1、電站壓力鋼管施工焊接線能量（熱輸入）控制的討論陳奎昌內容摘要：正火鋼、控軋鋼、調質鋼的焊接已被廣泛地用于壓力鋼管制作，對于這些 鋼的焊接接頭質量控制，不但要求焊縫質量經過射線RT拍片或超聲波UT探傷合格，還 要保證熱影響區的組織不被嚴重破壞。我們都知道，鋼材加熱至1100C以上奧氏體晶粒 將迅速漲大。這些粗大的奧體冷卻后會產生一種既無強度也無韌性的島狀馬式體或上貝 茵體組織。而焊縫熱影響區中的過熱區溫度在1100C-1300C之間，控制焊接線能量就 是控制過熱區的高溫停留時間和T8/5冷卻速度，防止脆性組織的出現，保證接頭的強 度和韌性。電站壓力鋼管用材，在60年代以前主要是以低碳鋼Q235為

2、代表的低 碳鋼，該鋼種熱敏感性不大，一般不需要作焊接線能量控制。60年代以后 出現了以16MnQ345為代表的普低鋼，它是在低碳鋼基礎上加入少量Mn （W 1.8%）而形成的一個新鋼種，以上兩種鋼大多是熱軋成型后直接供貨（偶 有少量普低鋼有正火后供貨的現象），都不需要特別控制焊接線能量，只有 板厚超過一定尺寸后要求通過試驗測定其焊接線能量有效范圍并加以控制 （見壓力鋼管制造安裝及驗收規范DL5017-93版6.3.15條）。所以長期以 來焊工基本上沒有控制焊接線能量的概念。不管多大的坡口一概采用多層 單道焊，從不限制焊條的擺動寬度，特別是最后幾層和蓋面層一律單道完 成。用焊工的話說：好控制、好

3、焊、好看。60年代以后普低鋼被廣泛應用，由于普低鋼有一定的淬硬性，冷裂紋 的問題引起廣泛重視，特別是厚鋼板，而防止冷裂的有效措施除了預熱以 外加大焊接線能量也有一定作用，所以焊工愛用大電流、慢速度、大焊接 線能量。隨著電站建設規模的擴大，高水頭電站的問世，低碳鋼、普低鋼已滿 足不了設計要求。高強度的正火鋼、調質鋼、控軋鋼相繼被采用。80年代 以后，十三陵抽水蓄能電站、魯布革電站、龔嘴電站、天荒坪電站、天生 橋電站、三峽工程水電站等的壓力鋼管先后選用了 60公斤級80公斤級的 調質鋼。特別是低碳調質鋼，有著很好的力學性能，如十三陵抽水蓄能電 站采用的WEL-TEN80A鋼，其抗拉強度Rm達850

4、MPa，-40C的AKV高達150 （J），Z向拉伸試驗的斷面收縮率55%；三峽工程水電站壓力鋼管選用 NK-HITEN60U2鋼，其抗拉強度Rm 達 640MPa，-40C 的 AKV 高達 300 多（J）。 這么好的力學性能是靠調質處理一一淬火+高溫回火，獲得的回火馬式體和 下貝氏體等組織來保證的。要知道他們的高溫回火溫度一般是590-640C。 而焊接接頭的熱影響區中的熔合線、過熱區的溫度都大大超過了這一溫度 區域，這就給焊接施工帶來了新問題。長期以來對于低碳鋼、普低鋼材料 的焊接施工，我們的著眼點主要是焊縫，只要焊縫的RT.UT等檢查合格就 行了。現在不行了，對于調質狀態供貨的鋼材，

5、不僅要保證焊縫質量合格， 還要保證熱影響區的組織不出現不可接受的島狀馬式體M-A、上貝茵體等既 沒有強度又沒有韌性的組織。所以焊接電弧在單位焊縫長度上停留的時間 就必須控制，不能在過熱區（1100-1300C ）長時間停留，以防止奧式體品 粒嚴重漲大，冷卻后產生上述不可接受的組織。所謂的調質鋼焊接施工中 焊接線能量的控制問題就成為一個關鍵的點。現以三峽工程電站壓力鋼管 焊接施工為例，來認識一下調質鋼焊接施工中線能量控制的重要性。鋼管 用材為NK-HITEN60U2，其概況如下：板厚60mm，化學成分見表1，機械性能 見表2,碳當量Ceq=0.35%，冷裂紋敏性系數Pcm=0.185%，可見這是

6、一種具有優良焊接性的鋼。表1、NK-HITEN610U2化學成份（%）CSiMnPSNiCrMoCuVCeqPcm設計要求W0.090.150.401.201.60W0.03W0.02W0.300.100.300.100.30W0.42W0.20實測 值0.060.15 0.171.221.330.0060.0050.220.240.240.130.160.230.040.350.185表2、NK-HITEN610U2機械性能取樣位置6 sMPa6 bMPa6 5 %冷彎性能d=3a1800沖擊韌性（J）-40C應變時效后平均值單個值平均值單個值設計要求1/4厚度490610 -740320完

7、好340328347333實測 值t=3457666424.3完好331、 320、 330312、 303、 316327310實測 值t=6053463525.6完好324、 311、 334309、 240、 315323288日本NKK公司通過嚴密的焊接性試驗得出該鋼種施工的焊接線能量按 W40KJ/cm控制。對50mm厚的板材，當焊接線能量為45KJ/cm時，我們看 到其熔合線附近的-40C韌性平均值只有61 （J）見表3。此外焊接熱影區 的脆性轉變溫度也會隨焊接線能量的上升而上升。由圖1看出HT590鋼， 當線能量上升至70KJ/cm時，vT, s可能接近0笆了，這是很危險的。表3

8、、V形缺口夏氏沖擊試驗結果（SMAW）鋼板厚度(mm)線能量(kJ/cm)缺口部位A WS RvE-40 (J)vE-40 (J)B5045W61， 50， 52(54)34， 50， 44(43)B74， 61， 49（61）64， 79， 93（78）B2169， 113， 100（128）172， 202， 192（188）-60102030 40 5070 100200 300焊接線能量(kJ/cm)圖-1 590N、780N鋼輸入焊接熱與受熱影響部位韌性之間的關系例子-60102030 40 5070 100200 300焊接線能量(kJ/cm)通過以上數據分析可以看出，焊接線能量對

9、調質鋼的焊接確實是一個 非常重要的參數。現在再來談談正火鋼和控軋鋼焊接施工線能量的控制問題。國產鋼在16Mn的基礎上加入了少量合金元素V、Ti等，可達到細化品 粒和沉淀強化的日的。這種鋼常通過正火來穩定組織變化，它的機理是這 些合金元素能以細小的化合物質點的形式從固溶體中沉淀析出，起到細化 品粒的作用，保證了鋼的韌性，提高了鋼的強度，其屈服極限Rel 一般在 343-490MPa之間，Q390就是比較有代表性的鋼種。控軋鋼是加入少量微合金元素Mo、V、Ti。控制終軋溫度和軋制強度的 一個新鋼種，它比正火鋼有著更細的品粒和更高的強度與韌性。止火鋼和控軋鋼的品粒度一般在8級以上，它的淬硬性也比普低

10、鋼要 高，所以它們的焊接施工也要控制熱影區高溫停留的時間，以防止品粒粗 化，因此也要嚴格控制焊接線能量和控制T8/5。由上所述可以看出，對于在正火、控軋、調質狀態下供貨的鋼材的焊 接，焊縫過熱區的高溫停留時間和T8/5要嚴格限制，這只能通過控制焊接 線能量來實現，這是一個尚未被廣大焊接工作者接受的新概念。如某些電 站等選用了 60公斤級80公斤級的調質鋼，可是焊接施工仍按普低鋼的工 藝進行，包括三峽工程水電站壓力鋼管，99年以前的焊接工藝也是不合適 的。所以我要在說一遍：以上鋼種的焊接，在保證焊縫質量的同時還要保 證熱影響區的質量一一嚴格控制焊接線能量。如何控制焊接線能量？焊接線能量的計算公式很簡單：E=IU/VE：線能量（J）I：電弧電流（A）； U：電弧電壓（V）V：焊接速度（cm/秒）施工中可以通過測算求得焊接線能量的數值而加以限制，也可以通過 限制一根焊條的施焊焊縫長度來實現。如04的焊條，立向上焊，電弧電流 一般是160A，電弧電壓24V，一般一根焊條的熔化時間是85秒，當限制線 能量為40KJ時，按上述公式計算：40000J=160 X 24 X 85/XX是一根焊條施焊焊縫長度cmX=160 X24X 85/400008c