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風機葉輪焊接后出現(xiàn)的問題風機葉輪焊接后出現(xiàn)的問題 葉片和輪蓋組件拼裝焊接及消應力后，檢測所有角焊縫沒有發(fā)現(xiàn)裂紋，但在輪盤+葉片和輪蓋組件拼裝成整體葉輪焊接及消應力后檢測角焊縫時，發(fā)現(xiàn)在葉輪進口端靠近輪盤一側(cè)的多個葉片上焊縫熔合線與熱影響區(qū)有80～130mm不等的裂紋（見圖1），經(jīng)過多次補焊也不能完全消除。 2 產(chǎn)生裂紋的可能性及原因分析 在使用15MnNiCrMoV材料之前，臨沂風機曾做過系列焊接工藝試驗，包括小鐵研試驗、焊接接頭性能、模擬結(jié)構(gòu)等試驗，在許多其它產(chǎn)品的葉輪焊接生產(chǎn)中均未發(fā)現(xiàn)這類焊接裂紋，這里不再贅述，以下僅對該葉輪產(chǎn)生不同裂紋的可能性及原因進行分析。 2.1 熱裂紋可能性分析 焊接熱裂紋主要發(fā)生在含S、P、C等元素比較多的金屬材料焊縫中，產(chǎn)生時機一般在焊接接頭的冷卻過程中且溫度處在固相線附近的高溫階段，從S、P、C等組成的低熔點共晶體雜質(zhì)處開裂，裂口表面有氧化色無光澤。焊接熱裂紋又可細分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊化裂紋三類[1] 。 該葉輪所用15MnNiCrMoV材料化學成分對S、P、C等元素成分控制要求較嚴，Mn/S含量比為56.1～88.7＞40[1] , 且不具備以上熱裂紋的特征，對比其它產(chǎn)品葉輪的材料、結(jié)構(gòu)、焊接工藝流程以及該葉輪在先焊的葉片與輪蓋側(cè)焊接及消應力后檢測角焊縫無裂紋的情況，基本上可以認為該葉輪產(chǎn)生熱裂紋的可能性較小。 2.2 再熱裂紋可能性分析 再熱裂紋是在某些合金鋼結(jié)構(gòu)去應力熱處理后出現(xiàn)的熱影響區(qū)裂紋（焊后當下無裂紋），也稱為去應力裂紋（SRC）。再熱裂紋易在具有沉淀強化作用的鋼材中產(chǎn)生（如含Cr、Mo、V等能形成碳化物沉淀相的低合金鋼易產(chǎn)生再熱裂紋），再熱裂紋有明顯的敏感產(chǎn)生溫度范圍，低合金高強鋼一般在500℃～700℃，且易于在殘余應力較大的大拘束度結(jié)構(gòu)的應力集中部位產(chǎn)生[2] 。 就該葉輪而言，各件焊接前母材為調(diào)質(zhì)狀態(tài)，焊后殘余應力較大，葉片較高（葉片進口端幾乎與輪蓋和輪盤平齊），進口端葉片間距較小且相對密集，因而葉輪整體拘束度相對較大，并帶有明顯應力集中的部位（葉片母材和角焊縫熔合線過渡處），實際裂紋發(fā)生在最后施焊的輪盤側(cè)進口端多個葉片上靠近焊縫熔合線與熱影響區(qū)，而且還是在焊接冷卻后和消應力處理加熱過程中發(fā)生（消應力溫度550℃），因此帶有一定再熱裂紋的特征。但是對比其它產(chǎn)品葉輪的材料、結(jié)構(gòu)、焊接工藝流程以及該葉輪在先施焊的葉片與輪蓋側(cè)焊接及消應力后角焊縫無裂紋的情況，除該葉輪葉片較高（葉片進口端幾乎與輪蓋和輪盤平齊）、結(jié)構(gòu)剛度相對較大即拘束應力較大外，在材料和工藝方面沒有明顯差別。因此我們認為該葉輪出現(xiàn)的焊接裂紋有再熱裂紋的傾向和部分特征，但再熱裂紋不是其主要原因。 2.3 冷裂紋可能性分析 臨沂風機冷裂紋是低、中合金高強鋼焊接生產(chǎn)中比較容易出現(xiàn)的一種裂紋，多發(fā)生在焊接熱影響區(qū)，一般在焊后冷卻過程中Ms點附近或更低的溫度區(qū)間產(chǎn)生，宏觀斷口具有發(fā)亮的金屬光澤的脆性斷裂特征。冷裂紋又可細分為延遲裂紋、淬硬脆化裂紋（淬火裂紋）和低塑性脆化裂紋。 據(jù)資料顯示，高強鋼90%以上的裂紋都是冷裂紋。冷裂紋的危害要比熱裂紋大，因為一般熱裂紋在焊接過程中出現(xiàn)，一旦出現(xiàn)易于及時發(fā)現(xiàn)并進行返修，但是絕大部分冷裂紋的發(fā)生具有延遲性，也就是說焊后當下沒有裂紋，再過一段時間后才產(chǎn)生，而且有些還是在使用過程中產(chǎn)生，所以危險性很大容易造成事故，嚴重影響著設(shè)備與人身安全。 大量的生產(chǎn)實踐和研究證明，鋼種的淬硬組織、接頭中擴散氫的含量、接頭的拘束應力狀態(tài)是高強鋼焊接接頭焊接時產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素[3] 。 就該葉輪而言，依據(jù)日本JIS和WES標準推薦碳當量公式[4] Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.67%～0.68%， 因此Ceq較高，淬硬傾向較大，熱影響區(qū)冷裂紋傾向較大。況且該葉輪焊接前母材為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的馬氏體組織，焊后殘余應力較大，進口端葉片間距較小且相對密集，拼裝成整體葉輪焊接時的結(jié)構(gòu)剛度相對較大即拘束應力較大，參考其它壓縮機葉輪有限元計算及分析結(jié)果表明此處應力也較大[5] ，裂紋發(fā)生在進口端靠近輪盤一側(cè)的多個葉片上焊縫熔合線與熱影響區(qū)，帶有明顯應力集中的部位（葉片母材和角焊縫熔合線過渡處），并且在焊接冷卻后和消應力處理加熱過程中發(fā)生，有明顯延遲裂紋的特征。對比其它產(chǎn)品葉輪的材料、結(jié)構(gòu)、焊接工藝流程以及該葉輪在先焊的葉片與輪蓋側(cè)焊接及消應力后焊縫無裂紋的情況，發(fā)現(xiàn)該葉輪拼裝成整體葉輪焊接時，結(jié)構(gòu)剛度相對較大，尤其是在葉輪進口端，葉片幾乎與輪蓋、輪盤平齊，且輪盤側(cè)葉片間距僅為31mm，相對比較密集，此處焊縫焊接時的橫向收縮已變化為受輪蓋、輪盤的徑向整圓盤拘束，比之該葉輪其它部位以及其它產(chǎn)品葉輪焊接時進口端焊縫的橫向收縮受輪蓋、輪盤的拘束情況，其拘束應力明顯較大，拘束度越大，內(nèi)應力也越大[6] ；況且該葉輪焊接前母材為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的馬氏體組織，強度級別較高，屈服強度達850MPa以上，強度級別越高，冷裂紋的敏感性越大[7] 。除此之外，在材料和工藝方面沒有差別。因此我們認為該葉輪出現(xiàn)的焊接裂紋主要是因為結(jié)構(gòu)剛度相對較大即拘束應力較大產(chǎn)生的冷裂紋。 3 改進措施 結(jié)合上述產(chǎn)生裂紋的可能性及原因分析，主要從產(chǎn)生冷裂紋的三大主要因素入手，對葉輪焊接生產(chǎn)的工藝流程進行優(yōu)化，改善葉輪焊接前的材料組織狀態(tài)和降低葉輪的拘束應力[8] ，山東風機避免15MnNiCrMoV材料調(diào)質(zhì)后馬氏體淬硬組織和材料高強度下葉輪整體焊接時大拘束度下高應力的產(chǎn)生最為重要，主要改進措施如下： 1） 將葉輪焊接前各件（輪蓋、輪盤和葉片）從調(diào)質(zhì)狀態(tài)改為退火狀態(tài)； 2） 焊接過程中增加去氫后熱處理和中間消應力處理，提高焊后消應力處理溫度（從550℃提高到680℃）； 3） 葉輪焊接后整體進行調(diào)質(zhì)熱處理。 |
