水電站用XDB620 高強鋼焊接性能研究

謝勝利，于淑敏，黃志強，雷清華

（1.鄭州國電機械設計研究所有限公司；2．華電鄭州機械設計研究院有限公司，河南 鄭州 450046）

國家在“十四五“規劃中制定2030 年前碳排放達峰行動方案，完善能源消費總量和強度雙控制度，重點控制化石能源消費。支持能源清潔低碳安全高效利用，水力發電屬清潔生產電力，發電成本低，優勢顯著。而水電站的引水壓力管道和水輪機蝸殼均需承受巨大的水壓力及水流沖擊，屬于壓力容器結構，其焊接方法和焊接工藝有不同于一般水工建筑物的特殊要求。與水電工程相配套的水電用寬厚鋼板，主要用于廠壩內的引水壓力管道制造以及肋板、岔管、蝸殼等設施的制造，對鋼板的化學成分、屈服強度、抗拉強度、低溫韌性、可焊性等性能指標有嚴格的要求。為此，本文主要針對湖南華凌湘潭鋼鐵有限公司生產的板厚50mm 的XDB620(07MnMoVR)高強鋼進行理化性能復驗、熱輸入試驗、焊接工藝評定試驗，以期為實際焊接生產提供理論指導和技術支持。

1 試驗材料理化性能復驗

1.1 XDB620 鋼板材料

用型號為GS1000-Ⅱ的直讀光譜儀對鋼板母材進行化學成分復驗，結果見表1；用WAW-2000 型萬能液壓機進行拉伸性能復驗，沖擊試驗用擺錘式沖擊試驗機PTM2452,試驗結果見表2。

表1 XDB620 鋼板母材化學成分要求及復驗結果（Wt%）

表2 XDB620 鋼板母材力學性能要求及復驗結果

1.2 焊接材料

本次試驗焊接材料采用四川大西洋焊接材料股份有限公司生產的CHE62CFLH、CHW60C、CHW-S9，用型號為GS1000-Ⅱ的直讀光譜儀對上述焊接材料進行化學成分檢驗，結果見表3。用WAW-2000 型萬能液壓壓力機對上述焊接材料進行力學性能檢驗，沖擊試驗用擺錘式沖擊試驗機PTM2452，試驗結果見表4。

表3 焊材的化學成分檢驗值(Wt%)

表4 焊材熔敷金屬的力學性能檢驗值

2 熱輸入試驗

熱輸入試驗采用埋弧自動焊， 熱輸入試板的坡口見圖1，試板焊接的預熱溫度根據抗裂性試驗結果采用75℃，焊接規范見表5。焊接試板進行超聲波檢測，檢測合格后，對焊接試板取樣進行力學性能試驗。拉伸試驗、彎曲試驗結果見表6，隨著焊接熱輸入的增大，對焊接接頭抗拉強度沒有顯著影響，拉伸試樣均在焊縫處斷裂，表明焊縫的抗拉強度低于母材抗拉強度。沖擊試驗結果見表7，熱輸入為25kJ/cm 時，焊縫、熔合線、熱影響區三者沖擊功為最優；熱輸入不超過45kJ/cm 時，焊接接頭的沖擊性能均滿足-20℃時，不小于47J 要求。

圖1 試板坡口圖

表5 XDB620 鋼板焊接熱輸入試驗焊接參數

表6 XDB620 鋼板不同熱輸入條件下接頭拉伸、彎曲試驗及沖擊試驗結果

表7 XDB620 鋼板焊接工藝評定試驗焊接參數

3 焊接工藝評定

3.1 試板的焊接

采用焊條電弧焊、氣保焊、埋弧自動焊分別焊接一塊試板，進行焊接工藝評定，焊接試板的坡口圖見圖1，試板焊接按照表7 進行焊接。焊接完成后，對焊接試板按照標準NB/T47013-2015 進行超聲波檢測，檢測結果為Ⅰ級合格。

3.2 焊接試板力學性能試驗

對上述三塊焊接試板分別取樣并進行力學性能試驗。采用全厚度拉伸試樣和全厚度彎曲試樣。彎曲試驗的彎頭直徑為40mm，支座間距為63mm。沖擊試驗取樣位置分別為1/4 板厚和1/2 板厚處，試驗溫度為-20℃。焊接試板的拉伸、彎曲、沖擊性能試驗結果見表8，焊條電弧焊和氣保焊的拉伸試樣均斷在母材處，可見焊縫的抗拉強度大于母材，而埋弧焊的拉伸試樣斷在焊縫處，由此可以推斷焊縫強度小于母材。在-20℃時，試板厚度1/4 處的沖擊韌性整體上好于1/2 處的沖擊韌性，除埋弧焊焊接試板厚度1/2 處為55J 外，其余試板的沖擊韌性均大于80J。

表8 XDB620 鋼板不同焊接方式下接頭拉伸及彎曲試驗結果

3.3 焊接接頭金相組織分析

焊條電弧焊、氣保焊、埋弧焊的焊縫區為組織均勻、晶粒細小的貝氏體組織和鐵素體、第二相沉淀物。從圖2 ～4 可以看出，焊縫熔合線處以柱狀晶形式向焊縫生長，第二相沉淀物沿晶界有聚集長大的趨勢。隨著焊接熱輸入的增加，第二相沉淀物有聚集長大的趨勢，鐵素體增加，對接頭的強度不利。焊接時，必須嚴格控制焊接熱輸入，避免第二相沉淀物聚集長大。

圖2 PS 焊接試板焊接接頭1/4 厚度處金相組織

圖3 PQ 焊接試板焊接接頭1/4 厚度處金相組織

圖4 PM 焊接試板焊接接頭1/4 厚度處金相組織

4 結語

（1）試驗數據表明，熱輸入不大于45kJ/cm 時，焊接接頭的力學性能均滿足標準要求。

（2）沖擊試驗結果表明，隨著熱輸入的增大，熱影響區的沖擊吸收能量沒有明顯降低，說明該鋼種對熱輸入的適應性很好。焊接時，應嚴格控制預熱溫度和層間溫度。預熱溫度以不低于75℃為宜；層間溫度不能過高，以不超過200℃為宜。

（3）按照NB/T47014-2011 標準進行焊接工藝評定，焊接接頭的力學性能滿足標準要求，焊縫區和熔合線均未出現不良組織。無論采用焊條電弧焊、氣體保護焊，還是采用埋弧自動焊，均可獲得性能優良的焊接接頭。