錦屏二級水電站壓力鋼管選用600 MPa 級高強鋼厚板焊接接頭沖擊韌性影響因素分析

毛勇

(葛洲壩集團第二工程有限公司，四川成都 610091)

焊接線能量是影響焊接接頭(接頭組織、力學性能)質量的基本工藝參數。選擇線能量的大小不僅與焊接方法、焊接材料、焊接技術要求、工藝參數等有關，更主要的是考慮到了焊接熱影響區的組織力學性能及抗裂性能的綜合平衡。焊接線能量對焊接接頭的力學性能尤其是沖擊韌性影響很大，對于調質狀態使用的低合金高強鋼而言，這種影響將更為顯著。筆者就錦屏二級水電站壓力鋼管使用600 MPa 級高強度調質鋼(B610CF)板材的現場施工情況以及焊接影響因素進行了分析，以期對今后現場施工起到一定的借鑒作用。

1 錦屏二級水電站壓力管道工程

錦屏二級水電站共布置8條高壓管道，每條高壓管道下平段壓力鋼管在距廠房上游側邊墻2.38 m 處(壓力鋼管末端)往上游方向的28.8 m段采用600 MPa 級高強鋼板，材質為B610CF，該段鋼管內徑為6.05～6.5 m，板厚為56～40 mm，設計壓力為2.58 MPa。

B610CF 鋼屬于低焊接裂紋敏感性、低合金高強度鋼，此類鋼的合金化原理是在低碳的基礎上，通過加入合金元素并通過調質處理獲得強度高、韌性好的低碳馬氏體和低碳貝氏體的混合組織。當采用大線能量焊接時，低碳低合金調質鋼冷卻時間t 8/5(熔合線附近的點由800℃冷卻至500℃的時間)過長會導致奧氏體晶粒粗化以及上貝氏體的生成，從而引起過熱區的脆化，使沖擊韌性明顯下降。

理論上講，通過采取預熱、控制層間溫度、后熱以及嚴格控制焊接線熱量等工藝措施可以有效保證材料的沖擊韌性指標。而在實際施工中，這些措施和工程需求往往會發生沖突。比如，焊接線能量過低，相對而言更容易產生焊接缺陷，同時工作效率降低，工人勞動強度加大，與施工工期要求會發生矛盾。因此，有必要在最大限度滿足對焊接接頭沖擊韌性要求的同時，兼顧施工現場實際情況，對影響因素進行進一步分析，以保質保量地完成施工任務。

參加本次壓力鋼管焊接的焊工均長期從事壓力鋼管焊接工作，操作經驗豐富，底片合格率亦很高，在長期從事16 MnR 等材質的焊接中，養成了大線能量焊接的習慣，但其對于調質低合金高強鋼材的焊接特性知之甚少。因此，在進行壓力鋼管制作縱縫和安裝環縫焊接之前對他們進行了基本理論和實際操作的培訓并進行了考核。筆者通過對考核試板以及隨后進行的壓力鋼管的生產試板焊接情況及沖擊試驗結果進行了分析，力求找出主要影響因素。

2 鋼板及焊材

鋼板的力學性能(產品質量證明書)及其復驗數據見表1。產品試板由利用每種板厚用于制作管節的加長板的邊角余料制取，所有鋼板均按照標準規范進行了復驗，沖擊功平均值均在200 J以上。B610CF 鋼板配套選用的焊條為四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的、牌號為CHE62CFLH、直徑為3.2 mm 和4 mm 的焊條。焊條質保書及復驗提供的力學性能數據見表2。從表2可知，鋼板及焊材完全滿足相應的標準規范，均具有很高的沖擊韌性儲備量。

3 焊工考核試板及產品試板沖擊功試驗

表1 鋼板力學性能表

表2 焊條力學性能(摘錄)表

3.1 考核試板焊接工藝

所有焊工經過基本理論和實際操作培訓后均進行了考核，考核試板采用立焊方式垂直放置，尺寸為300 mm ×150 mm。焊接時環境溫度為25℃～35℃，環境濕度為35%～65%，預熱溫度為120℃～150℃。不同的組別有不同的層間溫度要求，焊后均沒有進行消氫熱處理，主要焊接工藝參數見表3。坡口形式、組對間隙等均符合設計圖樣要求。

3.2 考核試板的結果及分析

表3 立焊考核試板焊接工藝參數表

3.2.1 考核試板分組

共有28人參加了試板考核，為了進行對比并積累數據，將考核分成為3組。第1～3組焊工人數分別為8人、10人、10人。

(1)第1組。為了更好地模擬壓力鋼管焊接的實際情況，對8名焊工不做要求，僅對其焊接工藝參數進行記錄，對考核試板也僅進行了-20℃沖擊試驗。

(2)第2組。要求焊工嚴格執行焊接工藝，但對層間溫度不做要求，要求焊工連續完成試板的焊接。

(3)第3組。要求焊工嚴格執行焊接工藝，同時必須保證層間溫度不超過200℃。由于試板尺寸較小，溫度下降慢，因此，焊工每焊完一層，須停焊一段時間，待層間溫度降到200℃后再重新施焊。

3.2.2 各組試板結果及分析

對3組試板進行的記錄顯示，第2～3組焊接電流、速度基本符合要求，電流最大值均在160 A以內，第1組的焊接電流偏大，個別甚至達到185 A 左右，且焊接速度低。第1～第2組的層間溫度因不進行控制，實際測量值均在230℃左右。

根據所記錄的不同焊接工藝參數值，從每組中各選2塊具有代表性的焊接試板制取沖擊試樣進行沖擊韌性試驗，試驗結果見表4，表4中的數據為3個沖擊功的平均值。

從試驗記錄的單個數值中可以得出:第1組焊縫最低值為34 J，最高值為45 J，熱影響區(HAZ)最低值為40 J，最高值為48 J;第2組焊縫最低值為43 J，最高值為52 J，熱影響區(HAZ)最低值為46 J，最高值為55 J;第3組焊縫最低值為75 J，最高值為86 J，熱影響區(HAZ)最低值為87 J，最高值為116 J。

表4 試板沖擊韌性試驗結果表(平均值)

從表4中可以看出，大線能量焊接以及不控制層間溫度，則-20℃沖擊功值很低(第1組數據)。嚴格執行焊接工藝卻不控制層間溫度，則對焊縫的沖擊韌性影響也很明顯(第2組數據)。只有嚴格執行焊接工藝，同時嚴格控制層間溫度，才能得到令人滿意的沖擊韌性(第3組數據)。

從表4中還可以看出:焊條電弧焊時，線能量的最佳范圍為15～35 k/cm，在此范圍內其沖擊韌性在-20℃時為75 J 以上;當線能量大于45 kJ/cm 時，其沖擊韌性降至47 J 以下。

600 MPa 級高強鋼壓力鋼管嚴格按照第3組工藝要求完成焊接，工期略有增加，焊工單位時間的勞動強度也略有提高，但由于嚴格限制了焊接線能量，焊接質量得到了有效保證，這一點從產品試板的性能檢驗結果中得到了進一步證實。同時，由于線能量選擇范圍的合理性，對焊接操作并沒有增加太大難度，最終壓力鋼管的X 射線檢測底片合格率均很高。

3.3 產品試板結果及分析

產品試板的制備按照有關標準進行。由質檢部門隨機抽取的焊工完成600 MPa 級高強鋼壓力鋼管各種板厚產品試板沖擊功值中可以看出:焊縫最低沖擊功為46 J，最高為78 J;熱影響區(HAZ)最低為65 J，最高為95 J。

從以上分析結果可以看出，只要嚴格執行焊接工藝，焊接接頭的沖擊韌性是完全能夠得到保證的。

4 線能量對焊縫質量的影響

B610CF 鋼在工廠內經高溫淬火+回火后提高了鋼的強度。焊接時，小的線能量較好，但過小會影響焊接速度，增加焊工的勞動強度。鋼管除縱縫在鋼管廠現場拼焊外，環縫則全部在隧洞內組裝后焊接，幾乎全靠焊條電弧焊完成，故線能量不宜過小。一般焊工喜歡偏大些，這樣能提高焊接速度。但線能量過大會影響焊接接頭的性能，即焊縫、熔合線和熱影響區的沖擊韌性和硬度降低，進而影響到壓力鋼管的安全運行。故線能量不宜過大，焊縫不宜過寬，一般手工焊時，焊縫寬度為焊條直徑的3倍多，即:3×φ+3～5(mm)，φ為焊條直徑。

通過試驗可知，B610CF 鋼焊接熱影響區的粗晶區(熔合區)的韌性隨線能量的增加會出現粗大的上貝氏體組織，使接頭的韌性降低。因此，焊接線能量的大小必須控制。

5 分析與討論

5.1 高強鋼焊接線能量的確定

焊接線能量的確定主要取決于過熱區的脆化和冷裂兩個因素。對B610CF 調質鋼而言，由于其淬硬傾向增加，隨著線能量的減少，過熱區的沖擊韌性不是提高而是降低并易出現延遲裂紋，故焊接線能量不宜過小。單層焊時，焊接線能量以手工焊小于40 kJ/cm 為宜，但實際厚板焊接由于采用了多層多道焊，層道之間能對焊縫起退火作用，故在實際的壓力鋼管焊接過程中，焊接線能量取上限是可行的。

5.2 線能量對焊縫及近縫區組織性能的影響

焊接線能量的大小直接影響到焊接接頭組織的性能。B610CF 調質鋼對熱影響區的線能量比較敏感，即小的線能量會產生低碳馬氏體，對韌性無明顯的破壞作用，但高碳馬氏體會使脆性轉變溫度升高。當線能量達到25 kJ/cm 時，會得到下貝氏體或B1型貝氏體，可以獲得最佳的韌性效果，脆性轉變溫度最低。當焊接線能量升高到35 kJ/cm 時，會出現上貝氏體。由于多層多道焊的熱循環作用，后一道焊縫對前一道焊縫的正火作用，細化了晶粒，在粗晶區未見到M-A 組元的脆化作用，韌性也較好。當線能量升高到45 kJ/cm以上時，近縫區組織轉變為上貝氏體，向F+P變化，對韌性則不利。晶粒粗大，可能會出現M一A 組元。當線能量加大到55 kJ/cm 以上時，會轉變成鐵素體和粗大的珠光體，形成過燒，產生魏氏組織等，發生脆化現象，對韌性不利。因此，對熱影響區的焊接線能量必須控制。

6 結語

(1)大中型水電站壓力鋼管選用B610CF 調質高強鋼，強度高，韌性好，焊接性能好。焊接線能量必須控制，不能過大，也不宜過小。

(2)層間溫度對焊接接頭的沖擊韌性影響很大，當層間溫度超過200℃時，焊接接頭特別是焊縫的沖擊功值下降非常明顯。因此，對于調質鋼，控制層間溫度是非常必要的。

(3)為保證錦屏二級水電站壓力鋼管的焊接質量，在進行焊接工藝評定及焊接工藝規范的制定時，應綜合考慮熱影響區的組織力學性能，選擇最佳的焊接線能量。為提高焊接生產率，降低成本，保證接頭質量，手工焊E線≈15～40 kJ/cm 最為合適。