目前，大型電站汽輪機(jī)高中壓主汽閥閥體、汽缸體等設(shè)備材質(zhì)多為鑄鋼件，由于鑄鋼件壁較厚、鑄造性能差，內(nèi)部經(jīng)常有沙包、縮孔等，在工作應(yīng)力和熱應(yīng)力的作用下，上述缺陷區(qū)會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的裂紋缺陷，直接影響設(shè)備壽命，并嚴(yán)重影響機(jī)組的安全運(yùn)行。

　　為此，研究并分析鑄鋼件材料的特性，合理選擇補(bǔ)焊材料及補(bǔ)焊工藝已成為鑄鋼件缺陷補(bǔ)焊的必要條件。

　　1.汽輪機(jī)鑄鋼件材料特性及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　1.1 汽輪機(jī)鑄鋼件材料特性

　　汽輪機(jī)鑄鋼件一般于高溫高壓下工作。選用材料為珠光體耐熱鋼，常用的鋼號有ZG15Cr1Mo1V等。ZG15Cr1Mo1V是一種綜合性能較好的珠光體熱強(qiáng)鑄鋼，可在570 ℃長期工作。但該鋼的鑄造性能較差，容易產(chǎn)生裂紋，并且該鋼對熱處理的冷卻速度也相當(dāng)敏感，容易在鑄鋼件中造成組織與性能不均勻。表1為ZG15Cr1Mo1V的化學(xué)成分，表2為ZG15Cr1Mo1V的機(jī)械性能。

　　1.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　汽輪機(jī)鑄鋼件主要是汽缸體、高中壓主汽閥閥體等，均屬封閉式或半封閉式回轉(zhuǎn)殼體，殼體的直徑、截面積、外形的變化都很大，鑄鋼件的壁較厚且壁厚變化也大。

　　2.補(bǔ)焊焊縫化學(xué)成分計算

　　2.1 過渡系數(shù)

　　焊條熔化后進(jìn)入焊縫金屬里的合金數(shù)量取決于焊條熔敷金屬和焊接熔渣的相互作用。隨著焊接條件的不同，合金元素氧化、蒸發(fā)、飛濺等損失也各不相同，亦即每種合金元素在焊接時過渡到焊縫中去的系數(shù)不同。焊接時合金元素的過渡系數(shù)μ：

　　μ=(C填/C焊條)×100% (1)

　　式中C填——某合金元素在填充金屬里的含量;

　　C焊條——某合金元素在焊條中的含量。

　　另外，焊縫由母材和填充金屬按一定比例組成，焊縫中某合金元素的含量可以通過式(2)計算：

　　式中C母材——某合金元素在母材中的含量;

　　θ——母材在焊縫中所占體積的比例，%。

　　設(shè)與母材熔合在一起的焊縫稱底層焊縫，其熔合比θ1=0.3;為便于估算，其它堆敷層的焊縫金屬的熔合比θ2=0。即假設(shè)不與母材相熔合的堆焊層焊縫不受母材的稀釋作用，這種假設(shè)只是使計算簡便一些。一般情況下堆焊金屬達(dá)第3層時，它的熔合比θ3在0.05以下。因此，這樣的假設(shè)，對問題的分析和討論不會有很大影響。

　　當(dāng)焊縫是鈦鈣型藥皮時，各種合金元素的過渡系數(shù)數(shù)值如下：

　　2.2 不同補(bǔ)焊焊縫化學(xué)成分計算

　　ZG15Cr1Mo1V鋼采用ENiCrFe-3焊條和奧氏體不銹鋼焊條E2-26-21-16(A402)、E0-19-10Nb-16(A132)分別補(bǔ)焊后的底層焊縫和其它堆焊層焊縫的化學(xué)成分計算結(jié)果見表3～表5。

　　2.3 不同補(bǔ)焊焊縫組織分析

　　2.3.1 用ENiCrFe-3焊條(鎳基)補(bǔ)焊ZG15Cr1Mo1V鋼

　　焊后所得到的補(bǔ)焊金屬中底層焊縫含Ni≥39.65%,Ni Fe≥71.59%,屬于鐵基合金;其它堆焊層含Ni≥56.64%，含F(xiàn)e較少，只有8.5%,屬于鎳基合金。所有補(bǔ)焊焊縫(包括底層和堆焊層)均為奧氏體相的鐵基合金和鎳基合金組織。

　　補(bǔ)焊焊縫為奧氏體相的鐵基合金和鎳基合金組織有很大的優(yōu)越性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

　　a. 鎳基焊縫的成分允許變化范圍較大，減輕了因焊接規(guī)范不同影響焊縫稀釋率，從而對焊縫成分帶來的影響。

　　b. 鎳基焊縫對氫不敏感，氫的溶解度大，克服氫對母材的有害作用十分明顯。

　　c. 鎳基焊縫的熱膨脹系數(shù)更接近于母材，從而在補(bǔ)焊及運(yùn)行過程中引起的殘余應(yīng)力和附加熱應(yīng)力均小得多。

　　d. 鎳基焊縫組織可以抑制母材中的碳擴(kuò)散問題，減輕了由于碳擴(kuò)散帶來的不良后果。

　　2.3.2 用A402焊條補(bǔ)焊ZG15Cr1Mo1V

　　焊后所得的補(bǔ)焊金屬中底層焊縫成分的鉻、鎳當(dāng)量為：

　　其它堆焊層成分的鉻、鎳當(dāng)量為：

　　從舍弗勒(Schaeffler)組織圖可知,該時底層焊縫和其它堆焊層焊縫均為奧氏體形成元素儲備量很多的單相奧氏體組織，見圖1。

　　但是，單相奧氏體組織焊縫在補(bǔ)焊及運(yùn)行過程中存在一些問題急待解決。

　　a. 由于奧氏體焊縫金屬的線膨脹系數(shù)比ZG15Cr1Mo1V高約1.4～1.6倍，在補(bǔ)焊的熱循環(huán)作用下，焊縫的膨脹、收縮受到鑄鋼件拘束度大的限制，必然在焊縫和母材的交界處造成較大的應(yīng)力狀態(tài)。運(yùn)行過程中，由于溫度變化以及啟停的熱循環(huán)作用，在接頭的界面將產(chǎn)生附加熱應(yīng)力，隨著這種熱循環(huán)次數(shù)的增加，熱應(yīng)力變化將引起接頭的熱疲勞破壞。

　　b. 奧氏體焊縫與母材之間的碳擴(kuò)散問題，導(dǎo)致在近縫區(qū)母材側(cè)出現(xiàn)脫碳層。

　　c. 奧氏體焊縫金屬σ相析出脆化問題，在奧氏體晶粒的邊界形成析出物，使奧氏體焊縫的韌性下降。

　　2.3.3 用A132焊條補(bǔ)焊ZG15Cr1Mo1V

　　焊后所得的補(bǔ)焊金屬中底層焊縫成分的鉻、鎳當(dāng)量為：

　　從舍弗勒組織圖可見，底層焊縫金屬的組織應(yīng)該是馬氏體加奧氏體;而其它堆焊層金屬的組織是奧氏體加馬氏體，可能還出現(xiàn)鐵素體組織，上述組織是補(bǔ)焊焊縫所不愿得到的，因此一般不采用。

　　2.4 Ni-Fe-Cr三元合金狀態(tài)圖分析

　　另外，也可從Ni-Fe-Cr三元合金狀態(tài)圖分析，得到同樣的結(jié)論。圖2為650 ℃時的Ni-Fe-Cr三元合金組織狀態(tài)圖。由圖可見，許多奧氏體鋼焊接材料已很接近α γ兩相和σ相析出的區(qū)域;而鎳基焊材焊接時需要大量的Fe稀釋才能使焊縫化學(xué)成分移入σ相析出的區(qū)域。

　　3. 結(jié)論

　　a. ZG15Cr1Mo1V補(bǔ)焊時，不能選用鉻、鎳含量較低的18-8型奧氏體耐熱不銹鋼焊條，補(bǔ)焊金屬會有馬氏體組織出現(xiàn)。

　　b. 選用鉻、鎳含量較高的奧氏體耐熱不銹鋼焊條，例如A402焊條，補(bǔ)焊金屬可以得到單相的奧氏體焊縫組織，但由于存在焊縫與母材之間的碳擴(kuò)散、奧氏體焊縫金屬σ相析出脆化、焊接殘余應(yīng)力和運(yùn)行過程中的附加熱應(yīng)力等問題，補(bǔ)焊區(qū)域產(chǎn)生裂紋缺陷的機(jī)率增大。

　　c. 選用鎳基焊材(ENiCrFe-3)補(bǔ)焊ZG15Cr1Mo1V，允許在較大的范圍內(nèi)選擇化學(xué)成分，補(bǔ)焊金屬均能獲得奧氏體相的鐵基合金和鎳基合金。