焊接电流对异种钢焊接接头组织和力学性能的影响

康 举 ，王智春 ，吴 勇 ，赵卫东 ，曾燕屏 ，张元伟

（1.华北电力科学研究院有限责任公司国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京100045；2.北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083）

0 前言

目前火力发电在我国的电力结构中仍占据主导地位[1]，汽轮机作为火力发电厂的三大主机之一，其部件的安全可靠性直接关系着电力行业的安全。隔板是汽轮机的核心部件，用于固定静叶片和阻止级间漏汽。它工作在高温、高压、高湿环境下，要求隔板必须具有较高的强度和刚度、较好的严密性和高温蠕变性能[2]。通常采用高温蠕变性能优良的9%~11%Cr铁素体/马氏体耐热钢作为隔板材料[3]。

汽轮机的隔板和静叶通过焊接组装而成[4]，其焊接工艺不仅影响焊接接头的质量及焊接效率，同时也影响汽轮机的运行稳定性和运行效率。近年来随着国内电力工业的迅速发展，多次发生中压隔板静叶脱落事故[5]。因此，本研究以1000 MW级汽轮机中压隔板静叶和隔板体为试验材料，研究焊接工艺对不同材质的隔板和静叶焊接接头显微组织和力学性能的影响，为优化焊接工艺提供可靠依据。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

隔板材料为2Cr11MoVNbN，叶片材料为12Cr1 0Co3W2NiMoVNbNB，焊丝牌号为ER410，3种材料的化学成分如表1所示。

1.2 试验方法

采用窄间隙气体保护焊，隔板体侧为15°的单V型焊接坡口，保护气体为 φ（Ar）85%+φ（CO2）15%，焊前预热温度250～300℃，层间温度250～300℃，焊接电压27~31 V，焊接电流分别为240 A、270 A和300 A，焊接速度相同。焊后热处理工艺：760±10℃，保温1.5 h，升降温速率300℃/h。

按照金属材料室温拉伸试验方法GB/T 228-2010和金属材料高温拉伸试验方法GB/T 228.2-2015对焊接接头进行室温和高温（536℃）拉伸试验，试样直径φ5 mm，标距25 mm。按照金属材料夏比摆锤冲击试验方法GB/T229-2007对焊接接头进行室温夏比冲击试验，试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm，V型缺口分别开在隔板侧焊接熔合线、焊缝中心和叶片侧焊接熔合线处。按照金属材料弯曲试验方法GB/T 232-2010对焊接接头进行室温弯曲试验，每组焊接电流下取正弯、背弯试样各一个，弯曲角为 180°，试样尺寸 10 mm×30 mm×160 mm。将焊接接头试样进行研磨、抛光，然后用盐酸氯化铁溶液（50 mL HCl+5 g FeCl3+100 mL H2O）进行侵蚀。在Olympus金相显微镜和JSM-6490型扫描电镜下观察其显微组织。

表1 材料的化学成分Table 1 Chemical composition of materials %

2 试验结果

2.1 对接头组织的影响

2.1.1 隔板和叶片母材的显微组织

两种母材的显微组织如图1所示。隔板和叶片均为板条马氏体组织，隔板的马氏体板条比叶片的细小。由SEM观察可知，隔板和叶片马氏体板条内均存在大量析出相，EDS分析表明这些析出相均富含Cr元素，断定为一种M23C6相。

2.1.2 隔板侧热影响区的显微组织

3种焊接电流下隔板侧热影响区的金相组织均为马氏体组织，焊接电流为270 A时，组织最粗大，焊接电流为240 A时，组织最细密。3种焊接电流下隔板侧热影响区的析出相尺寸大致相当，EDS分析表明，析出相种类与母材相同。

2.1.3 叶片侧热影响区的显微组织

3种焊接电流下叶片侧热影响区的金相组织均为板条状马氏体，相较于母材和隔板侧热影响区，叶片侧热影响区的马氏体板条尺寸较大。3种焊接电流下热影响区的析出相尺寸大致相当，EDS分析表明，析出相种类与母材的相同，但尺寸较大。

2.1.4 焊缝区的显微组织

3种焊接电流下焊缝区的金相组织均为板条状马氏体。焊接电流为270 A时焊缝区的显微组织略粗大于240 A和300 A时。由图4可知，析出相主要沿晶界分布，270 A时焊缝区的析出相最细小，数量最多，分布密集。240 A时，析出相尺寸最大。EDS分析表明，析出相富含Cr元素，种类与母材的相同。

2.2 对接头力学性能的影响

2.2.1 拉伸性能

室温拉伸试验结果表明，3种焊接电流下拉伸试样均断裂于叶片侧热影响区。不同焊接电流下接头的室温和高温拉伸性能分别见图5、图6。无论是室温还是高温，焊接电流为270 A时，焊接接头的强度均较低，塑性较高。室温下，300 A时焊接接头强度最高，但塑性最差。240 A时焊接接头的强度略低于300 A时，但塑性好于300 A时。高温下，焊接电流为240 A时焊接接头的强度最高，塑性低于270 A时的焊接接头，但高于300 A时的焊接接头。综合而言，240 A时焊接接头的拉伸性能较好。

2.2.2 冲击性能

图1 两种母材的显微组织Fig.1 Microstructures of the base metals

图2 隔板侧热影响区的显微组织Fig.2 Microstructures in the heat affected zone of the diaphragms

图3 叶片侧热影响区的显微组织Fig.3 Microstructures in the heat affected zone of the blades

3种焊接电流下接头的冲击试验结果如表2所示。叶片侧熔合线处冲击功最高，焊缝中心冲击功最低。焊接电流为240 A时，无论是叶片侧熔合线处、焊缝中心，还是隔板侧熔合线处，其冲击功均最高，随着焊接电流的增大，叶片及隔板侧熔合线处的冲击功逐渐减小，而焊缝中心的冲击功则先减小后增大。

图4 焊缝区的显微组织Fig.4 Microstructures in the weld seams

2.2.3 弯曲性能

3种电流下焊接接头的弯曲试验结果表明，经180°弯曲后，240 A的焊接接头，正弯和背弯试样均完好；270 A的焊接接头，正弯试样断裂，背弯试样出现2条长4 mm的裂纹；300 A的焊接接头，正弯和背弯试样均断裂。由此可见，焊接电流为240 A时，焊接接头的抗弯曲性能最好。

3 分析

9%～11%Cr铁素体/马氏体耐热钢的热强性主要通过固溶强化、细晶强化和第二相强化（即沉淀强化）三种方式实现，尤其是从α固溶体中沉淀析出的热力学稳定的碳化物是该型钢高温强化的一个主要机制[6]。细小弥散的碳化物相能够阻碍位错运动，起到强化作用。受到焊接热循环影响时，碳化物粗大、沿晶界析出，改变晶界性质，尤其是当碳化物相呈连续薄片状积聚在晶界上时，会促进晶界裂纹的形成，削弱晶界强度。因此，无论是晶内/晶界粗大碳化物相，还是沿晶界积聚的连续薄层状碳化物均会降低接头强度。M23C6相是9%~11%Cr耐热钢的主要析出相，M23C6是一种富含 Cr、Mo、W 等元素的碳化物，其结构为复杂的立方晶格，沿晶界析出的M23C6会导致界面结合强度下降，降低合金的塑韧性[7-8]。

图5 不同焊接电流下焊接接头的室温拉伸性能Fig.5 Room temperature tensile properties of welded joints under different welding currents

图6 不同焊接电流下焊接接头的高温拉伸性能Fig.6 High temperature tensile properties of welded joints under different welding currents

表2 不同焊接电流下焊接接头的冲击功/JTable 2 Impact energy of the welded joints under different welding currents J

2Cr11MoVNbN钢（隔板侧）与12Cr10Co3W2Ni MoVNbNB钢（叶片侧）异种钢焊接接头母材、热影响区和焊缝区均为马氏体组织。对于叶片侧热影响区，焊接热循环使得马氏体组织长大，碳化物相粗大，导致该位置成为接头力学性能的薄弱区域。在不同焊接电流下，接头的力学性能主要与沉淀相的尺寸、形貌和分布有关。焊接线能量较小时，焊接热影响区的温度达不到析出相的溶解温度，析出相的尺寸、分布与母材相比变化不大；当焊接温度较大时，焊接热影响区的析出相全部溶解，重新析出。析出相重新析出时，往往会以晶界未溶解的析出相为核心沿晶界连续析出，使得热影响区性能变差，进而导致力学性能变差。

4 结论

（1）3种焊接电流下，焊接接头焊缝区及热影响区的组织均为回火马氏体，叶片侧热影响区的组织较焊缝区和隔板侧热影响区的组织粗大，EDS分析表明焊缝和热影响区的析出相主要为M23C6相。

（2）当焊接电流为240 A时，获得的焊接接头综合力学性能较为优异。

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