20Mn23A1無(wú)磁鋼變壓器油箱開(kāi)裂分析

連杰，張心保

1.太原鋼鐵（集團(tuán)）有限公司先進(jìn)不銹鋼材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山西太原 030003

2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司技術(shù)中心 山西太原 030003

1 序言

高壓及大容量變壓器油箱多數(shù)是箱式結(jié)構(gòu)，并且整個(gè)箱體材質(zhì)多采用20Mn23A1無(wú)磁鋼，當(dāng)變壓器運(yùn)行時(shí)，變壓器的油箱也隨之運(yùn)作，并且在油箱內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)。為了能夠防止磁場(chǎng)的產(chǎn)生，很多變壓器選擇在箱體內(nèi)部焊接一層銅板，從而將內(nèi)部磁場(chǎng)進(jìn)行減弱與屏蔽[1]，防止發(fā)生局部過(guò)熱現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)某知名變壓器廠生產(chǎn)的一臺(tái)大型變壓器，使用了山西太鋼不銹鋼股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱太鋼）生產(chǎn)的20Mn23A1無(wú)磁鋼板材制作油箱。變壓器在安裝注油時(shí)，發(fā)現(xiàn)油箱壁有一處漏油，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)20Mn23A1無(wú)磁鋼板上有一處裂紋，變壓器油就是從該裂紋處泄漏的。變壓器廠懷疑20Mn23A1無(wú)磁鋼板的制造存在質(zhì)量問(wèn)題，遂向太鋼提出申請(qǐng)，請(qǐng)求協(xié)助解決。

2 20 Mn23A1無(wú)磁鋼開(kāi)裂基本情況

（1）開(kāi)裂油箱壁的結(jié)構(gòu)情況 經(jīng)了解，開(kāi)裂油箱外壁材料采用的是10mm厚的20Mn23A1無(wú)磁鋼，為了達(dá)到屏蔽變壓器漏磁場(chǎng)的目的，在無(wú)磁鋼的內(nèi)壁上又貼合焊接一層T2銅板。無(wú)磁鋼與銅板的連接方法采用熔化極氬弧焊工藝（MIG），焊接材料使用HS201銅焊絲。無(wú)磁鋼與銅板的焊接，采用了兩種焊縫方式連接。銅板間及與無(wú)磁鋼的連接，采用I形坡口，兩塊銅板之間留一定的間隙，施工時(shí)，同時(shí)把兩塊銅板及銅板與無(wú)磁鋼三者之間焊接成一體；另外，由于變壓器油箱壁面積大，為保證無(wú)磁鋼與銅板間實(shí)現(xiàn)緊密貼合，需在銅板上均勻開(kāi)孔，采用塞焊的方式與無(wú)磁鋼進(jìn)行焊接。其結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 變壓器油箱的結(jié)構(gòu)形式

（2）無(wú)磁鋼開(kāi)裂處的形態(tài) 變壓器油箱壁開(kāi)裂處為20Mn23A1無(wú)磁鋼板中心區(qū)域，有一長(zhǎng)一短十字交叉兩條裂紋，長(zhǎng)裂紋約25mm，短裂紋約8mm，裂紋最寬處約0.8mm，裂紋背后有銅板塞焊縫，但開(kāi)裂處鋼板表面?zhèn)任催M(jìn)行任何加工。變壓器廠技術(shù)人員認(rèn)為，該廠20Mn23A1無(wú)磁鋼與T2銅板的焊接加工方式和工藝，已經(jīng)使用多年，其工藝是非常成熟的，之前從未發(fā)生過(guò)此類問(wèn)題。另外，雖然開(kāi)裂處背后有塞焊縫，此產(chǎn)品有上千處焊點(diǎn)，如果焊接工藝有問(wèn)題，不應(yīng)該只有一處發(fā)生問(wèn)題，且無(wú)磁鋼厚度達(dá)10mm，焊接不應(yīng)該有這么嚴(yán)重的影響，因此重點(diǎn)懷疑無(wú)磁鋼的板材制造有質(zhì)量問(wèn)題。20Mn23A1無(wú)磁鋼油箱開(kāi)裂處情況如圖2所示。

圖2 油箱裂紋形態(tài)

3 無(wú)磁鋼板開(kāi)裂原因分析

3.1 20Mn23A1無(wú)磁鋼制造質(zhì)量導(dǎo)致開(kāi)裂分析

假如20Mn23A1無(wú)磁鋼板材存在質(zhì)量問(wèn)題，最大的可能性就是在無(wú)磁鋼冶煉完成后的澆注制坯工序，因某種偶然因素，鋼坯產(chǎn)生宏觀夾渣缺陷，其缺陷正好處于焊接區(qū)域時(shí)，焊接應(yīng)力和缺陷兩者相互作用，共同造成變壓器油箱壁產(chǎn)生開(kāi)裂。

3.2 焊接因素導(dǎo)致開(kāi)裂分析

（1）20Mn23Al無(wú)磁鋼焊接性分析 20Mn23Al無(wú)磁鋼為奧氏體高錳鋼，合金含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）大于25%，該鋼種的主要合金元素是Mn、Al，無(wú)磁鋼中Mn是奧氏體形成元素，但是Fe-Mn合金的奧氏體不穩(wěn)定，當(dāng)Mn含量較高時(shí)，可能會(huì)發(fā)生馬氏體相變，使鋼材的冷脆性增加。20Mn23Al無(wú)磁鋼中wAl=1.5%～2.5%，鋁的化學(xué)活潑性較強(qiáng)，極易形成鋁的氧化物，其熔點(diǎn)較高，焊接時(shí)易產(chǎn)生大量蜂窩狀氫氣孔。20Mn23Al的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

20Mn23A1是無(wú)磁鋼，其焊接時(shí)要求焊縫也要具有無(wú)磁性，要求焊縫組織為單一的奧氏體組織，不應(yīng)有δ組織出現(xiàn)，但單相奧氏體組織容易產(chǎn)生熱裂紋。20Mn23Al無(wú)磁鋼為奧氏體高錳鋼，線膨脹系數(shù)大，熱導(dǎo)率僅有碳素鋼的1/3，焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的焊接變形及焊接應(yīng)力[3]。焊接變形會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用，而焊接應(yīng)力則是造成焊接開(kāi)裂的重要因素之一。

表1 20Mn23Al的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（2）T2銅板的焊接性分析 通常評(píng)價(jià)一種合金的焊接性是根據(jù)其化學(xué)成分、熱物理特性和物理化學(xué)特性，T2銅的化學(xué)成分見(jiàn)表2。與碳素鋼相比，銅的焊接性較差主要有以下幾個(gè)方面的因素。

1）銅的導(dǎo)熱系數(shù)是普通碳素鋼的7～11倍，焊接時(shí)大部分熱量被母材傳導(dǎo)散失，焊接區(qū)難以達(dá)到熔化溫度，造成純銅焊接時(shí)母材不易熔合、不易焊透和表面成形較差的外觀缺陷。

2）銅能與其中的雜質(zhì)分別生成Cu+Bi、Cu+Pb以及Cu2O+Cu等低熔點(diǎn)共晶，它們?cè)诮Y(jié)晶過(guò)程中都分布在枝晶間或晶界處，使銅或銅合金具有明顯的熱脆性。

3）焊縫處于凝固過(guò)程的固-液階段，熱影響區(qū)處于易熔共晶液化狀態(tài)下都容易因焊接應(yīng)力造成熱裂紋。

4）熔化焊焊接純銅時(shí)，氣孔出現(xiàn)的傾向比碳素鋼要嚴(yán)重的多，所形成的氣孔幾乎分布在焊縫的各個(gè)部位[4]。

表2 T2的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（3）20Mn23A1無(wú)磁鋼與T2銅板異種材料的焊接性分析 20Mn23A1無(wú)磁鋼屬于鐵基高合金鋼，T2銅板是屬于有色金屬，兩者間的化學(xué)成分及物理性能差異巨大，20Mn23A1的熔點(diǎn)約1420℃，純銅的熔點(diǎn)為1083℃；20Mn23A1的導(dǎo)熱系數(shù)約為碳素鋼的1/4，而銅的導(dǎo)熱系數(shù)為碳素鋼的7～11倍，二者之間的線膨脹系數(shù)、力學(xué)性能等差異都比較大，這些問(wèn)題的存在，對(duì)焊接是不利的。但鐵與銅在高溫時(shí)的原子半徑、晶體晶格類型、晶格常數(shù)以及原子的外層電子數(shù)等比較接近，這對(duì)原子間擴(kuò)散、鋼與銅及銅合金焊接來(lái)說(shuō)，是較為有利的因素。圖3所示為Fe-Cu合金狀態(tài)二元相圖，F(xiàn)e與Cu在液態(tài)時(shí)無(wú)限互溶，固態(tài)時(shí)有限互溶，不形成金屬間化合物；當(dāng)鐵向銅擴(kuò)散時(shí)，形成有限溶解的ε固溶體[5]。

銅-鋼焊接時(shí)存在的主要問(wèn)題如下：

1）難熔合及易變形。由于銅在不同溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)比普通碳素鋼大7～11倍，焊接電弧熱量從銅板母材基體上散失，因此銅板基體難以達(dá)到熔化溫度，而熔化后的焊絲與母材因溫度懸殊而造成未熔合。又因銅的線膨脹系數(shù)及收縮率比鐵大一倍以上，因此焊接時(shí)在無(wú)拘束條件下易變形[5]，而拘束力大時(shí)，焊縫又容易撕裂。

圖3 Fe-Cu二元相圖

2）接頭性能下降。在焊接過(guò)程中的熱作用之下，晶粒嚴(yán)重長(zhǎng)大，雜質(zhì)和合金元素的滲入，有用合金元素的氧化，各種脆性的低熔共晶體出現(xiàn)于晶界，或產(chǎn)生脆性相，使接頭的塑韌性、導(dǎo)電性、耐蝕性等顯著下降。

3）焊縫易產(chǎn)生熱裂紋。由于銅與鋼會(huì)形成低熔點(diǎn)共晶，以及線膨脹系數(shù)相差較大，焊縫容易產(chǎn)生熱裂紋和晶界偏析（即低熔點(diǎn)共晶合金或是銅的偏析），焊接時(shí)在較大的焊接應(yīng)力狀態(tài)下，易出現(xiàn)宏觀裂紋。

4）銅滲透裂紋。銅與20Mn23Al焊接時(shí)，由于銅的潤(rùn)濕性好，焊接參數(shù)及工藝選擇不合理時(shí)，液態(tài)銅會(huì)加速向異種鋼的熱影響區(qū)晶界滲透，產(chǎn)生滲透裂紋。為防止?jié)B透裂紋產(chǎn)生，需要合理地選擇焊接參數(shù)，選用小的焊接熱輸入量[6]。

4 模擬焊接試驗(yàn)

20Mn23A1無(wú)磁鋼在出廠時(shí)，均進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，假如發(fā)生鑄坯夾渣，在之后的軋制過(guò)程中，夾渣會(huì)隨軋制形成與板面平行的片狀缺陷，在焊接時(shí)，片狀缺陷會(huì)阻礙焊接熱傳導(dǎo)，同時(shí)也有阻斷裂紋延伸的功效，發(fā)生問(wèn)題的無(wú)磁鋼裂紋，為貫穿板厚的裂紋，因此材料缺陷的嫌疑較小。針對(duì)20Mn23A1無(wú)磁鋼與T2銅板焊接產(chǎn)生開(kāi)裂事件，我們進(jìn)行了模擬焊接試驗(yàn)，旨在研究何種焊接狀態(tài)時(shí)，無(wú)磁鋼會(huì)產(chǎn)生裂紋。

4.1 常規(guī)焊接工藝試驗(yàn)

為驗(yàn)證焊接工藝是否能造成無(wú)磁鋼開(kāi)裂，進(jìn)行了模擬焊接試驗(yàn)。模擬焊接試板（見(jiàn)圖4）的結(jié)構(gòu)形式盡量與發(fā)生問(wèn)題油箱結(jié)構(gòu)形式相同，銅板與無(wú)磁鋼塞焊縫尺寸，也與現(xiàn)場(chǎng)情況相當(dāng)。焊接方法采用了MIG焊工藝，使用HS201銅焊絲填充，純氬氣作為保護(hù)氣體。使用了強(qiáng)弱兩種工藝，進(jìn)行了兩組試板的對(duì)比焊接，具體的試驗(yàn)用焊接參數(shù)見(jiàn)表3。焊后經(jīng)檢驗(yàn)，1#工藝無(wú)磁鋼、銅板及所有焊縫均未出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象；2#工藝焊接的無(wú)磁鋼和銅板也沒(méi)有裂紋，但最后焊接的一條角焊縫有開(kāi)裂現(xiàn)象。分析其開(kāi)裂原因，可能是因焊接參數(shù)加大，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力增加，焊縫的強(qiáng)度低于殘余應(yīng)力而開(kāi)裂。2#試板雖然母材未發(fā)生開(kāi)裂，但說(shuō)明焊接參數(shù)大，對(duì)焊接開(kāi)裂有促進(jìn)作用，因此不能為單純提高施工效率，盲目提高焊接參數(shù)，應(yīng)當(dāng)采取銅板預(yù)熱措施，減小銅板滯后熔化現(xiàn)象，以避免使用超強(qiáng)的焊接參數(shù)，使工件造成焊接缺陷。

圖4 模擬焊接試板

表3 模擬試板焊接參數(shù)

4.2 銅焊絲堆焊工藝試驗(yàn)

常規(guī)焊接試板，20Mn23A1無(wú)磁鋼母材未發(fā)生開(kāi)裂，但通過(guò)該試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)焊接參數(shù)大對(duì)焊接質(zhì)量不利，因此又采用非常規(guī)焊接工藝，進(jìn)行了焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)采用20Mn23A1無(wú)磁鋼板表面堆焊HS201銅焊絲的方式，焊接參數(shù)也再次進(jìn)行了增加，讓焊接熱輸入更大，焊接區(qū)域焊接應(yīng)力更強(qiáng)，具體焊接參數(shù)見(jiàn)表4。在無(wú)磁鋼表面采用縱橫兩個(gè)焊接方向，共堆焊了兩層HS201銅焊縫，在堆焊試驗(yàn)處，HS201銅焊絲堆焊層及無(wú)磁鋼背面均出現(xiàn)裂紋，進(jìn)一步驗(yàn)證了焊接工藝不僅可以導(dǎo)致無(wú)磁鋼開(kāi)裂，而且懷疑20Mn23A1無(wú)磁鋼母材的開(kāi)裂與銅焊材的收縮率大這一特性有關(guān)。銅焊絲堆焊試驗(yàn)試板如圖5所示。

表4 銅焊絲堆焊參數(shù)

圖5 非常規(guī)焊接工藝堆焊試板

4.3 結(jié)構(gòu)鋼焊絲堆焊對(duì)比試驗(yàn)

通過(guò)在20Mn23A1無(wú)磁鋼表面堆焊HS201銅焊絲試驗(yàn)，20Mn23A1無(wú)磁鋼板材開(kāi)裂，懷疑銅滲透是導(dǎo)致無(wú)磁鋼開(kāi)裂的原因之一，因此為了驗(yàn)證使用銅焊絲是否會(huì)造成無(wú)磁鋼開(kāi)裂，使用結(jié)構(gòu)鋼焊材，在無(wú)磁鋼上進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。焊接參數(shù)基本參照銅焊絲堆焊工藝，焊接參數(shù)見(jiàn)表5。焊接形式與銅焊絲堆焊相同，焊后堆焊試板正反面均未發(fā)現(xiàn)有開(kāi)裂現(xiàn)象（見(jiàn)圖6），可以側(cè)面證明，僅焊接殘余應(yīng)力，不足以導(dǎo)致形成無(wú)磁鋼發(fā)生開(kāi)裂。無(wú)磁鋼的開(kāi)裂是銅在焊接高溫狀態(tài)下向無(wú)磁鋼側(cè)產(chǎn)生滲透，是銅的滲透造成無(wú)磁鋼產(chǎn)生裂紋。

表5 結(jié)構(gòu)鋼焊絲堆焊參數(shù)

圖6 結(jié)構(gòu)鋼焊絲堆焊試板

4.4 模擬焊接開(kāi)裂試板的檢驗(yàn)

（1）金相檢驗(yàn) 為了進(jìn)一步驗(yàn)證20Mn23A1無(wú)磁鋼的開(kāi)裂是否為銅滲透裂紋，對(duì)焊接開(kāi)裂試板進(jìn)行了金相檢驗(yàn)，以尋找證據(jù)。在HS201銅焊絲堆焊開(kāi)裂試板區(qū)域制取了金相試樣，試樣經(jīng)過(guò)拋光腐蝕，使用光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行了觀察。HS201銅焊絲堆焊區(qū)為典型的焊態(tài)組織，組織形態(tài)較均勻，差異較小。在無(wú)磁鋼側(cè)，基體組織為典型的奧氏體組織，母材未發(fā)現(xiàn)異常；在奧氏體母材區(qū)域，與焊縫垂直方向，形成一個(gè)漏斗狀形態(tài)異常區(qū)域，一直向母材方向延伸，異常區(qū)域顏色與焊縫一致，在漏斗縫隙兩側(cè)，無(wú)磁鋼的晶粒明顯長(zhǎng)大，晶界輪廓清晰，組織疏松，大部分區(qū)域有沿晶開(kāi)裂傾向；在縫隙遠(yuǎn)端，可見(jiàn)的類似焊縫物質(zhì)逐漸減少；在縫隙前端奧氏體母材區(qū)域，也有明顯的沿晶開(kāi)裂現(xiàn)象，說(shuō)明裂紋有延伸擴(kuò)展傾向。從金相圖片中可以初步判定（見(jiàn)圖7），開(kāi)裂試板有銅滲透裂紋嫌疑。

（2）電鏡檢驗(yàn) 使用電子顯微鏡對(duì)無(wú)磁鋼與銅焊絲堆焊的試件進(jìn)行了進(jìn)一步觀察，在無(wú)磁鋼側(cè)晶界有明顯的疑似沿晶界銅滲透現(xiàn)象。為驗(yàn)證晶界物性質(zhì)，使用能譜進(jìn)行了鑒別，結(jié)果顯示，晶界銅含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)2.93%（見(jiàn)圖8），證實(shí)了之前的懷疑，為此次無(wú)磁鋼銅滲透裂紋的定性，提供了直接證據(jù)。

圖7 金相圖片

圖8 電鏡及能譜檢驗(yàn)

5 變壓器油箱開(kāi)裂處解剖分析

通過(guò)對(duì)變壓器油箱使用材料的焊接性分析，結(jié)合油箱開(kāi)裂形態(tài)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)模擬試驗(yàn)，多方證據(jù)指向變壓器油箱的開(kāi)裂原因可能為異種材料焊接而引起的銅滲透裂紋。經(jīng)過(guò)與變壓器廠協(xié)商，對(duì)變壓器油箱開(kāi)裂處進(jìn)行了取樣，委托國(guó)內(nèi)某權(quán)威科研院進(jìn)行了解剖分析。檢驗(yàn)結(jié)果表明，在裂紋斷口區(qū)域，未發(fā)現(xiàn)無(wú)磁鋼板制造缺陷；進(jìn)一步采用多種檢驗(yàn)方法分析，情況與太鋼做的模擬開(kāi)裂試板的情況基本相同，證明了此次無(wú)磁鋼的開(kāi)裂，就是因焊接操作不當(dāng)，無(wú)磁鋼焊接熱影響區(qū)發(fā)生嚴(yán)重的銅滲透，在焊接殘余拉應(yīng)力的影響下，兩者共同作用下造成了無(wú)磁鋼的開(kāi)裂，無(wú)磁鋼的開(kāi)裂與板材制造質(zhì)量無(wú)關(guān)。

6 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)20Mn23A1無(wú)磁鋼-T2銅兩種材料及異種材料間的焊接性分析，以及針對(duì)上述兩種材料的模擬焊接，在常規(guī)焊接工藝條件下，20Mn23A1無(wú)磁鋼-T2銅異種材料添加HS201銅焊絲的施工工藝是能滿足工程應(yīng)用的，不會(huì)發(fā)生滲透裂紋。但在超強(qiáng)焊接參數(shù)條件時(shí)，首先是銅潤(rùn)濕性能好，會(huì)向奧氏體無(wú)磁鋼晶界產(chǎn)生嚴(yán)重的銅滲透現(xiàn)象；其次是焊接高溫狀態(tài)時(shí)，無(wú)磁鋼及T2銅產(chǎn)生比較大的膨脹應(yīng)力，焊接接頭熱影響區(qū)的壓應(yīng)力已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)它們的屈服極限，焊接接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生壓縮，焊接接頭在之后的冷卻過(guò)程中，無(wú)磁鋼的結(jié)晶溫度高于T2銅，固態(tài)的無(wú)磁鋼晶界生成銅的液態(tài)膜，焊接接頭內(nèi)金屬全部凝固后，焊接接頭區(qū)域的壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，焊接接頭無(wú)磁鋼內(nèi)的銅滲透區(qū)域不足以承受焊接接頭區(qū)域的拉應(yīng)力，從而形成銅滲透裂紋。

為避免在20Mn23A1無(wú)磁鋼-T2銅異種鋼的焊接生產(chǎn)中產(chǎn)生銅滲透裂紋，建議焊接前，T2銅預(yù)熱300℃，減少銅板在焊接時(shí)因銅板的導(dǎo)熱性能好、熱容量大而產(chǎn)生滯后熔化現(xiàn)象，以避免使用大電流，減小銅的滲透概率，避免產(chǎn)生滲透裂紋；使用合理的焊接順序，盡量采用多層多道焊接方法，以減小焊接接頭的殘余應(yīng)力，減小產(chǎn)生裂紋概率；在保證焊接接頭熔合良好的前提下，盡可能采用小的焊接參數(shù)。