狀態(tài)下進(jìn)行對(duì)接試板的多層多道焊接，經(jīng)過嚴(yán)格控制焊接過程電流、電壓、焊接預(yù)熱溫度、層間溫度等關(guān)鍵參數(shù)，三種試驗(yàn)中的焊縫無損檢測結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。熔敷金屬主要合金元素與母材材質(zhì)相匹配，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、沖擊值、彎曲結(jié)果、硬度值均滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。通過以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出結(jié)論，采用GMAW和GTAW兩種焊材方法，選擇與母材同材質(zhì)的焊接材料，匹配合理的焊接溫度、焊接過程參數(shù)，焊接后的焊縫質(zhì)量可以達(dá)到產(chǎn)品要求。

4 結(jié)論

(1)對(duì)GX4CrNiMo16-5-1馬氏體不銹鋼鑄鋼件材質(zhì)進(jìn)行焊接工藝性分析，結(jié)合產(chǎn)品性能要求，選擇與母材同材質(zhì)的?1.2 mm規(guī)格焊絲作為焊接材料，按照三種不同的焊接方法分別制定焊接關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)完成試板的焊接和試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可以滿足產(chǎn)品要求。

(2)焊前必須對(duì)坡口進(jìn)行預(yù)熱，并嚴(yán)格控制焊接層間溫度，通過無損檢測顯示，在焊接應(yīng)力作用下不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋。