热输入对马氏体不锈钢焊接接头变形及强度的影响

杨烁 赵伟 周冠男

摘 要：分别采用氩弧焊、微束等离子弧焊和激光焊3种方法对2 mm厚的0Cr11Ni2MoVNb马氏体不锈钢板进行了对接焊，利用计算机有限元软件对3种焊接方法的接头变形情况进行了仿真，并对接头进行了拉伸试验，测试了接头的抗拉强度和延伸率。结果表明：焊接接头变形由大到小的顺序为：氩弧焊、微束等离子弧焊、激光焊，其中激光焊接角变形量最小为0.8°，而氩弧焊的变形量相对较大达到了6.1°。微束等离子弧焊接接头抗拉强度最高为902 MPa，氩弧焊接头最低为854 MPa，微束等离子弧焊接接头延伸率最高为10.1%，氩弧焊接头最低为8.1%。

关键词：热输入 焊接变形 抗拉强度 计算机仿真

中图分类号：TG44 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（b）-0085-02

燃气轮机在航空、电力、化工、冶炼等领域应用广泛，是非常重要的动力装置，在国家建设与经济发展中起到关键作用[1-3]。燃烧室作为燃气轮机最为关键的组件之一，其工作温度高，环境也相对恶劣，这就需要制作燃烧室的材料具有良好的高温性能。同时作为核心部位还需要承受一定的机械力，其壳体需要有较高的强度和硬度[4]。除此之外，燃烧室还存在着热胀冷缩的现象，其材料需要一定的自由伸缩度。为达到上述标准及要求，制作燃烧室的筒体材料需要一定的抗高温能力，且在高温高压下具有良好的强度和硬度、稳定的组织性能，在较恶劣的工作环境中能够保持稳定的机械性能，因此在实际应用中通常选择高温变形合金及不锈钢材料。0Cr11Ni2MoVNb马氏体不锈钢是制造燃气轮机的重要材料，该材料成分复杂、强度高、塑性差，焊接工艺难度较大[5]。针对0Cr11Ni2MoVNb马氏体不锈钢薄板，探索了氩弧焊、微束等离子焊、激光焊3种工艺，对焊接接头变形进行了计算机有限元模拟，测试了焊接接头变形量及抗拉强度，为0Cr11Ni2MoVNb马氏体不锈钢薄板焊接工程应用提供参考。

1 试验材料和方法

试验中所用材料为0Cr11Ni2MoVNb马氏体不锈钢，试验中试板尺寸为150×100×2 mm，对接接头。分别采用氩弧焊、微束等离子弧焊、激光焊接3种方法，焊接参数见表1。焊接后首先采用X射线和超声波进行无损检测，对无缺陷的接头测试变形情况，并利用线切割机垂直于焊缝方向截取拉伸试样，并保证焊缝位于拉伸件的中心。拉伸试样的制备和试验按照GB/T 2651-2008进行，每种焊接工艺方法取3个拉伸试样，室温条件下在万能力学实验机上进行拉伸实验，测试接头的抗拉强度和延伸率。

2 结果和讨论

2.1 焊接接头变形分析

为不同焊接方法焊接时试板变形的计算机仿真情况，在熔化焊接过程中，焊缝区域的材料经历先加热后冷却的过程，由于加热过程发生的塑性变形无法完全恢复，焊接冷却后，变形称为焊接残余变形。由于焊接热源和焊接过程复杂性的特点，焊件中残留的局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形；在冷却过程中，焊缝金属冷却时，当它液态转为固态时，其体积要收缩，焊接接头各部分金属受热膨胀及冷却收缩的程度也不同，导致焊件变形。总体上讲，焊缝区域的材料发生收缩，从而焊缝发生变形，但变形的具体形式与材料的本身特性、板厚、约束条件、热输入量等均有关系。相比而言氩弧焊的焊缝处变形最大达到5.8°，激光焊的焊缝最大变形仅为0.9°，微束等离子弧焊的焊缝最大变形量处于上述两焊接方法之间为3.7°。

焊后根据焊接接头角变形测试方法测量了不同工艺下接头的变形量，并将测量结果与有限元模拟结果进行了对比。相比较而言激光焊由于热源加热集中，其变形量最小，整体变形的变化情况与有限元模拟一致，由于本身变形量并不大，另外在有限元模拟过程进行了适当地简化，因此与实测结果存在一定的误差，其中激光焊接接头变形的误差最大达到了12.5%。

2.2 焊接接头抗拉强度分析

利用万能电子拉伸试验机进行了拉伸试验，测试了不同焊接方法焊接得到的接头的抗拉强度和延伸率。相比而言微束等离子弧焊接接头的抗拉强度最高为902 MPa，而钨极氩弧焊的抗拉强度最低为854 MPa。这主要是由于微束等离子弧焊和激光焊，焊接接头热输入集中，热影响区窄，从而提高了抗拉强度，但是由于激光焊接过程激光对熔池具有较强的冲击作用，从而导致接头表面下凹程度高于微束等离子弧焊接，其接头的承载面积减小，导致接头强度低于微束等离子弧焊。另外由于热源集中使得晶粒未发生长大，因此微束等离子弧焊接接头的延伸率最高，达到了10.1%。

3 结语

计算机模拟和测试结果表明，焊接接头变形由大到小的顺序为：氩弧焊、微束等离子弧焊、激光焊，其中激光焊接角变形量最小为0.8°，而钨极氩弧焊的变形量相对较大达到了6.1°。在该试验条件下，氩弧焊、微束等离子弧焊、激光焊接方法得到的接头抗拉强度分别为：854 MPa、902 MPa、891 MPa，延伸率分别为：8.1%、 10.1%、9.2%。说明热输入是决定接头强度和延伸率的根本原因，焊接接头热输入集中，热影响区窄，可有效提高焊接接头的抗拉强度和延伸率。

参考文献

[1] 荀柏秋，李琦，赵乌恩.高温材料在燃气轮机中的应用和发展[J].热能动力工程，2004，19（5）：448-449.

[2] 沈邱农.重型燃气轮机产业的发展与自主化明[J].发电设备，2007，2（6）：93-97.

[3] 郑捷简，邓勇.燃气轮机转子轮盘超速及预应力试验[J].燃气轮机技术，2006，5（3）：44-46.

[4] 冯涛.大型马氏体不锈钢转轮焊接工艺研究[J].东方电气评论，2000，13（4）：214-216.

[5] 罗昌森，郭熠.00Cr13Ni5Mo焊丝焊接1Cr13马氏体不锈钢的组织与性能[J].热加工工艺，2011，25（3）：36-38.