（材料加工工程专业论文）00cr13ni5mo马氏体不锈钢焊接材料及焊接工艺方法的研究.pdf

机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 0 0 c r l 3 n i 5 m o 马氏体不锈钢焊接材料及焊接工艺方法的研究 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之一 每个水轮机 转轮的最大外径l o m 重4 5 0 t 单机容量7 0 0 唧 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 因此 本论文针对三峡水轮机等大型转轮马氏体不锈钢焊接材料及熔敷金属冲击性能 进行了较深入的研究 本文选用三峡水轮机应用的大气冶炼的o c r l 3 n i 5 m o 实芯焊丝 以及真空冶炼的 o o c r l 3 n i 5 m o 实芯焊丝 试验研究内容包括 熔敷金属冲击性能研究 主要采用夏比 冲击试验方法 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 研究了熔敷金属的冲击断裂行为 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 1 n 0 含量对熔敷金属冲击性能有明显影响 其中 0 含量是决定冲击功 的主导因素 过高的 n 含量容易引起焊缝金属的气孔缺陷 熔敷金属中明显增c 时 冲击韧性将大幅降低 建议h r c h 保护气中的c o 含量应控制在2 3 为宜 2 t i g 填丝确实可大幅提高熔敷金属的冲击功 t i g 填丝可以做为焊接修复改善 焊缝熔敷金属冲击韧性的一个有效手段 t i g m a g 高速m a g 激光一m a g 四种工艺 方法中 t i g 填丝焊接工艺对熔敷金属冲击功的提高是最显著的 达2 5 0 j 对于修 复改善焊缝熔敷金属冲击韧性可以达到最佳的效果 3 高速m a g 和激光 叫 g 使用大气h s l 3 5 l 时可以大幅提高经过焊后热处理熔 敷金属的冲击功 其冲击功达到或超过转轮母材及热影响区的冲击功 m a g 焊经焊后 热处理的大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属冲击功只有8 0 j 左右 而高速m a d 经焊后热处理 的大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属室温冲击功可达1 2 4 j 以上 激光一姒g 经焊后热处理 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 的大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属冲击功可达1 4 2 j 以上 达到或超过转轮母材及热影响 区冲击功 1 2 5 j 4 激光一m a g 复合在使用真空h s l 3 5 l 焊丝时 不仅可以大幅提高经过焊后热处 理熔敷金属的冲击功 同时还可以大幅提高熔敷金属焊态的冲击功 m a g 焊大气 h s l 3 s l 焊丝熔敷金属焊态冲击功只有3 0 j 左右 焊后热处理熔敷金属冲击功8 0 j 左 右 激光一l l a g 真空h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属焊态冲击功达6 7 j 焊后热处理熔敷金属 冲击功接近1 1 0 j 5 熔敷金属冲击功与熔敷金属中逆变奥氏体含量成正比 即逆变奥氏体含量越 高 冲击功越高 关键词 大型转轮马氏体不锈钢姒gt i g 高速m a g 激光 m a g 复合 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 i n v e s t i g a t i o no nw e l d i n gm a t e r i a la n dw e l d i n gt e c h n o l o g yf o r o o c r l 3 n i 5 m 0m a r t e n s i t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l a b s t i 认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 gb e e n c 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 ri sl o mi n d 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 i t yi s7 0 0 姗 t h er u n n e r sa r em a d eo f 4 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 c r 4 n i a n d0 5 9 6m o c a s t i n g s f o r s 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 eb e s tw a yt o m a n u f a c t u r et h e s er u n n e r s t h i si st h ec r o w n t h ev a n e sa n dt h eb a n do fe a c h r 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 em a x t h i c k n e s so f w 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 db 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 h s t r e n g t hm a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e l a tp 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 dw e l d e d j 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 tf r a c t u r e r 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 gs a f e t ya n d r 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 s om o r ew e l d i n gm a t e r i a l a n di m p a c t t o u g h n e s sf o r t h et h r e eg o r g eh y d r o t u r b i n em a r t e n s i t i cs t a i n l e s s w e r e i n v e s t i g a t e d t h em a i nr e s u l t sa r ea sf a l l o w s 1 g a sc o n t e n to fo x y g e na n dn i t r o g e nh a v ea b v i o u se f f e c tt oi m p a c t t o u g h n e s so fd e p o s i t e dm e t a l i n w h i c ho x y g e nc o n t e n ti sm a i n l y f a c t o r o v e r f u l ln i t r o g e nc o n t e n tw i l ll e a dt op o r ed e f e c ti nd e p o s i t e d m a t e r i a l 2 i m p a c tt o u g h n e s so fd e p o s i t e dm a t e r i a lw e r ei m p r o v e dl a r g e l yi nt i g i t i sao p t i m a lm e t h o dt oi m p r o v ei m p a c tt o u g h n e s so fd e p o s i t e dm a t e r i a l b yu s i n gt i gi nw e l d i n gr e p a i r 3 t h ei m p a c te n e r g yo fd e p o s i t e dm a t e r i a la f t e rp l l tc a nb ei m p r o v e d i 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 l a r g e l yb yu s i n ga t m o s p h e r i ch s l 3 5 lh i g e s p e e dm a ga n dl a s e r e g 4 i m p a c tt o u g h n e s so fd e p o s i t e dm a t e r i a la f t e rp w h to rn o tc a nb e i m p r o v e dw h e nv a c u u mh s l 3 5 lw a su s e di nl a s e r m a g 5 i m p a c te n e r g yo fd e p o s i t e dm a t e r i a li sp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n t e n to f t 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 t h eh i g h e rt h ec o n t e n t o fa u s t e n i t ei n v e r t e r t h eh i g h e rt h ei m p a c te n e r g y k e yw o r d h y d r o t u r b i n em a r t e n s i t i cs t a i n l e s ss t e e lm a gt i gh i g h s p e e db i a g l a s e r m a g 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 符号单位 符号清单 意义 口 u i y 7 a k v j 蕊 v a m s j 焊接热输入量 电弧电压 焊接电流 焊接速度 电弧功率系数 冲击吸收功 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 插图清单 图1 1 世界最大的三峡水轮机转轮实物图 左 和结构图 右 5 图1 2 不同气体配比对h s l 3 s l 熔敷金属碳氧含量的影响 1 0 图1 3 不同气体配比对h s l 3 5 l 熔敷金属冲击韧性及与母材冲击韧性的对比 1 0 图1 4 氮和回火温度对o c r l 3 n 1 4 m o 马氏体不锈钢室温冲击韧性的影响 1 2 图1 5 氮对o c r l 3 n 1 4 m o 马氏体不锈钢低温冲击韧性的影响 1 2 图2 1 熔化极气体保护焊设备 1 9 图2 2 半自动混合气体保护焊 o t o6qq 9 1 9 图2 3m a 焊焊枪与试板相对位置 2 0 图2 4 自动钨极氩弧焊 t i g 设备 2 1 图2 5t i g 焊焊枪 试板相对位置示意图 2 1 图2 6h l 2 0 0 6 dn d y a g 激光器 2 2 图2 7t p s 5 0 0 0 数字化焊机 o i f oo 2 2 图2 8 激光 m a g 工作平台及控制盘 2 2 图2 9 激光一m a g 复合焊枪 激光 试板相对位示意图 2 3 图2 1 0 焊后热处理曲线 2 4 图2 1 1 几种工艺方法热输入计算结果比较 2 5 图3 1 四种焊接方法大气h s l 3 5 l 熔敷金属冲击功对比 2 6 图3 2 四种焊接方法真空h s i 3 5 l 熔敷金属冲击功对比 2 8 图4 1 三峡转轮结构示意图 3 1 图4 2 两种焊丝与m a o 焊和t i g 焊熔敷金属c n o 成分比较 3 2 图4 3 熔敷金属冲击韧性比较 3 3 图4 4 熔敷金属冲击侧向膨胀率比较 3 4 图4 5 四种工艺方法熔敷金属典型冲击断口 3 6 v i i i 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图4 6 熔敷金属及采用焊丝c 跚 o 含量比较 3 7 图4 7 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属焊态冲击韧性比较 3 8 图4 8 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率比较 3 8 图4 9 熔敷金属及采用焊丝c t n 0 含量比较 3 9 图4 1 0 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率比较 4 0 图4 1 1 大气h s l 3 s l 高速m a g 和激光 m a g 复合焊接熔敷金属冲击断口典型断口 4 1 图4 1 2 大气h s l 3 5 l 高速m a g 和激光 m a g 熔敷金属典型金相组织 一d o o0 4 2 图4 1 3 熔敷金属及采用焊丝c m 0 含量比较 4 3 图4 1 4 真空h s l 3 5 l 熔敷金属冲击韧性对比 图4 1 5 真空h s l 3 5 l 熔敷金属典型冲击断口照片 4 5 图4 1 6 真空h s l 3 5 l 激光一m a g 脉冲 和激光 m a g 熔敷金属典型金相组织 4 6 图4 1 7c t h 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝c 咖 o 含量对比 4 7 图4 1 8t i g 焊熔敷金属冲击韧性 左 及侧向膨胀率 右 对比o oooooifoo ooo 4 8 图4 1 9 保护气加入不同配比c 0 2t i g 焊熔敷金属典型冲击断1 2 1 4 9 图4 2 0 韧窝内球状析出物能谱分析 4 9 图4 2 10 2 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝c 州 0 含量对比 5 0 图4 2 2 豇g 焊熔敷金属冲击韧性 左 及侧向膨胀率 右 对比 5 1 图4 2 3 保护气加入不同配比0 2t i g 典型冲击断口 5 2 图4 2 4 加入0 2 4 n g 冲击断口韧窝内球状夹杂物能谱分析 5 2 图4 2 5n 2 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝 n o 含量对比 5 3 图4 2 6n 不同配比t i g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率对比 5 4 图4 2 7a r n 2 保护焊接产生的气孔 5 4 图4 2 81 1 g 焊熔敷金属典型冲击断口照片 5 5 图5 1 大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属逆变奥氏体含量及相应冲击功对应关系 5 7 图5 2 大气丝t i g 熔敷金属x 衍射曲线 5 8 i x 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图5 3 大气丝m a g 熔敷金属x 衍射曲线 5 8 图5 4 大气丝高速m a g 熔敷金属x 衍射曲线 5 8 图5 5 大气丝激光 m a g 熔敷金属x 衍射曲线 5 8 图5 6 真空h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属逆变奥氏体含量及相应冲击功对应关系 5 9 图5 7 真空丝1 1 g 熔敷金属x 衍射曲 5 9 图5 8 真空丝m a g 熔敷金属x 衍射曲 5 9 图5 9 真空丝激光一m a g 熔敷金属x 衍射曲线 6 0 图5 1 0 真空h s 丝不同混合气t i g 熔敷金属逆变奥氏体含量与冲击功的对应关系 6 0 图5 1 l 加入5 c 0 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 l 图5 1 2 加入2 c 0 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 1 图5 1 3 加入4 0 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 1 图5 1 4 加入1 0 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 l 图5 1 5 加入5 n 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 1 图5 1 6 加入2 n 2 熔敷金属x 衍射曲线 6 2 图6 1 冲击断口气孔照片 6 3 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表格清单 表1 1 转轮情况对比 3 表1 24 1 0 n i m o t 1 药芯焊丝焊缝金属力学性能 8 表1 3 不同气体配比条件下h s l 3 5 l 熔敷金属c o 含量 l o 表1 4 常用低碳及超级马氏体不锈钢的化学成分 质量分数 1 5 表2 1 试验采用的焊接材料的化学成分 1 8 表2 2 熔化极气体保护焊 m a g 工艺参数 2 0 表2 3 自动钨极氩弧焊 t i g 焊接工艺参数 2 1 表2 4 激光 m a g 复合及高速m a g 焊接工艺参数 2 3 表3 1 四种焊接方法大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属冲击试验结果 2 6 表3 2 四种焊接方法真空h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属冲击试验结果 2 8 表3 3 大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属c o 含量和冲击功对比 2 9 表3 4 真空h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属c o 含量和冲击功对比 2 9 表4 1 两种焊丝与m a g 焊和t i g 焊熔敷金属c n o 成分比较 3 2 表4 2 熔敷金属冲击韧性对比 3 3 表4 3 熔敷金属及采用焊丝c p q o 含量比较 3 7 表4 4 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属焊态冲击韧性比较 3 7 表4 5 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率比较 3 5 表4 6 熔敷金属及采用焊丝c n 0 含量比较 3 9 表4 7 高速m a g 及激光 m a g 熔敷金属冲击韧性比较 4 0 表4 8 高速m a g 及激光 m a g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率比较 4 0 表4 9 熔敷金属及采用焊丝c n o 含量比较 4 2 表4 1 0 真空h s l 3 5 l 熔敷金属冲击韧性对比 4 3 表4 1 1c o z 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝c 洲 o 含量对比 4 7 x l 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表4 1 2c 0 2 不同配比t i g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率对比 4 8 表4 1 30 2 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝c n o 含量对比 5 0 表4 1 40 2 不同配比t i g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率对比 5 l 表4 1 5n 2 不同配比t i g 焊熔敷金属及焊丝 n 0 含量对比 5 3 表4 1 6n 2 不同配比t i g 焊熔敷金属冲击韧性及侧向膨胀率对比 5 4 表5 1 大气h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属逆变奥氏体含量及相应冲击功 5 8 表5 2 真空h s l 3 5 l 焊丝熔敷金属中逆变奥氏体含量与相应冲击功 6 0 表5 3 真空h s l 3 5 l 焊丝不同混合保护气1 1 g 熔敷金属逆变奥氏体含量及相应冲击功 6 0 表6 1 有气孔的熔敷金属冲击功 6 3 x i i 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 也不包含为获得拯拯型堂盈童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己在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者躲氍秒男 签字帆加7 年酽月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼型堂婴塞瞳有关保留 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 本人授权扭撼抖堂婴究暄可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 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 磊毛分 另 签字日期 西7 年矿月二日 导师签名 签字日期 年月日 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 水轮机转轮结构及焊接材料的发展 转轮的母材可以采用碳钢 也可采用不锈钢 在国外 由于植被保护 得好 水土流失少 在一些水质较清的水系上 少量泥沙磨损不会对转 轮产生较大的破坏 水轮机转轮可采用碳钢制造 如大古力 6 0 0 姗 转 轮上冠和叶片为s a 2 1 6 g w c c 铸钢 下环为s a 5 1 6 g r 7 0 钢板 依太普 7 0 0 m w 转轮为g s 一2 0 m n 5 铸钢 但从耐空化性能上考虑 不锈钢优于碳钢 尤其 以c r l 3 n i 5 型马氏体不锈钢为最好 所以近年来的趋势是用c r l 3 n i 5 型 马氏体不锈钢作为转轮的制造材料 国内曾用碳钢制造了下马岭 官厅 云峰等电站的转轮 但由于碳 钢的耐磨 耐空化性能不如不锈钢 所以从转轮母材的选材上也逐步向 不锈钢靠拢 但是由于国内不锈钢材料较碳钢的价格高出许多 各制造 企业考虑到制造成本的问题 推出了异种钢转轮这种选材方式 异种钢 转轮通常是上冠为碳钢 叶片和下环为不锈钢瞳1 如刘家峡转轮 丰满转 轮 岩滩转轮 莲穹转轮 柘林转轮 也有上冠和下冠均为碳钢 叶片 为不锈钢的异种钢转轮 如五强溪转轮 近些年来国内也制造过许多整 体不锈钢转轮 如二滩 苏利曼 卡尔河 天生桥二级 三峡等 从转轮焊接材料上说 无论是异种钢转轮或是整体不锈钢转轮 焊 接材料的选择有三种情况 一是奥氏体型不锈钢焊材 如3 1 6 型 3 0 9 型 二是马氏体型不锈钢焊材 如4 1 0 n i m o 型 其三是c r l 7 n i 6 m n 型 c r l 7 n i 6 y m 焊材是种具有中国特色的焊材 是哈焊所根据生产需要同哈尔 滨电机厂联合开发研制的 其金相组织为奥氏体 马氏体 铁素体三相 综合力学性能介于奥氏体材料与马氏体材料之间 比奥氏体材料有较高 的强度和硬度 比马氏体材料有较好的韧性和焊接性 国外在转轮焊接材料的选择上 多以前两种情况为主 国内则以一 三两种情况为主 无论是奥氏体材料或是三相材料 同马氏体材料相比 都存在较大差异 这样匹配的焊接接头称为异材质接头 异材质接头由 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 于存在组织不均匀性导致热膨胀系数有较大差异 焊接过程中会产生较 大的组织残余应力 且这样的残余应力无法通过焊后热处理的手段来消 除 国内有20 多年的异种钢转轮制造经历 国外也做过许多异种钢转 轮 英国曾试焊过上冠 下环为碳钢 叶片为不锈钢的异种钢焊接转轮 但采用的是先在叶片上下坡口预先堆焊厚l o m m 的c r 2 0 n il o 一2 5 m o 材料的 过渡层 而后 再用同样焊材焊接转轮叶片上下接头的焊接工艺阿1 美国 仅在低水头机组上使用异种钢焊接转轮 如a c 公司在1 9 8 4 年用电渣焊 焊接了由6 m 七叶片的无下环混流式转轮 2 r m l 前苏联较热衷于异种钢转轮焊接工艺的研究 早在6 0 年代 他们就 曾用熔嘴电渣焊焊接了布拉茨克机组巾8 m 转轮上的异种钢焊接接头 而 后 哈尔科夫水轮机厂又采用新研制的0 8 m n c u n i v 马氏体低合金铸钢做 上冠 焊接了直径为由6 m 叶片和下环均为o c r l 2 n i 3 c u 马氏体不锈钢的 异种钢转轮 在电站组焊后进行热处理哺1 德国焊过4 0 余台异种钢转轮 且均采用奥氏体焊材 3 0 9 型 包括 用于国内五强溪和小浪底电站的异种钢焊接转轮 小浪底转轮系电站组 焊 焊后不进行热处理口1 但是 近些年来国内的大型异种钢转轮在运行过程中接连出现开裂现 象 如岩滩转轮 五强溪转轮 李家峡转轮 小浪底转轮凹1 上述四个转 轮情况见表卜1 表卜1 转轮情况对比吲 这些转轮尺寸都比较大 直径均在6m 以上 同时开裂现象具有一 定的相同点 裂纹多数出现在叶片出水边靠近上冠的高应力区 机组存 在偏离正常工况运行的情况 机组运行存在振动现象 从断口分析上看 均为疲劳裂纹 裂纹开口有错牙 1 异种钢转轮存在的两个不足之处是 焊接接头强度偏低 焊接接头存 在较大的焊接残余应力 异种钢转轮由于存在这两项缺点 致使其在使用可靠性方面远不如同 种钢转轮 这是不争的事实 异种钢转轮的裂纹问题是内因 外因共同作用的结果 内因是制造缺 陷 如残余应力过高 焊接显微缺欠 外因是机组的振动 众所周知 在保持转轮几何尺寸相似的情况下 增大容量 会使结构 部件的线性尺寸增加 刚度和固有振动频率减小 在这种情况下 增加 了产生共振和自振的危险聃 对于混流式水轮机 在导叶后部与叶片流道间的尾流使转轮叶片产生 压力脉动和应力幅值 这一高周水力载荷不可避免 同时混流式水轮机 在部分负荷运行时也存在低频压力脉动 对于运行在水头变幅较大的中 低水头水轮机 高水头部分负荷和最小水头超负荷 其叠加将导致不稳 定的振动问题嘲 转轮失效后的金相观察表明 在大多数情况下 转轮叶片中的裂纹是 由疲劳扩展而成 疲劳又被认为与转轮的自激振动诱发的交变应力有关 这些交变应力因水力或机械的扰动而发生 当包括静应力和动应力在内 的工作应力接近材料的疲劳极限时 疲劳裂纹便开始萌生n 对那些在运行过程中叶片上出现裂纹的情况 可以认定裂纹出现主要 与制造缺陷有关 这些缺陷可以分成转轮制造的几何误差和工艺缺陷 如残余应力较大 焊接缺陷等 这些缺陷会导致叶片材料疲劳强度的降 低 疲劳裂纹的出现不仅与动应力有关 而且还与静应力有关 在那些 出现最大动应力 n 的工况 对叶片的破坏起决定性作用 叶片的疲 劳破坏受内应力和外部应力的联合影响 从制造角度来讲 采取措施降 低焊接接头的残余应力是避免出现叶片疲劳裂纹的有效手段 从设计角 度来讲是力求使机组的固有频率超过激振力最大振幅范围 避免同尾水 压力脉动产生共振 是避免疲劳破坏的有效措施 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 前面提到 国内的转轮焊接主要采用奥氏体焊材和c r l 7 n i 6 m n 型的三 相组织焊材 c r l 7 n i 6 m n 型焊材的熔敷金属显微组织为马氏体 奥氏体 铁素体三相 且奥氏体所占的比例较大 约为5 0 无论是异种钢转轮 用奥氏体焊材来焊接 或是同种钢转轮采用三相焊材来焊接 焊接接头 均出现较高的残余应力 残余应力峰值出现在焊接接头熔合线附近 接 近材料的屈服限 经退火 5 8 0 c 6 0 0 c 应力峰值应力仅有极小的下降 1 这说明这种焊接材料的选择的确存在一定的隐患 转轮出现裂纹的现象几乎都是发生在大中型转轮上 从目前出现裂纹 的几个电站来看 转轮直径均在6m 以上 中小型转轮 如丰满 莲花 白山 刘家峡等机组的转轮 有的已有2 0 多年的运行经历 但并未出现 开裂现象 这说明压力脉动和机组振动这些外因同样是引起转轮开裂的 主要因素 3 那么要求我们针对大中型转轮在存在较大压力脉动和机组振动隐患 的情况下 要尽力降低焊接接头的残余应力 要采用同材质焊接材料来 焊接 9 8 年焊接二滩转轮焊接的时候曾采用同材质焊接材料做了尝试 焊接 材料为p z 6 1 6 6 金属粉芯型焊丝 是荷兰f i l a r c 公司的产品 相当于 a w s e c 4 1 0 n i m o 由于马氏体不锈钢焊接性较差 要求的焊接预热温度为 1 0 0 焊工的操作环境较为恶劣 但通过尝试认为这一工艺是可行的 对于三峡转轮的焊接 主承包方也是要求使用同材质焊接材料 气体保 护焊焊材推荐选用p z 6 1 6 6 焊丝 采用同材质焊接材料焊接c r l 3 n i 5 型马氏体不锈钢转轮是公认趋 势 是发展方向 c r l 3 n i 5 型马氏体不锈钢气体保护焊丝在国外己有定型 产品 如e s a b f i l a r c 公司的p z 6 1 6 6 日本w e l 公司的w e lm c w1 3 4 德国蒂森公司的c n1 3 5 1 6 法国s a f 公司的e c4 1 0 n i m o 美国s t o o d y 公司的e 4 1 0 n i m ot ia p 等 为了适应这种同材质的焊接 国内一些研 究部门研制开发了c r l 3 n i 5 型焊丝h s l 3 s l 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕 学位论文 1 2 三峡水轮机转轮材料 结构概况 大型混流式水轮机马氏体不锈钢拼焊转轮是大型水电机组中最为重 要的部件之一 是水轮机的心脏 制造难度大 制造精度高 转轮制造 质量的高低极大地影响着机组的正常运行与效益 因此转轮的制造质量 往往是衡量一个国家水轮机制造水平的标志 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 泥沙磨损甚至裂纹的作用 这将影响到水轮机的正常运行和转轮 的寿命 这就需要采用具有良好的耐汽蚀 耐泥沙磨损与抗断裂性能的 材料来制造转轮 马氏体不锈钢具有良好的耐汽蚀和耐磨损性及抗断裂 性能而被广泛采用口1 以三峡水轮机转轮为例 采用 4 1 0 n i m o 1 3 c r 4 n i 0 5 m o 马氏体不锈铸钢拼焊而成嘲 三峡转轮的直 径1 0 7 m 高5 4 m 重达4 4 0 吨 是迄今为止世界上最大 最重的不锈 钢焊接转轮 转轮分别由上冠 下环和1 3 个或1 5 个叶片焊接而成口1 上 冠为整体铸造 下环分四瓣铸造 然后拼焊成整圆 叶片为单片整铸 然后在五轴联动数控铣床上加工型面和焊接坡口 1 图1 1 世界最大的三峡水轮机转轮实物副3 0 1 左 和结构示意图 右 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 但其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 对于三峡巨型水轮机转轮 焊接材料与工艺的选择与确定要考虑以 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕 学位论文 下几个方面 1 1 首先是满足水轮机转轮设计的力学性能要求 2 防止焊接冷裂纹发生 从大型转轮焊接生产实践来看 在大厚 度 大拘束的焊接条件下 要保证不发生冷裂纹 经常需要采用诸如预 热和后热的工艺措施 与此同时 合理选择焊接材料是提高接头的抗冷 裂纹的有效措施 3 保证焊接接头具有良好的塑韧性 对于大型转轮这样复杂的焊 接结构 焊接缺陷的彻底避免是不可能的 焊接接头具有较高的塑韧性 可以防止脆性破坏的发生 保证机组安全可靠的运行 4 由于水轮机转轮长期工作在动载荷的工况下 水下腐蚀疲 劳破坏也是转轮运行中的普遍问题 目前国内外转轮中叶片泄水边经常 产生疲劳裂纹 如果焊接材料选择不当 将导致焊缝产生疲劳裂纹 降 低转轮的使用寿命 给机组带来很大的危害 5 转轮的耐气蚀和耐磨蚀性能也是较重要的一个指标 焊缝金属 的耐磨蚀性能不应低于母材 6 较高的焊接效率 三峡电站总装机2 6 台 一台转轮所需的焊 接填充金属达1 0 余吨 焊接时间达3 个月 加上焊前预热 层间保温等 如果没有较高的焊接效率 焊接制造周期很长 基于上述考虑 目前国内外的制造商普遍采用半自动的富a r 气体保 护焊 其中在焊接位置较好的部位也采用了埋弧自动焊 同时也在积极 探讨采用弧焊机器人的可能性 对于焊接材料基本都采用了同材质的 0 c r l 3 n i 5 m o 合金体系的焊丝 但是焊丝形态大有不同 有实心焊丝 金 属芯焊丝 还有药芯焊丝脚1 针对三峡水轮机转轮 哈尔滨焊接研究所与哈尔滨电机厂有限责任 公司 东方电机股份有限公司等单位密切合作 在 九五 期间开展了 大型水轮机转轮焊接材料与工艺 的科技攻关项目 同时完成了国家 自然科学基金委员会与原国家机械工业局技术发展基金会联合资助的重 大科技项目一 超厚截面马氏体不锈钢焊接行为及焊接材料匹配规律研 究 在上述研究中 分别对o o c r l 7 n i 6 合金体系的马氏体 奥氏体 铁 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 素体三相组织的不锈钢焊接材料 0 0 c r l 3 n i 5 m o 合金体系的马氏体不锈钢 焊接材料和0 0 c r l 8 n i1 2 m o 合金体系的奥氏体 少量铁素体的不锈钢焊接 材料的综合性能进行了较为系统的试验研究 其中0 0 c r l 3 n i 5 m o 马氏体 不锈钢气体保护焊焊接材料的综合性能比较列表1 2 由表中可以看出 焊缝金属的抗断裂性能与母材相比还是有一定差距 对于国外的一些焊 接材料 更加表现出强度偏高 塑韧性偏低的问题 国外在水轮机转轮 的焊接材料与工艺方面也有较多的试验研究 但基本都是同材质的 0 0 c r l 3 n i 5 m o 合金体系的马氏体不锈钢焊接材料 表卜2 是美国v o i t h 公 司的研究结果 由表中可以看出 焊态的焊缝金属表现出高强度 低塑 性的特点 经过焊后热处理 强度有所降低 塑性大幅度提高 随着热 处理温度的提高 强度 特别是屈服强度显著降低 塑性有所提高 从 接头横向拉伸看 由于焊缝金属强度明显高于母材 所以接头的横向拉 伸基本反应的是母材性能 从冲击韧性来看 焊态焊缝金属具有很低的 冲击韧性 经焊后热处理 冲击韧性有所提高 但与母材热影响区相比 较 仍具有很大的差距 因此 从焊缝金属性能 特别是塑 韧性 与 母材相匹配的目标出发 焊缝金属的冲击韧性有待于大幅度提高 在三峡水轮机转轮焊接材料与工艺中 人们普遍注意了如何将这一居 世界首位的转轮顺利地焊接完成 而对涉及到将来投运后的使用性能还 重视不够 这从转轮的力学性能设计中就可以看出 目前 对于转轮母 材及焊接接头的力学性能仅提出一般的要求 即屈服强度大于5 5 0 m p a 抗拉强度大于7 5 0 m p a 拉伸延伸率大于1 5 室温c h a r p y 冲击韧性大于 5 0 j o c 的c h a r p y 冲击韧性大于4 0 j 而对于直接关系到转轮运行过程 中经常发生的断裂性能 缺乏更为深入的要求 从实际情况来看 母材 的生产制造商在此方面针对母材的性能己作了大量的试验研究 并应用 于生产实际 从表1 2 中热影响区优良的冲击韧性就可以看出母材性能 的优异 但焊接材料的制造商还没有作较为系统深入的试验研究 因此 本文对目前转轮焊接中广为采用的焊接材料进行冲击韧性方面的深入研 究 为优化焊接材料与焊接工艺提供试验研究依据 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 表卜24 1 0 n i m o t l 药芯焊丝焊缝金属力学性能 t p 9t p l 0t p l lt p l 2t p l 3 焊后热处理焊态 5 6 55 9 36 2 l6 2 1 6 2 1 接头横向拉伸 屈服强度 6 9 47 1 96 6 75 8 86 4 0 m p a 抗拉强度 8 0 68 0 87 8 67 8 17 8 3 舻a 延伸率 1 81 952 02 02 0 断面收缩率 7 2 17 1 87 37 2 7 l 焊缝金属拉伸 届服强度 8 2 68 7 48 1 8 6 4 07 0 9 俨a 抗拉强度 1 0 7 49 5 6 9 1 89 1 58 8 5 班 8 延伸率 51 6 1 81 81 9 断面收缩率 8 65 2 55 25 2 54 9 v 型缺口冲击 实验温度d 2 l 2 3 2 22 2 2 7 2 53 03 5 3 14 2 3 8 3 9 3 63 8 3 9 焊缝 2 22 63 24 0 3 8 1 1 4 1 1 5 1 1 41 2 81 3 1 儿81 2 41 2 5 1 2 51 3 21 2 81 3 31 1 71 0 51 0 3 热影响区 1 1 41 2 6 1 2 51 3 l1 0 8 侧弯 3 a 合格 1 件 合格 1 件 合格 4 件 合格 4 件 合格 4 件 注 焊后热处理工艺 热处理温度x l o h 保温 炉冷 t p l 3 采用6 2 1 6 2 1 x 5 h 二次回火 8 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 1 3 提高焊缝金属的冲击韧性的各种措施 对0 0 c r l 3 n i 5 m o 马氏体不锈钢气体保护焊焊接材料的综合性能比较 研究发现 焊缝金属的抗断裂性能与母材相比有较大的差距 提高焊缝 金属的冲击韧性的措施主要从冶金和工艺两方面着手 冶金方面 对于 0 0 c r l 3 n i 5 m o 马氏体不锈钢气体保护焊接材料 已经做了大量的研究工 作 0 0 c r l 3 n i 5 m o 焊丝的主合金元素已经确定 但对于焊接材料中的气体 含量对熔敷金属冲击韧性的影响研究的还不够深入 焊接工艺方面 针 对0 0 c r l 3 n i 5 m o 焊丝对手工电弧焊和熔化极气体保护焊焊接工艺做了系 统的研究 目前转轮焊接采用的主要是富a r 的熔化极气体保护焊 对于 t i g 填丝工艺人们都知道能够提高熔敷金属的冲击韧性 而具体提高到什 么程度没有一个准确的数据 另外 针对转轮焊接材料的一些先进焊接 工艺 激光一姒g 方法还没展开研究 1 3 1 氧对焊接接头及熔敷金属冲击韧性的影响 聃1 表1 3 和图1 2 为不同气体配比条件下h s l 3 5 l 熔敷金属c o 含 量比较 图卜3 是不同气体配比条件下h s l 3 5 l 熔敷金属的冲击韧性对 比 由图表可见 混合气体中c o 的比例不同 较大程度地影响了熔敷金 属中c 0 的含量 可以看出 随c o 比例的增加 熔敷金属中的c 0 含量也增加 随着氧化性气体比例的增加 即保护气体氧化势的提高 熔敷金属的冲击韧性下降 对于h s l 3 5 l 尽管其冲击韧性随氧化性气体 的增加而降低 但其冲击韧性始终 5 0 j 满足设计要求 表1 3 不同气体配比条件下h s l 3 5 l 熔敷金属c 0 含量 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 图卜2 不同气体配比对h s l 3 5 l 熔敷金属碳氧含量的影响 图卜3 不同气体配比对h s l 3 5 l 熔敷金属 冲击韧性及与母材冲击韧性的对比 对于c 0 含量增加导致的低温韧性降低的作用机理现有几种不同的 解释 代表性的解释有4 种 2 5 m 9 儿蚰1 合金元素的氧化烧损 使某些对韧性有利的元素在焊缝金属中含 量减少 氧化物或氧夹杂在晶界富集偏聚 造成晶界弱化韧性降低 氧与某些合金元素形成高熔点 高硬度非球形的平杂物 a l o 在附加载荷时引起应力集中 韧性降低 氧含量超过一定值时 作为某些韧性相 针状的铁素体 形核质 点的氧化物 其组成 结构 形态和分布等发生改变 不利于韧性相形 成 从而降低韧性 1 3 2 氦在不锈钢中的存在形式及作用 司 6 1 n 在不锈钢中主要是通过固溶强化 氮化物的弥散强化和晶粒细化来 改变钢的性能 n 的性质与c 相类似 是生成间隙相的主要元素 这是由它较小的原 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 子尺寸及电子层结构所决定的 n 也是马氏体中的重要间隙元素 对马氏 体相交和性能起决定性作用 n 在扩大奥氏体区和稳定奥氏体的作用相当 n i 的2 5 倍左右 n 与钢中合金元素相互作用的重要性表现在氮化物的弥散现象 在奥 氏体钢中存在许多弥散氮化物 主要是c r 拼的弥散 c r 拼为立方晶格结 构 在含有t i 和n b 的钢中 会有t i n 和n b n 形成 在含 钢中 人们 发现了复杂的c r n b 3 n 及c r n b n 称为z 相 氮化物形成 在奥氏体钢中 n 延缓碳化物 m 茄 及金属间化舍物的析出 这可 能是由c r 2 n 的析出减少了固溶的c r 含量 在双相钢中 n 延缓金属间化 合物弥散析出及n 的强烈奥氏体稳定化作用 对不锈钢的相比例平衡和 改善焊接性能很重要 g a a h l b e r 等人的研究发现 在含m o 的双相钢中 很大比例的n 是以m o n 的m o n c r 化合物形式存在于奥氏体基体中 n 在马氏体中与其它元素形成氮化物分布于晶界上 提高硬化能力 防止 高温回火时奥氏体 铁索体晶粒的长大 对马氏体钢强度影响最大的因素是间隙原子含量 随着间隙原子如 c n 含量的增高马氏体的强度增加 r o b e r t 等测定的结果表明 f e n 马 氏体的屈服极限与氮原子百分数的平方根呈线性关系 c n 原子对马氏 体组织的硬度影响规律相同 即间隙原子浓度低时 随浓度值的升高硬 度增高 当浓度继续升高时 硬度反而降低 有文献介绍n 在超低碳铸 造马氏化不锈钢 1 6 5 p h 中的作用表明 时效过程析出细小的近似棒 球状均匀分布于基体的y c n 粒子 此种粒子与马氏体基体间有共格关 系 2 0 0 y c n r t t o q 在提高钢的强度和硬度时 并不降低韧性 有文献表明 1 氮对0 c r l 3 n i 4 m o 钢的回火脆性有明显影响 低氮 的 0 0 2 0 9 6 n 钢没有明显的中温回火脆性 而高氮钢 i 0 0 2 0 n 则 显示明显的中温回火脆性 2 高氮钢经淬火和6 0 0 高温回火后有良好 的强韧性 其一6 0 c 低温韧性显著高于低氮钢 从图1 4 可以看出 氮含量对冲击韧性有明显的影响 在3 5 0 5 5 0 温度区回火后 低氮的i 号钢冲击韧性没有下降 而高氮的 号钢的冲 击韧性急剧下降 表现出明显的回火脆性 氮含量对冲击韧性的影响同样 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士学位论文 田业量厦门 图1 4氮和回火温度对0 c r l 3 n i 4 m o 马氏体不锈钢室温冲击韧性的影响 冲黼譬强度 图i 5氦对0 c r l 3 n i 4 m o 马氏体不锈钢 低温冲击韧性的影响 也表现在钢的低温韧脆转变曲线上 如图1 5 含氮量不同的i 号钢和i i 号钢 经1 0 2 0 淬火和6 0 0 c 高温回火 都具有较高的冲击韧性 在一3 0 低温下 冲击功仍能保持