彭水电站压力钢管主材(WDL610D钢)的焊接技术

彭水电站压力钢管主材（WDL610D钢）的焊接技术

【摘要】∶彭水水电站压力钢管直径达14m，为目前我国水电水利工程之最，钢管主材整体选用

60Kg级的WDL610D。本文主要介绍了该钢材的焊接技术，为今后水电水利工程建设积累经验。

【关键词】∶彭水水电站高强钢压力钢管焊接

1、前言

金属的焊接性是指金属材料对焊接加工的适应性，主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度，包括两方面内容：结合性能（在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性）和使用性能（在一定的焊接工艺条件下，一定金属的焊接接头对使用要求的适应性）。影响材料焊接性的好坏主要决定于材料的化学成分，并与结构的复杂性、刚性、焊接法、采用的焊接材料、焊接工艺条件及结构的使用条件有密切的关系。具体说，焊接就是由材料、人员、焊接工艺、配套热处理工艺、质检及焊补等构成的一门系统科学。

2、从母材与焊材本身的因素分析高强钢各类缺陷的成因及避免办法

材料因素包括焊件本身和使用的焊接材料，在焊接时都参与熔池或半熔化区内的冶金过程，直接影响焊接质量。母材或焊接材料选用不当时，会造成焊接金属化学成分不合格，机械性能和其他使用性能降低，还会出现气孔，裂纹等缺陷，使结合性能变差。因而正确选用焊件和焊接材料是保证焊接性良好的重要基础，必须十分重视。

WDL610D高强钢是在调质状态下交货的低焊接无裂纹敏感性低合金钢板，其化学成分见表1，机械性能见表2。

WDL610D高强钢含Mn量较高，约为1.20%~1.60%，含P.S量较低的Cr-Ni-Mo-V系合金钢，抗拉强度达到610~730MPa。减少含C量是为了提高WDL610D高强钢的焊接性。为弥补强度的损失，添加了一些合金元素V。

WDL610D高强钢焊接性通常出现两方面的问题：一是焊接引起的各种焊接缺陷，主要是各类裂纹问题。WDL610D高强钢焊接产生的裂纹一般是焊接热裂纹和焊接延迟性冷裂纹。二是焊接时材料性能的变化，主要是热、影响区及焊缝组织发生变化。

2.1、热裂纹的成因及防止

从焊缝热裂纹的形成机理看，影响热裂纹生成的主要因素有合金元素，一次结晶组织，力学因素。其中合金元素是热影响热裂纹倾向最本质的因素，其中主要有以下几个：

硫的影响。钢中的硫是一种很有害的元素，在生产钢材时，硫不可避免地以杂质形式混入钢材，它同铁形成FeS。FeS与铁以及FeO都能形成低熔共晶体。铁同FeS形成的低熔共晶体熔点为985℃，而FeS和FeO形成的低熔共晶体熔点为940℃，它的熔点比钢的熔点要低得多，这些低熔点共晶体在焊接结晶时聚集在晶界上，当焊缝金属大部分已凝固时，它尚未凝固，因而成为产生裂纹的前提。

碳的影响。当低合金钢的含碳量增加时，焊缝产生热裂纹的倾向增大。碳不仅极易与钢中的铬、镍等元素形成低熔点共晶，而且能降低硫在铁中的溶解度，使硫与铁化合成FeS的可能性增加，从而促使形成底熔点共晶，增加产生热裂纹的倾向。

从WDL610D高强钢成分看，含碳量较低，含Mn量较高，Mn/S （含S元素多导致热裂纹）比能达到要求，具有较好的抗热裂纹性能。在正常情况下，焊缝中不会出现热裂纹。但当材料因严重偏析使局部C、S含量偏高时，容易出现热裂纹。在这种情况下，应选用含Mn量较高的焊接材料，以此降低焊缝中含碳量和提高焊缝中的含锰量，可以解决热裂纹问题。

2.2、冷裂纹的成因及防止

材料本身的淬硬性是引起冷裂纹的决定性因素。由于钢的强度级别较高，合金元素的含量较多，因此，与低碳钢相比，焊接性差别就大。碳当量与冷裂纹倾向的关系：材料的淬硬倾向影响冷裂纹倾向，而淬硬倾向又主要取决于钢的化学成分，其中以碳的作用最为明显。因此，可以通过一些经验公式来粗略估计和对比不同材质的冷裂纹倾向。但碳当量不能精确地判断冷裂纹的产生与否，因为冷裂纹的产生除了成分外还与其他因素有关（比如湿度过大时水分较高进入组织导致氢制延迟裂纹，铁锈中也含有大量的氢元素）。WDL610D高强钢之所以号称低焊接裂纹敏感性钢，就是因为它具有合理的碳当量，降低了材料的淬硬倾向。为了避免冷裂纹的产生，需要采取较严格的工艺措施，在焊接过程中严格控制线能量、焊前预热和焊后保温措施，避免焊缝急冷出现淬硬组织。线能量过高，要求的保温缓冷时间就越长；线能量过低，影响焊条的熔敷性，就容易出现未熔、夹渣等非裂纹缺陷！所以，必须在钢板生产厂家的指导下，通过严格的焊接工艺评定，确定一个最合适的线能量范围和配套加温措施，这是确保大规模生产降低缺陷率的最重要因素。

焊接延迟裂纹的基本特征是它往往在焊接完成并且当焊接件冷却到200-150℃以下温度发生，有时甚至可以在接头焊完并放置数小时甚至几十小时以后出现，即这种裂纹形成有明显的延迟性。延迟裂纹除了发生在焊缝内部以外，更经常会出现在焊道层下、焊趾和焊根等部位的热影响区。这种裂纹有时也发生在焊缝终端的弧坑部位呈龟裂状。通过对延迟性裂纹形成进行成分分析，为了避免延迟性裂纹，必须采取焊前预热和焊后保温等措施，确保导致延迟裂纹的氢元素（它与金属反映后形成钉扎效应，破坏焊缝晶界的形成，导致开裂，刨开后出现通常称为“白点”的组织）在一定的温度下有时间获得足够的能量从焊缝中逸出。同时通过严格去绣、坡口打磨和保证空气的相对湿度，尽可能减少氢元素进入焊缝组织的机会。

2.3、彭水压力钢管焊接方法及焊材的选取

半自动气体保护焊焊接；纵环缝焊彭水压力钢管加劲环焊接在厂内进行，选用CO

2

接都在洞内进行，受施工条件所限，纵环缝的焊接都选取最为成熟的手工电弧焊。焊接材料是决定焊接质量的主要因素。焊接材料的选择是根据WDL610D高强刚的力学性能、化学成分、焊接钢性及钢管坡口形式和使用要求选取。电弧焊焊条直径为φ3.2mm、φ

焊丝4mm，焊条牌号为CHE607，其熔敷金属化学成分和力学性能分别见表3和表4。CO

2

直径为φ1.2mm，焊丝牌号亦为同一厂家生产的CHW-50C6，其焊丝化学成分和熔敷金属力学性能分别见表5和表6。选取以上焊接材料必须具有出厂合格证明和质量保证书。

表4 CHE607焊条焊接熔敷金属的力学性能