14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB雙鎢極氬弧焊堆焊接頭成分和性能

王紅海，張仁軍，吳海濤

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB雙鎢極氬弧焊堆焊接頭成分和性能

王紅海，張仁軍，吳海濤

（哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱150046）

對(duì)某超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB（FB2）鋼進(jìn)行雙鎢極氬弧焊（D-TIG），采用化學(xué)分析及硬度檢測(cè)的方式分別測(cè)量不同厚度的化學(xué)成分和硬度，分析其變化規(guī)律；使用光學(xué)顯微鏡（OM）觀察和分析堆焊接頭的組織，并進(jìn)行堆焊接頭無(wú)損檢測(cè)及力學(xué)性能測(cè)試。結(jié)果表明：在不同堆焊方案下，隨著堆焊層厚度增加，堆焊層熔敷金屬化學(xué)成分逐漸接近焊絲的化學(xué)成分，熱影響區(qū)（HAZ）硬度較高，當(dāng)達(dá)到堆焊層后硬度逐漸均勻；金相圖片顯示焊縫均無(wú)裂紋。堆焊接頭無(wú)損檢測(cè)和各項(xiàng)力學(xué)性能滿足機(jī)組性能要求。

14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB；雙鎢極氬弧焊；化學(xué)成分；硬度；力學(xué)性能

0 前言

14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB鋼是一種新鐵素體不銹鋼，是歐洲COST522研發(fā)計(jì)劃時(shí)期所開(kāi)發(fā)，在原9%～10%Cr鋼的基礎(chǔ)上添加Co和B元素，同時(shí)去掉W，得到的新鐵素體不銹鋼FB2，在620℃下100 000 h的持久強(qiáng)度大于等于100 MPa。該鋼廣泛用于制造截面較大、工作應(yīng)力較高的零件[1-4]。

雙鎢極D-TIG堆焊技術(shù)是近兩年出現(xiàn)的一種新型焊接技術(shù)，主要用于表面堆焊和打底焊等場(chǎng)合的高效焊接技術(shù)。系統(tǒng)由兩臺(tái)TIG電源、專用焊接控制器、專用雙鎢極焊槍等組成，具有電弧電壓低、堆焊時(shí)焊接熔深淺、母材稀釋率低，填絲焊接時(shí)焊接效率高等特點(diǎn)。焊接熔深淺適用于表面堆焊，采用φ1.2 mm焊絲，送絲速度可達(dá)8 m/min；電弧壓力低，可實(shí)現(xiàn)高速薄板焊接。

由于14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB多用于較大截面，常在高應(yīng)力條件下服役，因此對(duì)零件的強(qiáng)度和韌性提出了較高的要求。在此分析超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用FB2鋼雙鎢極氬弧焊堆焊接頭化學(xué)成分及硬度，觀察焊接接頭組織，研究接頭性能，為雙鎢極氬弧堆焊FB2鋼的研究和應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB，其化學(xué)成分和力學(xué)性能見(jiàn)表1。試板規(guī)格200 mm×100 mm×40 mm，采用雙鎢極堆焊設(shè)備。焊材選用伯樂(lè)TIG焊絲DCMS-IG和CM2-IG，化學(xué)成分見(jiàn)表2和表3通過(guò)表1計(jì)算碳當(dāng)量Ceq=C+Si/24+Mn/6+Ni/40+Cr 5+Mo/4+V/4=2.34%，冷裂傾向明顯，故采取焊前預(yù)熱、焊后高溫回火的措施。焊接前清理坡口及附近區(qū)域的油脂、污染物等。

表1 14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB化學(xué)成分和力學(xué)性能

表2 DCMS-IG化學(xué)成分 %

表3 CM2-IG化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方案

（1）堆焊采用如下3種方式：a.在母材上堆焊焊絲DCMS-IG；b.在母材上堆焊焊絲CM2-IG；c.在母材上堆焊焊絲DCMS-IG后再堆焊焊絲CM2-IG。

（2）理化檢驗(yàn)方案。

采用化學(xué)分析及硬度檢測(cè)方式分別測(cè)量不同厚度的化學(xué)成分及硬度變化規(guī)律。

化學(xué)分析取樣方式及厚度：

a.堆焊DCMS-IG焊絲。檢驗(yàn)編號(hào)547：14～16層每層磨掉1 mm，13層磨掉2 mm，3～12層每層磨掉0.5 mm，1～2層每層磨掉1 mm。

b.堆焊CM2-IG焊絲。檢驗(yàn)編號(hào)548：14～16層每層磨掉1 mm，13層磨掉2 mm，7～12層每層磨掉0.5 mm，1～6層每層磨掉 1 mm。

c.堆焊DCMS-IG再堆焊CM2-IG焊絲。檢驗(yàn)編號(hào)549：14～16層每層磨掉1 mm，13層磨掉2 mm，7～12層每層磨掉0.5 mm，1～6層每層磨掉1 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 化學(xué)成分

2.1.1 堆焊焊絲DCMS-IG的化學(xué)成分

隨著堆焊層的增加，化學(xué)成分發(fā)生變化，1～3 mm為母材FB2，其余為堆焊層。僅分析具代表性的Ni Cr、Mo三種元素的化學(xué)成分變化。成分變化如圖1圖2所示。

與表1～表3對(duì)比發(fā)現(xiàn)，堆焊層厚度0.5 mm處（圖中3.5mm處）存在化學(xué)成分稀釋現(xiàn)象。由圖1、圖2可知，Ni、Cr、Mo三種元素的化學(xué)成分變化規(guī)律類似：堆焊至厚度2.0 mm范圍內(nèi)（圖中3～5 mm），三種元素的百分含量急劇減小；堆焊層厚度2.0～3.0 mm（圖中5～6 mm），三種元素百分含量變化趨勢(shì)趨緩堆焊層厚度大于3 mm（圖中6 mm處），化學(xué)成分趨于穩(wěn)定。綜上所述，堆焊層厚度大于3 mm即化學(xué)成分合格，滿足使用條件。

2.1.2 堆焊焊絲CM 2-IG的化學(xué)成分

隨著堆焊層的增加，化學(xué)成分發(fā)生變化，1～3mm為母材FB2，其余為焊肉。僅分析具代表性的Ni、Cr Mo三種元素的化學(xué)成分變化，如圖3、圖4所示。

圖1 Cr元素隨厚度變化曲線

圖2 Ni、Mo元素隨厚度變化曲線

圖3 Cr元素隨厚度變化曲線

與表1～表3進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)始堆焊0.5 mm處（圖中3.5 mm處）存在化學(xué)成分稀釋現(xiàn)象。由圖3、圖 4 可知，Ni、Cr、Mo 三種元素的化學(xué)成分變化趨勢(shì)類似：開(kāi)始堆焊至堆焊層厚度2.0 mm范圍內(nèi)（圖中3～5 mm），三種元素的百分含量急劇減?。欢押笇雍穸?2.0～3.0 mm（圖中 5～6 mm），三種元素百分含量變化趨勢(shì)趨緩；堆焊層厚度大于3 mm（圖中6 mm處），化學(xué)成分趨于穩(wěn)定。綜上所述，堆焊層厚度大于3 mm即化學(xué)成分合格，滿足使用條件。

2.1.3 堆焊焊絲DCMS-IG后再CM2-IG的化學(xué)成分

圖4 Ni、Mo元素隨厚度變化曲線

隨著堆焊層的增加，化學(xué)成分發(fā)生變化。1～4 mm為母材FB2，其余為焊肉。僅分析具代表性的Ni、Cr、Mo三種元素的化學(xué)成分變化。成分變化如圖5、圖6所示。

圖5 Cr元素隨厚度變化曲線

圖6 Ni、Mo元素隨厚度變化曲線

與表1～表3進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)開(kāi)始堆焊（4 mm處）存在化學(xué)成分稀釋現(xiàn)象。由圖5、圖6可知，Ni、Cr、Mo三種元素的化學(xué)成分變化趨勢(shì)類似：開(kāi)始堆焊至堆焊層厚度2.0 mm范圍內(nèi)（圖中3～5 mm），三種元素的百分含量急劇減小，此處為堆焊過(guò)渡層DCMS-IG，成分稀釋較明顯；堆焊層厚度2.0～5.0 mm（圖中5～7 mm），三種元素百分含量變化趨勢(shì)趨緩，且Cr、Mo元素呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，這是CM2-IG焊絲中Cr、Ni含量大于DCMS-IG所致，由此可見(jiàn)實(shí)際結(jié)果與理論結(jié)果一致；隨著CM2-IG的堆焊，化學(xué)成分趨于CM2-IG的成分，當(dāng)堆焊層厚度大于5 mm（圖中7 mm），化學(xué)成分趨于穩(wěn)定，滿足CM2-IG的成分要求。綜上所述，DCMS-IG堆焊層厚度為2 mm、CM2-IG堆焊層厚度大于3 mm即化學(xué)成分合格，滿足使用條件。

2.2 硬度分析

DCMS-IG硬度曲線如圖7所示，0～2 mm為母材FB2硬度，其余為堆焊層硬度。堆焊層厚度4 mm（圖中2～6 mm）范圍內(nèi)硬度波動(dòng)較大，該位置為熱影響區(qū)，其硬度相對(duì)較高；堆焊層厚度大于4 mm后硬度相對(duì)均勻。

圖7 DCMS-IG硬度曲線

CM2-IG硬度曲線如圖8所示，0～2 mm為母材FB2硬度，其余為堆焊層硬度。堆焊層厚度6 mm（圖中2～8 mm）范圍內(nèi)，硬度波動(dòng)較大，該位置為熱影響區(qū)附近，硬度相對(duì)較高；堆焊層厚度大于6 mm，硬度相對(duì)均勻。

堆焊焊絲DCMS-IG后再CM2-IG的硬度曲線如圖9所示，0～1 mm為母材FB2硬度，其余為堆焊層硬度。由于此試樣有2mm過(guò)渡層，所以焊接兩次，硬度波動(dòng)較大。

圖8 CM2-IG硬度曲線

圖9 硬度曲線

2.3 金相分析

（1）堆焊焊絲DCMS-IG金相組織如圖10所示檢驗(yàn)結(jié)果為熔合區(qū)、熱影響區(qū)及堆焊層無(wú)裂紋。

（2）堆焊焊絲CM2-IG金相組織如圖11所示。檢驗(yàn)結(jié)果為熔合區(qū)、熱影響區(qū)及堆焊層無(wú)裂紋。

（3）堆焊焊絲DCMS-IG后再CM2-IG金相組織如圖12所示。檢驗(yàn)結(jié)果為熔合區(qū)、熱影響區(qū)及堆焊層無(wú)裂紋。

2.4 無(wú)損檢驗(yàn)

（1）超聲波探傷。

DCMS-IG堆焊后，深度5～11 mm內(nèi)（即堆焊層中）存在多處φ0.5～0.9 mm點(diǎn)狀缺陷。CM2-IG堆焊后，深度6～10 mm范圍內(nèi)（即堆焊層中）存在多處φ0.5～0.7 mm點(diǎn)狀缺陷。堆焊2 mm DCMS-IG后再堆焊CM2-IG，深度6～10 mm范圍內(nèi)（即堆焊層中）存在多處φ0.5～0.7 mm點(diǎn)狀缺陷，該點(diǎn)狀缺陷均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 200倍金相照片（堆焊焊絲DCMS-IG）

圖11 200倍金相照片（堆焊焊絲CM2-IG）

圖12 200倍金相照片（堆焊焊絲DCMS-IG后再CM2-IG）

（2）磁粉探傷。

磁粉探傷三種堆焊方式的試樣均合格，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

2.5 力學(xué)性能分析

工藝試驗(yàn)取3個(gè)室溫拉伸試樣（取樣包含母材-熔合線-焊縫、橫向取樣位置距離熔合線8 mm、橫向取樣離開(kāi)距離熔合線28 mm）；5個(gè)沖擊試驗(yàn)試樣（縱向取樣包含母材、熔合線、熱影響區(qū)、橫向取樣位置距離堆焊層8 mm、距離堆焊層28 mm）。拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

由表4可知，拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，沖擊功、延伸率、收縮率均符合B/HJ402-2006企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 結(jié)論

（1）從化學(xué)成分分析角度，單獨(dú)堆焊DCMS-IG和CM2-IG，堆焊層厚度大于3 mm即化學(xué)成分合格，滿足使用條件。堆焊2 mm DCMS-IG后再堆焊CM2-IG，DCMS-IG堆焊層厚度為2 mm，CM2-IG堆焊層厚度大于3 mm即化學(xué)成分合格，滿足使用條件。

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

（2）堆焊層及母材熱影響區(qū)的硬度變化存在類似規(guī)律，在熱影響區(qū)附近硬度較高。

（3）堆焊接頭附近金相分析顯示，堆焊接頭焊接質(zhì)量良好，無(wú)裂紋等缺陷。

（4）超聲波探傷在焊肉中發(fā)現(xiàn)多處點(diǎn)狀缺陷，缺陷大小符合標(biāo)準(zhǔn)要求；磁粉探傷三種堆焊方式的試樣均合格，未發(fā)現(xiàn)缺陷。

（5）拉伸試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求，沖擊、延伸率、收縮率都符合B/HJ402-2006標(biāo)準(zhǔn)要求。

[1]周斌，高振桓，李清松，等.超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子FB2材料性能及蠕變組織演化規(guī)律研究[J].東方汽輪機(jī)，2016（1）：44-49.

[2]羅玉立，李連龍，何亞軍，等.620℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用新材料冶煉工藝研究[J].大型鑄鍛件，2016（2）：3-5.

[3]梅林波，沈紅衛(wèi)，王思玉，等.625℃汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料的開(kāi)發(fā)及性能分析[J].熱力透平，2012，41（3）：183-187.

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[5]陶凱，于慎君，韓璐，等.汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子材料研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2012,26(1)：83-86

Composition and properties of twin-electrode TIG surfacing joints for 14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB

WANG Honghai，ZHANG Renjun，WU Haitao
（Harbin Turbine Company Limited，Harbin 150046，China）

A twin-electrode TIG welding(D-TIG)is used to weld the 14Cr9Mo1.5Co1.2VNb 2NB steel(FB2)for a ultra-supercritical steam turbine rotor，chemical study and hardness measurement are used to measure the chemical component and hardness of FB2 with different thicknesses and analyze their change rule.Microstructure of surfacing joints is observed and analyzed by OM(optical microscope)，and NDT(nondestructive testing)and mechanics performance testing are carried out.The results show that under the condition of different surfacing plans,the chemical component of deposited metal in surfacing layer gradually approximate to that of welding wire as the thickness of surfacing layer increases，the HAZ(heat affected zone)hardness is high and gradually uniform when it reach the thickness of surfacing layer.The metallograph shows that there is no crack on the welds.The NDT and mechanical property of surfacing joints can meet the performance requirements of the steam turbine rotor.

14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB；twin-electrode TIG welding；chemical component；hardness；mechanical property

TG444+.74

A

1001-2303（2017）06-0063-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.06.14

2017-02-16

王紅海（1968—），男，高級(jí)工程師，碩士，主要從事汽輪機(jī)制造工藝技術(shù)研究工作。E-mail：wanghonghai_htc@163.com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：王紅海，張仁軍，吳海濤.14Cr9Mo1.5Co1.2VNbNB雙鎢極氬弧焊堆焊接頭成分與性能[J].電焊機(jī)，2017，47（06）：63-68.