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(huì)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(hào)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(zhǎng)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(duì)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(jì)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(shí)過渡到焊縫中去的系數(shù)不同。焊接時(shí)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(jì)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(jì)算簡(jiǎn)便一些。一般情況下堆焊金屬達(dá)第3層時(shí)，它的熔合比θ3在0.05以下。因此，這樣的假設(shè)，對(duì)問題的分析和討論不會(huì)有很大影響。

　　當(dāng)焊縫是鈦鈣型藥皮時(shí)，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(jì)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(jì)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(gè)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(duì)焊縫成分帶來的影響。

　　b. 鎳基焊縫對(duì)氫不敏感，氫的溶解度大，克服氫對(duì)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(shí)底層焊縫和其它堆焊層焊縫均為奧氏體形成元素儲(chǔ)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(shí)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(shí)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(shí)，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(huì)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。