塑性損傷對焊接接頭熱影響區韌性的影響

吳 瑤，齊孟雪，趙會友

（中國礦業大學（北京），北京100083）

塑性損傷對焊接接頭熱影響區韌性的影響

吳 瑤，齊孟雪，趙會友

（中國礦業大學（北京），北京100083）

基于小沖桿試驗法對25Cr2Ni2MoV百萬千瓦級核電汽輪機焊接轉子深窄間隙埋弧焊接頭熱影響區進行了力學性能評估。通過有限元方法模擬得到焊接轉子接頭的殘余應力分布及塑性應變的演變過程，并引進非線性塑性損傷理論進行汽輪機轉子接頭韌性分析。小沖桿試驗結果表明，埋弧焊熱影響區斷裂韌性沿著深度方向存在差異，斷裂韌性呈現為“中間高兩端低”分布特征。由于焊接過程中塑性應變累積，熱影響區塑性損傷程度不同，材料塑性儲備能變化導致接頭熱影響區韌性差異。

斷裂韌性；小沖桿試驗；數值模擬；塑性損傷

0 前言

隨著中國經濟的高速發展以及環境保護的壓力，大容量高參數的發電機組成為我國電力發展的主要方向之一[1]。汽輪機轉子是影響整個機組安全性的關鍵部件，利用焊接方法制造百萬千瓦級核電汽輪機低壓轉子已成為轉子制造領域的重要研究方向。

低壓焊接轉子長期服役于高溫高壓的惡劣工況，需對汽輪機焊接轉子進行力學性能尤其是強韌性的檢測與評估。目前國內外對焊接非均勻接頭的強韌性測試依然采用常規試驗方法，而焊接接頭各微區力學性能存在差異，導致測試結果存在較大散差。小沖桿試驗法作為一種新型的材料微區力學性能測試方法，能較準確地確定微區材料的力學性能[2]。本研究對25Cr2Ni2MoV百萬千瓦級核電低壓轉子埋弧焊熱影響區取樣并進行小沖桿試驗，獲得轉子接頭不同位置的焊接熱影響區斷裂能，結果顯示沿著焊縫深度方向斷裂能不同。

為研究焊接轉子小沖桿試驗中不同位置熱影響區斷裂能差異產生的原因，采用熱-彈塑性有限元模型進行焊接數值模擬。目前已有相關文獻通過有限元法研究了焊接中溫度場與殘余應力分布[3-6]，重點關注厚板窄間隙焊中殘余應力數值模擬，但

尚未深入分析塑性應變及其對材料性能的影響。本研究以此為背景，利用商用Abaqus有限元軟件，建立熱-彈塑性有限元模型對焊接轉子的殘余應力應變進行了數值模擬。同時引入非線性連續塑性損傷力學分析焊接接頭熱影響區斷裂韌度差異的原因。相關研究對評價百萬千瓦級核電低壓焊接轉子接頭熱影響區性能和服役安全性具有重要的參考意義。

1 小沖桿試驗方法

1.1 模擬件結構和材料

選用百萬千瓦級核電汽輪機低壓焊接轉子1∶1模擬件，如圖1所示，焊件外徑900 mm、內徑約600mm、寬約243mm。母材為25Cr2Ni2MoV耐熱鋼，其化學成分如表1所示。模擬件打底和底部焊縫采用填絲氬弧橫焊（TIG），后續坡口的填充采用埋弧平焊，焊絲為2.5％Ni低合金鋼。

模擬件采用與實際產品相同的坡口設計、裝配、預熱和焊接等生產工藝進行制造，并用于小沖桿試驗。

圖1 焊接轉子模擬件示意

表1 25Cr2Ni2MoV母材化學成分％

1.2 小沖桿試驗過程

小沖桿試驗基于現有的萬能試驗機，自主設計符合小沖桿試驗要求的工裝夾具，如圖2所示，將其裝置于島津AG-X立式電子萬能試驗機中進行試驗。

圖2 小沖桿試驗工裝夾具

取樣時，先沿著轉子模擬件徑向方向截取試板（見圖1），經表面磨拋并用高溫過飽和苦味酸溶液腐蝕，在母材及熱影響區測繪的基礎上，再從試板上線切割截取熱影響區切片試樣，如圖3所示。考慮到試樣的尺度效應以及制樣方便性，采用的小沖桿試驗試樣為方形薄片。熱影響區取樣區域及位置如圖3、圖4所示，在熱影響區取樣方案中，1號、3號和5號試樣對應埋弧焊焊縫熱影響區的上部、中部和下部，2號試樣對應埋弧焊熱影響區上部和中部之間的位置，4號試樣對應埋弧焊熱影響區中部和底部之間的位置。每個位置處各取2個試樣，分為a、b兩組。取樣后經過磨拋處理得到小沖桿試樣。

圖3 焊接接頭金相照片

圖4 小沖桿試驗試樣取樣位置

在試驗機上設置小沖桿試驗參數，以壓縮位移控制模式進行加載，試驗加載速率為，直至卸載。依次進行各試樣的小沖桿試驗，記錄并保存其載荷-位移曲線。

1.3 試驗結果

小沖桿試驗共進行兩組10個試樣的測試，同一組試樣均在試板同側。小沖桿試樣在掃描電鏡下的斷裂形貌俯視圖如圖5所示，沿著圖中虛線方向將試樣切開得到試樣斷口金相圖，如圖6所示。小沖桿斷裂失效位置在偏離試樣中心一定距離的位置處，隨著載荷位移的增加，試樣出現頸縮現象，最終因局部嚴重頸縮而發生斷裂失效。

圖5 試樣斷裂形貌俯視圖

圖6 試樣斷口截面金相圖

借助Matlab軟件，對原始載荷-位移曲線進行誤差修正，消除因上下模具對中狀況不理想所導致的摩擦載荷積累。修正前后載荷位移曲線如圖7所示，修正曲線中Fmax為最大載荷，Ff為失穩載荷，該曲線包含了彈塑性變形等力學性能信息。對修正的有效載荷-位移曲線進行面積積分得到小沖桿試樣斷裂能，如表2所示。

圖7 載荷-位移曲線

表2 小沖桿斷裂能

焊縫各個部位的熱影響區小沖桿斷裂能重復測試結果較穩定。總體而言，埋弧焊中部焊縫熱影響區斷裂能高，上部和下部焊縫熱影響區斷裂能較低。在惡劣工況下，工件外部力學性能尤為重要,需進一步分析導致斷裂能差異的內在原因。

2 有限元模型

小沖桿試驗結果反映埋弧焊不同位置熱影響區斷裂能存在差異，為此建立了汽輪機焊接轉子窄間隙多層多道焊有限元模型。通過數值模擬方法分析焊接過程中應力分布情況及應變規律。

2.1 有限元模型建立

焊接過程溫度從室溫開始上升至2 000℃，然后冷卻到室溫。如圖8所示，伴隨著溫度變化，材料的導熱系數、比熱、密度、膨脹系數、彈性模量、屈服強度、抗拉強度等性能均會發生變化，其中高于1 000℃的數據用外推法獲得。考慮到焊接過程中的相變作用，通過線膨脹量變化來表征馬氏體與奧氏體相變應變。

對于環形幾何軸對稱焊接接頭，在剛度拘束較大時，其二維軸對稱有限元模型與完全三維有限元模型的結果一致[7]。本研究采用軸對稱有限元模型，如圖9所示，采用結構化技術與掃略化技術對幾何模型進行網格劃分，焊縫及熱影響區網格細化，遠離焊縫區的母材網格尺寸適當增大。整個模型包括6 685個單元（節點數6 633個），其中焊縫區包含

4 602個單元。熱分析單元類型為DCAX4單元，彈塑性單元類型為CAX4R單元。

圖8 材料屬性隨溫度變化關系

圖9 有限元軸對稱模型

邊界條件包含熱邊界條件與位移邊界條件。轉子所有外邊界均與周圍空氣進行對流換熱，參考轉子焊接生產夾持情況，轉子外邊緣施加位移拘束。在模擬計算中，采用生死單元技術，依次激活焊道單元并施加瞬態熱載荷獲得隨時間變化的溫度場。焊縫單位長度輸入的能量為

式中Q為焊縫單位體積上的有效能量輸入；U、I分別為電壓與電流；V為相應焊道的單位體積；η為熱效率。

在熱源加載中，為保證焊縫金屬完全熔化，通過調整各焊道的熱輸入及焊接電弧停留時間，使得焊縫金屬溫度達到1800℃時，正好出現一個合理的熱影響區（溫度在AC1以上的區域）。在彈塑性分析中，將各節點溫度歷史作為熱載荷施加到結構模型中。考慮到在加熱和冷卻過程中材料將發生奧氏體與馬氏體相轉變，在此采用Abaqus子程序來實現相變過程模擬。

2.2 有限元模擬結果

計算獲得了切向應力及軸向應力的分布規律，如圖10所示。可以看出，焊縫區切向應力為拉應力，峰值拉應力出現在外圓焊縫處，近焊縫母材處于壓應力狀態。沿著焊件厚度方向，軸向應力較小，總體呈現壓應力狀態，峰值拉應力出現在內圓表面即TIG打底焊區域。這與實測結果分布規律一致。

圖10 切向與軸向應力分布云圖（單位：MPa）

采用小孔法測量轉子模擬件接頭外圓焊接殘余應力，外圓焊接殘余應力模擬結果與模擬件測試結果的比較如圖11所示。切向最大應力出現在焊縫區處，由于焊道的原因，會出現一定波動。沿著母材方向切向殘余應力迅速下降為壓應力，然后逐漸上升為拉應力。軸向最大應力出現在母材近焊縫處，在焊縫處出現下凹的分布規律，并且沿著母材方向逐漸減小至零。

通過試驗對比可以發現，有限元熱-彈塑性模

擬結果準確，與測試結果吻合較好，驗證了有限元計算結果的可靠性。

圖11 切向與軸向應力測量與模擬值對比（單位：MPa）

基于上述有限元模型，獲取焊接過程中等效塑性應變以分析其塑性應變歷史。圖12為焊縫熱影響區一節點等效塑性應變隨焊接溫度循環的變化規律。初始階段材料處于彈性狀態，不存在塑性應變區。隨著溫度循環的推移，由于熔池熔化凝固及近焊縫金屬升溫冷卻的作用，該區域的塑性應變量逐漸累積增加，直至焊接終止時塑性應變最終分布的殘余狀態。焊接轉子模擬件中塑性應變為一個非線性的累積過程，等效塑性應變是整個焊接過程中塑形應變的累積結果。

圖12 溫度-等效塑性應變歷程

3 焊接熱影響區韌性分析

小沖桿試驗斷裂能表征了試樣斷裂前消耗的總能量，在一定程度上反映了微區試樣的斷裂韌性。Mao[8-9]等人針對多種材料采用兩種不同尺寸的小沖桿試樣進行了大量試驗研究，推導出韌性材料斷裂韌性和等效斷裂應變之間存在線性關系。Bulloch對四種CrMoV鋼進行了不同溫度下的小沖桿試驗，通過計算擬合給出了斷裂應變與小沖桿斷裂能的線性關系式[10]。小沖桿斷裂能可間接表征和評估基于雙軸斷裂應變的斷裂韌性，焊接轉子熱影響區小沖桿斷裂能差異實質是斷裂韌性的差異。

Lemaitra[11]等人在實驗的基礎上，通過一些近似處理，建立了一種各向同性的塑形損傷理論，推導得出如下韌性損傷準則

式中ω為損傷變量；ωc為損傷閾值；εR和εω分別為一維條件下損傷開始時的應變和產生宏觀裂紋時的應變；p為累積塑性應變；ν為泊松比；σm為靜水壓力為等效應力。

由式（2）可知，損傷變量與累積塑性應變表現出線性正相關性，即材料的累積塑性應變增加將加劇其損傷程度。在初始材料損傷閾值一定的情況下，材料斷裂韌性與其塑性儲備量有關。

對應前述小沖桿試驗取樣位置，從上述轉子彈塑性有限元模型中獲取埋弧焊對應位置熱影響區等效塑性應變，即為累積塑性應變。等效塑性應變大于零表明材料發生了屈服，并以等效塑性應變的相反數表征材料塑性應變儲備。環形模擬件埋弧焊不同位置焊縫熱影響區小沖桿試驗斷裂能與對應熱影響區塑性應變儲備比較如圖13所示。從焊接轉子埋弧焊不同部分熱影響區斷裂能變化規律可知，中間部分斷裂韌性優于上部和下部的斷裂韌性。同時，焊后熱影響區不同部位塑性應變儲備存有差異，埋弧焊中部塑性應變儲備大，上部與下部塑性應變儲備較小。

圖13 塑性應變儲備與小沖桿斷裂能比較

從微觀的角度看，在焊接生產過程中，伴隨著塑性變形，材料內部將形成大量的微觀缺陷（如微裂紋和微孔洞），這些微缺陷的存在導致實際的有效承載面積減小。當其累積塑性損傷較大時，材料內微觀缺陷長大擴展，塑性應變儲備相應減少。埋弧焊上部與下部熱影響區塑性儲備少，合理解釋了對應位置小沖桿試驗韌性偏低的原因。

在多層多道焊中，轉子材料處于復雜熱力學環境，對其韌性評定中需考慮生產中的塑性損傷。對于金屬成形等大變形問題，應嚴格依據生產工藝來確定許用的塑性應變量。

4 結論

（1）進行了25Cr2Ni2MoV百萬千瓦級核電汽輪機低壓焊接轉子1∶1模擬件埋弧焊熱影響區小沖桿試驗，獲得不同位置熱影響區斷裂能分布規律；使用掃描電鏡觀察小沖桿試樣斷口，推導了小沖桿試樣斷裂失效過程。

（2）針對小沖桿試驗測試結果，采用軸對稱有限元法對汽輪機轉子焊接過程進行數值模擬，獲得埋弧焊熱影響區累積塑性應變分布。

（3）引入塑性損傷力學評估焊接熱影響區韌性損傷。材料的塑性損傷在焊接過程中累積，進而影響焊接構件的宏觀力學性能。材料塑性儲備是影響汽輪機焊接轉子韌性的主要因素之一。

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Influence of plastic damage on fracture toughness of weld heat affected zone

WU Yao，QI Mengxue，ZHAO Huiyou
（China University of Mining&Technology，Beijing 100083，China）

Small punch test has been researched and applied to mechanical properties of heat affected zone（HAZ）of deep narrow gap submerged arc welding joint in million kilowatt nuclear power steam turbine rotor made of 25Cr2Ni2MoV steel.The finite element method is used tosimulate the distribution ofresidual stresses and the evolution ofplastic strain in such components.And nonlinear plastic damage theory is introduced to the analysis of the toughness of steam turbine rotor joint.The results of the small punch test show that the fracture toughness varies along the depth direction in the welding heat affected zone of submerged arc welding.The fracture toughness appears as the characteristics of high intermediate and low at two ends.Due to the accumulation of plastic strain in welding process，the degree of plastic damage in the weldingHAZis different.Then plasticity-reserve contributes tothe weldingHAZtoughness variation.

fracture toughness；small punch test；numerical simulation；plastic damage

TG407

A

1001-2303（2016）10-0096-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.10.20

獻

吳瑤，齊孟雪，趙會友.塑性損傷對焊接接頭熱影響區韌性的影響[J].電焊機，2016，46（10）：96-101.

2015-12-14；

2016-06-25

吳瑤（1989—），男，湖北天門人，在讀碩士，主要從事焊接數值模擬的研究工作。