0.   前言

丰宁抽水蓄能电站是目前世界上最大的抽水蓄能电站之一^[1]，总装机3 600 MW，年设计发电量66.12亿千瓦时，年抽水量87.16亿千瓦时。二期工程装机6台300 MW抽水蓄能机组，包括2台变速机组，是国内首次采用大型变速抽水蓄能机组技术^[2]。变速机组可以实现水泵功率的有效调节，使其运行效率更高、稳定性更优。丰宁可变速机组水泵水轮机座环蜗壳整体装配约173 t，是机组主要的支撑及引水部件，是机组埋件的核心部件。蜗壳主要材质为WDB620D，材料具有良好的强韧性和焊接性^[3]。蜗壳钢板最小板厚35 mm，最大板厚达100 mm，具有拘束度大、焊接难度大、焊接填充量大等难点。

对WDB620D厚板进行焊接，按ASME第Ⅸ卷《焊接、钎接和粘结评定规范》标准要求进行了相关工艺评定试验及生产实践。

1.   焊接工艺评定试验

1.1   试验标准

焊接工艺评定流程、试验项目、检测及合格标准严格按ASME第Ⅸ卷《焊接、钎接和粘接评定规范》标准执行。

1.2   WDB620D材质及规格

试验材料为舞阳钢铁有限责任公司生产，厚度50 mm，热处理状态为淬火+回火。化学成分及力学性能分别见表1和表2。

表  1  WDB620D试验材料化学成分(质量分数，%)

C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	Cu	Nb	V	Ti	B	Alt
0.06	0.19	1.31	0.002	0.011	0.30	0.20	0.27	0.25	0.021	0.045	0.002	0.000 3	0.003
注：Ceq(%)=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14；Pcm(%)=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B

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表  2  WDB620D试板力学性能

力学性能（横向）				工艺性能（横向） α=180°, d=3a
屈服强度Rp0.2/MPa	抗拉强度Rm/MPa	断后伸长率A(%)	−20 ℃冲击吸收能量AKV2/J
610	725	18	266，256，281	无裂纹
注：α为弯曲角度；d为弯心直径；a为试样厚度。

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1.3   预热及层间温度

根据化学成分，可以计算出试板材料的碳当量C_eq=0.42%，焊接冷裂纹敏感性指数P_cm=0.19%，从2项指数来看，钢板焊接性较好，但有一定的淬硬倾向，会在热影响区产生淬硬组织，由于板材较厚、焊接热循环导致内应力大，可能在热影响区产生敏感的金相组织。为避免或减少冷裂纹的产生，综合考虑冷裂纹敏感性及生产实际可操作性，确定焊接前试板预热大于80 ℃，焊接层间温度小于200 ℃。

1.4   焊接材料

按照等强匹配原则，焊接材料选用AWS A5.28 ER90S-G等级，由哈尔滨威尔焊接材料有限公司生产的HS-60NiMo气保焊焊丝，其化学成分及力学性能，分别见表3和表4。热处理状态为580 ℃×8 h。

表  3  HS-60NiMo焊丝化学成分(质量分数，%)

C	Mn	Si	S	P	Ni	Mo	Cu
0.076	1.63	0.54	0.006	0.008	0.86	0.37	0.10

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表  4  HS-60NiMo焊丝熔敷金属力学性能

屈服强度 Rp0.2/MPa	抗拉强度 Rm/MPa	断后伸长率 A(%)	−20 ℃冲击吸收能量 AKV2/J
630	710	21	112，137，128

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1.5   焊接工艺参数

试板焊接接头采用X形对接坡口，接头形式及焊接顺序如图1所示。

图  1  焊接顺序及坡口尺寸示意图

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焊接保护气体为80%Ar+20%CO₂，清根方法为碳弧气刨并砂轮打磨。焊接位置采用立焊3G位置。评定试验的焊接工艺参数见表5。

表  5  焊接工艺参数

焊丝直径 d/mm	电流极性	焊接电流 I/A	电弧电压 U/V	焊接速度 v/(cm·min−1)
1.2	直流反接	170～190	22～25	7.0～10.0

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焊后48 h进行焊缝外观检查，检验合格后使用CTS-2020超声波探伤仪按ASME Ⅷ 附录12的要求进行焊缝无损检测。检验合格后，进行580 ℃×11.5 h热处理。超声波无损复探合格后，分别对焊接接头及热影响区制取力学性能检测试样，进行拉伸、弯曲、冲击等试验。力学性能取样位置如图2所示。

图  2  试件力学性能取样位置图

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2.   试验结果

2.1   拉伸试验

拉伸试样采用全板厚尺寸制备，按QW-150规范进行试验操作，共做2组检测。拉伸后试样断裂位置为母材区域，如图3所示。从图中可以看出断裂方式为塑性断裂。试验结果见表6，满足母材标准R_p0.2$\geqslant $620 MPa的要求。

图  3  拉伸试验后试样图

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表  6  拉伸试验结果

试样编号	宽度b/mm	厚度h/mm	面积S/mm2
T-01	19.6	49.8	976.1
T-02	19.7	50.0	985.0
试样 编号	极限总载荷 F/kN	极限单位应力 R/MPa	断裂 位置
T-01	683.3	700.0	母材
T-02	699.4	710.1	母材

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2.2   弯曲试验

弯曲试样采用横向侧弯方式制备，按QW-163规范进行试验操作，共做4组检测。弯曲后试样表面均没有裂纹开口产生，如图4所示。试验结果见表7，满足导向弯曲试样在弯曲后的凸面上沿任何方向测量，焊缝和热影响区内都不得有超过3.2 mm的开口缺陷的要求。

图  4  弯曲试验后试样图

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表  7  弯曲试验结果

试样 编号	试样厚度 h/mm	弯曲半径 r/mm	弯曲角度 α/(°)	试验 结果
B-01	10	48	180	无裂纹
B-02	10	48	180	无裂纹
B-03	10	48	180	无裂纹
B-04	10	48	180	无裂纹

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2.3   冲击试验

夏比V形缺口韧性试验试样，按照母材规范及ASME第Ⅷ卷UG-84夏比冲击试验的要求进行制备，按QW-170规范进行，试样尺寸10 mm×10 mm×55 mm，试验温度为−20 ℃，共做4组检测，试验结果见表8，满足焊缝及热影响区冲击吸收能量A_KV$\geqslant $47 J要求。

表  8  冲击试验结果

试样编号	缺口位置	冲击吸收能量AKV/J
C-01	热影响区(厚度1/4)	162, 212, 204
C-02	热影响区(厚度3/4)	206, 82, 234
C-03	焊缝(表面1.5 mm)	140, 138, 140
C-04	焊缝(厚度3/4)	72, 86, 78

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2.4   试验结果分析

从各项试验结果，可以看出WDB620D钢采用以上工艺参数焊接时，抗拉强度、弯曲韧性、焊接接头的焊缝及热影响区在−20 ℃下的夏比V形冲击试验结果均优于母材各项性能要求，并且有一定的强度裕量。

3.   蜗壳厂内焊接施工工艺规程

在焊接工艺评定试验的基础上，进行了焊接工艺规程的编制，指导蜗壳厂内焊接施工。

3.1   焊前准备

焊接电源采用直流反接，要求其动特性良好，调节灵敏度高。

焊缝坡口，均按图开出，打磨去除氧化皮及淬硬层，露出金属光泽。蜗壳环节组装对接的坡口间隙0～4 mm。焊前将坡口及其两侧20 mm范围内的铁锈、油污、氧化皮、水迹等杂质打磨清理干净。

定位焊焊缝，焊接于坡口的清根侧，每段长约100～150 mm，间距约200～400 mm，焊缝厚度约15～20 mm^[4]，预热要求与正式焊接相同。定位焊需保证强度且无裂纹、气孔、夹渣等缺欠。

当日未使用完的焊丝，采取防潮保护措施，防止焊丝受潮。

焊前预热80～120 ℃，层间温度100～220 ℃。预热及层间保温，使用远红外履带式加热板及自动加热温控柜进行控制。加热宽度约200 mm，均匀布置在焊缝上，升温速度按50 ℃/h进行，不宜过快，以使升温均匀，防止加温过快导致定位焊缝开裂。坡口两侧50 mm处测量预热温度^[5]。

3.2   焊接

3.2.1   通用要求

蜗壳成形组对后，存在一定拘束应力，为了减小焊接变形、提高焊缝的塑形和韧性，焊接时采用小热输入、多层多道焊，焊道摆宽不大于20 mm。

3.2.2   焊接工艺参数

蜗壳厂内焊接工艺参数见表9。焊接生产过程中详细记录了相关工艺参数、预热温度、层间温度等信息。

表  9  蜗壳焊接工艺参数

焊接 位置	电流 极性	焊接电流 I/A	电弧电压 U/V	焊接速度 v/(cm·min−1)
平焊、 横焊	直流 反接	180～320	22～32	16～40
立焊	直流 反接	160～240	18～25	9～25

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3.2.3   焊接顺序

在蜗壳焊缝环向方向采用分段退步焊，两端部需加引弧板和熄弧板。双面焊缝先从蜗壳内侧过流面进行打底焊接，先焊接3层左右，从蜗壳外侧进行清根，打磨渗碳层至露出金属光泽后，进行外侧焊缝的焊接，两侧交替焊接直至焊平。注意层与层之间接头需错开50 mm左右，焊接接头需打磨。焊接完成后，过流面焊缝需将余高去除打磨平，且与周边母材圆滑过渡。

3.3   热处理前焊缝检验

外观检验：通过目视对焊缝表面裂纹、夹渣、咬边、气孔、飞溅、未焊满、焊瘤、余高、焊缝宽度等进行仔细检查，检验标准按ISO 5817-C级。

无损检测：根据图纸及检验规范，对蜗壳所有焊缝进行100% TOFD(包含横向扫描)、MT检查，对于TOFD不使用区域的焊缝需做UT检查。TOFD检验标准按NB/T 47013.10 B级，UT检验标准按EN ISO 11666-2级，MT检验标准按EN ISO 23278-2X级。

焊缝一次探伤合格率高，焊缝内部及表面产生的裂纹极少。对于超标缺陷及可记录缺陷，均详细记录了缺陷的大小、位置及缺陷的性质等，并归档留存。

3.4   缺陷返修

3.4.1   焊缝内部缺陷处理

返修前将缺陷位置周围区域进行预热，预热温度应比正常预热温度高约20 ℃。使用碳弧气刨将缺陷清除干净，气刨长宽需较缺陷两端各延长至少30～50 mm，并用磨光机打磨去除渗碳层，使用高温PT或干粉MT检测方法确认缺陷已经去除干净。返修过程中，严格控制层间温度，避免返修区域温度过高而引起局部热影响区晶粒粗大，使焊缝强度及低温冲击韧性下降的可能^[6]。

3.4.2   钢板表面缺陷和焊缝表面缺陷处理

母材表面的压痕、夹痕如深度小于1 mm，则需要与周边打磨过渡平滑。如深度不小于1 mm，需预热并补焊打磨过渡^[7]。补焊过的区域需要做目视及MT检查，确认无缺陷。

焊缝表面不允许有任何的裂纹和未熔合，如发现需严格按规程进行预热、返修及打磨处理。表面气孔、咬边、焊瘤、弧坑等需仔细处理至满足外观检验等级要求^[8]。

3.5   消应力处理

检验合格后，蜗壳连同座环进行炉内整体热处理，工件多点垫平入炉，防止热处理过程中工件变形。从室温自由升温到200 ℃后，加热升温速度按v_i<50 ℃/h控制，升温至(580±10) ℃保温4 h，之后进行冷却降温，冷却降温速度按v_d<50 ℃/h控制，降至200 ℃后自由冷却。

3.6   热处理后焊缝复检

按照热处理前的外观、NDT检验标准及要求，对热后焊缝进行复检。

4.   结论

（1）通过合理的焊接工艺进行焊接工艺评定试验，从试验结果可以看出，焊缝接头的强度高、塑形优、低温韧性良好。

（2）在焊接工艺评定的基础上，编制合理的焊接工艺规程，通过对焊前预热、层间保温、焊接热输入控制、热处理消应等严格的过程控制，克服了蜗壳WDB620D材料焊接填充量大、有淬硬倾向等难题，焊缝表面成形良好，无损检测的一次合格率达到了97.5%。焊缝质量得到了保障，完全满足各项检验要求。