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三峡转轮气体保护焊熔敷金属及焊接接头断裂性能研究

李小宇  
【摘要】:三峡水轮机是世界上已经建造的和目前正在建造的最大水轮机。每个水轮机转轮的最大外径10m,重450t,单机容量700MW。转轮材料采用410NiMo(13%Cr,4%Ni,0.5%Mo)马氏体不锈钢。这样的巨型转轮已经超出了常规制造技术,国内外制造商一致采用拼焊结构转轮,即转轮上冠、叶片和下环分别铸造,然后整体组焊,焊接接头的最大厚度达300毫米,因此,三峡转轮的焊接具有超厚截面、大拘束度、高强马氏体不锈钢焊接的特点,如此巨型转轮在国内外还没有先例。 目前,水轮机转轮焊接与设计中,对于转轮母材及焊接接头仅提出一般的力学性能要求,而对于直接关系到转轮安全可靠运行的抗断裂性能,缺乏更为深入的要求。因此,本论文针对三峡水轮机等大型转轮马氏体不锈钢气体保护焊熔敷金属及其焊接接头的抗断裂性能进行了较深入的研究。 本文选用三峡水轮机应用的四种气体保护焊焊丝进行试验研究,包括进口药芯焊丝(Stoody)、国产实心焊丝(HS13/5L)、进口金属粉型药芯焊丝(PZ6166)和进口实心焊丝(Oerlikon)。试验研究内容包括四种焊接材料的焊接工艺性能、熔敷金属与焊接接头的力学性能和抗断裂性能。熔敷金属和焊接接头的抗断裂性能研究主要采用示波冲击和裂纹尖端张开位移(CTOD)两种试验方法,通过扫描电子显微镜对断口表面的分析,X射线衍射对相组织的分析,研究了熔敷金属和焊接接头的断裂行为,为优化焊接材料与工艺奠定了技术基础,为转轮安全可靠运行提供了一定的试验研究依据。 本文的主要研究结论为: 1、金属粉芯焊丝与药芯焊丝具有较大的焊接工艺规范的适应性,即使在较大的焊接工艺规范下,电弧稳定,可以获得良好的焊缝成型;而对于实心焊丝,在较大焊接工艺规范下,很容易出现焊缝表面的氧化起皱,焊缝成型不良。 2、HS13/5L焊丝、Oerlikon焊丝的熔敷金属的常规力学性能优于Stoody焊丝、PZ6166焊丝。示波冲击试验结果表明,HS13/5L焊丝熔敷金属的抗冲击断裂性能优于Stoody焊丝、PZ6166焊丝和Oerlikon焊丝。 3、无论Stoody药芯焊丝和PZ6166金属粉芯焊丝,还是HS13/5L实心焊丝和 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕卜学位论文 Oe川ikoT:实心焊丝,其焊态下熔敷金属的裂纹张开位移(CTOD)均较低,这表明 Stoody焊丝、HS13/SL焊丝、PZ6166焊丝和oerlikon焊丝的熔敷金属不宜在焊态 下使用;经过焊后热处理,四种焊丝熔敷金属的盯0D明显提高,其原因是:回火 热处理产生的逆变奥氏体对熔敷金属韧性的恢复起了决定性作用。 4、四种焊丝熔敷金属的断裂机制基本一致,焊态的断裂为小、浅韧窝+脆性 准解理的断裂特征,经过焊后热处理的断裂为塑性韧窝的断裂特征。而母材与热 影响的断裂为大、深韧窝,而且有明显撕裂变形断裂特征。 5、四种焊丝熔敷金属的综合抗断裂性能比较,HS13/5L焊丝优一于其它三种。


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