瑪依納水電站WDB620焊接工藝試驗

陳 恒，周友龍，曾 競，周長平，黃菁婧

（1.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；2.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072）

瑪依納水電站WDB620焊接工藝試驗

陳 恒1，周友龍1，曾 競2，周長平2，黃菁婧1

（1.西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031；2.中國水利水電第十工程局有限公司，四川 成都 610072）

微合金低碳貝氏體鋼WDB620是60 kg級新型低焊接裂紋敏感性高強度鋼，在大型水電站壓力鋼管制造中應用較廣泛。針對42 mm的WDB620厚板焊接接頭進行手工焊性能試驗研究，分析焊接接頭的力學不均勻性，采用微觀金相技術分析兩種焊接接頭的微觀組織。結果表明，在該焊接工藝條件下，預熱80℃和不預熱的焊接接頭強度、沖擊功等性能均滿足GB/T5017-2007的標準要求。未預熱的焊接接頭過熱區出現了少量的回火馬氏體組織，導致熱影響區硬度升高、沖擊韌性下降。

水電站；WDB620；機械性能；微觀組織

0 前言

微合金低碳貝氏體鋼WDB620是國產新一代低焊接裂紋敏感性高強鋼，其性能完全滿足大型鋼結構對低焊接裂紋敏感性鋼的要求，可以替代同級別進口的CF62鋼，已在壓力容器水電站壓力鋼管等結構中較為廣泛的應用[1]。由于這類鋼的碳當量Ceq和焊接冷裂紋敏感系數Pcm很低，在保證具有良好強韌性的同時，具有優良的焊接性（稱之為焊接無裂紋鋼）[2]，哈薩克斯坦瑪依納大型水電站壓力鋼管工程中大量采用WDB620鋼。在此針對WDB620的厚板焊接進行了相關工藝試驗研究，對保證該工程焊接質量具有較高的應用價值，對其他大型水電厚板的焊接質量也具有較高的借鑒意義。

1 試驗方法

1.1 試驗材料及焊接性分析

試驗用母材為WDB620鋼，板厚42mm，WDB620鋼的化學成分如表1所示。

根據WDB620化學成分，結合式（1）～式（3）可以計算出該鋼的冷裂紋敏感系數和推薦預熱溫度。

表1 WDB620化學成分 %

結算結果為Pcm＝0.218%，Pc=0.296，T0=35℃。該WDB620鋼的冷裂紋敏感系數Pcm只有0.218%，焊接性很好，焊前可以不預熱或者低溫預熱防止根部裂紋[3]。但是由于該試板厚度達到了42 mm，計算出理論焊前預熱溫度為35℃。所以試驗時將預熱溫度定為80℃進行工藝對比試驗。

1.2 試驗方法

1#試件采用氧-乙炔焰進行預熱，預熱溫度80℃；2#試件不預熱。采用焊條電弧焊（SMAW），焊條型號CHE62CFLH（φ4 mm），層間溫度50℃～180℃。試件坡口形式為不對稱X型坡口，焊接接頭如圖1所示，焊接參數見表2。

圖1 焊接示意

表2 焊接參數

焊后24 h使用CTS-22超聲波探傷儀和QQH-3505X射線探傷儀進行焊接質量無損檢測。對焊接接頭進行拉伸、彎曲、沖擊、硬度和金相試驗。

2 試驗結果和分析

2.1 焊接接頭力學性能

對焊接試板進行超聲波探傷和X射線探傷檢測，兩塊試板均無缺陷。對焊接試件進行力學性能試驗，試驗結果如表3所示。

表3 力學性能試驗結果

由表3可知，預熱80℃焊接試樣和不預熱焊接試樣的抗拉強度相當。WDB620鋼在-20℃時的沖擊吸收功有較大的儲備，表明WDB620鋼種的低溫韌性、抗沖擊性能好，兩組試驗的熱影響區沖擊值均高于焊縫區沖擊值，1#試件熱影響區的沖擊值大于2#試件的沖擊值。兩組焊接接頭的強度均滿足GB/T5017-2007的標準要求。

2.2 接頭硬度分布

焊接接頭的硬度分布曲線如圖2所示。

圖2 試件中部硬度曲線

由于厚板采用了多層多道焊，使每個焊接接頭各區域之間組織和性能有差異。后焊道對前焊道有一定的熱處理作用，對前焊道的組織和力學性能的不均勻性有所改善，但是從試驗結果看出，1#試件硬度和2#試件硬度曲線存在明顯的差異。2#試樣的焊接熱影響區最高硬度HV10=287，而1#試樣的焊接熱影響區最高硬度HV10下降到256。在焊縫區，1#試件的硬度稍高于2#試件。

2.3 焊接接頭顯微組織分析

超低碳貝氏體鋼組織穩定性強，在焊接過程中晶粒長大的傾向較小，特別是在快速加熱、大線能量輸入情況下，其熱影響區能保持較好性能[4]。兩個試件中部焊道的焊縫組織如圖3、圖4所示。

圖3 1#試件焊縫組織（400×）

圖4 2#試件焊縫組織（400×）

兩個試件的焊縫組織均由先析鐵素體、顆粒狀回火索氏體、少量的珠光體和少量的粒狀貝氏體組成。正常情況下1#試件經過預熱，冷卻速度慢，鐵素體含量應該高于2#試件，但是金相結果顯示2#試件焊縫組織的鐵素體含量要高于1#試件，可能是由于現場焊接過程中2#試件上層焊道焊接控制的層間溫度高于1#試件上層焊道焊接控制的層間溫度，使得該區域冷卻速度降低，造成2#試件中部焊道焊縫區的鐵素體含量較高，降低了該區域的硬度。

1#與2#試件過熱區的微觀組織如圖5、圖6所示。

兩個試件的微觀金相組織主要由貝氏體組成，相互平行的貝氏體板條構成貝氏體束，粗晶區晶內的貝氏體束具有不同的生長方向，各貝氏體束邊界明顯。2#試件微觀金相圖中有少量的回火馬氏體，導致2#試件HAZ區的維氏硬度值達到HV10=280，高于1#試件HAZ區的硬度。由于出現了少量回火馬氏體組織，導致2#試件的沖擊韌性低于1#試件。

圖5 1#試件過熱區（200×）

圖6 2#試件過熱區（200×）

3 結論

（1）WDB620的焊接性很好，在該焊接工藝條件下，預熱和不預熱試樣的力學性能均滿足GB/ T5017-2007的標準要求，建議厚板焊接時可不預熱，以降低生產成本。

（2）焊前預熱80℃的1#試件的沖擊韌性高于沒有預熱的2#試件；1#試件熱影響區的硬度也低于2#試件熱影響區硬度，并且1#試件的硬度分布更加均勻。

（3）2#試件過熱區微觀組織出現少量的回火馬氏體，導致硬度高于1#試件，沖擊韌性低于1#試件。

[1]粟皓維，李春云.國產WDB620高強鋼在冶勒水電站中的應用[J].水電站設計，2006（01）：59-61.

[2] CSubramanian.Wearmapsfortitaniumnitride coatings depositedoncopperandbrasswithelectrolessnickelinterlayers[J]. Wear，2000，241（2）：228-233.

[3]張路.WDB620焊接性試驗研究[J].寬厚板，2005（02）：11-15.

[4]賀信萊，王學敏，楊善武，等.微量鈮在現代超低碳貝氏體鋼中的應用（一）[N].世界金屬導報，2002-11-26006.

Research on welding technology of WDB620 steel for Moinak hydropower station

CHEN Heng1，ZHOU Youlong1，ZENG Jing2，ZHOU Changping2，HUANG Jingjing1
（1.Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Sionhydro Bureau 10 Co.，Ltd.，Chengdu 610072，China）

High strength low carbon bainitic steel WDB620 made in China is a kind of 60kg lightweight steels which is a new highstrength steel with low susceptibility to welding crack.It has been widely used in large hydropower stations,such as large diameter penstock.In this paper，the mechanical property of the Manual welding joints of the 42 mm WDB620 thick plate is studied. Meanwhile，the microscopic of metallurgical of the two kinds of joints are observed.The results show that under the conditions of the welding specifications，the mechanical properties such as tensile and impact of welding joints got at 80℃preheating and no preheating could meet the requirements of standard（GB/T5017-2007）.A small quantity of tempered martensite appears in overheated zone of nonpreheating joints，this leads to the increase of the hardness and the decline of the toughness.

hydropower；WDB620；mechanical property；microstructure

TG457

：B

：1001-2303（2015）10-0113-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.24

2015-04-09；

：2015-05-04

國家大學生創新創業訓練計劃項目（201310613006）

陳 恒（1990—），男，江蘇人，在讀碩士，主要從事焊接工藝、攪拌摩擦焊研究及工藝的研究工作。