铸钢焊接工艺

1 汽轮机用铸钢

铸造是零件毛坯最常用的方法之一，具有一定形状和使用性能的铸件广泛用于机械制造，是现代大型工业的基础。铸钢在强度和韧性比铸铁或其他铸件都优越，焊接性也良好，因此铸钢作为重要部件广泛用在汽轮机制造中。不但铸钢作为部件占汽轮机结构占一定比重，而且，铸钢件的焊接和补焊又占有焊接工作的很大的工作量。

汽轮机汽缸、蒸汽室、主汽阀、调解阀容器部件都由铸钢制造。诸如汽缸等盛汽容器部件内承受的压力和温度高，同时，工作状态承受着内、外压差，蒸汽流出的反作用力和各种连接管道热状态时对部件的作用力等，所以这些部件均要求具有足够的强度和刚度。这就使扥部件壁厚、形状复杂、体积大，属于大型铸钢件。

铸钢的化学成分与轧材、锻件几乎完全相同，具有一定的力学性能，随着合金成分的增加具有相当的高温性能。对高温下工作的铸件还必须具有一定持久强度和蠕变强度、良好的抗热疲劳性能和抗氧化性。

随着机组的工作参数不同，汽轮机铸钢件分别采用碳素铸钢、铬－钼铸钢、铬－钼－钒铸钢铬12％铸钢。铬－钼钢的工艺性能、抗裂纹扩展性能和塑、韧性较鉻－钼－钒钢好，但鉻－钼－钒钢热强性较高。随着超临界和超超临界汽轮机工作温度的进一步提高，发展并采用了改良型和新型鉻12％铸钢。随着汽轮机的发展，作为重要部件的铸钢技术伴随着提高和进步。近几年，改良型9%Cr钢的使用逐渐增多，而相应的焊接和铸钢件的补焊工作量明显增加。

铸钢与锻钢比较，在截面尺寸不很大，形状和热处理条件相似的情况下，铸

钢和锻钢的力学性能大致相似。铸钢的强度和塑性介于纵向和横向性能的变化范围之内，铸钢还有各向同性的优点。但是随着铸钢件壁厚的增加，冶金缺陷如气孔、疏松、铸态组织等对力学性能的影响要比锻件更为突出，因此厚壁铸钢件尽管强度和锻件相似，但塑性和韧性要比锻件低。对于大型铸钢件多采用正火、回火作为最终热处理的力学性能等级比同钢号的锻件低。因此在设计选材和焊接必须给予考虑。

汽轮机铸缸件按使用材料性质可以分为碳素钢铸件、低合金钢铸件和高合金钢铸件。汽轮机主要铸钢件材料见表1：

表1 汽轮机铸钢件

2 铸钢的焊接性

2.1铸钢的焊接特点

铸钢焊接在本质上与钢材的焊接并无区别，钢材的焊接技术适用于铸钢焊接。钢材采用的焊接方法和焊接材料都可以应用在铸钢焊接中。

由于铸钢件含碳量和熔点较高，冷却时收缩量大；而且形状复杂、厚度大，造成焊接应力过大，加之冷却速度过快，极易造成接头硬化并导致裂纹等焊接缺陷产生。尤其是合金钢铸件产生焊接裂纹的倾向更加明显。

对于汽轮机经常使用的低合金耐热钢铸件，其焊接性是受限制的。由于合金元素的作用，使过冷奥氏体的稳定性增加，奥氏体分解只能在较低温度下进行，在铸钢焊接冷却速度很快时，极易形成马氏体和贝氏体淬火组织，常导致裂纹出现。必须指出，该类钢种的脆性转变温度(FATT)，通常在室温附近，如果焊后不能及时热处理，在焊接残余应力的作用下极易产生裂纹并加速扩张，因此这类钢的焊前预热和焊后及时进行回火热处理，消除焊接应力和改善焊接区的组织和性能是非常重要的。即使焊接性相似，铸钢的焊接要比钢材的焊接工艺复杂，相应的技术措施更要全面，执行工艺更为严格，施焊更应慎重。必须针对铸钢件具体情况制定完整而详细的工艺规程，解决和克服焊接中存在的问题，保证焊接质量，满足使用要求。

以高效发电技术为基础，提高温度和压力从而进一步提高效率的超临界、超超临街发电技术已得到开发和应用，使汽轮机技术进入了超临界(SC)时代，而

且相继迎来了超超临界（USC）时代。超临界566℃及超超临界593℃的主蒸汽温度，24MPa或更高的主蒸汽压力，要求材料具有更高的抗蠕变和抗高温氧化性。

汽轮机高温、高压部件材料选用改良型9%Cr钢和新型12%Cr钢，已成功用于汽轮机转子、叶片、汽缸、主汽阀等部件。

在成熟钢种9Cr1Mo基础上，适当加入V、Nb、N开发了9Cr钢（P91），在9Cr1MoVNbN钢（P91）基本成分中再加入1%W开发了E911钢，而用1.8%W替代部分Mo并加入少量硼，又研制出P92钢。这些应用于高温、高压钢种的蠕变变破裂强度已经经过长达100000小时的试验，其强度比9Cr1Mo钢分别提高了50%(P 91)，75%（E911）和100%（P92）。这些新钢种的蠕变破裂强度几乎提高了一倍。成为提高常规电厂效率的基础。

与此伴随开展的焊接试验研究工作也已确认无论是同种材质还是异种材质的焊接接头都具有满意的性能，尤其是高温强度与母材相当，而且焊缝金属的性能一般都等于或高于母材的性能。

焊接试验证明，P91钢的焊接性尚可，存在裂纹、接头脆化等倾向，结晶裂纹敏感性比不锈钢稍低，比镍基合金低得多，但比低合金高强刚要大些，而再热裂纹的敏感性要比标准的Cr—Mo钢低的多。

P91钢具有较大的淬硬倾向和晶粒粗化现象。因此，焊接时焊前预热和控制层间温度是必要的。焊后热处理是防止延迟裂纹、降低焊接应力和改善性能的重要措施。与Cr—Mo钢不同的是，在焊后热处理之前，必须将焊接接头冷却至100℃—150℃，并在该温度保持1小时，以确保奥氏体—马氏体的充分转变。这不仅是因为未转变的奥氏体内能够滞留相当数量的扩散氢，同时残留奥氏体组织将不受回火处理影响，冷却后转变成为未经回火的马氏体组织。

焊接材料保证焊缝金属及其焊接接头的高温性能无疑是非常重要的，所以焊缝化学成分的优化主要是保证焊缝的综合力学性能，尤其是高温性能，与母材成分尽量接近的情况下，对某写元素作适当调整，以保证最佳的力学性能以及良好的抗裂性和工艺性能。

我们试验的P91钢焊条的相关技术要求如表2，用该焊条试验的常温力学性能满足要求，与母材同时进行高温持久试验结果，全熔敷金属在625℃时持久强度σ

为92.8MPa，高于对比的母材，同时也高于GB5310推荐的68.5MPa。

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2 E91焊条试验结果

2.2铸钢焊接分类

铸钢件焊接根据结构特点和使用要求可分为：铸焊结构（包括拼焊）、铸钢件与锻件及管件的焊接和铸钢件缺陷的补焊等。

应该指出，大型化铸钢件存在整体铸造的困难或质量问题，采取分段铸造、整体组装焊接的方法。不但保证了铸件质量和精度，而且可以提高生产效率。诸如汽缸与喷嘴室、蒸汽室的组合焊接，汽缸、主汽调解阀等的拼焊等已成为汽轮机大型铸钢件的重要制造工艺方法，解决了生产中急需解决的制造问题。

3铸钢焊接工艺要点

3.1 焊接方法：在焊接方法中，对于形状复杂、困难位置、中厚壁件的焊接，宜采用是操作灵活、方便的焊条电弧焊。为了提高效率和焊接质量在可操作的情况下采用气体保护焊和埋弧焊。钨极氩弧焊多用于薄壁件和接头的“封底”焊。

3.2焊接材料：选择与铸钢件的化学成分和力学性能相匹配的焊接材料，同时尽量降低焊材的碳、硫和磷含量，适当加入防止裂纹的化学元素。焊条电弧焊选用碱性低氢焊条，以提高焊接接头的抗裂能力和力学性能。焊条选用见表9—3。

表3 焊条选用和预热温度推荐表