中国水利水电第七工程局有限公司机电安装分局 四川 彭山 620800
摘要：随着我国经济的发展，制造业和工业成为促进国民经济发展的重要因素，随之而来的是对制造设备更加严格的要求。而作为设备制作材料的主体，800MPa高强度结构钢被制造业、工业越来越多地采用。在水电站工作过程中，高强度钢的焊接工艺也得到越来越广泛的重视。800MPa高强度钢在水电站有很重要的作用，它是制作水电站压力钢管及其他工件的主要材料。在生产过程中，要使水电站正常工作，钢材焊接工作也是重中之重。我们对焊接时的钢材敏感性进行了实验，最终确定了适合不同钢材的焊接工艺。本文通过介绍800MPa高强钢的材质、选择焊接材料的方法、生产过程中的焊接方法和注意事项，总结出不同材质钢材的焊接工艺。
关键词：800MPa；高强度结构钢；焊接
0引言
我国幅员辽阔，地势宽广，为我们水电站的建立提供了良好的地理优势。近些年来，我们的技术不断发展，高水源地带也可以建立水电站了。而且在高水源水轮机的设计和生产方面我们有了很大的突破，不仅利用互联网技术实现了设计方面的合理、利用多学科的技术实现了工艺创新，而且我们机组的钢材质量也得到了飞速发展，大多数利用了800MPa强度级别的钢板。
某抽水蓄能电站4台份水轮机，单机容量为375MW，额定水头为447m。钢岔管是引水系统的重要组成部分。其设计压力为7.8Mpa，工地水压试验压力为9.8MPa。钢岔管主管直径为φ5M，支管直径为φ3.5M。钢岔管均采用B780CF钢板，管壁厚度为60mm，月牙肋厚度为120mm。
本文以某抽水蓄能电站单机容量达400MW的水轮机为例，介绍高强钢的焊接工艺。众所周知，钢岔管是水轮机组的重要工件，本文中的钢岔管的试验压力大概为10MPa，我们实验用到的高强钢是能承受巨大的水流冲击力和能承受强大的拉压力的，这种高强钢常见于水电站的蜗壳和压力、钢岔管等需要承受巨大压力和冲击力的部件。虽然这些材质的高强钢是水电站重要部件的材料，但是因为它们不是纯钢，而是混入了多种杂质的合金钢，它们的焊接性较差，焊接起来比较困难。针对改善800MPa高强钢焊接性的问题，我们进行了许多焊接试验。
1解析800MPa高强钢的焊接技术
（1）首先，我们所说的焊接过程中两钢管接触的地方产生的冷裂纹就是在焊接工作后为了保证安全，我们要把接触点的温度降到300℃左右，但是这时候因为热胀冷缩原理，接触处就会产生裂纹，也可以称它是延迟所产生的裂纹。经过我们的实验可以发现随着钢材强度逐步升高，冷裂纹的深度和广度将会不断加大。所以400MPa左右强度的钢材是比较常见的，因为这种等级的钢材所产生的裂纹是最小的。
（2）其次，在焊接工作过程中工件先是部分受热，而且受热区域的温度将会急速上升，加热到一定温度后，又会进入快速冷却阶段。这种工作流程会使焊接区域的裂纹有很大的区域性。另外焊接不仅对焊接区域的接触点产生影响，对整个工件也会产生影响，工件的淬火坚硬程度会随着钢材的杂质含量还有最主要的碳含量改变。
（3）在焊接过程中不仅会产生冷裂纹，还会产生一些微小的焊缝金属，虽然它们本身体积很小，但是对焊接过程还是很大的影响。在焊接过程中，焊接液冷却时，旁边的金属受到高温影响，会在焊接接触处的中心或者旁边凝固成小颗粒，我们可以称它们形成的固体为热裂纹。热裂纹可以在焊接接触点的表面用肉眼观察，它可以大概看成锯齿形，在热裂纹的表面可以看出来，金属有明显变黑的现象，和金属内部的颜色差别很大，说明热裂纹发生了强烈的氧化反应。可以总结热裂纹产生的形态和原因有以下几个特点：热裂纹首先是经过焊接处理形成液态，但是经过冷却，它会慢慢变成固态，但是内部的冷却速度远不及外部，所以最后可以达到固液共存状态，在工件表面会存在一层液态的膜，膜外表在外力破坏或者重力的压力作用下有很大可能液态膜出现撕裂现象。所以，在焊接过程中，焊接处的抗破坏性也是一个值得关注的因素。
（4）焊接过程中，在焊接接触点的最高温度小于工件的其他区域时，接触点的脆性会增加很多，产生这个现象的原因主要是接触点的含碳量瞬间增高，也可能是接触点的焊接针焊接错了位置。如果工件在焊接处附近有了缺口，工件的脆性将会更大。在焊接时，接触点区域容易有很大的概率会出现缺口还可能由于腐蚀出现其他的缺陷，这些现象也会导致工件的脆性增加，不利于工件的焊接。
（5）需要注意的是，如果焊接处的温度太高的话，工件的脆化程度会显著提高而且工件的韧性会被降低。韧性的降低除了温度太高导致也可能是因为热轧钢在焊接时会进行拉伸。在一般焊接时，当焊接处温度过高时，焊接处的金属粒子从工件脱离原来的位置，并逐渐增大体积，与此同时一些很难熔化的分子会扩散到我们焊接工作的区域。
2选择焊接方法
在焊接过程中，为了减少产生裂纹、提高焊接工作的效率、保证焊接的质量，800MPa高强钢的焊接为了保证焊接过程的安全性，我们应该结合互联网技术尽量减少使用人工焊接，增加自动化或半自动化装备。经过多次的检验，结合经济型原则来看，800MPa级还有以上的高强度钢采用熔化活性气体保护是比较经济和有效的。但是目前我们国家还有好多企业没有掌握气体保护技术，因此还有许多的企业采用传统的焊接方法。
3 选择焊接材料
在生产制造过程中，我们选择材料时遵循的原则一般是等强匹配，也就是焊接设备要和需要焊接的材料相匹配，不仅材料要有相应的韧性和脆性，还要保证气焊的保护气体不能和焊接材料发生反应。近年来各国对焊接工艺都有很深入的研究，从降低冷裂纹的产生频率方面来看，我们可以降低焊接接触点的金属韧性、适当提高金属的脆性还有降低金属的抗压能力。实验认为，低抗压能力和低韧性的气焊在焊接过程中比较有优势。 但是这方面还没有普及和论证所以在生产过程中我们认为选择焊接时使用的接头和钢材材料等强匹配还是比较可靠的。
4焊接工艺参数
（1）首先要进行预热，使焊接材料均匀受热，提高材料的可塑性，预热完毕后进行常温冷却，注意此时不需进行加速冷却，防止材料内部产生应力，而且常温冷却有利于接触点中气体的逸出，可以大大降低焊接时材料内的应力作用。
（2）焊接过程中，我们采用温度低的气焊，小部分焊接。这样，我们可以控制焊接形成的形状和状态，如果出现缺陷还有机会改进，减小工件的受热变形，同时我们能使脱离工件的金属粒子的体积变小，降低热裂纹的产生几率。
（3）定位焊工艺要求
定位焊位置是在背缝坡口内；一、二类焊缝的定位焊工艺和对焊工要求和正式焊缝相同。
定位焊时，应对定位焊焊缝周围宽150mm的范围进行预热，预热温度应比正式焊缝的预热温度高出20～30℃（120～150℃），定位焊预热采用履带式远红外加热装置进行。
顶部定位焊位置应距离焊缝顶部30mm以上，长度应在80mm以上且至少焊两层，定位焊焊缝间距为100～300mm，厚度不宜大于正式焊缝厚度的二分之一。800MPa级高强钢的定位焊均在背缝进行施焊，不得保留在任何焊缝内，背缝清根时，清除定位焊并予以打磨。
定位焊接严禁在坡口以外引弧，必须在坡口内引弧、息弧，应特别注意引弧和息弧操作技术，息弧处必须填满弧坑，避免产生裂纹而开裂，造成重新压缝及补焊定位焊，影响工程质量和进度。
（4）温度控制
预热温度：800MPa钢管预热温度为100~120℃。
层间温度：压力钢管焊接，应严格控制层间温度，焊接层间温度应不低于预热温度，高强钢不应高于200℃。800MPa钢管层间温度为100～180℃，层间温度应控制在120~160℃。
后热温度：800MPa高强钢管节宜做后热处理。后热在每条焊缝焊接完成，外观自检合格后及时进行，在焊缝上满铺加热片，将温度加热至后热温度，按要求进行保温，800MPa钢管的后热温度为150～200℃，后热时间为2小时。后热温度应控制在160~180℃。
（5）焊缝熔敷顺序
以厚度52mm焊接试验板工艺参数为例，先焊接大坡口侧，焊接1至5层后(板厚的40%）对小坡口侧用碳弧气刨清根，将小坡口侧全部焊接完成后，再焊接大坡口侧剩余焊缝。焊接采用多层多道焊，每层厚度4mm至6mm；每层每道宽度6mm至12mm，如图所示：
5焊接后序热处理工艺
800MPa高强度结构钢一般焊接过后进行冷却就可以使用了，但是某些设备需要更强度的钢材，所以在某些情况下在进行冷却后还要有焊接后序热处理工作，比如退火和回火。根据钢材的要求，我们可以得知焊接接头处的应力作用应小于屈服应力，当材料的残余应力达不到要求时，我们也要对材料进行焊接后序热处理。在现实中，我们进行焊接工作时，会有很多突发情况，还会有许多未知力参与到焊接过程中，这些都是不可预测的，而且我们在现场工作我们进行检测也要有精准的仪器，这都是不可控的因素。所以在实际工作过程中，为了提高工序质量，保证人员安全还有保证工程的实施，我们应该在焊接后进行热处理来消除工件内部的残余应力。
6焊接及后序过程的工艺控制
冷裂纹的形成原因主要是钢材中的气体受热膨胀，所以在焊接过程之前，我们要严格遵循相关的规定章程，对气焊需要的焊条进行检查、对工作环境进行恒温控制同时我们要对拟焊接接触点进行清理，防止工件表面杂质进入焊接区域；焊接之后切忌加速冷却，要进行延缓冷却，以防工件因为温度极具变化而变形。除此之外，焊接的接触处必须及时进行热处理，从而减小产生冷裂纹。在焊接过程中，要注意焊接方法，每个焊接接触点不能完全焊死，只在其中两面上进行焊接就可以，避免焊条因为焊接位置不合理产生焊接缺陷。焊接过程中要时刻注意焊条的长度，及时换焊条，同时焊接时候最好能够一气呵成，避免二次焊接，产生夹渣等缺陷，焊接处应该充分咬合，还要注意把焊接处的表面磨平；在焊接交汇点如果边角表面坑坑洼洼，不圆滑要用锉刀把表面抹平，把气焊造成的空心凸起磨平。
7结束语
800MPa级高强度结构钢在近年来的日常生产中选择的焊接方法是传统焊接工艺，选择焊接材料是按照等强原则，在焊接工作结束后进行了热处理，在 产品的结构工艺、经济价值和安全性达到了我们的要求。我们以后还可以发展低韧性、低抗压强度的焊接工艺。
参考文献:
[1]张志明,谭长英.焊接手册[M].中国机械工程学会,2015.
[2]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海科学技术出版社，2016.
作者简介：孙文，（1983——），男，工程师，二级建造师，本科，从事质量技术管理工作。
论文作者:孙文,李建兵,宋慧涛
论文发表刊物:《防护工程》2017年第28期
论文发表时间:2018/2/1
标签：工件论文; 裂纹论文; 温度论文; 过程中论文; 材料论文; 钢材论文; 水电站论文; 《防护工程》2017年第28期论文;