熱輸入對馬氏體不銹鋼焊接接頭變形及強度的影響

楊爍 趙偉 周冠男

摘 要：分別采用氬弧焊、微束等離子弧焊和激光焊3種方法對2 mm厚的0Cr11Ni2MoVNb馬氏體不銹鋼板進行了對接焊，利用計算機有限元軟件對3種焊接方法的接頭變形情況進行了仿真，并對接頭進行了拉伸試驗，測試了接頭的抗拉強度和延伸率。結果表明：焊接接頭變形由大到小的順序為：氬弧焊、微束等離子弧焊、激光焊，其中激光焊接角變形量最小為0.8°，而氬弧焊的變形量相對較大達到了6.1°。微束等離子弧焊接接頭抗拉強度最高為902 MPa，氬弧焊接頭最低為854 MPa，微束等離子弧焊接接頭延伸率最高為10.1%，氬弧焊接頭最低為8.1%。

關鍵詞：熱輸入 焊接變形 抗拉強度 計算機仿真

中圖分類號：TG44 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（b）-0085-02

燃氣輪機在航空、電力、化工、冶煉等領域應用廣泛，是非常重要的動力裝置，在國家建設與經濟發展中起到關鍵作用[1-3]。燃燒室作為燃氣輪機最為關鍵的組件之一，其工作溫度高，環境也相對惡劣，這就需要制作燃燒室的材料具有良好的高溫性能。同時作為核心部位還需要承受一定的機械力，其殼體需要有較高的強度和硬度[4]。除此之外，燃燒室還存在著熱脹冷縮的現象，其材料需要一定的自由伸縮度。為達到上述標準及要求，制作燃燒室的筒體材料需要一定的抗高溫能力，且在高溫高壓下具有良好的強度和硬度、穩定的組織性能，在較惡劣的工作環境中能夠保持穩定的機械性能，因此在實際應用中通常選擇高溫變形合金及不銹鋼材料。0Cr11Ni2MoVNb馬氏體不銹鋼是制造燃氣輪機的重要材料，該材料成分復雜、強度高、塑性差，焊接工藝難度較大[5]。針對0Cr11Ni2MoVNb馬氏體不銹鋼薄板，探索了氬弧焊、微束等離子焊、激光焊3種工藝，對焊接接頭變形進行了計算機有限元模擬，測試了焊接接頭變形量及抗拉強度，為0Cr11Ni2MoVNb馬氏體不銹鋼薄板焊接工程應用提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗中所用材料為0Cr11Ni2MoVNb馬氏體不銹鋼，試驗中試板尺寸為150×100×2 mm，對接接頭。分別采用氬弧焊、微束等離子弧焊、激光焊接3種方法，焊接參數見表1。焊接后首先采用X射線和超聲波進行無損檢測，對無缺陷的接頭測試變形情況，并利用線切割機垂直于焊縫方向截取拉伸試樣，并保證焊縫位于拉伸件的中心。拉伸試樣的制備和試驗按照GB/T 2651-2008進行，每種焊接工藝方法取3個拉伸試樣，室溫條件下在萬能力學實驗機上進行拉伸實驗，測試接頭的抗拉強度和延伸率。

2 結果和討論

2.1 焊接接頭變形分析

為不同焊接方法焊接時試板變形的計算機仿真情況，在熔化焊接過程中，焊縫區域的材料經歷先加熱后冷卻的過程，由于加熱過程發生的塑性變形無法完全恢復，焊接冷卻后，變形稱為焊接殘余變形。由于焊接熱源和焊接過程復雜性的特點，焊件中殘留的局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導致在結構內部產生了焊接應力與變形；在冷卻過程中，焊縫金屬冷卻時，當它液態轉為固態時，其體積要收縮，焊接接頭各部分金屬受熱膨脹及冷卻收縮的程度也不同，導致焊件變形。總體上講，焊縫區域的材料發生收縮，從而焊縫發生變形，但變形的具體形式與材料的本身特性、板厚、約束條件、熱輸入量等均有關系。相比而言氬弧焊的焊縫處變形最大達到5.8°，激光焊的焊縫最大變形僅為0.9°，微束等離子弧焊的焊縫最大變形量處于上述兩焊接方法之間為3.7°。

焊后根據焊接接頭角變形測試方法測量了不同工藝下接頭的變形量，并將測量結果與有限元模擬結果進行了對比。相比較而言激光焊由于熱源加熱集中，其變形量最小，整體變形的變化情況與有限元模擬一致，由于本身變形量并不大，另外在有限元模擬過程進行了適當地簡化，因此與實測結果存在一定的誤差，其中激光焊接接頭變形的誤差最大達到了12.5%。

2.2 焊接接頭抗拉強度分析

利用萬能電子拉伸試驗機進行了拉伸試驗，測試了不同焊接方法焊接得到的接頭的抗拉強度和延伸率。相比而言微束等離子弧焊接接頭的抗拉強度最高為902 MPa，而鎢極氬弧焊的抗拉強度最低為854 MPa。這主要是由于微束等離子弧焊和激光焊，焊接接頭熱輸入集中，熱影響區窄，從而提高了抗拉強度，但是由于激光焊接過程激光對熔池具有較強的沖擊作用，從而導致接頭表面下凹程度高于微束等離子弧焊接，其接頭的承載面積減小，導致接頭強度低于微束等離子弧焊。另外由于熱源集中使得晶粒未發生長大，因此微束等離子弧焊接接頭的延伸率最高，達到了10.1%。

3 結語

計算機模擬和測試結果表明，焊接接頭變形由大到小的順序為：氬弧焊、微束等離子弧焊、激光焊，其中激光焊接角變形量最小為0.8°，而鎢極氬弧焊的變形量相對較大達到了6.1°。在該試驗條件下，氬弧焊、微束等離子弧焊、激光焊接方法得到的接頭抗拉強度分別為：854 MPa、902 MPa、891 MPa，延伸率分別為：8.1%、 10.1%、9.2%。說明熱輸入是決定接頭強度和延伸率的根本原因，焊接接頭熱輸入集中，熱影響區窄，可有效提高焊接接頭的抗拉強度和延伸率。

參考文獻

[1] 荀柏秋，李琦，趙烏恩.高溫材料在燃氣輪機中的應用和發展[J].熱能動力工程，2004，19（5）：448-449.

[2] 沈邱農.重型燃氣輪機產業的發展與自主化明[J].發電設備，2007，2（6）：93-97.

[3] 鄭捷簡，鄧勇.燃氣輪機轉子輪盤超速及預應力試驗[J].燃氣輪機技術，2006，5（3）：44-46.

[4] 馮濤.大型馬氏體不銹鋼轉輪焊接工藝研究[J].東方電氣評論，2000，13（4）：214-216.

[5] 羅昌森，郭熠.00Cr13Ni5Mo焊絲焊接1Cr13馬氏體不銹鋼的組織與性能[J].熱加工工藝，2011，25（3）：36-38.