摘要：换流变压器作为特高压输电系统的关键设备，随着能源需求的增大，对换流变压器的需求也在快速增加。根据控制变压器尺寸的轻量化设计需求，将高强钢14MnMoNbB应用于相关实践。但在14MnMoNbB材料焊接过程中，多次出现焊缝开裂的焊接缺陷，严重影响了设备的质量和效率。基于此，文章对14MnMoNbB材料的成分和性能进行重点分析，并对焊缝裂纹的分类和产生机理进行了剖析，进一步提出了具体应对措施。通过文章研究结果，以期为相关行业实践提供参考。
关键词：换流变压器,14MnMoNbB,延迟裂纹,拘束力,扩散氢,焊接热输入
根据中国能源与负荷呈逆向分布的特点，客观上要求在大范围内对能源进行优化配置咱1暂。西部区域已建立多个水电基地、风电基地、太阳能发电基地，随着双碳战略的加快推进，西部清洁能源跨区消纳是国家重大需求，新能源接入特性友好、系统支撑能力更强的特高压直流输电技术将迎来高速发展阶段咱2暂。换流变压器作为特高压直流输电系统的关键设备，为满足输电系统输送功率逐步增大的需求，电压等级和容量随之增大，导致外形尺寸、重量不断增大。在实际工程应用中为满足运输需求，要求换流变外形小、重量轻，与输电系统需求相矛盾，这就需要设计人员寻找更合理的设计方案。在吸收国内外换流变设计技术的经验下，将低合金高强度钢14MnMoNbB应用于工程实践，从而降低换流变压器的结构件尺寸和重量。
14MnMoNbB为低碳调质钢，一般以调质状态交货，由于其含有一定量的合金元素，相比碳素结构钢而言，它具有强度高、塑性和韧性好的特点，其具体的化学成分和力学性能，如表1、表2所示。
此外，它还具有良好的加工性和较好的焊接性，在多种焊接工程结构中作为高强度钢材料被选用。换流变压器铁心夹件关键受力连接部位选用了Q390B开口U型对接14MnMoNbB，具体结构如图1所示。
铁心拉板、拉带采用14MnMoNbB I型对接接头结构。铁心夹件、拉板、拉带制作工艺过程为：焊接、温度降到室温后着色检测、喷砂涂装、装配。在焊接完毕的着色检测过程中并未发现裂纹，在涂装后及装配过程中多次发现Q390B与14MnMoNbB对接焊缝开裂出现裂纹，裂纹位于焊缝中间，如图2所示，造成产品返修严重影响生产进度和质量。
1焊接裂纹分类
焊接裂纹是焊接接头中最为严重的缺陷，危害性极大。常见焊接裂纹分为热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂、应力腐蚀裂纹等五类，其中热裂纹又分为结晶裂纹、液化裂纹和失延裂纹及多边化裂纹，冷裂纹分为延迟裂纹、淬硬脆化裂纹和低塑性脆化裂纹。
1.1热裂纹
结晶裂纹一般沿晶间开裂，开口裂纹断口有氧化色彩，在焊缝中沿纵向、轴向分布，沿晶界方向呈人字形；裂纹在弧坑中可沿任意方向或者呈星形辐射状，走向沿奥氏体晶界；形成时间一般在固相线温度以上稍高的温度，凝固前固液状态下；常见于含S、P等杂质较多的碳钢、低中合金钢、奥氏体钢及铝的焊接过程中[3]。液化裂纹沿晶间开裂，晶间有液化，断口会有共晶凝固现象；多分布于热影响区粗大奥氏体晶粒的晶界，在熔合区中发展，走向一般沿多层焊的前一层焊缝中晶界；焊接后温度降至稍低于固相线时形成，也可以是结晶裂纹的延续；多发于含S、P、C较多的镍铬高强钢、奥氏体钢、镍基合金的焊缝。失延裂纹及多边化裂纹表面较平整，有塑性变形痕迹，沿奥氏体晶界形成和扩展，无液膜[3]；多分布于单相合金、纯金属的焊缝中，少量见于焊接热影响区，一般沿多层多道焊缝焊接过程中的前一层焊缝中的奥氏体晶界开裂；一般在焊缝温度降至再结晶温度TR附近时形成；常见于纯金属及单相奥氏体合金的焊缝。
1.2再裂纹
再热裂纹同结晶裂纹一样沿晶间开裂，当焊缝温度降至600~700℃的回火温度区内形成，不同品种的材质再热裂纹形成的敏感温度区间不大相同。再热裂纹分布热影响区的粗晶区，从粗晶区沿熔合线发展至细晶区[3]。再热裂纹多发于含有沉淀强化元素的高强度钢、珠光体钢、奥氏体钢、镍基合金等焊接接头。
1.3冷裂纹
冷裂纹中的延迟裂纹一般在焊后几分钟至几天出现，形成温度在200℃至室温，大部分沿晶开裂穿晶扩展，裂纹断口呈氢致准解理形态；延迟裂纹往往分布于热影响区的焊趾、焊根，少量在焊缝；在中、高碳钢，低、中合金钢，钛合金等焊缝中多见。淬硬脆化裂纹一般无延时特性或延时很少，沿晶启裂与扩展，断口非常光滑，极少量发生塑性变形情况；形成温度一般在Ms至室温，多分布在热影响区，少量在焊缝；一般产生在含C的NiCrMo钢、马氏体不锈钢、工具钢等的焊接。产生低塑性脆化裂纹的母材延展性很低无法承受温度带来的应变，边焊接边开裂，开裂过程中可听到脆性响声；裂纹在400℃至室温附近形成，常分布于熔合区及焊缝，沿晶开裂及穿晶开裂；典型焊接母材为铸铁、硬质合金。
1.4层状撕裂
层状撕裂的断口有明显的木纹特征，断口平台分布有夹杂物，穿晶开裂或沿晶开裂，分布于焊缝热影响区轧层及母材轧层呈阶梯状开裂，400℃以下至室温附近形成[3]；常见于杂质含量高的低合金高强度厚板焊接结构。
1.5应力腐蚀裂纹
应力腐蚀裂纹一般细长而尖锐，呈根须状形态，多分支，有开裂源头，从表面开始向内部发展，二次裂纹多。应力腐蚀裂纹断口有腐蚀产物及氧化现象且有腐蚀坑，断口周围有裂纹分枝，有解理状、河流花样等，沿晶开裂或穿晶开裂。应力腐蚀裂纹多分布于碳钢、低合金钢、不锈钢、铝合金等的焊缝和热影响区，可形成于焊接过程中的任何工作温度。
根据某公司的加工工艺过程，从焊接到涂装至少经过48h甚至更长时间，即裂纹产生的时间距离焊接时间超出48h。根据裂纹产生时间、14MnMoNbB的化学成分和力学性能、前述焊接裂纹分类特征，断定该公司的产品焊缝裂纹为冷裂纹中的延迟裂纹。
2延迟裂纹产生机理
延迟裂纹是由钢材的淬硬倾向、焊接接头应力状态和熔敷金属扩散氢含量的共同作用产生的。
2.1钢材的淬硬倾向
钢材的淬硬倾向主要由板材的化学成分、板材厚度尺寸、焊接工艺、冷却条件等决定。钢材淬硬后开裂主要的原因有以下两个方面：首先，形成硬脆的马氏体组织，马氏体数量越多、硬度越高，裂纹率越大；其次，形成更多的晶格缺陷。
2.2焊接接头的应力组成
焊接接头的应力组成包括：①不均匀加热产生的热应力，冷却过程中产生的热应力；②焊缝金属相变时产生的热应力和相变造成体积膨胀，减轻了焊接接头的残余拉应力，利于降低冷裂倾向；③焊接结构自身拘束条件所造成的拘束应力。
焊接拘束应力的大小由受拘束的程度（拘束度）R决定，即单位长度焊缝在根部间隙产生单位长度的弹性位移所需要的力，如公式（1）：
焊接接头为平板对接结构时上式中变量含义：E为金属母材的弹性模量，L为拘束距离，t为板材厚度。
由以式（1）可推理得出改变L、t可以改变R的大小。当拘束度R值达到某一定值时就会产生裂纹，此时拘束度R值称为该焊接结构的临界拘束度。
2.3熔敷金属中的扩散氢
熔覆金属中的氢在焊接后约60s产生聚集，当冷却到100~150℃时在有缺口效应的部位达到最大值，然后逐渐耗散。氢的聚集程度随材料化学成分不同而不同，在比较高的拘束条件下，氢的聚集系数随着碳当量的增加而增加。随着氢的聚集，对于低合金钢由于焊缝金属的含碳量低于热影响区，焊缝金属首先发生相变，溶解在焊缝中的氢便很快扩散到未相变的热影响区，这样就在熔合线附近形成富氢地带，氢的存在将进一步脆化淬硬组织。
综上，高强钢焊接时产生冷裂纹的机理在于焊接接头中产生淬硬组织之后，受到氢的侵袭、诱发，使接头脆化，在拘束应力影响下产生了裂纹。
3 14MnMoNbB对接焊缝开裂原因分析
根据高强钢延迟裂纹产生机理，14MnMoNbB对接焊缝开裂主要原因分析如下：
（2）产品发生开裂焊缝为夹件的U型对接结构焊缝，而拉板的I型对接焊缝未发现开裂。U型对接结构相对I型对接结构其拘束度高，拘束应力大。
（3）施焊批号焊材的塑性、韧性低、抗裂性能差。查阅发生裂纹焊缝焊接所用焊丝材质单，熔敷金属的抗拉强度806MPa，伸长率17%，-30℃冲击功72J；而未发生开裂焊缝焊接所用批次的焊丝抗拉强度732MPa，伸长率18%，-30℃冲击功94J。所用焊丝强度相对较高，塑性、韧性相对较差，对缺口比较敏感，抗裂性能相对较差。
（4）焊前未清理干净，焊接位置存在水分、油污等。冬季低温下钢板表面存在较多的冷凝水，施焊前喷洒的焊接防飞溅剂的油水等增加了焊缝中扩散氢的来源。
4 14MnMoNbB焊缝开裂的应对措施
4.1减少拘束应力
改变对接接头过渡形式，在Q390B钢板下料时U型对接14MnMoNbB钢板位置的缺口由直角过渡改为R8圆弧过渡，如图3所示。14MnMoNbB钢板直角同样打磨出配合圆角，以减小应力集中。焊接时先焊接U型的短焊缝，再焊接长焊缝侧，以减少拘束力。焊装完成后进行振动时效去应力处理，均化焊接应力分布。
4.2控制热输入从而控制组织硬化
调整焊接工艺参数，控制焊接热输入不能随意变化。线能量不可太小也不可太大，太小容易形成脆硬组织，太大容易形成晶粒粗大。采用多层多道焊接，控制层间温度100~180℃,焊接次数不少于3次。推荐焊接规范：焊接电流：245~260A；焊接电压：28~30V；焊接速度：35~45cm/min。
4.3限制扩散氢含量
14MnMoNbB钢板焊接坡口由6伊45毅加大到10伊45毅，施焊时进行多层焊接，后道焊缝对前道焊缝起到一个回火作用，有助于扩散氢的溢出，同时可以降低脆硬组织产生的概率。
焊缝位置必须清理干净，不允许有油、锈等异物；禁止在焊缝位置喷涂焊接防飞溅剂。
焊前采取电热带加温预热温度150~180℃去除附着在钢板表面的水分减少氢的来源，可控制焊接接头的冷却速度、降低脆硬组织产生的概率；焊后使用石棉布包裹覆盖焊缝降低冷却速率有助于扩散氢的溢出。
4.4及时发现并修复裂纹
14MnMoNbB钢板焊缝焊接完毕进行着色检测，检测时间必须在振动时效完毕且焊接完成24h后进行，及时发现缺陷。14MnMoNbB焊缝一旦出现裂纹，应采用高韧性焊材进行补焊，必要情况下可以尝试采用含Ni的焊丝或不锈钢焊丝进行补焊、修理。
4.5效果验证
防开裂应对措施在该公司共计30余台产品上应用，取得了良好的效果，无一处14MnMoNbB焊缝开裂发生。14MnMoNbB材料由于其特殊的焊接性能，只有从各个环节做好工作，才能确保焊缝满足性能要求，保证产品的质量。
参考文献
［1］梁旭明，张平，常勇.高压直流输电技术现状及发展前景［J］.电网技术，2012，36（4）：1-9.
［2］郭贤珊，厉璇，王庆，等.特高压直流输电技术发展现状与思考［J］.新型电力系统，2024，2（3）：237-250.
［3］李勇，杨泽钰，汤晓锋，等.ASTNA517GRQ与EQ56材料焊接产生冷裂纹的处理方案［J］.焊接技术，2021，50（7）：75-78.
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