（材料加工工程专业论文）三峡转轮气体保护焊熔敷金属及焊接接头断裂性能研究.pdf

机械科学1 1 ；| 究院哈尔滨焊接研究所倾i ! 学位论史 三峡转轮气体保护焊熔敷金属及焊接接头断裂性能研究 摘要 三峡水轮机是世界上已经建造的和目前正在建造的最大水轮机。每个水轮机 转轮的最大外径1 0 m ，重4 5 0 t ，单机容量7 0 0 m w 。转轮材料采用4 1 0 n i m o ( 1 3 c r ， 4 n i ，0 5 m o ) 马氏体不锈钢。这样的巨型转轮已经超出了常规制造技术，国内 外制造商一致采用拼焊结构转轮，即转轮上冠、叶片和下环分别铸造，然后整体 组焊，焊接接头的最大厚度达3 0 0 毫米，因此，三峡转轮的焊接具有超厚截面、 大拘束度、高强马氏体不锈钢焊接的特点，如此巨型转轮在国内外还没有先例。 目前，水轮机转轮焊接与设计中，对于转轮母材及焊接接头仅提出一般的力 学性能要求，而对于直接关系到转轮安全可靠运行的抗断裂性能，缺乏更为深入 的要求。冈此，本论文针对三峡水轮机等大型转轮马氏体不锈钢气体保护焊熔敷 金属及其焊接接头的抗断裂性能进行了较深入的研究。 本文选用三峡水轮机应用的四种气体保护焊焊丝进行试验研究，包括进口药 芯焊丝( s t o o d y ) 、国产实心焊丝( h s l 3 5 l ) 、进口金属粉型药j i ! j = 焊丝( p z 6 1 6 6 ) 和进口实心焊丝( o e r l i k o n ) 。试验研究内窖包括四种焊接材料的焊接工艺性能、 熔敷金属与焊接接头的力学性能和抗断裂性能。熔敷金属和焊接接头的抗断裂性 能研究主要采用示波冲击和裂纹尖端张开位移( c t o d ) 两种试验方法，通过扫描 电子显微镜对断口表面的分析，x 射线衍射对相组织的分析，研究了熔敷金属和焊 接接头的断裂行为，为优化焊接材料与工艺奠定了技术基础，为转轮安全可靠运 行提供了一定的试验研究依据。 本文的主要研究结论为： l 、金属粉芯焊丝与药芯焊丝具有较大的焊接工艺规范的适应性，即使在较大 的焊接工艺规范下，电弧稳定，可以获得良好的焊缝成型；而对于实心焊丝，在 较大焊接工艺规范下，很容易出现焊缝表面的氧化起皱，焊缝成型不良。 2 、h s l 3 5 1 。焊丝、o e r l i k o n 焊丝的熔敷金属的常规力学性能优于s t o o d y 焊 丝、p z 6 1 6 6 焊丝。示波冲击试验结果表明，h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属的抗冲击断裂 性能优于s t o o d y 焊丝、p z 6 1 6 6 焊丝和o e r l i k o n 焊丝。 3 、无论sl o o d y 药芯焊丝和p z 6 1 6 6 金属粉：告焊丝，还是h s l 3 5 l 实心焊丝和 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所坝i 学位论文 o e r l i k o n 实心焊丝，其焊态下熔敷金属的裂纹张丌位移( c t o d ) 均较低，这表明 s ：o o d y 焊丝、h s l 3 5 l 焊丝、p z 6 1 6 6 焊丝和o e r l i k o n 焊丝的熔敷金属不宜在焊态 下使用；经过焊后热处理，四种焊丝熔敷金属的c t o d 明显提高，其原因是：回火 热处理产生的逆变奥氏体对熔敷金属韧性的恢复起了决定性作用。 4 、四种焊丝熔敷余属的断裂机制基本一致，焊态的断裂为小、浅韧窝+ 脆性 准解理的断裂特征，经过焊后热处理的断裂为塑性韧窝的断裂特征。而母材与热 影响的断裂为大、深韧窝，而且有明显撕裂变形断裂特征。 5 、四种焊丝熔敷金属的综合抗断裂性能比较，h s l 3 5 l 焊丝优于其它三种。 关键词马氏体不锈钢气体保护焊断裂性能示波冲击裂纹尖端张开位移 彤l 械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕二 学位论文 i n v e s t i g a t i o no nf r a c t u r er e s i s t a n c eo fm a gd e p o s i t e d m e t a l sa n dw e l d e dj o i n t so ft h r e eg o r g e sh y d r o t u r b i n e r u n n e r s a b s t r a c t t h et h r e eg o r g e sh y d r o t u r b i n ei st h eb i g g e s to n ea m o n gt h e s eh a v i n g b e e nc o n s t r u c t e da n db e i n gc o n s t r u c t e di nt h ew o r l d t h et u r b i n er u n n e r is1 0 mi nd i a m e t e r w e i g h s4 5 0 t ，a n du n i tc a p a c it yi s7 0 0m w t h er u n n e r s a r em a d eo f4 1 0 n i m om a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l ( 1 3 o r 4 n i ，a n d0 5 m o ) c a s t i n g s f o rs u c hg i a n tc o n s t r u c t i o n ，c a s t i n g w e l d i n gf a b r i c a t i o ni st h e b e s tw a yt om a n u f a c t u r et h e s er u n n e r s ，t h i sist h ec r o w n ，t h ev a n e sa n d l h eb a n do fe a c hr u n n e ri ss e p a r a t e l yc a s ta n dt h e nj o i n e db yw e l d i n g t h e m a x t h i c k n e s s o fw e l d e dj o i n ti su pt o3 0 0 r a m t h ej o i n ti sc h a r a c t e r i z e d b ys u p e r t h i c k n e s s ，h i g hr e s t r a i n ti n t e n s i t ya n dh i g hs t r e n g t hm a r t e n s i t i c s t a i n l e s ss t e e l a t p r e s e n t ，t h en o r m a lm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr u n n e rm a t e r i a la n d w e l d e dj o i n ta r er e q u i r e di nt h ew e l d i n ga n dd e s i g no ft h er u n n e r ，b u t f r a c t u r er e s i s t a n c ep r o p e r t i e st h a tp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei ns e r v i c i n g s a f e t ya n dr e l i a b i l i t ya r e l i t t l ei n v e s t i g a t e d i nt h i st h e s i s t h ef o u rk i n d so fg a ss h i e l d e da r cw e l d i n gw i r e s ，t h a t a r ef l o wb e in gu s e di nt h et h r e eg o r g e sh y d r o t u r b i n er u n n e r si ss e l e c t e d t om a k ea l li n v e s t i g a t i o no fw e l d i n gt e c h n i c a lp e r f o r m a n c e sa n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s ，e s p e c i a l ly t h ef r a c t u r er e s i s t a n c eo fd e p o s i t e dm e t a l ，w e l d m e t a la n dw e l d e dj o i n t e x p e r i m e n t a lw i r e sa r es t o o d yf l u x c o r e dw i r e ， h s l 3 5 ls o lidw i r e p z 6 1 6 6m e t a lp o w d e r c o r e dw j r ea n do e r l i k o ns o l i dw i r e m a i ne x p e r i m e n t a lm e t h o d si n c l u d ei n s t r u m e n t a c h a r p yi m p a c tt e s t ，c t o d ， s e ma n dx - r a ya n a l y s i s t h er e s u 】t se s t a b l i s hat e c h n i c a lh a s i a t oo p t i m i z e w e l d i n gc o n s u m a b e sa n dt e c h n o l o g y ，a n ds u p p l yab a s i sf o rt h er u n n e rs a f e t y 机械科学研究院哈尔滨焊接础究所坝i 学位论文 o p e r a t i o n t h em a i nr e s u l t sa r ea s f a l l o w s ： 1 w i t h i nw i d ew e l d i n gp a r a m e t e r s 。p z 6 1 6 6m e t a lp o w d e rc o r e dw i r ea n d s t o o d yf 1u x c o r e dw i r eh a sw e l d i n gu s a b i l i t y ，s h o w i n gs t a b l ea r ca n dg o o d a p p e a r a n c eo fw e l d c o m p a r e dw i t hc o r e dw ir e ，t h e s o l i dw i r e sh a v en o ts o g o o dw e l d i n gu s a b i l i t ys h o w i n go x i d i z e da n d c r i n k l e dw e l da p p e a r a n c ea s t h ew e l d i n gp a r a m e t e r sa r eg r e a t e r 2 e x p e r i m e n t a l r e s u l t o ft h en o r m a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e d e p o s i t e dm e t a l s h o w st h a th s l 3 5 la n do e r l i k o na r eb e t t e rt h a no t h e rt w o w i r e s a n dt h ei n s t r u m e n t a lc h a r p yi m p a c tt e s t ，s h o w st h a th s l 3 5 li s t h e b e s to n e 3 f o rt h ef o u rk i n d so fw i r e ，i t i sn o ts u i t a b l ef o rw e l dm e t a lt o b eu s e du n d e ra s w e l d e dc o n d jt i o nb e c a u s eo ft h el o wv a l u eo fc t o d b yp w h t ， c t o djso b v i o u s l yi m p r o v e d ，s h o w i n gg o o d f r a c t u r er e s i s t a n c ew h i c hi s c o n t r i b u t e dt ot h er e t a i n e da u s t e n i t et r a n s f o r m e db yt e m p e r 4 0 nt h ew h o l e ，t h ef r a c t u r em e c h a n i s mo ft h ef o u rk i n d so fd e p o s i t e d m c t a li st h es a m e w h i c hi ss m a l la n ds h a l l o wd i m p l ea n dc l e a v a g ef r a c t u r e u n d e ra s w e l d e d ，a n dd i m p l e f r a c t u r e b y p w h t f o rb a s e m e t a la n d h e a ta f f e c t e dz o n ei t i s b i ga n dd e e pd i m p l e f r a c t u r e 5 o nt h eb a s i so fc o m p r e h e n s i v ef r a c t u r er e s i s t a n c ee v a l u a t i o no ff o u r w e l d i n gw i r e s ，h s l 3 5 le x c e l so t h e rt e s t e dw i r e s k e yw o r d ：m a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l ，g a ss h i e l d e d a r cw e l d i n g ，f r a c t u r e r e s i s t a n c e ，i n s t r u m e n t a li m p a c tt e s t ，c t o d 机械科学研究院喻尔滨焊接列f 究所坝l j 学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭拭科堂班宜瞳或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：右。3 、哼 签字同期：) 牛年t 月舌闩 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越型堂盟宜随有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权扭撼登堂婴究暄可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数掘库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 学位论文作者签名 签字只期：加固4 年毕月6f 1 翩虢奄l 名导师签名：q 一7 “ 签字同期：川年午月f b 机械科学卅f 究院啥尔演焊接研究所坝l 。学位论文 单位 符号清单 意义 冲击断裂过程的总功 冲击断裂过程的裂纹启裂功 冲击断裂过程的裂纹扩展功 i 型应力强度因子 泊松比 弹性模量 屈服应力( 屈服点仃。或：) 试样宽度 引申计张丌位移的塑性分量 原始裂纹长度 试样塑性变形阶段的转动因子 熔宽 熔深 指状熔深部位的熔宽 指状熔深部位的熔深 夏比冲击功 屈服强度 抗拉强度 延伸率 裂纹尖端张开位移 裂纹启裂时的c t o d 值 最大载荷点或最大载荷平台丌始点所对应的c t o d 值 ， ， ， 一 一 胁 嗍 删 愀 一 删 删 删 一 ， 舰 胁 一 黼 删 一 一 坳 艏一e e。砰e吒。b h e q g艿吸4配 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 第一章绪论 1 1三峡水轮机转轮材料、结构概况 水轮机转轮在运行过程中，会随工况条件的不同而受到不同程度 的汽蚀、泥沙磨损与裂纹的作用，这将影响到水轮机的正常运行和转 轮的寿命。这就需要采用良好的耐汽蚀、耐泥沙磨损与抗断裂性能的 材料来制造转轮，而在这方面，马氏体不锈钢具有良好的耐汽蚀和耐 磨损性及抗断裂性能而被广泛采用“1 。三峡水轮机是世界上已经建造的 和目前正在建造的最大水轮机。每个水轮机转轮的最大外径1 0 m ，重 4 5 0 t ，单机容量7 0 0 m w 。转轮材料采用4 1 0 n i m o ( 1 3 c r ，4 n i ，0 5 9 6 m o ) 马氏体不锈铸钢瞳3 。这样的巨型转轮已经超出了常规制造技术，国内外 制造厂商一致采用拼焊结构转轮( 见图卜1 ) ，即转轮上冠、叶片和下环 分别铸造，然后整体组焊。 图卜1 三峡水轮机拼焊转轮及拼焊示意图 对于三峡转轮，其叶片与上冠及下环焊接接头的最大厚度达3 0 0 毫米，转轮材料采用强度级别较高的马氏体不锈钢，它具有良好的综 合使用性能。三峡转轮的焊接具有超厚截面大拘束度，高强马氏体不 锈钢焊接的特点，如此巨型转轮在国内外还没有先例。 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所f 0 ii 学位论文 1 2 马氏体不锈钢的焊接特点 1 2 1 马氏体不锈钢的特点 马氏体不锈钢的金相组织为马氏体。5 卜j 。这类钢中铬的质量分数 为1 2 2 7 ，碳的质量分数最高可达1 o “，提高了钢的强度和硬度。 目前普遍采用的马氏体不锈钢可分为c r l 3 型马氏体不锈钢和低碳马氏 体不锈钢，以及超级马氏体不锈钢。对于c r l 3 型马氏体不锈钢，主要 作为具有一般抗腐蚀性能的不锈钢使用，随着碳含量的不断增加，其 强度与硬度提高，塑性与韧性降低，作为焊接用钢，碳含量一般不超 过0 1 5 。以c r l 2 为基的马氏体不锈钢，因加入n i 、m o 、w 、v 等合金 元素，除具有一定的耐腐蚀性能之外，还具有较高的高温强度及抗高 温氧化性能，在电站设备中的高温高压管道及航空发动机中广泛应用。 低碳、超低碳马氏体不锈钢是在c r l 3 基础上，在大幅度降低碳含量的 同时，将n i 含量控制在4 一6 的范围，还加入少量的m o 、t i 等合金 元素的一一类高强马氏体钢，除具有一定的耐腐蚀性能外，还具有良好 的抗汽蚀、磨损性能，因此在水轮机及大型水泵中有广泛应用。近年 来，国外还研制开发了一类新型的超级马氏体不锈钢，它的成分特点 是超低碳及低氮、n i 含量控制在4 一7 的范围，还加入少量的m o 、t i 、 s i 、c u 等合金元素。这类钢高强、高韧性，具有良好的抗腐蚀性能， 在油气输送管道中获得较广泛的应用，表卜l 列出了几种常用的低碳 马氏体不锈钏及超级马氏体不锈钢的化学成分。 c r l 3 型马氏体不锈钢，般经调质热处理，金相组织为马氏体， 随同火温度的不同，马氏体的强度、硬度及塑韧性可在较大范围内调 整，以满足不同使用性能的要求哺h 1 “。对于低碳、超低碳马氏体不锈 钢以及超级马氏体不锈钢，经淬火和一次回火或二次回火热处理后， 金相组织为低碳马氏体+ 逆变奥氏体组织。对于n i 含量在4 一7 的低碳 马氏体不锈钏以及超级马氏体不锈钢，在淬火后( 通常采取空冷) 形 成低碳马氏体，在回火加热到a 。( 低于a 。) 以上时，将发生m y 的 “逆转变”。这种组织不同于a 。温度以上转变形成的奥氏体，也不同 d 皿 划 。一k悻埘舡，“星薄器佃林 。耳k蝌文迥哥餐导群 墨：王王d b - - 詈乏g詈 。警号兽鼍鼍号 g l t - 3g l o 薹藿垂| | 翠l 彗 l k 部编，焊接材料产品样本，1 9 9 7 ，第一版，机械工业出版社，机 械工业出版社，北京，6 7 8 5 ； w e l d i n gh a n d b o o k ，e i g h t h e d i t i o n ，v 0 1 4 ， m a t e r i a l sa n d a p p li c a t i o n s p a r t s2 ，1 9 9 8 ； 周振丰，张文钺合编，焊接冶金与金属焊接性，1 9 8 8 ，第二版，机械工业 出版社，北京，1 5 4 1 8 0 ； m a t sl i j a s ，d e v e l o p m e n to fs u p e r a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l s ，w e l d i n g i nt h ew o r l d ，1 9 9 5 ，v 0 1 3 6 ，j u n e ，3 3 3 6 ； 唐纳德等主编，不锈钢手册，1 9 8 9 ，第一版，机械工业出版社，机械工业 出版社，北京，1 4 2 1 5 6 ； n a s s a uv a nl e t c ，w e ld i n g s t e e l s ，1 9 9 6 ，i i ，w - 1l ，6 5 9 2 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕卜学位论文 l d 、 1 5 、 1 6 、 1 7 、 1 8 、 19 、 2 0 、 2 1 、 2 2 、 2 3 、 2 4 、 哈尔滨焊接研究所，三峡电站5 0 万k w 水轮机拼焊转轮可行性研究分析报 告，1 9 8 4 ，第一版，哈尔滨焊接研究所，哈尔滨，1 ； 哈尔滨焊接研究所等，大型水轮机转轮马氏体不锈钢焊接材料合理匹配的 研究，1 9 9 9 ，第一版，哈尔滨焊接研究所，哈尔滨，l ； m a r t i nc r o w t h e r ，f i v e e n e g y r e l a t e dc a s es t o r i e sw h e r e s t a i n l e s s s t e e l w e l d i n g c o n s u m a b l e sa r e u s e d ，q u a l i t y a n d r e l i a b i l i t y i n w e l d i n g ，1 9 8 4 ，v 0 1 2 ，s e s s i o nb ，s e p t ，8 7 9 1 ； 史巨元编著，钢的动态力学性能及应用，1 9 9 3 1 2 ，冶金工业出版社，北京， 1 1 9 1 2 0 ： 高庆主，工程断裂力学。1 9 8 6 8 ，第一版，重庆大学出版社，重庆，7 9 ： b i n gd u ，y u l ij i a ，b a o j i nz h o u ，s h i f e n gz h o u ，i n v e s t i g a t i o n o nw e l d i n g o fv i r g o1 0 4l o wc a r b o nm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l 。，1 9 9 9 ，h a r b i n w e l d i n gi n s t jt u t e ，pro fc h i n a ，1 5 ； 中华人民共和国国家标准，金属材料裂纹尖端张开位移试验方法，g b t 2 3 5 8 9 4 ，1 9 9 4 ，第一版，国家技术监督局，北京，6 1 5 6 3 5 ； x u eh ，s h iyw 。c t o dd e s i g nc u r v ei nc o n s i d e r a t i o no fm a t e r i a ls t r a i n h a r d e n i n g 。i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fp r e s s u r ev e s s e l s p i p i n g ，1 9 9 7 ， 7 0 ，3 3 4 1 ： l e iyp ，s i i iyw 。m u r a k a w an e ta l 。t h ee f f e c to fm e c h a n i c a l h e t e r o g e n e it ya n dl o a do faw e l dj o i n tw it hl o n g i t u d i n a lw e l dc r a c k o nt h ej - i n t e g r a la n df a i l u r ea s s e s s m e n tc u r v e 。i n t e r n a t i o n a lj o u r n a l o fp r e s s u r ev e s s e l s p i p i n g ，1 9 9 8 ，7 5 ，6 2 5 6 3 2 ； f i n c hdm ，b u r d e k i nfm 。e f f e c t so fw e i d i n gr e s i d u a ls t r e s s e s o n s 【g n i f i e a n c eo fd e f e c t si nv a r i o u st y p e s o fw e l d e dj o i n t 。e n g i n e e r i n g f r a c t u r em e c h a n i c s 。1 9 9 2 ，4 1 ( 5 ) ，7 2 l 7 3 5 ； a r a iyk i k u c h im ，w a t a n a b et 。r e s i d u a ls t r e s sd u et ow e l d i n ga n di t s e f f e c to nt h ea s s e s s m e n t o f c r a c k s n e a rt h ew e l di n t e r f a c e 。 t n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo fp r e s s u r ev e s s e l s p i p i n g ，1 9 9 5 ，6 3 ，2 3 7 2 4 8 ： 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所颂【学位论文 2 5 、 2 6 、 2 7 、 2 8 、 2 9 、 3 ( ) 、 3 l 、 3 2 、 3 3 、 3 4 、 3 5 、 3 6 、 3 7 、 3 8 、 3 9 、 吕涛，赵海燕，史耀武，残余应力对焊接接头c t o d 设计曲线的影响，中国 机械工程，2 0 0 2 ，1 3 ，5 ，4 4 1 4 4 4 ： 邓增杰，周敬恩编著，工程材料的断裂与疲劳，1 9 9 5 6 ，第三版，机械工 业出版社，北京，2 l ： 北京钢铁研究院金属物理室编。工程断裂力学。1 9 9 7 ，国防工业出版社， 北京，4 5 4 8 ； r i c ejr ap a t hi n d e p e n d e n ti n t e g r a la n dt h ea p p r o x i m a t ea n a l y s i s o fs t r a i nc o n c e n t r a t i o n s b y n o t c h e sa n d c r a c k s j o f h p p l g e c h 1 9 6 8 ，3 5 ( 2 ) ，p 2 3 2 5 ： 中国焊接协会编，焊接标准汇编1 9 9 6 。 北京，5 4 1 5 4 3 ，5 3 0 5 3 5 ； f f l 志凌，潘川，梁东图著，药芯焊丝， 北京，1 4 1 9 ； s u p t e l am ，m e c h a n i z e df l u x c o r e d 1 9 8 3 ： 1 9 9 7 ，第一版，中国标准出版社 1 9 9 9 ，第一版，冶金工业出版社， k i e vn a u k o v ad u m k ap u b l i s h e r s d a y j dw i d g e r y ，t u b u l a rw i r ew e l d i n g ，a b i n g t o np u b l i s h i n g ，1 9 9 4 ： 原林祥译，药芯焊丝及其应用，1 9 9 6 ，日本焊接协会电焊条技术委员会， f 1 本，7 8 - - 9 1 ； 中野利彦，各种金属粉型药芯焊丝的开发