转子支架焊接裂纹及处理

转子支架焊接裂纹及处理水电六局李阳庚1. 概述万家寨水电站180MW发电机转子支架为圆盘式焊接结构, 由中心体和 8 个扇形环组件在工地焊接成整体，中心直径 4000mm,组焊后转子支架外径10230mm。中心体上下圆盘材质 为合金钢20SiMn（ 6 =100mm ）。扇形支臂材质为 Q235（ 6 =30mm），中心体与支臂上下环缝为异种钢不同厚度的对接接 头。2. 转子支架的焊接2.1 定位焊采取分段退步焊接的方法，对所有立缝、环缝和径向缝 进行定位焊。2.2 焊接顺序转子支架总的焊接顺序为先焊中心体立筋与支臂腹板 的立缝，再焊上下环缝，最后焊支臂间的径向缝。上下环缝采用 手工电弧焊打底之后用 C02 气体保护焊施焊。2.3 焊接规范（ 1 ） J507 焊条规格：申3.2电压：2228V电流：90120A（2） H08Mn2SiA 焊丝规格：申1.2电压：2530V电流：220240A气体流量： 1822l/min（3）由四名焊工 90位置对称施焊，上下环交替进行。正面焊 至坡口 2/3时，背面用申3.2J507焊条焊至hf=8mm。（4）予热温度：要求现场环境温度高于10C,中心体与支臂间 环焊缝在焊前需予热至100120C，控制层间温度不大于200C（产家原要求：环境温度低于10C时，予热温度5060C）焊后 采取后热处理措施。2.4焊接过程在 1 号、2 号机的转子组焊时施工单位由于未采取整体预热 措施，因此产生裂纹，裂纹主要呈现为在焊缝区域的冷裂纹，根 据有关专家的意见，认为中心体圆盘材质中含有一定量的 Cr、 Ni、Mn、Cu 等元素，碳当量和裂纹敏感系数较高，焊接性能较 差，原焊接工艺预热温度低，是 产生焊接裂纹的主要原因，应 采取合理的预热温度并进行后热处理。我单位在 6 号机转子支架焊接时，吸取 1 号机和 2 号机支架焊接 的经验。认真遵守产家的焊接规范，同时加强了对焊缝应力的消 除措施，整个转子支架的焊接除个别焊缝缺陷作了处理以外并未 产生裂纹和变形。3 裂纹的发现和处理4 号机转子支架上下环缝焊接完毕后，发现局部存在气孔和 夹渣等缺陷，在处理缺陷数小时后发现裂纹处产生裂纹。经过渗 透探伤和超声波探伤检查发现裂纹未穿透性裂纹，而且都发现在 热影响取内，三条裂纹的主体部位在支臂上，两端伸向焊缝，裂 纹断口无氧化特征，裂纹取向与焊缝纵向接近平行，有断裂声音， 从以上特征可以认定该裂纹为冷裂纹。3.1 裂纹产生的原因 我们试从结构、工艺和材料三个方面分析。3. 1.1 结构因素：转子中心体与支臂上下环缝为异种钢不同厚度 的对接接点。正面焊接坡口的2/3 时清根，中心体材质为合金结 构钢，清根时为避免伤及中心体母材，又能保证背面焊接时运条 方便，就必须在支臂以侧开出一定尺寸的坡口，因此。该焊缝的 接口形成了一个类似于不对称的 K 形坡口的 T 形接头形式，在 诸如咬边等形状缺陷的诱发下，极易出现焊趾裂纹。3.1.2 工艺因素：工艺因素是导致焊接裂纹的主要因素，因为施 工时值夏季，气温较高，考虑焊工的劳动强度和工作条件，将予 热温度定在60C左右，且焊后没有进行后热处理，考虑工期进 度的要求，在上下环缝处理缺陷的同时焊径向缝，且环缝未处理 完，径向缝已经焊完，造成环缝处理时的焊接应力无法释放，而 导致裂纹的产生，由于是缺陷处理，为了将上次焊接缺陷清除干 净，刨出的坡口明显大于正常焊接的坡口，因此造成 HAZ 过宽， 且为二次处理使HAZ有脆化的倾向。由于二次处理焊缝长度较 短，未能引起足够的重视，在焊接过程中未能采取连续施焊，造 成层间温度较低。再则于焊接开始时，主立筋挂钩高程普遍偏低， 为调整挂钩高程，焊接环缝时先焊接上环，使支臂有上翘趋势， 造成上环应力集中，焊接时未采用封铲锤击焊缝，应力无法释放， 以上这些问题是导致支臂上环母材开裂的根本原因。3.1.3 材料因素：材料因素分位两个方面，即母材和焊材。中心 体母材为20SiMn,热处理状态为正火加回火。其抗拉强度6 b 2470Mpa,支臂母材为Q235其抗拉强度6 b2470Mpa.。对于 中心体而言，J507焊条基本上与其等强，但对于支臂来讲，选 择 J507 焊条则属于高匹配,环缝焊接时,正面打底两层和清根 后的背面焊缝均采用 J507 焊条，这样就造成了焊接接头钢度较 大，焊根部位应力集中，给裂纹的产生埋下了隐患。3.2 处理为了准确的判断裂纹的起止点和发展趋势，我们通过 PT 检查裂纹的起止点，在裂纹的起止点分别钻申12的止裂孔，以 防止裂纹延伸，通过 X 射线检查，对裂纹的现场分析判断出裂 纹的类别，研究处理方案。因其结构形式已不能改变，故只能从 工艺方面和材料方面入手。3.2.1工艺方面：考虑中心体的材质为20SiMn碳当量Ceq和裂 纹敏感系数Pcm均高于普通低合金钢，因此，为防止中心体母材冷裂， 将环缝整体加热至80100C，并进行后热处理（150CX2h），为 释放焊接应力，将该支臂两条径向缝割开，在裂纹两侧用碳弧气刨刨 出U形坡口，并分段处理，每段长约150200mm即先刨出第一段的 坡口，将其焊满，再刨第二段，依次将正面处理完毕，再分段处理背 面，正面采用 CO2 气体保护焊，背面手工电弧焊，焊接规范同前。 焊接时采用多层多道焊，且最后一道不与母材相接，并连续施焊，保 证层间温度不低于预热温度，并小于200C。每层均用风铲锤击焊缝。 焊后将余高磨平。3.2.2材料方面：正面焊接用CO2气体保护焊，焊丝H08MN2SiA, 抗裂性能良好，背面手工电弧焊按等强原则选择焊条，并考虑低氢性 能，故选用J427焊条施焊。（J427焊条熔敷金属抗拉强度o b三 420Mpa）。通过上述方法将裂纹处理完毕，经72小时延迟裂纹期过后进行UT 检查，未发现裂纹存在，再将割开的径向缝焊满。4 结语转子支架的尺寸安装精度较高，而且中心体圆盘的厚度与支臂的 板厚相差较大，因此在焊接时往往重视如何控制焊接变形，在焊接工 艺上重视就略显不足，通过 4 号机转子支架焊接所发生的一系列问 题，我们认为焊接质量是整个施工过程的关键，焊接工艺的制订和执 行是控制整个焊接过程的关键。（1）转子支架是承受力矩的转动部件，焊缝质量关系到机组安全运 行，因此焊缝质量必须严格控制。（2）在预热温度上一定要严格执行有关规定，过高可能造成变形， 过低可能造成焊接缺陷，不能因考虑其它原因而擅自改变工艺。（3）消除焊接应力的措施必须认真对待，由于转子焊接完成后就进 行下一道工序的施工，没有足够的时间完成焊后收缩，因此消除应 力的措施必须重视和加强。（4）由于转子支架采取工地配刨副立筋工艺，可有效消除焊接变形 对主要技术参数（如半径，径向倾斜和切向倾斜）的影响，因此当 焊接变形与焊缝质量相矛盾时，首先要满足焊缝质量。（5）对焊接工艺要进行过程控制，随时检查处理。只要认真执行焊 接工艺文件，搞好焊接过程的控制，就能有效地防止和减少焊接缺 陷，保证焊接质量。2000.09.27