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风机叶轮焊接后出现的问题风机叶轮焊接后出现的问题 叶片和轮盖组件拼装焊接及消应力后，检测所有角焊缝没有发现裂纹，但在轮盘+叶片和轮盖组件拼装成整体叶轮焊接及消应力后检测角焊缝时，发现在叶轮进口端靠近轮盘一侧的多个叶片上焊缝熔合线与热影响区有80～130mm不等的裂纹（见图1），经过多次补焊也不能完全消除。 2 产生裂纹的可能性及原因分析 在使用15MnNiCrMoV材料之前，临沂风机曾做过系列焊接工艺试验，包括小铁研试验、焊接接头性能、模拟结构等试验，在许多其它产品的叶轮焊接生产中均未发现这类焊接裂纹，这里不再赘述，以下仅对该叶轮产生不同裂纹的可能性及原因进行分析。 2.1 热裂纹可能性分析 焊接热裂纹主要发生在含S、P、C等元素比较多的金属材料焊缝中，产生时机一般在焊接接头的冷却过程中且温度处在固相线附近的高温阶段，从S、P、C等组成的低熔点共晶体杂质处开裂，裂口表面有氧化色无光泽。焊接热裂纹又可细分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三类[1] 。 该叶轮所用15MnNiCrMoV材料化学成分对S、P、C等元素成分控制要求较严，Mn/S含量比为56.1～88.7＞40[1] , 且不具备以上热裂纹的特征，对比其它产品叶轮的材料、结构、焊接工艺流程以及该叶轮在先焊的叶片与轮盖侧焊接及消应力后检测角焊缝无裂纹的情况，基本上可以认为该叶轮产生热裂纹的可能性较小。 2.2 再热裂纹可能性分析 再热裂纹是在某些合金钢结构去应力热处理后出现的热影响区裂纹（焊后当下无裂纹），也称为去应力裂纹（SRC）。再热裂纹易在具有沉淀强化作用的钢材中产生（如含Cr、Mo、V等能形成碳化物沉淀相的低合金钢易产生再热裂纹），再热裂纹有明显的敏感产生温度范围，低合金高强钢一般在500℃～700℃，且易于在残余应力较大的大拘束度结构的应力集中部位产生[2] 。 就该叶轮而言，各件焊接前母材为调质状态，焊后残余应力较大，叶片较高（叶片进口端几乎与轮盖和轮盘平齐），进口端叶片间距较小且相对密集，因而叶轮整体拘束度相对较大，并带有明显应力集中的部位（叶片母材和角焊缝熔合线过渡处），实际裂纹发生在最后施焊的轮盘侧进口端多个叶片上靠近焊缝熔合线与热影响区，而且还是在焊接冷却后和消应力处理加热过程中发生（消应力温度550℃），因此带有一定再热裂纹的特征。但是对比其它产品叶轮的材料、结构、焊接工艺流程以及该叶轮在先施焊的叶片与轮盖侧焊接及消应力后角焊缝无裂纹的情况，除该叶轮叶片较高（叶片进口端几乎与轮盖和轮盘平齐）、结构刚度相对较大即拘束应力较大外，在材料和工艺方面没有明显差别。因此我们认为该叶轮出现的焊接裂纹有再热裂纹的倾向和部分特征，但再热裂纹不是其主要原因。 2.3 冷裂纹可能性分析 临沂风机冷裂纹是低、中合金高强钢焊接生产中比较容易出现的一种裂纹，多发生在焊接热影响区，一般在焊后冷却过程中Ms点附近或更低的温度区间产生，宏观断口具有发亮的金属光泽的脆性断裂特征。冷裂纹又可细分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹（淬火裂纹）和低塑性脆化裂纹。 据资料显示，高强钢90%以上的裂纹都是冷裂纹。冷裂纹的危害要比热裂纹大，因为一般热裂纹在焊接过程中出现，一旦出现易于及时发现并进行返修，但是绝大部分冷裂纹的发生具有延迟性，也就是说焊后当下没有裂纹，再过一段时间后才产生，而且有些还是在使用过程中产生，所以危险性很大容易造成事故，严重影响着设备与人身安全。 大量的生产实践和研究证明，钢种的淬硬组织、接头中扩散氢的含量、接头的拘束应力状态是高强钢焊接接头焊接时产生冷裂纹的三大主要因素[3] 。 就该叶轮而言，依据日本JIS和WES标准推荐碳当量公式[4] Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14=0.67%～0.68%， 因此Ceq较高，淬硬倾向较大，热影响区冷裂纹倾向较大。况且该叶轮焊接前母材为调质状态的马氏体组织，焊后残余应力较大，进口端叶片间距较小且相对密集，拼装成整体叶轮焊接时的结构刚度相对较大即拘束应力较大，参考其它压缩机叶轮有限元计算及分析结果表明此处应力也较大[5] ，裂纹发生在进口端靠近轮盘一侧的多个叶片上焊缝熔合线与热影响区，带有明显应力集中的部位（叶片母材和角焊缝熔合线过渡处），并且在焊接冷却后和消应力处理加热过程中发生，有明显延迟裂纹的特征。对比其它产品叶轮的材料、结构、焊接工艺流程以及该叶轮在先焊的叶片与轮盖侧焊接及消应力后焊缝无裂纹的情况，发现该叶轮拼装成整体叶轮焊接时，结构刚度相对较大，尤其是在叶轮进口端，叶片几乎与轮盖、轮盘平齐，且轮盘侧叶片间距仅为31mm，相对比较密集，此处焊缝焊接时的横向收缩已变化为受轮盖、轮盘的径向整圆盘拘束，比之该叶轮其它部位以及其它产品叶轮焊接时进口端焊缝的横向收缩受轮盖、轮盘的拘束情况，其拘束应力明显较大，拘束度越大，内应力也越大[6] ；况且该叶轮焊接前母材为调质状态的马氏体组织，强度级别较高，屈服强度达850MPa以上，强度级别越高，冷裂纹的敏感性越大[7] 。除此之外，在材料和工艺方面没有差别。因此我们认为该叶轮出现的焊接裂纹主要是因为结构刚度相对较大即拘束应力较大产生的冷裂纹。 3 改进措施 结合上述产生裂纹的可能性及原因分析，主要从产生冷裂纹的三大主要因素入手，对叶轮焊接生产的工艺流程进行优化，改善叶轮焊接前的材料组织状态和降低叶轮的拘束应力[8] ，山东风机避免15MnNiCrMoV材料调质后马氏体淬硬组织和材料高强度下叶轮整体焊接时大拘束度下高应力的产生最为重要，主要改进措施如下： 1） 将叶轮焊接前各件（轮盖、轮盘和叶片）从调质状态改为退火状态； 2） 焊接过程中增加去氢后热处理和中间消应力处理，提高焊后消应力处理温度（从550℃提高到680℃）； 3） 叶轮焊接后整体进行调质热处理。 |
