有关水轮机叶片的焊接

1、 有关水轮机叶片的焊接过程 专业：XXXXXXXXXX学号：XXXXXXXXX 姓名：XXXXXXXXX 目 录1、绪论摘要-1关键词-1引言-12、实验方案及方法2.1水轮机设计 -22.2 材料选择-3材料的焊接性分析-7异种钢焊接的注意事项-8焊接工艺流程-103、实验结果和讨论3.1拉伸实验结果与分析-114、结论和建议4.1结论-115、总结-13 致谢-136、参考文献-14Abstract: in this paper, the turbine blades for the welding materials, welding, test to get a better qual

2、ity blade. Because of the turbine is work underwater and over the water of the link rod. Consider this service environment and its carrying case, use stainless steel and alloy steel realize economy, safety design requirements. We adopt 16 Mn steel as the link rod over the water, 1 Cr13 stainless ste

3、el as underwater rotating blades. The good quality of the work rely on select material and the welding process, welding, we adopt tungsten in extremely argon arc welding form good welding seam. When the experiment we simulation of turbine weld, and carry on the weld analysis and test the strength, h

4、ardness, and metallographic analysis, etc.Keywords：The turbine blades, 16 Mn steel, 1 Cr13 stainless steel, weld analysis;摘要：本文对水轮机叶片的焊接进行选材、焊接、试验从而获得质量较好的工作叶片。由于水轮机是在水下工作且有水面以上的的连接杆。考虑这个服役环境和其承载情况，则用不锈钢与合金钢实现经济、安全的设计要求 。我们采用16Mn钢作为水面以上的连接杆，1Cr13不锈钢作为水下的旋转叶片。其良好的工作质量依靠于选材和焊接过程，在焊接时我们采用钨极氩弧焊形成良好的焊缝。在

5、实验时我们模拟水轮机的焊缝，对其进行焊缝分析，测强度、硬度、金相分析等。关键词：水轮机叶片、16Mn钢、1Cr13不锈钢、焊缝分析；引言：在大型水电站我们会见到大型的发电机组，然而水轮机就是发电机组的重要组成部分。水轮机工作环境特殊，有水面下的转轮，也有水面上的连接杆。所以在选材时就得考虑水下的腐蚀情况，所以一般考虑不锈钢，在此我们采用1Cr13不锈钢，而连接部分不用不锈钢采用16Mn。这样就牵扯到异种材质钢的焊接了，对此我们对这个焊接过程进行模拟，研究其焊缝的性能，能否达标。1.水轮机叶片的设计：水轮机我们采用轴流定桨式水轮机（图1-1）的叶片固定在转轮体上，叶片安放角不能在运行中改变，效率

6、曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。其转轮叶片（图1-2）一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94。 图1-1 轴流定桨式水轮机 图1-2 转轮叶片连接结构大容量、高参数水轮机组的叶片材料要求足够高的强度,以及良好的塑性、韧性配合,尤其是在大截面上的性能。其工作条件要求材料的力学性能指标如下表1-1：抗拉强度（b)屈服强度(0.2)断面收缩率()冲击韧性功(k)650MPa450MPa12%50J c2材料选择：2.1基于表1-1以及在水下

7、的环境叶片我们选择1Cr13不锈钢。410（1Cr13）不锈钢 410为马氏体不锈钢，淬透性好它具有较高的硬度，韧性，较好的耐腐性，热强性和冷变形性能，减震性也很好。要求高温或低温回火，但应避免在370-560之间进行回火处理。 标准：GB/T 1220-1992 对应日本SUS410，日本SUS403，美国403，英国S40300，德国403S17 特性及适用范围： 1Cr13不锈钢具有良好的耐蚀性、机械加工性，1Cr13用作一般用途刃具汽轮机叶片。 化学成份： 碳 C ：0.100.15 硅 Si：1.00 锰 Mn：1.00 硫 S ：0.025 磷 P ：0.030 铬 Cr：11.5

8、013.50 镍 Ni：0.60 铜 Cu：0.30 力学性能： 抗拉强度 b (MPa)：淬火回火,540 条件屈服强度 0.2 (MPa)：淬火回火,345 伸长率 5 (%)：淬火回火,25 断面收缩率 (%)：淬火回火,55 冲击功 Akv (J)：淬火回火,78 硬度 ：退火,200HB;淬火回火,159HB 1Cr13淬火加热温度：1000-1050度，保温1到3小时，空冷，按回火温度高低不同，硬度随之不同。 580-650度回火，水冷，硬度HBS为254-302 560-620度回火，水冷，硬度HBS为285-341 550-580度回火，水冷，硬度HBS为254-362 520

9、-560度回火，水冷，硬度HBS为341-388 小于300度回火，空冷，硬度HBS大于388 热处理规范及金相组织： 热处理规范：1)退火,800900缓冷或约750快冷; 2)淬火,9501000油冷;3)回火,700750快冷。 金相组织：组织特征为马氏体 1Cr13不锈钢的金像照片 回火马氏体+残余奥氏体+碳化物 2.2连接杆我们选择16Mn钢16Mn钢属于碳锰钢，碳的含量在0.16%左右，屈服点等于343MPa（强度级别属于343MPa级）。16Mn钢的合金含量较少，焊接性良好，焊前一般不必预热。但由于16Mn钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下（如冬季露天作业）或在大刚性、大厚度

10、结构上焊接时，为防止出现冷裂纹，需采取预热措施。不同板厚及不同环境温度下16Mn钢的预热温度： 焊件厚度 （mm） 不同气温下的预热温度计（）： 16以下 不低于10不预热,10以下预热100150； 1624 不低于5不预热,5以下预热100150； 2540 不低于0不预热,0以下预热100150； 40以上 均预热100150。 16Mn钢手弧焊时应选用E50型焊条，如碱性焊条E5015、E5016，对于不重要的结构，也可选用酸性焊条E5003、E5001。对厚度小、坡口窄的焊件，可选用E4315、E4316焊条。 16Mn钢埋弧焊时H08MnA焊丝配合焊剂HJ431（开I形坡口对接）或

11、H10Mn2焊丝配合焊剂HJ431（中板开坡口对接），当需焊接厚板深坡口焊缝时，应选用H08MnMoA焊丝配合焊剂HJ431。 16Mn钢是目前我国应用最广的低合金钢，用于制造焊接结构的16Mn钢均为16MnR和16Mng钢。 16Mn锻件的化学成分：C ：0.130.19 Si ：0.200.60 Mn ：1.201.60 Cr0.30 P0.030 S0.030 Ni0.30 Cu0.25 16Mn钢管计算公式:(外径-壁厚)*壁厚*0.02466=kg/米(每米的重量) 主要特性:综合性能好，低温性能好，泠冲压性能，焊接性能和可切削性能好。 应用举例：矿山，运输，化工等各种机械。 16M

12、n密度16Mn钢板密度 16Mn密度为7.85，16Mn钢板密度为7.85 16Mn标准 16Mn 标准，16Mn是旧国标GB/T15911988中的低合金高强度结构钢的牌号，新国标GB/T15912008中的牌号为Q345（Q345有5个质量等级，Q345AQ345E），Q345A对应美国ASTM的牌号是Gr·50。 16Mn的硬度16Mn的硬度不能用HRC，一般是140HBS，如果非要用HRC换算，140/10就行 。16Mn的组织16Mn铸态回火金相图 回火索氏体+铁素体3异种钢的焊接31 Q345（16Mn）钢的焊接特点 2.1 碳当量(Ceq)的计算 Ceq=C+Mn/6+

13、Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5 计算Ceq=0.49%，大于0.45%，可见Q345钢焊接性能不是很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。 2.2 Q345钢在焊接时易出现的问题 热影响区的淬硬倾向 Q345钢在焊接冷却过程中，热影响区容易形成淬火组织-马氏体，使近缝区的硬度提高，塑性下降。结果导致焊后发生裂纹。 冷裂纹敏感性 Q345钢的焊接裂纹主要是冷裂纹。 二、焊接施工流程 坡口准备点固焊预热里口施焊背部清根（碳弧气刨）外口施焊 里口施焊自检/专检焊后热处理无损检验（焊缝质量一级合格） 三、焊接工艺参数的选择 通过对Q345钢的焊接性分析，制定措施如下： 1. 焊接材料

14、的选用 由于Q345钢的冷裂纹倾向较大，应选用低氢型的焊接材料，同时考虑到焊接接头应与母材等强的原则，选用E5015 （J507）型电焊条。 化学成分见下表（%）： 元素 C Mn Si S P Cr Mo V Ti 含量 0.071 1.11 0.53 0.009 0.016 0.02 0.01 0.01 0.01 力学性能见下表： 机械性能指标 b（Mpa） s（Mpa） 5（%） （%） AkvJ-30 数值 440 540 31 79 164 114 76 2. 坡口形式：（根据图纸和设备供货） 3. 焊接方法：采用手工电弧焊（D）。 4. 焊接电流：为了避免焊缝组织粗大，造成冲击韧性

15、下降，必须采用小规范焊接。具体措施为：选用小直径焊条、窄焊道、薄焊层、多层多道的焊接工艺（焊接顺序如图一所示）。焊道的宽度不大于焊条的3倍，焊层厚度不大于5mm。第一层至第三层采用3.2电焊条，焊接电流100-130A；第四层至第六层采用4.0的电焊条，焊接电流120-180A。 5. 预热温度：由于Q345钢的Ceq0.45%，在焊接前应进行预热，预热温度T0=100-150，层间温度Ti400。 6. 焊后热处理参数：为了降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能，在焊后应对焊缝进行热处理。热处理温度为：600-640，恒温时间为2小时（板厚40mm时），升降温速度为1

16、25/h 。 四、现场焊接顺序： 1. 焊前预热 在翼缘板焊接前，首先对翼缘板进行预热，恒温30分钟后开始焊接。 焊接的预热、层间温度、热处理由热处理控温柜自动控制，采用远红外履带式加热炉片，微电脑自动设定曲线和记录曲线，热电偶测量温度。预热时热电偶的测点距离坡口边缘15mm-20mm。 2. 焊接 2.1 为了防止焊接变形，每个柱接头采用二人对称施焊，焊接方向由中间向两边施焊。在焊接里口时（里口为靠近腹板的坡口），第一层至第三层必须使用小规范操作，因为它的焊接是影响焊接变形的主要原因。在焊接一至三层结束后，背面进行清根。在使用碳弧气刨清根结束后，必须对焊缝进行机械打磨，清理焊缝表面渗碳，露出

17、金属光泽，防止表层碳化严重造成裂纹。外口焊接应一次焊完，最后再焊接里口的剩余部分。 2.2 当焊接第二层时，焊接方向应与第一层方向相反，以此类推。每层焊接接头应错开15-20mm。 2.3 两名焊工在焊接时的焊接电流、焊接速度和焊接层数应保持一致。 2.4 在焊接中应从引弧板开始施焊，收弧板上结束。焊接完成后割掉并打磨干净。 3. 焊后热处理：焊口焊接完成后应在12小时内进行热处理。如不能及时进行热处理应采取保温、缓冷措施。在进行热处理时，应采用两根热电偶测温，热电偶点焊在焊口的里外侧。 4. 焊接检验 根据钢结构工程施工及验收规范的要求，焊口采用超声波探伤法进行检验，检验比例为100%。 3

18、.2 1Cr13不锈钢的焊接性2.1 碳当量(Ceq)的计算 Ceq=C+Mn/6+Ni/15+Cu/15+Cr/5+Mo/5+V/5 计算Ceq=2.7，大于0.45%，可见1Cr13不锈钢焊接性能不是很好，需要在焊接时制定严格的工艺措施。 2.2焊接接头的淬硬倾向 因为高的含铬量导致碳当量很高，则接头的冷裂倾向大大增加，近缝区必然出现硬化现象，形成粗大马氏体的硬化区。所以焊接时对其要进行焊前预热，焊后缓冷的处理。1Cr13不锈钢的Cr含量在115135，同时匹配有不大于015的C，Cr本身能增加钢的奥氏体稳定性，加入碳后经固熔再空冷会发生马氏体转变，因此1Cr13不锈钢焊缝和热影响区焊后状

19、态的组织为硬脆的马氏体组织。另外，1Cr13的碳当量约为276，因此它的焊接性较差。由于1Cr13不锈钢的导热性较16Mn碳钢差，焊接残余应力较大，加之水轮机叶片的刚度较大，所以从高温直接冷却到100120以下时很容易产生冷裂纹。由于焊接热循环的作用，1Cr13不锈钢有较大的过热倾向，晶粒易粗化，热影响区会出现粗大的铁素体和炭化物组织，塑性降低，冷却时能引起脆化，如果再有氢的作用，冷裂纹的倾向就更加明显。3.3焊接中的主要问题由于1Cr13不锈钢和Q235碳钢化学成分差异很大，因此它们的焊接属于异种钢焊接，要在熔焊的条件下获得可靠的焊接接头存在许多问题： 1热导率和比热容的差异；金属的热导率和

20、比热容强烈地影响着被焊材料的熔化、熔池的形成，以及焊接区温度场和焊缝的凝固结晶。1Cr13不锈钢热导率约为Q235碳钢的一半，这么大的差异可使两者的熔化不同步，熔池形成和金属结合不良，导致焊缝结晶条件变坏，焊缝性能和成形不良。 2线膨胀系数的差异；由于1Cr13不锈钢与Q235碳钢的线膨胀系数不同，造成它们在形成焊接连接之后的冷却过程中，焊缝两侧的收缩量不同，导致焊接接头出现复杂的高应力状态，进而加速裂纹的产生。 3. 焊缝稀释和形成过渡层1Cr13不锈钢和Q235碳钢焊接时同样存在焊缝稀释和形成过渡层的问题，导致Q235碳钢一侧焊缝形成脱碳层而1Cr13不锈钢一侧形成增碳层，随着扩散的持久，

21、使Q235碳钢一侧的含碳量降低，变成了铁素体组织，并使焊接接头的焊缝组织成为奥氏体加铁素体。 3.3焊接流程1.焊前准备； 首先将两块钢板进行打磨除锈，丙酮清洗保证接头的干净、干燥。因为大厚件16Mn焊接时要求要预热，但实验模拟用的是d=4mm的板材，则无需预热。2.选则焊接参数； 因为水轮机工作条件要求焊缝质量很高，所以我们采用钨极氩弧焊，在焊接过程中氩气能有效地隔绝周空气，本身不溶于金属，不和金属反应，施焊过程中还有自动清除表面氧化膜的作用；电弧很稳定；热源和填丝可分别控制且不会出现飞溅形成质量较高的焊缝。参考有关资料我们取焊接电流为180A。3.进行施焊；钨极氩弧焊焊接时弧光很强所以要注

22、意防护眼睛。4.焊后处理；为了防止产生冷裂纹，焊后为了降低焊接残余应力，减小焊缝中的氢含量，改善焊缝的金属组织和性能，在焊后应对焊缝进行热处理。热处理温度为：600-640，恒温时间为2小时（板厚40mm时），降温速度为125/h 。5.无损检测；对焊缝进行超声波无损检测，检验其中缺陷。 3.实验结果和讨论： 进行拉伸试验并得出如下数据：抗拉强度为230.941 断裂强度为230.94 断裂伸长为8.58 抗拉强度为230.941MPa显然小于两种母材的断裂强度，按照焊接过程的热循环会使焊缝强化，则表明焊缝未焊透，使得强度远小于母材，则表明焊接速度过大，结合焊缝宏观照片（图3-1）则是焊接电流过大导致表面烧穿。则焊接电流应小于180A，取150A因为两种材料的导热较差，则大电流烧穿表面，但焊接速度过快使得内部未融化，所以使得强度很低。 图3-1 焊缝宏观观察结论：焊接时大电流和大的焊接速度会导致焊不透，表面烧穿。所以在焊接过程中应当控制好电流和焊接速度十分重要。因为焊接电流表征焊接热输入量，材