为实现焊接材料国产化并应用于水电工程，与岔管790MPa级高强钢板达到良好的匹配，达到设计技术指标要求，三峡集团组织焊接专家对国内外厂家焊接材料进行技术研究，重点对比熔敷金属化学成分典型值和熔敷金属力学性能典型值，并通过现场焊接对比试验，通过综合评价选择四川大西洋焊接材料股份有限公司开发研究的790MPa级高强钢焊条CHE807RH。
由于水电站建设地处河道、水库流经的山地，组装场地有限，隧洞内焊接现场大风速、高湿度，钢岔管等直径达5～10m，现场焊接时无法采用更高的预热温度。因此，要求在不预热或低预热条件下焊接。焊后又不能采用消除应力热处理，要求焊缝金属具有优良的抗氢致开裂能力。钢岔管施工完成后，要进行水压气密性检验。为防止水压试验加压及其今后运行期间钢岔管脆断或塑性失稳断裂，所焊接的焊缝金属须具有优良的塑性、韧性和抗脆断能力和止裂能力。鉴于大型水电金属结构用高强度焊接材料的上述性能要求、制造过程和使用特点，采用以下技术开发路线：以满足焊缝金属抗裂、止裂及焊接性和操作性为主要目标，从成分设计入手，通过渣系的调整，实现焊接材料具有良好的焊接工艺性能和操作性能，其熔敷金属具有优良的综合力学性能、低焊接裂纹敏感系数，满足大型水电站、抽水蓄能电站钢岔管制造的要求。
3.7.3.1 焊接材料设计原则
（1）焊缝金属合金体系设计。CHE807RH焊条为1.5Mn-0.5Cr-0.5Mo-1.5Ni合金体系，同时加入其他微量元素和稀土元素，针对各合金元素的焊接冶金行为及相互关系，使焊接后组织为低碳回火马氏体和低碳回火贝氏体，与790MPa级高强钢组织成分尽可能相匹配。合金体系中各成分的作用如下。
1）Mn与Ni的匹配。Mn能扩大奥氏体相区，推迟γ- α的转变，使焊缝组织的转变温度向针状铁素体形成温度接近，从而在提高焊缝金属强度的同时改善韧性，同时Mn还是良好的脱氧、脱硫剂，因此焊缝中含有一定量的Mn是有益的。Ni除了能促进针状铁素体形成外，还有利于减少冲击值的波动，降低焊缝金属的低温脆性转变温度，因此必须保证焊缝中含有一定量的Ni。研究表明，保持熔敷金属适宜强度和优良韧性的关键之一是控制Mn与Ni的配比，随着Ni含量的增高，必须降低Mn含量，否则会使焊缝强度过高而降低焊缝塑性和韧性。
2）Mo是强碳化物形成元素，具有明显的沉淀强化作用。研究表明，焊缝金属中含Mo量过高时对冲击不利，因此在满足强度的前提下，应限制Mo含量。
3）Cr是铁素体形成元素，它可使γ区缩小，α区扩大，提高Ac1点，焊缝中含有一定范围的Cr时，既可提高铁素体强度，又可改善韧性。加入过多，易形成粗大铁素体或网状组织，降低韧性。试验表明，适量的Cr可提高焊缝金属冲击功，焊缝含Cr量大于0.40%则韧性显著降低。
4）Ti是强碳化物形成元素，易形成稳定的TiC。Ti是显著强化铁素体元素，因此，Ti的加入即可细化晶粒提高焊缝韧性，又因其固溶于铁素体的脆化作用，抵消细化晶粒对焊缝韧性的有利影响，经反复调试，确定了合适的Ti含量，保证焊缝金属韧性有较大的提高。
5）为进一步细化晶粒，在焊条药皮中加入了微量稀土元素。稀土元素还具有脱硫、改变硫化物形态、净化焊缝的作用，提高低温冲击韧性。经多次试验，确定了合适的稀土元素及其加入量，取得了良好效果。
（2）高碱度渣系设计。提高熔渣的碱度能增强冶金脱S、脱P能力，对于790MPa级高强钢，需严格控制焊缝熔敷金属中的S、P，这样才能保证焊接接头具有高韧性和高塑性，与790MPa级高强钢相匹配。但是增大熔渣碱度后容易恶化焊接工艺性能，经过大量试验研究，加入多种碳酸盐，能尽量减少酸性氧化物的含量，并对各种原辅材料合理配备，通过熔渣凝固点、表面张力、黏度等方面的调整，获得了一种碱度高而焊接工艺性能较好的渣系，按照熔渣分子理论计算其碱度为3.2。
（3）熔敷金属扩散氢含量控制。对某些原辅材料进行了特殊处理，大大降低了焊条药皮的结晶水含量；加入多种碳酸盐、氟化物等提高脱氢能力；加入稀土元素，提高药皮抗潮能力，使熔敷金属扩散氢含量小于4.0m L/100g，取得了良好效果。
（4）熔敷金属S、P、O、N等杂质元素的控制。除加入脱S、脱P、脱O、脱N等物质外，还通过精选杂质元素含量低的矿物粉、铁合金及焊芯来进一步控制杂质元素的含量。
（5）焊条药皮成分设计。根据焊芯和药皮渣系及合金元素的相互作用，最终确定药皮的成分，见表3.7.5。
表3.7.5 CHE807RH焊条药皮成分
（3）CHE807RH焊条熔敷金属力学性能典型值。CHE807RH焊条熔敷金属力学性能典型值见表3.7.8。
表3.7.8 CHE807RH焊条熔敷金属力学性能
3.7.3.2 焊接材料工艺研究
（1）焊条工艺性设计。焊条工艺性设计要保证具有良好的全位置操作性、良好的抗气孔敏感性。采用碱性低氢型药皮渣系，通过大量实验合理调整各种矿物原料的配比，使熔渣在高温下具有良好的流动性及一定的高温黏度。通过调整萤石、大理石的比例，得到良好的药皮套筒及细小的熔滴过渡。电弧不仅稳定性好，而且吹力大，全位置操作性好，焊缝成形美观。
（2）全位置焊接性研究。在横焊、立焊、仰焊时，由于金属受重力影响较大，使得熔渣不易控制，成型困难，易产生裂纹、焊瘤、未焊透及夹渣等焊接缺陷。在角焊、坡口内焊接时要求熔渣的流动性、浸润性要适宜。改善全位置焊接性，除了通过操作手法和焊接规范的控制外，在配方设计时，还应使熔渣具备适合全位置焊接的物理性质。通过调整配方中大理石、萤石和金红石的含量，使熔渣成为适宜全位置焊接的短渣。通过调整萤石和碳酸盐的含量，提高电弧稳定性和增大电弧吹力，改善全位置焊接操作性。
（3）气孔敏感性研究。焊缝气孔的形成是由于熔池中的气体在金属凝固结晶前未及时溢出，以致在焊缝金属中（内部或表面）形成了气孔。气孔可以是单个分布，也可以是密集成链状分布。解决气孔问题的根本办法是尽量减少气体的数量和降低熔池金属中气体过饱和度，使气泡难以形成，也可通过加速气体的溢出的方法解决，采用低氢药皮，用少量结晶水（或不用含结晶水）的原材料，这样可以将水分和氢含量控制到最低限度，避免形成气孔。
3.7.3.3 焊接材料性能研究
（1）CHE807RH焊条工艺性能和操作性能。CHE807RH焊条和日本、德国知名品牌的两种焊条进行了工艺性能对比实验，结果见表3.7.6。
表3.7.6 CHE807RH 焊条工艺性能比较
注 1.焊机种类：DC+；评定焊工：江小平。
2.A：很好；A-：较好；B：一般。
如表3.7.6所示，三种焊条在相同的焊接参数下：焊接工艺性能各有优缺点，总体均具有良好的操作性，电弧稳定，飞溅小，脱渣性好，适合全位置焊接，焊工感觉均很好。CHE807RH焊接工艺性能与国外知名品牌的焊条相当。
（2）CHE807RH焊条熔敷金属化学成分典型值。CHE807RH焊条熔敷金属化学成分典型值见表3.7.7。
表3.7.7 CHE807RH焊条熔敷金属化学成分
（3）CHE807RH焊条熔敷金属力学性能典型值。CHE807RH焊条熔敷金属力学性能典型值见表3.7.8。
表3.7.8 CHE807RH焊条熔敷金属力学性能
对124078号抗拉试样和冲击试样的断口进行电镜扫描，根据扫描结果可以判断抗拉断裂为韧性断裂，如图3.7.3和图3.7.4所示。
对124078号抗拉试样和冲击试样的断口进行电镜扫描，根据扫描结果可以判断抗拉断裂为韧性断裂，如图3.7.3和图3.7.4所示。
图3.7.3 124078号抗拉试样断口电镜扫描
（4）CHE807RH焊条熔敷金属冲击温度转变曲线。CHE807RH焊条熔敷金属在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃温度下的冲击试验数据见表3.7.9，冲击温度转变曲线如图3.7.5所示。
图3.7.3 124078号抗拉试样断口电镜扫描
（4）CHE807RH焊条熔敷金属冲击温度转变曲线。CHE807RH焊条熔敷金属在20℃、0℃、-20℃、-40℃、-60℃、-80℃温度下的冲击试验数据见表3.7.9，冲击温度转变曲线如图3.7.5所示。
图3.7.4 CHE807RH焊条冲击试样端口分析
表3.7.9 CHE807RH焊条熔敷金属冲击试验数据
图3.7.4 CHE807RH焊条冲击试样端口分析
表3.7.9 CHE807RH焊条熔敷金属冲击试验数据
图3.7.5 CHE807RH焊条熔敷金属冲击温度转变曲线
（5）CHE807RH焊条接头力学性能。分别进行3个试验批次的焊条接头力学性能试验，试验数据见表3.7.10和表3.7.11。
表3.7.10 CHE807RH焊条接头力学性能(www.xing528.com)
图3.7.5 CHE807RH焊条熔敷金属冲击温度转变曲线
（5）CHE807RH焊条接头力学性能。分别进行3个试验批次的焊条接头力学性能试验，试验数据见表3.7.10和表3.7.11。
表3.7.10 CHE807RH焊条接头力学性能
表3.7.11 CHE807RH焊条接头力学性能
表3.7.11 CHE807RH焊条接头力学性能
（6）CHE807RH焊条典型显微组织。依据《金属显微组织检验方法》（GB/T 13298—2015），采用4%硝酸酒精溶液对焊缝熔敷金属表面腐蚀，通过PME3金相显微镜观察，熔敷金属和热影响区组织如图3.7.6和图3.7.7所示。焊缝熔敷金属组织为贝氏体。图3.7.6为细小的针状下贝氏体，图3.7.7中绝大部分为细小的针状下贝氏体，且混有极少量的羽毛状上贝氏体组织；两者晶粒发布均匀细小，无明显异常长大晶粒，碳化物呈细小球形颗粒均匀分布于基体内，该组织有利于获得优良的综合力学性能。
（6）CHE807RH焊条典型显微组织。依据《金属显微组织检验方法》（GB/T 13298—2015），采用4%硝酸酒精溶液对焊缝熔敷金属表面腐蚀，通过PME3金相显微镜观察，熔敷金属和热影响区组织如图3.7.6和图3.7.7所示。焊缝熔敷金属组织为贝氏体。图3.7.6为细小的针状下贝氏体，图3.7.7中绝大部分为细小的针状下贝氏体，且混有极少量的羽毛状上贝氏体组织；两者晶粒发布均匀细小，无明显异常长大晶粒，碳化物呈细小球形颗粒均匀分布于基体内，该组织有利于获得优良的综合力学性能。
图3.7.6 CHE807RH焊条熔敷金属组织
图3.7.6 CHE807RH焊条熔敷金属组织
图3.7.7 CHE807RH焊条热影响区组织
（7）CHE807RH焊条熔敷金属扩散氢含量。采用《焊接及相关工艺、铁素体钢电弧焊接金属中氢含量的测定》（ISO 3690—2012）标准多次测量CHE807RH焊条熔敷金属扩散氢含量，结果见表3.7.12。由测试结果可知熔敷金属扩散氢含量均小于4.0m L/100g（水银法），CHE807RH焊条达到超低氢焊条的要求。
（8）CHE807RH焊条斜Y形坡口对接裂纹试验。试验4.0mm焊条，试板厚度36mm。试验结果，预热温度50℃、70℃，表面裂纹率、根部裂纹率、断面裂纹率均为零。
表3.7.12 CHE807RH熔敷金属扩散氢含量
图3.7.7 CHE807RH焊条热影响区组织
（7）CHE807RH焊条熔敷金属扩散氢含量。采用《焊接及相关工艺、铁素体钢电弧焊接金属中氢含量的测定》（ISO 3690—2012）标准多次测量CHE807RH焊条熔敷金属扩散氢含量，结果见表3.7.12。由测试结果可知熔敷金属扩散氢含量均小于4.0m L/100g（水银法），CHE807RH焊条达到超低氢焊条的要求。
（8）CHE807RH焊条斜Y形坡口对接裂纹试验。试验4.0mm焊条，试板厚度36mm。试验结果，预热温度50℃、70℃，表面裂纹率、根部裂纹率、断面裂纹率均为零。
表3.7.12 CHE807RH熔敷金属扩散氢含量
（9）厂家推荐的焊接工艺参数：
1）焊前焊条经350～380℃保温2h烘焙。
2）推荐采用V形坡口。
3）预热及焊道间温度：预热温度应不低于100℃，焊道间温度100～150℃。
4）φ3.2mm焊条焊接参数：电流110～130A，电压22～24V。
5）φ4.0mm焊条焊接参数：电流150～180A，电压23～25V。
6）焊后消氢处理：加热温度200～250℃，保温2h。
7）试验用母材，采用B780CF品牌790MPa级高强调质钢。
3.7.3.4 焊接材料主要技术特点
（1）通过熔敷金属合金元素的组合设计，设计了一种高强度、高韧性、低裂纹敏感性的1.5Mn-0.4Cr-0.5Mo-1.5Ni合金体系。
（2）通过对各种原辅材料进行合理的配备、试验，设计出一种具有良好操作性能的CaF2-CaCO3-Si2O3-TiO2高碱度渣系，碱度系数达到3.2。
（3）通过对某些原辅材料进行了特殊处理，降低了焊条药皮的结晶水含量；同时加入多种碳酸盐、氟化物等提高脱氢能力降低熔敷金属扩散氢的含量。
（9）厂家推荐的焊接工艺参数：
1）焊前焊条经350～380℃保温2h烘焙。
2）推荐采用V形坡口。
3）预热及焊道间温度：预热温度应不低于100℃，焊道间温度100～150℃。
4）φ3.2mm焊条焊接参数：电流110～130A，电压22～24V。
5）φ4.0mm焊条焊接参数：电流150～180A，电压23～25V。
6）焊后消氢处理：加热温度200～250℃，保温2h。
7）试验用母材，采用B780CF品牌790MPa级高强调质钢。
3.7.3.4 焊接材料主要技术特点
（1）通过熔敷金属合金元素的组合设计，设计了一种高强度、高韧性、低裂纹敏感性的1.5Mn-0.4Cr-0.5Mo-1.5Ni合金体系。
（2）通过对各种原辅材料进行合理的配备、试验，设计出一种具有良好操作性能的CaF2-CaCO3-Si2O3-TiO2高碱度渣系，碱度系数达到3.2。
（3）通过对某些原辅材料进行了特殊处理，降低了焊条药皮的结晶水含量；同时加入多种碳酸盐、氟化物等提高脱氢能力降低熔敷金属扩散氢的含量。
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