随着国民经济的快速发展,我国对能源的需求持续增长,但目前开发利用率较低,大力开发水电不仅推动我国水电行业整体技术水平的进步,而且对调整和优化我国电力结构,促进环境友好型社会发展具有重要意义。随着三峡工程水力发电机组的成功投运,水轮机单机容量的不断提高,以混流式为代表的转轮结构不断向着大型化发展。因此,设计、制造及电厂都对大型水轮机转轮的制造质量与使用可靠性给予极大的关注,特别是对大厚端面的焊接接头性能倍加重视。这是因为,随着转轮的大型化,焊接接头尺寸也大大增加,焊接接头各部位的组织与性能更加复杂,出现各种焊接缺陷的概率也增大,与此同时焊接残余应力也由二维状态转变为三维状态。因此,大型拼焊结构转轮材料性能要求不断提高,焊接材料与工艺也不断优化。针对上述情况,本文围绕有效提升焊缝金属的韧性开展了有关试验和理论研究。从材料冶金方面,对比分析了大气感应冶炼与真空冶炼工艺方法对00Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢实心焊丝熔敷金属化学成分与综合力学性能的影响规律,试验研究验证了真空冶炼可以有效控制实心焊丝中的[N]、[O]、[H]有害气体的含量,[N]<2000ppm、[O]<50ppm、[H]<2ppm;通过电渣精炼可以有效控制S、P等杂质元素的含量,其中S<0.0]0、P<0.020。为了避免实心焊丝焊缝表面氧化起皱和氧化层道间熔合性差,进而引起焊缝中产生氧化物夹杂及未熔合缺陷,在国内首先研制了与实心焊丝一样成分体系的金属芯药芯焊丝。试验研究证明,该焊丝电弧稳定、焊缝成形美观,基本无表面氧化物,熔敷金属力学性能达到了国外同类产品的水平。在焊接方法方面,对比研究了不锈钢焊接常用的高纯Ar+C02(少量)MAG焊、高纯Ar自动TIG填丝焊、高纯Ar+C02(少量)高速MAG焊、高纯Ar+C02(少量)激光-电弧复合热源焊、高纯Ar激光-CMT复合热源焊工艺特点与熔敷金属的力学性能。得出了高功率激光显著增强电弧稳定性的试验结论,首次开展了高纯Ar保护气体的激光-电弧复合热源马氏体不锈钢焊接应用研究,有效提升了超低碳马氏体不锈钢焊丝熔敷金属的冲击韧性与断裂韧度。使熔敷金属与焊缝金属的韧性达到优质马氏体不锈钢母材的水平,熔敷金属的冲击韧性达120J,熔敷金属与焊缝金属的最大CTOD达到0.18 mm,接近母材的水平。这些研究成果为大厚度马氏体不锈钢高效优质焊接提供了新的焊接工艺方法。在焊接工艺方面,比较系统地对比研究各种焊接方法,包括焊接工艺参数、焊缝层道间温度、焊后热处理工艺参数等对熔敷金属化学成分和力学性能的影响。特别是研究焊接保护气体中氧化性气体CO2对熔敷金属化学成分和韧性的影响规律。通过采用高纯Ar分别加入少量C02、N2、O2作为保护气体的TIG焊,深入研究C、[N]、[O]对熔敷金属化学成分与韧性的影响规律,揭示了影响低碳马氏体不锈钢焊丝熔敷金属冲击韧性的主要因素是[O]含量的高低。有效防止[O]进入熔池金属是保证熔敷金属高韧性的根本措施。借助数值分析方法,通过数值拟合与回归分析,建立了熔敷金属中主控元素[O]含量与冲击功的数学模型即:y=10.22x-0.65。在上述试验研究的基础上,探讨了熔敷金属的断裂特征与断裂机制,研究发现,当熔敷金属中[O]含量低于200ppm时,焊态熔敷金属断裂过程是以马氏体解理作为启裂源,进而撕裂周围金属扩展;经过焊后热处理,由于逆变奥氏体的析出,熔敷金属韧性显著提高,断裂过程以塑性撕裂作为启裂源,进而撕裂周围金属扩展。当熔敷金属中[O]含量高于200ppm时,球形氧化物A1203不仅是脆性启裂源,降低了熔敷金属的启裂功,比较密集的A1203还降低了裂纹扩展阻力,启裂功与裂纹扩展阻力的降低表现为韧性降低。通过本文的试验研究,OOCrl3Ni5Mo马氏体不锈钢焊丝的制备工艺技术由大气中频感应冶炼+电渣重熔精炼(WGC)优化为真空感应精炼+电渣重熔精炼+清洁化的锻轧与拉丝(WT)工艺技术,激光-CMT电弧复合热源焊接方法已开始应用于水轮机转轮不锈钢叶片的优质修复,并拟在大型水轮机不锈钢转轮的关键部位焊接应用。