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王国强,王爱民(哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨１５００４０) ［摘要］针对三峡转轮和活动导叶采用的母材,研制出了马氏体不锈钢埋弧焊焊接材料。新研制的埋弧焊丝ＳＡＷ-０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ和埋弧焊剂ＳＪ６０９具有良好的焊接工艺性能,焊缝金属的化学成分与母材相当,力学性能超过了母材,完全可以替代国外进口的同类焊接材料。 ［关键词］马氏体;埋弧焊;熔敷金属;不锈钢 １前言 三峡水轮发电机组举世瞩目,其中拼焊结构转轮重达４５０ｔ,直径达１０．０６ｍ,重量及尺寸均居世界第一,制造技术难度前所未有,焊接是转轮制造过程中的关键技术之一。对于三峡水轮机的焊接,考虑到结构尺寸巨大及焊接金属量极大,在主制造工艺方法中,除主要的气体保护焊、手工电弧焊外,应该考虑高效优质的埋弧焊工艺。三峡转轮和活动导叶的母材是０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ马氏体不锈钢,其对应的埋弧自动焊焊接材料国内还是空白,特别是埋弧自动焊焊剂。由于三峡转轮上冠和叶片的特大厚度及刚性,对埋弧自动焊焊接材料的焊接性、工艺性都提出了及高的要求。 ２ 攻关目标和主要内容 ２．１攻关目标 (１)研制出化学成分与０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ母材相近的焊丝。 (２)研制出与焊丝配套的碱性(Ｂｉ＞１)烧结型焊剂,保证良好的焊接工艺性能(电弧稳定性、脱渣性、焊道成型性、抗气孔性等)。 (３)提出合理的基础焊接工艺规范。 (４)熔敷金属的常规力学性能(室温、经过焊后热处理)达到表１的要求。 表１熔敷金属的力学性能 
(５)提供焊缝金属在０℃、-２０℃的冲击韧性。 (６)焊接接头面弯(ｄ＝３ａ，１８０°)、侧弯(ｄ＝４ａ，１８０°)、合格。 (７)焊接接头的化学成分及金相分析。 ２．２主要内容 (１)焊丝合金体系的拟制与焊丝试制 (２)焊剂渣系的拟制与焊剂的试制 (３)基础焊接工艺试验 (４)熔敷金属、焊缝金属及焊接接头综合力学性能试验 (５)焊后热处理基础工艺试验 (６)焊接裂纹行为研究与预防措施３埋弧焊焊丝的研制 ３．１焊丝的合金体系国内对不锈钢水轮机转轮的焊接,在焊接材料的选择上可分为三种: (１)马氏体不锈钢,即与母材相同材质的Ｃｒ１３Ｎｉ５型。 (２)奥氏体不锈钢,如Ｃｒ１９Ｎｉ１２型,Ｃｒ２３Ｎｉ９型。 (３)三相不锈钢,如Ｃｒ１７Ｎｉ６型。无论从水轮机转轮焊接的发展趋势,还是从目前该三峡课题指标中熔敷金属力学性能的要求,埋弧焊焊丝的合金体系应选择与母材相同材质的马氏体不锈钢。 ３．２焊丝的化学成分设计焊丝的化学成分设计遵循以下要求,即以三峡转轮用０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ母材的合金体系成分要求为基本出发点,主合金元素基本一致,并在Ｃ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｓ、Ｐ及其他元素的要求上,符合埋弧焊焊剂冶金特性及综合性能调整的要求。据此研制了表２所示的０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ不锈钢焊丝。 
３．３埋弧焊主合金元素的过渡特性要求由于埋弧焊焊缝金属的化学成分是由焊丝及焊剂共同冶金反应决定的,由表３的焊丝成分要求相对应,对焊剂的合金元素的过渡特性提出以下要求,以保证对焊接熔敷金属的化学成分的控制。 表３焊剂的合金元素过渡特性要求 
４ 埋弧焊焊剂的研制 ４．１焊剂类型的确定埋弧焊焊剂按制造方法可分为熔炼型埋弧焊剂和烧结型埋弧焊剂。熔炼型焊剂在冶炼中,由于冶炼工艺一般采用碳质炉衬和石墨电极,不可避免地向焊剂过渡较多的碳,因此熔炼型焊剂通常向焊缝金属增碳较多,且不稳定,另外,熔炼型焊剂不具备合金过渡特性,难于保证焊剂合金过渡特性的要求,因此,对新研制的焊剂选为烧结型。 ４．２焊剂渣系的选择及配方的调试焊剂的选择一方面考虑焊接工艺性能,另一方面要考虑焊剂渣系及其组分对焊缝金属力学性能的影响。按焊剂的碱度大小分为两组,进行焊接工艺性能调试,第一组碱度为Ｂｉ:１．０～２．０;第二组碱度为Ｂｉ:２．０～３．０。工艺性能主要考察焊剂的脱渣性能、焊道成型、电弧稳定性三个方面。通过焊剂组分的变化及含量调整,研究焊剂组分与脱渣性能、焊剂组分与焊渣的熔点高低及粘度大小的变化,对焊剂的焊接工艺性能进行优化,分别调试了几十个配方,优化出工艺性能优良的ＳＪＮｏ１６（Ｂｉ：１．１）、ＳＪ６０９（ＳＪＮｏ３０）（Ｂｉ：２．５）烧结焊剂。 表４新型烧结焊剂的主要组分及特性 
分别对上述两种焊剂进行熔敷金属力学性能试验。焊丝为４．０ｍｍ０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ,工艺规范:电流５００Ａ、电压３０Ｖ、焊速４００ｍｍ／ｍｉｎ。试验结果如表５所示。 表５０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ马氏体不锈钢熔敷金属力学性能 
试验结果表明,采用ＳＪ６０９(ＳＪＮｏ３０)焊剂的０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ熔敷金属有良好的冲击韧性,而采用ＳＪＮｏ１６焊剂的０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ熔敷金属的冲击韧性较差。 ４．３新研制焊剂的性能 ４．３．１焊剂的工艺性能 (１)焊接电弧的稳定性 对于丝极埋弧焊工艺,焊接电弧的稳定性与焊剂关系极大。焊剂的稳弧性好,才能使焊接过程顺利进行,保证焊缝成型。焊剂的焊接电弧的稳定性,可从电弧电压的波动情况反映出来,多次焊接结果表明,ＳＪ６０９(ＳＪＮｏ３０)焊剂的稳弧性是良好的,电弧电压在２５～３４Ｖ之间改变,均能保证电弧稳定燃烧。２５～３４Ｖ的电弧电压调节范围,满足实际产品焊接的调节要求。 (２)脱渣性为了评定焊剂的脱渣性,试验选用０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ４．０ｍｍ、３．２ｍｍ两种规格的焊丝在１６Ｍｎ钢板上进行单道埋弧焊接,观察焊渣的脱落情况和焊道表面粘渣情况。试验结果表明,ＳＪＮｏ３０焊剂配用０Ｃｒ１３Ｎｉ５Ｍｏ４．０ｍｍ、３．２ｍｍ两种规格的焊丝进行平板焊接,焊渣可自动脱离焊道表面,焊道表面无粘渣。 |
