10Ni5CrMoV钢在大尺寸厚板承压管板结构大拘束条件下,冷裂纹问题十分严重,工程实践表明,即使采用超低氢焊材,在严格的预热-后热工艺条件下仍然无法控制。现有的以临界断裂应力为代表的众多冷裂纹评判标准不能对10Ni5CrMoV钢焊接结构裂纹敏感性进行准确判定,需要对10Ni5CrMoV钢拘束结构冷裂纹的形成规律进行基础研究,期望提出一种针对大拘束结构的合理判据,并依此判据,从焊接材料、工艺方法等方面提出有效的解决措施。为此,本文以10Ni5CrMoV钢大拘束承压管板结构为研究对象,深入研究焊接接头冷裂纹产生规律,开发具有高强度、高韧性、优良焊接性的奥氏体焊丝,全面有效的抑制10Ni5CrMoV钢大拘束管板结构焊接冷裂纹的产生。首先,采用理论分析与试验相结合的方法对10Ni5CrMoV钢焊接接头冷裂纹影响因素及产生规律进行了基础研究。鉴于现有的冷裂纹判定准则不适合10Ni5CrMoV钢焊接接头,深入分析了10Ni5CrMoV钢焊接接头冷裂纹形成的三要素。三维原子探针试验结果表明,焊缝中的氢含量远远大于HAZ中的氢含量,采用色谱法测量了不同工作条件下焊缝中的扩散氢含量;采用水冷铜模方法,绘制了焊缝金属的CCT图,表明在一定条件下焊缝组织变化不大,不是冷裂纹形成的主要原因;采用数值分析方法对10Ni5CrMoV钢典型焊接结构拘束度和焊缝金属的最大应变进行了定量计算,结果表明,管板结构的拘束度最大,焊缝金属的应变随着拘束度的增大而增大。因此,10Ni5CrMoV钢管板结构的冷裂纹形成需要重点考虑焊缝金属中的氢和焊接接头的拘束度。采用阴极电解预充氢方法进行了焊缝金属充氢拉伸试验,得到了不同氢含量下焊缝金属的力学性能,结果表明,氢含量对焊缝金属强度指标影响小,而对以延伸率为代表的塑性指标影响很大。所以,以不同氢含量下的塑性指标为冷裂纹判据更为合理。对电解充氢拉伸试验中的延伸率与氢含量关系数据进行了高斯拟合,获得了焊缝金属中[H]含量与延伸率的方程,将临界应变作为10Ni5CrMoV钢焊缝金属冷裂纹形成的主要依据。如果焊接接头的最大应变大于临界应变,则会产生冷裂纹。考虑到结构拘束度与焊缝金属的应变存在关联,进而进行了无拘束对接、窗口拘束对接、斜y坡口拘束对接和杯形管接等抗裂试验,验证了该判据的可行性。然后,根据上述研究,10Ni5CrMoV钢管板结构必须采用大延伸率的奥氏体焊材。为此,开发了高强度、高韧性、优良焊接性的高Cr-Ni奥氏体焊丝。理论分析与试验相结合,优化、确定了焊丝化学成分。对焊丝的工艺焊接性、使用焊接性和耐腐蚀性进行了初步验证试验,焊缝金属抗拉强度均在740MPa以上,延伸率在30%以上,冲击韧性平均值在107J以上,结果表明满足性能指标要求。为了确定高Cr-Ni奥氏体焊丝对厚板多层多道焊的适应性,进一步研究了高强韧奥氏体焊丝GMAW保护气体优选及抗裂性。采用高速摄影、物相分析等手段对Ar/He/CO₂/N₂一元、二元、三元保护气体下的电弧挺度、熔滴过渡稳定性、焊缝金属力学性能进行了充分研究,最终确定了45%Ar+50%He+5%N₂三元气体为最佳的高Cr-Ni奥氏体焊丝焊接用保护气体,保护气体中N₂的加入,确保焊缝金属中N元素的含量。所获得的多层多道焊接接头成形良好,焊缝金属的强度、冲击韧性和延伸率满足工程要求。45%Ar+50%He+5%N₂三元气体高Cr-Ni奥氏体焊丝抗裂性试验无损检测和剖面检查结果表明,不预热条件下的斜y坡口、窗口拘束和杯形管节等抗裂试验的焊接接头无冷裂纹,满足大刚性结构的抗裂要求。最后,对所开发的高Cr-Ni奥氏体焊丝应用于10Ni5CrMoV钢焊接进行了试板级和典型管板大拘束模拟结构的工程验证。焊接试板使用焊接性试验结果表明,焊接接头拉伸性能均在839MPa以上;弯曲试验面没有出现任何缺陷,具有良好的抗冷弯能力;V型缺口-50℃的低温冲击功均在92J以上。三种管板模拟结构焊接接头无损检测结果合格。焊接接头宏观照片表明,多层多道焊成形良好,没有发现裂纹、未熔合和气孔等宏观缺陷。焊缝金属强度、塑性满足工程技术指标的要求。