直焊式隔板焊接裂纹分析及控制技术研究

黄丽，赵鹏飞，徐健，罗军，杨林，杨东

(东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000)

0 前言

某项目低压次末级隔板叶片采用的精铸空心导叶（ZG1Cr13），内环为T型钢板拼焊结构（Q345-D），外环为铸件（GP280）。在隔板焊接完成后，去应力热处理前进行清理打磨焊缝时，发现整圈80只导叶，其中64只导叶焊缝出现批量共性裂纹，如图1所示：均出现在导叶背弧，裂纹位于导叶侧热影响区熔合线，PT显示为贯穿性裂纹。

图1 隔板焊缝缺陷情况图

通常直焊式隔板出现的裂纹处于焊缝中间位置，此次出现在焊缝熔合线，初步分析为焊接应力导致，选择一处典型缺陷进行返修：通过消缺3～4 mm后手工氩弧焊焊接，焊后及焊后24 h、48 h进行PT检验，结果如图2所示，返修后PT无显示，但24 h后发现点状显示，48 h后扩展为贯穿性裂纹，裂纹位置处于补焊焊缝导叶侧热影响区熔合线。

图2 返修试验情况图

1 焊接裂纹成因分析

1.1 实物解剖分析

返修试验后裂纹的形态位置均与返修前一致，因此对返修裂纹进行取样分析。包括金相、硬度和裂纹性质。

通过金相分析，热影响区组织明显异常，分成了2-3#，2-4#，2-6#三个截然不同的组织区域（见图 3）。

图3 金相分析

其中2-3#组织疑为补焊时再次加热导致高温下重结晶，且晶粒度被显著细化，2-6#区域为2-3#区域中最靠近补焊焊道的区域，其被加热的温度更高，冷却下来的时候在晶界形成了网状的第二相。

图4 取样接头显微硬度及裂纹断口分析

如图4所示，热影响区硬度高达HV433，整个热影响区的硬度都偏高，从裂纹形貌进行微观分析，裂纹开裂的形式为穿晶及沿晶混合型。

综上分析，导致产品焊缝开裂的原因是焊接过程中热影响区位置的热应力。

1.2 焊接数值模拟分析

1.2.1 模型建立

采用单只叶片进行建模分析，模型及网格划分如图5所示，网格数量10万，内外环全固定约束。材料选用SYSWELD模拟软件已有的材料模，内外环为S3565J2G3、焊材为316L。采用普通角接模型加载双椭球热源，提取了稳定焊接后焊缝的热循环曲线，将结果输入成热源文件，在隔板焊接过程中使用简化的热循环曲线来代替热源模型[1-2]。

图5 几何模型及网格划分

1.2.2 应力分布情况

经过计算，得出焊接接头的应力分布情况，如图6所示。导叶出汽侧背弧段与外环角度较大，这段位置的表面米塞斯应力最高，与产品裂纹位置分布情况相符合。

图6 焊接接头应力分布

1.2.3 马氏体组织及硬度分布情况

图7 截面马氏体组织占比分布和硬度变化趋势分布情况

图7（a）为两道焊后截面的马氏体占比分布，马氏体组织沿着叶片热影响区的位置分布最多，且在叶片表面熔合线附近区域集中分布；图7（b）硬度也呈相同变化趋势分布。

数值模拟计算的结果与理论分析及实物缺陷相吻合，可以判定：导致焊缝产生裂纹及补焊后再次开裂的原因均为焊接热应力。

1.3 焊接工艺分析

梳理焊接工艺流程，裂纹产生节点为隔板导叶焊缝全部焊接完成，焊接过程中无去应力处理，产品此时结构应力较大[3]。

2 裂纹控制技术研究

2.1 焊接数值模拟优化

结合上述裂纹萌生原因分析，提出增加一次中间热处理、焊前预热以及焊后后热的工艺方案，降低结构应力和减小淬硬组织的影响，并进行数值模拟计算。最终计算结果如下：

（1）中间热处理参数为590℃/6 h，升降温速度均为50℃/h，进出炉温度为20℃，模拟结果：应力峰值区域平均降低约250 MPa的米塞斯应力；

（2）焊前预热到250℃，应力峰值区域平均降低约150 MPa的米塞斯应力；

（3）每层焊后及时进行200℃/1 h的后热处理，然后缓冷，应力峰值区域平均降低约100 MPa的米塞斯应力。

采用上述3种优化方案中的部分或全部，其降低的应力值并不能简单相加，而属于一种递减叠加的效果，假设一种模型，其应力综合降低值σ与3种优化方案的单独降低值（σn）的关系如下：

采用中间热处理+预热+后热的方案，其米塞斯应力降低值σ≈360 MPa。据此，初步确定返修焊接工艺为：590℃/6 h中间热处理，焊前预热250℃，焊后后热200℃，590℃/6 h最终热处理。

2.2 模拟件焊接试验

制作1∶1弧段模拟件，验证如图8所示，按照上述焊接工艺焊接2只导叶产品焊缝，无裂纹显示。按照原始焊接工艺焊接另外2只导叶焊缝，仍然出现裂纹，裂纹形态位置与产品一致，对缺陷部位按照本文2.1节确认的焊接工艺进行返修，返修焊缝合格。

图8 模拟件验证

2.3 产品返修验证

对整副隔板缺陷进行返修，首先进行590℃/6 h中间热处理，按照补焊前预热，焊后及时后热的工艺方案进行返修。由于空心导叶散热较快，为保持预热/后热均匀性，将隔板入炉进行整体预热，焊接采用AWS ER309L进行焊接，补焊完成后整体入炉后热，并进行590℃/6 h最终热处理，打磨清整后PT显示，裂纹全部一次性返修合格。

2.4 新产品制造工艺技术研究

鉴于次末级隔板制造过程中出现上述焊接缺陷，在进行末级隔板制造前，首先采用数值模拟技术计算该产品在制造过程中的应力分布，数据显示应力峰值达600 MPa，极易在焊缝熔合线位置产生裂纹。通过对新产品制造工艺技术进行分析，提出以下三种预案：（1）焊前预热，焊后及时后热；（2）焊接过程中增加一次中间热处理；（3）调整单只导叶焊接顺序；考虑新产品批量制造的工艺性及可操作性，选择实施方案2+方案3用于末级隔板制造，产品一次合格。

3 结束语

本次隔板裂纹产生位置处于焊缝熔合线，通过对裂纹的微观及宏观分析，采用数值模拟计算进行验证，找出产生裂纹的根本原因。有针对性地制定增加中间热处理、整体入炉预热及后热的返修工艺，制作模拟件进行焊接验证后，在产品上将裂纹全部一次性返修合格。

同时，在末级新产品制造前提出裂纹风险控制预案，最终新产品焊接一次合格。