前言随着水电机组单机容量的不断增大，水轮机转轮的尺寸逐渐向大型化方向发展，即将投产的三峡 电站水轮机转轮直径约9.5m，重量约420t。哈尔滨电机厂有限责任公司制造的刘家峡电站 、岩滩电站、二滩电站机组转轮等，其制造材料大致分为两种：一种是ZG20SiMn和ZG0 Cr13Ni5Mo异种钢组焊；另一种是ZG0Cr13Ni5Mo和0Cr13Ni5Mo不 锈钢板的同材质材料组焊。使用过的焊接材料有奥氏体不锈钢、三相组织的不锈钢、马氏体不锈钢 三大类。这些材料成功地焊接过直径小到1.2m，大到8m的水轮机转轮。但是，也出现过许多 焊接质量问题。为此，针对常用的不锈钢焊接材料，以及焊接产品的技术要求，对所选的焊接材料 进行工艺性能、可焊性、综合机械性能等方面的对比试验。通过对试验数据的分析和论证，得出如 下结论。2奥氏体不锈钢焊接材料奥氏体不锈钢在生产中应用较广泛，早期焊接这类不锈钢出现的 问题较多。随着生产的发展和对焊接工艺及焊接材料的深入研究，许多问题已得到很好的解决。有 待进一步研究解决的问题主要是焊接接头的耐蚀性、含镍较高的单相奥氏体不锈钢焊接接头的热裂 问题。2.1几种常用奥氏体焊接材料焊缝金属的含碳量对其耐蚀性影响很大，含碳量越高越容易 形成铬的碳化物在晶界沉淀，因而形成贫铬层。表1是常用焊接材料的化学成分，表2是机械性能 。从实际成分来看均属于超低碳焊接材料，能够有效地防止焊缝的晶间腐蚀和刀蚀。应力腐蚀开裂 主要是焊缝中存在拉伸应力，而焊接残余应力所引起的应力腐蚀占60％以上。由于奥氏体钢导热 性差、线胀系数大，在约束焊接变形时就可残留较大的焊接应力，从根本上消除拉伸应力是不可能 的。最大限度地消除焊接残余应力，对焊接结构的耐应力腐蚀开裂有极为重要的意义。采用锤击或 喷丸处理可降低表面残余应力或造成压应力，从而也是提高耐应力腐蚀开裂性能的比较有效的方法 之一。2.2焊接接头的热裂纹奥氏体钢焊接时，焊缝和近缝区均可产生裂纹，而且主要是热裂纹 。其主要原因是：（1）焊缝金属结晶期间存在较大拉应力，而奥氏体钢的导热系数小、线膨胀系 数大，在焊接局部加热和冷４６图1铁研试样表2焊缝金属机械性能牌号σb(MPa)δ(％) AKV(J)A237≥550≥2558534A307≥550≥2558832A507≥ 608≥30H00Cr23Ni13≥550≥2558532H00Cr18Ni14Mo2 ≥510≥30≥70(室温)5273383却的条件下，焊接接头冷却过程中形成较大拉应力 。(2)奥氏体钢易形成方向性强的柱状晶的焊缝组织，有利于有害杂质的偏析而促使形成晶间液 态夹层，促使增大热裂倾向。(3)奥氏体钢的合金组成较复杂，S、P、Sn等杂质可形成易熔 夹层，而一些合金元素因溶解度有限也能形成有害的易熔夹层，其中Si、B是很有代表性的元素 。B在Fe及Ni中溶解度为零，因此易于析集于晶界引起裂纹。而Si在含Ni较高的钢中很易 于偏析，因而含Ni量越高，Si越易促使增大焊缝热裂倾向。为了评定焊接材料的抗裂倾向，采 用斜Y型小铁研裂纹试验方法。试件材料为1Cr18Ni9与0Cr13Ni5Mo对接试板， 尺寸见图1。试验温度为室温，按焊接材料表3抗裂性试验结果牌号焊道表面裂纹火口裂纹焊缝端 面裂纹（5片）A237无无无A307无无无A507无裂裂1片H00Cr23Ni13无无 无H00Cr18Ni14Mo2无无无的使用说明书规范施焊，焊后经48h观察，试验结果见 表3。由试验结果可以看出在不预热的情况下，焊缝不会产生裂纹。含Ni量较高的A507焊条 有火口裂纹，其他几种焊材热裂纹和冷裂纹倾向不明显。在选用奥氏体焊材时应严格限制焊缝金属 的有害杂质，采用的焊接工艺应尽可能减少熔池过热和接头的应力。2.3异种钢过渡层焊接材料 采用奥氏体不锈钢焊接材料焊接异种钢接头，碳钢和低合金钢母材对于焊缝金属的合金成分具有稀 释作用，往往在堆焊层产生马氏体组织。当堆焊层含碳量超过0.15％时，其马氏体的塑性变得 相当低，认为马氏体在5％以下时，对堆焊层性能没有影响，当超过50％时不允许使用。异种钢 焊接时最大的问题是碳扩散。由于低合金钢（ZG20SiMn）一侧熔合线附近差别很大，在浓 度、活度和温度梯度作用下，从低合金钢母材一侧通过熔合线向镍铬奥氏体焊道区迁移。其结果是 在低合金钢一侧形成脱碳层，在奥氏体堆焊层一侧形成增碳层，从而导致熔合区塑性、韧性下降。 为此应选用低碳高铬镍单相奥氏体焊接材料，尤其是提高含镍量。这样，可以抑制碳在焊接和热处 理过程中的迁移，从而提高熔合区的塑性、冲击韧性。表1中的A507、A307、A237可 选为过渡层焊接材料，1991年哈尔滨焊接研究所又研制了一种新的过渡层材料，叫做“
过渡层 1＃焊丝”。表4是这种焊丝的化学成分和机能，保护气体是95％Ar＋5％CO2。为了比较 以上几种焊接材料的焊缝组织和增碳层宽度，选用ZG20SiMn做堆焊母材，表1焊缝金属化 学成分牌号CMnSiCrNiMoSPA237≤0.08≤2.5≤1.017／2110／ 132／3≤0.025≤0.0350.061.650.3317.011.682.230 .0050.024A307≤0.12≤2.5≤1.022／2611／14≤0.025≤ 0.0350.092.110.3223.2612.630.0050.026H00Cr1 8Ni14Mo2≤0.041／2≤1.018／2112／14.52／3≤0.02≤0. 0250.031.420.5018.5413.322.620.0050.01H00Cr 23Ni130.0361.790.4022.6712.570.0050.01A507≤ 0.12≤2.5≤1.014／1822／275／7≤0.025≤0.035ER316L 0.031.380.6319.3911.612.450.0060.012大型转轮不锈钢 焊接材料综合性能研究４７2000.№6大电机技术图3性能试板图2过渡层金相组织其化学成 分和机械性能见表5。在ZG20SiMn母材上堆焊上述几种焊接材料后，在显微组织照片上可 以看到黑色组织，如图2所示。这就是所说的碳迁移造成的碳扩散带，其宽度与堆焊材料合金成分 和热处理工艺有关，结果见表6。显然，过渡层1＃焊丝的碳扩散带宽度最小为0.02mm，A 507次之，为0.025mm，是很好的异种钢过渡层焊接材料。但是，在异种钢接头不需要退 火时，A307也可用于异种钢过渡层焊接。表4过渡层1＃焊丝化学成分CMnSiCrNiM oS、P≤0.06≤7≤0.523／2818／23≤4≤0.035熔敷金属σs(MPa )σb(MPa)δ(％)ψ(％)机械性能33693341.261.3表5ZG20SiM n化学成分CSiMnPS0.190.741.20.0250.02熔敷金属σs(MPa) σb(MPa)δ(％)ψ(％)HB机械性能3054853259140表6ZG20SiM n熔合区碳扩散带宽度(mm)堆焊材料堆焊层组织焊态650℃×10hA507奥氏体0.0 10.025A307奥氏体＋铁素体0.010.04A237奥氏体＋铁素体0.010.0 5过渡层1＃焊丝奥氏体0.0050.023三相组织的焊接材料早在70年代哈尔滨电机厂就 开始了三相不锈钢焊条的研究工作，LSE821焊条是最先使用的一种。80年代后期哈尔滨焊 接研究所等单位又先后试制出了G367M、M831、HS367M、H00Cr17Ni6三 相不锈钢焊条和焊丝，其熔敷金属的金相组织约为：（5％～6％）F＋25％M＋A，具有较高 的屈服强度和较高的韧塑性，同时还具有良好的工艺焊接性。所以，在异种钢接头和马氏体不锈钢 的焊接方面都得到了广泛的应用。3.1焊接材料的成分和机械性能焊接试板采用ZG0Cr13 Ni5Mo，试板尺寸见图3。其化学成分和机械性能见表7。表7ZG0Cr13Ni5Mo化 学成分CSiMnCrNiMoS、P≤0.06≤0.60.5／0.812／144.5／5 .50.5／0.7≤0.035机械性能σs(MPa)σb(MPa)δ(％)ψ(％)AK (J)HB≥550≥750144078241～293焊缝金属的化学成分见表8，表中的标 准成分是供需双方的协议值，其余数据是实测值。从化学成分上来看，这四种焊材的Cr、Ni含 量基本一致，杂质S、P的含量控制很严格。但是，C、Si、Mn的含量有所差别，最终导致了 熔敷金属性能的差别。表9是四种焊材的机械性能，标准值为供需双方协议值。实测值是焊后经（ 580～600）℃×8h退火后的性能。从冲击值和延伸率来看，HS367M和G367M有 良好的韧、塑性，屈服强度在450MPa左右。根据表5和表7的数据，异种钢焊缝的常规机械 应力为：305MPa<σs<550MPa，500MPa<σb<750MPa。所以，HS 367M焊丝和G367M焊条可以作为异种钢焊缝的焊接材料。由于H0017Ni6Mo具有 较高的屈服强度和良好的韧、塑性，可以用于ZG0Cr13Ni5Mo的焊接。４８M831的 冲击值和屈服强度经常出现超标，性能不稳定，最好不要使用。表9三相焊材的机械性能σs(M Pa)σb(MPa)ψ(％)δ(％)AK(J)（室温）H0017Ni6Mo514807 .340.321.673（标准）≥490≥780≥35≥16≥70HS367M5018 16493577、78、72（标准）≥440≥750≥35≥22≥50G367M5088844530.593、83、90（标准）≥440≥700≥35≥22≥50M83147383155.534.564、74、68（标准）≥490≥780≥45≥16≥703.2焊接材料的抗裂性能为了考证三相焊接材料的冷裂倾向，采用斜Y坡口对接裂纹试验。试板用
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