28CrMoNiV與25Cr2Ni4MoV異種轉子鋼焊接接頭性能研究

（東方汽輪機有限公司，四川德陽618200）

0 前言

轉子作為汽輪機的核心部件，它的發展對汽輪機乃至整個發電裝備起到了重要的支撐作用。整體轉子尺寸大，鍛件制造困難，生產周期長，供貨渠道少，焊接轉子能夠部分解決大型整體轉子制造過程中的諸多難題。但焊接轉子制造技術要求非常高，不僅要滿足與整鍛轉子具有的強度、韌性、優良的熱強性和耐腐蝕性，還要保證焊接接頭的綜合力學性能、疲勞性能、應變腐蝕性能等關鍵指標[1]。

隨著材料的不斷發展，人們對材料的使用性能要求越來越高，在提高材料使用性能的同時希望最大限度的降低制造成本。為了滿足實際生產的應用和綜合考慮產品的使用價值，同種金屬之間的連接也不能滿足實際應用的需求，這給異種轉子金屬之間的連接帶來了廣闊的應用前景[2]。異種轉子的連接可以充分利用被連接的不同材料之間的材料優勢，避免材料的缺點，從而使產品在滿足使用性能的同時降低生產成本。

隨著焊接轉子技術的發展需求，現有的整鍛轉子方案逐漸不適應產品需求。高溫和低溫部段采用不同等級材料進行焊接的轉子，由于具有生產周期短、制造成本低、能滿足轉子不同部位工況使用等優勢，成為國內外研究的重點[3-4]。目前國際對母材28CrMoNiV、25Cr2Ni4MoV汽輪機轉子材料焊接性的報道非常有限[5-6]，而針對28CrMoNiV與25Cr2-Ni4MoV異種焊接轉子的焊接接頭性能研究更少，所以有必要研究其焊接接頭性能，為生產提供指導。

1 試驗方法

針對28CrMoNiV與25Cr2Ni4MoV異種轉子焊接接頭開展研究。試驗焊絲為2CrMoV，3種材料的化學成分如表1所示。由于兩者的成分和金相組織存在明顯差異，焊接接頭如圖1、圖2所示，過渡層采用埋弧焊堆焊（SAW），對接采用窄間隙鎢極氬弧焊（NG-TIG）+窄間隙埋弧焊（NG-SAW）。首先在28CrMoNiV進行堆焊熱處理后，再將28CrMoNiV與25Cr2Ni4MoV底部進行NG-TIG，其后NG-SAW進行多層多道焊接，焊后進行整體熱處理。

表1 化學成分 %

圖1 焊接接頭示意

圖2 焊接接頭實物

焊后進行VT、UT和X射線無損探傷檢驗，合格后按DL/T 868-2008、GB/T2650-2008和GB/T232-2010、GB/T2653-2008標準進行性能試驗。采用線切割方法分別制備拉伸試樣、彎曲試樣、硬度試樣和沖擊試樣。拉伸試驗在INSTRON 1195電子拉伸試驗機上進行，彎曲試驗在WE-38液壓式萬能試驗機進行，沖擊試驗在JBS-500B數顯半自動沖擊試驗機上進行，顯微硬度測量在HXD-1000TMC/LCD帶圖像分析自動轉塔顯微硬度計上進行，在ECLIPSE MA200尼康倒置金相顯微鏡下觀察組織。

2 試驗結果

2.1 拉伸試驗

為保證數據的準確性，對異種焊接接頭由上到下分3層取樣，每層取3個試樣。焊接接頭各層的拉伸曲線如圖3所示。拉伸試驗結果如表2所示。

表2 焊接接頭拉伸試驗結果

可以看出，焊接接頭每一層的拉伸值略有小的變化，屈服強度均值為630 MPa，抗拉強度均值為716 MPa。焊接接頭的抗拉強度低于兩種母材，斷裂位置多位于過渡層，說明過渡層是接頭最薄弱環節。

2.2 彎曲試驗

焊接接頭各層常溫彎曲180°試驗結果均未出現裂紋，彎曲試樣如圖4所示。按標準判定該焊接接頭具有良好的彎曲性能。

2.3 顯微硬度

顯微硬度試驗數據如圖5所示。由圖5可知，BM-2大于BM-1，BM-2維氏硬度均值為295 HV，而BM-1維氏硬度均值為250 HV。兩個熱影響區的硬度HAZ-1大于HAZ-2，HAZ-2硬度均值為375 HV，HAZ-1硬度均值為350 HV，且HAZ-2的高硬度區寬于HAZ-1。熱影響區整體規律為：靠近焊縫或過渡層的粗晶區硬度較高，靠近母材的正火區硬度較低。從過渡層、SAW、TIG打底層分析硬度：TIG打底焊高于SAW，SAW略高于過渡層，TIG焊的維氏硬度均值約為275 HV，SAW均值約為257 HV，過渡層約為236 HV。

圖3 焊接接頭各層的拉伸數據

2.4 沖擊試驗

為獲得焊接接頭不同部位的韌脆轉變溫度，需要對不同部位的試樣進行一系列溫度的沖擊試驗，試驗結果如圖6所示。

由圖6可知，BM-1（28CrMoNiV）韌脆轉變溫度為 7.5℃，BM-2（25Cr2Ni4MoV）在很低的溫度未出現韌脆轉變溫度，表明25Cr2Ni4MoV韌性良好，而母材28CrMoNiV沖擊韌性較差。熱影響區HAZ-1韌脆轉變溫度為-43.88℃，與母材28CrMoNiV相比相差很大，而HAZ-2韌脆轉變溫度為-19℃，也與母材相差很大。SAW焊縫和TIG焊縫相比，韌脆轉變溫度為分別為-16℃和-17℃，基本相當。

3 分析與討論

25Cr2Ni4MoV的韌脆轉變溫度最低，沖擊性最好；28CrMoNiV的韌脆轉變溫度最高，沖擊性最差；兩個熱影響區的韌脆轉變溫度也存在差異，HAZ-1的韌性好于HAZ-2；而過渡層、對接焊縫的韌脆轉變溫度基本相當[7-8]。本研究重點分析BM-1、HAZ-2、SAW焊縫、過渡層和TIG焊縫在不同溫度的斷口形貌。

-40℃焊接接頭沖擊試樣斷口如圖7所示。在-40℃溫度條件下，BM-1、HAZ-2、SAW 焊縫、過渡層和TIG打底焊的試樣表面放射區較大，剪切唇和纖維區較小；而HAZ-1和BM-2的試樣表面放射區較小。剪切唇和纖維區較小，所以-40℃時BM-1、HAZ-2、SAW焊縫、過渡層和TIG打底焊很容易出現脆性斷裂。

圖4 彎曲試樣

圖5 顯微硬度試驗數據

圖6 焊接接頭沖擊性能

0℃焊接接頭沖擊試樣斷口如圖8所示。在0℃溫度條件下，BM-1的試樣表面放射區仍然較大，剪切唇和纖維區較小；過渡層、HAZ-2、SAW焊縫和TIG打底焊的試樣表面放射區明顯減小；HAZ-1和BM-2沒有放射區，全為剪切唇和纖維區。所以在0℃時BM-1很容易出現脆性斷裂。

40℃焊接接頭沖擊試樣斷口如圖9所示。在40℃溫度條件下，隨著溫度的升高，BM-1的試樣表面放射區減小，剪切唇和纖維區增大；過渡層、HAZ-2、SAW焊縫和TIG打底焊的放射區不明顯；HAZ-1和BM-2沒有放射區，全為剪切唇和纖維區。所以在40℃時BM-1很容易出現脆性斷裂，但是整體來說韌性較好。

各區域在不同溫度下表現出了不同的斷裂特征。在-40℃和0℃溫度條件下，BM-1、HAZ-2、SAW焊縫、過渡層和TIG打底焊的韌性較差，其斷裂特征表現為脆性斷裂。在40℃溫度條件下，BM-1的斷裂特征仍表現為脆性斷裂，而隨著溫度的升高，變形量增大，過渡層、HAZ-2、SAW焊縫和TIG打底焊的韌性增加，其斷裂特征表現為韌性斷裂。在-40℃、0℃和40℃溫度條件下，HAZ-1韌性最好，其斷裂特征表現為韌性斷裂。

圖7 -40℃焊接接頭沖擊試樣斷口

圖8 0℃焊接接頭沖擊試樣斷口

圖9 40℃焊接接頭沖擊試樣斷口

4 結論

（1）焊接接頭的抗拉強度低于兩種母材，斷裂位置位于過渡層，其過渡層為接頭最薄弱環節。

（2）焊接接頭硬度為236～375 HV，最低出現在過渡層，其均值為236 HV；最高出現在 HAZ-2，其均值為375 HV。

（3）在-40℃、0℃和40℃溫度條件下，焊接接頭韌性依次為 BM2、HAZ-1、HAZ-2、SAW 焊縫、BM-1，韌性最差位置位于28CrMoNiV和SAW焊縫處。