核电汽轮机低压焊接转子模拟件接头高周疲劳性能研究

孙林根　蔡志鹏　潘际銮　刘　霞　丁玉明　许晓进

1.清华大学,北京,100084　　2.上海汽轮机厂有限公司,上海,200240

核电汽轮机低压焊接转子模拟件接头高周疲劳性能研究

孙林根1蔡志鹏1潘际銮1刘霞2丁玉明2许晓进2

1.清华大学,北京,1000842.上海汽轮机厂有限公司,上海,200240

研究并对比了25Cr2Ni2MoV焊接转子模拟件埋弧焊和氩弧焊接头高周疲劳性能,发现氩弧焊接头高周疲劳性能优于埋弧焊接头高周疲劳性能。观察高周疲劳断口发现：埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂于气孔与夹杂物；而氩弧焊接头启裂于气孔。针对内部启裂源为气孔的情况，提出通过测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸求得高周疲劳裂纹启裂速率的途径来评价高周疲劳性能。通过白光干涉形貌仪测量启裂区特征尺寸，发现埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率高于氩弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率，与实际高周疲劳性能测试结果一致。

核电焊接转子;高周疲劳;特征尺寸;启裂速率

0　引言

汽轮机转子是影响整个机组安全性的重要部件,要求其具有可靠性高和寿命长的特点，其中核电转子要求寿命达到60年。以每年运行7000 h的半转速核电转子为例,60年内将要循环1.89×1010周次[1]。因此,在高温、高压等恶劣环境中高转速运行产生的疲劳断裂已经成为汽轮机转子重要破坏形式之一[2]。汽轮机的启停以及变载等过程会产生低周疲劳损伤，对此已有文献进行了研究[3];而在汽轮机稳定运行过程中有重力、离心力以及热载荷等多重作用，由此引起的高周疲劳损伤事故亦有报道，但相关研究较少[4]。焊接已成为百万千瓦级核电汽轮机低压转子的重要制造途径之一[5]，因此研究核电汽轮机低压焊接转子的高周疲劳性能具有重要意义。

已有的高周疲劳性能研究大多基于纯金属母材的夹杂物启裂，主要研究了内部启裂与表面启裂的竞争机制[6]、内部启裂区的形貌特征[7]、启裂区的形成机制[8-9]以及高周疲劳的影响因素[10]等方面。但目前针对内部气孔启裂的高周疲劳研究还较少[11]，且大多数文献在研究启裂区尺寸特征时忽略了启裂源尺寸和疲劳寿命的影响，因而无法比较启裂源尺寸差异较大的材料的高周疲劳启裂性能。本文以此为背景，测试并比较了25Cr2Ni2MoV汽轮机低压焊接转子模拟件埋弧焊和氩弧焊接头的高周疲劳性能；针对焊接接头高周疲劳裂纹内部气孔启裂的情况，在使用扫描电镜和表面形貌仪断口观察对比的基础上，提出启裂区特征尺寸和启裂速率的概念，找到比较高周疲劳启裂性能的方法。

1　试验方法

本研究采用的焊接转子模拟件为外径2162 mm、内径约1816 mm、宽度约592 mm的环形构件，如图1所示。

(b)模拟件截面几何尺寸图1　模拟件外形图和截面图

母材为25Cr2Ni2MoV耐热钢,化学成分见表1。采用实际产品的坡口设计、装配、预热、焊接和焊后热处理工艺进行制造，其中模拟件打底和底部焊缝采用填丝氩弧焊接，后续坡口采用多层多道埋弧焊接，焊丝为2.5%Ni低合金钢,焊接接头的力学性能见表2。

表1　25Cr2Ni2MoV耐热钢

表2　25Cr2Ni2MoV模拟件焊接接头主要力学性能指标

本文高周疲劳试验根据国家标准GB/T 3075-2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》,在国家钢铁材料测试中心进行测试。埋弧焊和氩弧焊部位取样如图2所示，试样尺寸如图3所示。

图2　高周疲劳取样位置示意图

图3　高周疲劳试样尺寸示意图(mm)

试验使用QBG-50高频疲劳试验机,采用应力比R=-1的拉压对称正弦波，试验频率为105 Hz,试验温度为25 ℃。当试样断裂或循环次数达到107周次时，终止疲劳试验。

本次高周疲劳测试中,埋弧焊接头共测试了24根试样，施加载荷范围为360～580 MPa；氩弧焊接头共测试了25根试样，施加载荷范围为400～580 MPa。

2　试验结果及分析

2.1试验结果

在所有测试的试样中,埋弧焊接头有14根试样发生断裂，氩弧焊接头有16根发生断裂，均断在接头焊缝区。

测试结果分析表明：埋弧焊和氩弧焊接头均达到疲劳极限，其中埋弧焊接头疲劳极限位于360～410 MPa范围内,而氩弧焊接头疲劳极限位于400～450 MPa范围内；且在同一应力幅加载的情况下，氩弧焊接头的高周疲劳寿命均高于埋弧焊接头的高周疲劳寿命,故氩弧焊接头的高周疲劳性能优于埋弧焊接头的高周疲劳性能。

此外，两种焊接接头均出现了裂纹启裂位置转移的现象：在应力较高时,倾向于从表面气孔、加工缺陷处启裂，对应的疲劳寿命较低；在应力较低时,疲劳裂纹倾向于从内部气孔或夹杂物处启裂，对应的疲劳寿命较高。其中，埋弧焊接头有8根试样为内部启裂，氩弧焊接头有7根试样属于内部启裂。

2.2断口分析

高周疲劳裂纹内部启裂是高周疲劳的一个重要特征。使用扫描电镜观察内部启裂的高周疲劳断口，对比两种焊接工艺下高周疲劳内部启裂源的差别发现：埋弧焊接头的内部启裂源大部分为气孔(6根)、少部分为夹杂物(2根);使用能谱分析发现夹杂物主要元素为Ca、O、Si、Al等，将其与钢中常见的夹杂物类型进行对比分析认为该夹杂物以CaO、SiO2和Al2O3为主。而氩弧焊接头的内部启裂源均为气孔。埋弧焊使用熔渣隔绝空气，在焊接过程中熔渣若残留在焊缝中则成为非金属夹杂物；而氩弧焊使用氩气作为保护气，焊接过程更加纯净,不易引入夹杂，这是氩弧焊接头高周疲劳性能较优的一个重要原因。

(a)埋弧焊σa=400 MPa,Nf=6.4×106周次

(b)氩弧焊σa=400 MPa,Nf=8.7×106周次

(c)埋弧焊σa=460 MPa,Nf=2.8×106周次图4　典型高周疲劳断口扫描形貌图

在图4的断口形貌图中可以看到明显的分区现象:高周疲劳裂纹以一定尺寸的气孔为启裂源，首先形成启裂区;当启裂区达到一定尺寸之后,疲劳裂纹开始稳定扩展。文献[12-13]中的研究结果表明，对于内部启裂的高周疲劳过程,超过90%的疲劳寿命消耗在裂纹启裂过程。因此，研究高周疲劳启裂区具有重要意义。

3　高周疲劳启裂区特征参数的提出及应用

3.1特征参数的提出

Murakami[14]提出了用于计算高周疲劳启裂区的应力强度因子幅：

(1)

式中,σa为施加的作用应力幅;S为启裂区(含启裂源)面积;C为表征位置的常系数,对于内部启裂的情况,C=0.5。

考虑到不同方向上气孔边界到启裂区外边界的距离略有差异，本文针对高周疲劳裂纹内部气孔启裂的情况提出启裂区(不含启裂源)特征尺寸的概念。令l为启裂源边界到启裂区外边界的连线长度(连线的反向延长线须经过启裂源中心)，则启裂区(不含启裂源)的特征尺寸a为

a=(lmax+lmin)/2

(2)

该特征尺寸可以较好地避免气孔启裂源尺寸的影响。

此外，式(1)针对内部启裂的情况仅仅考虑了启裂区大小、加载应力幅的作用，并未涉及疲劳启裂寿命对高周疲劳性能的影响，无法比较不同材料的启裂速率大小。因此，本文在测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸的基础上，考虑启裂寿命的影响，提出高周疲劳裂纹启裂速率的概念。

已有的文献[12-13]研究认为,90%以上的高周疲劳寿命消耗在启裂区，故取90%的疲劳寿命Nf为高周疲劳裂纹的启裂寿命Ni。将单位循环周次里启裂区(不含启裂源)特征尺寸平均变化量定义为高周疲劳裂纹启裂速率，即

v=a/NiNi=0.9Nf

根据上述分析,可以使用启裂区特征长度和疲劳裂纹启裂速率来表征材料的高周疲劳性能。

3.2特征参数的应用

在本文研究的接头中,埋弧焊和氩弧焊接头分别有1根和2根试样无法区分启裂区的范围，因而下文主要针对埋弧焊与氩弧焊接头剩下的各5根内部气孔启裂的高周疲劳试样，其高周疲劳性能见表3，其中1号～5号为埋弧焊接头,6号～10号为氩弧焊接头。

表3　1号～10号试样高周疲劳性能

文献[15]研究发现:相比于稳定扩展区，启裂区具有较高的粗糙度,并且在裂纹由启裂区进入稳定扩展区时，形貌会出现高度差。因此，本文使用三维白光干涉表面形貌仪测量启裂区的特征尺寸，以提高测量精度。

图5为高周疲劳启裂区典型的三维形貌图和一维形貌图。从图5b中可以看出，在启裂区外边界处存在明显的高度差,从而可以获得启裂区宽度。以启裂源为中心每旋转30°测量一次启裂区的宽度li(i=1,2…,12),其中最大值、最小值即为lmax和lmin，从而求得特征尺寸a,见图6a;将从启裂源中心到启裂源边界的距离记为启裂源的宽度,如图4中虚线所示，将启裂源宽度的最大值和最小值的平均值记为启裂源的特征尺寸,如图6b所示。

由图6a可以看出,埋弧焊与氩弧焊接头高周疲劳启裂区(不含启裂源)特征尺寸平均值接近。因此，同一应力幅作用下,气孔启裂源尺寸越大，启裂区就越大，启裂区对应的应力强度因子幅就越大。而图6b中的结果显示，埋弧焊气孔尺寸明显大于氩弧焊气孔尺寸。

(a)三维形貌图

(b)一维形貌图图5　启裂区的表面形貌观测结果示意图(埋弧焊,σa=430 MPa,Nf=2.03×106周次)

(a)启裂区(不含启裂源)

(b)启裂源图6　埋弧焊与氩弧焊接头高周疲劳启裂区和启裂源特征尺寸对比示意图

图7a为使用式(1)求得的启裂区应力强度因子幅对比示意图，图7b为根据测量特征尺寸求出的启裂速率v对比示意图。

(a)启裂区应力强度因子幅对比

(b)启裂速率对比图7　埋弧焊和氩弧焊接头高周疲劳启裂区特征参数对比结果

从图7a可以看出，埋弧焊接头的高周疲劳启裂区(含启裂源)应力强度因子幅大多均高于氩弧焊接头的应力强度因子幅。根据式(1)，同一加载应力幅下，埋弧焊接头启裂区(含启裂源)的面积更大，由此推测出埋弧焊接头高周疲劳性能优于氩弧焊接头的结论与实际测试结果相悖，这主要是因为埋弧焊接头气孔(启裂源)尺寸大于氩弧焊接头的气孔尺寸(图6b)。而使用启裂速率表征高周疲劳性能可以排除气孔大小的影响，从图7b中可以看出埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率平均值(3.61×10-8mm/周次)高于氩弧焊接头高周疲劳测试结果(2.67×10-8mm/周次),与高周疲劳测试结果一致。因此，就本文研究的模拟件埋弧焊和氩弧焊接头而言,与高周疲劳启裂区(不含启裂源)的特征尺寸相比，启裂速率的差异才是引起两者高周疲劳性能差异的原因。上述分析也证明了式(1)在内部气孔启裂情况中应用的局限性，而高周疲劳启裂速率对模拟件焊接接头具有较好的适用性。因此,高周疲劳启裂速率可以作为衡量核电汽轮机低压焊接转子安全性的一个重要指标。

此外，与式(1)相比，高周疲劳启裂区特征尺寸和启裂速率还可以更好地为微观试验提供指导性依据。首先考虑1号～5号试样，即埋弧焊接头试样。从启裂区(含启裂源)应力强度因子幅(图7a)的角度出发，5号试样最大，而4号试样最小，这与表3中的测试结果不一致。因而，需要考虑启裂区的特征尺寸(图6a)和启裂速率(图7b)；就特征尺寸而言，4号尺寸最小，5号尺寸最大；就启裂速率而言,2号启裂速率最慢，3号启裂速率最快；而最终的高周疲劳性能则是特征尺寸和启裂速率综合影响的结果。因此，在进行微观分析寻找高周疲劳性能薄弱环节时需要对比4号和5号试样来研究特征尺寸的影响因素和对比2号和3号试样来研究启裂速率的影响因素，而不是单纯地研究4号和5号试样。同样,对氩弧焊接头进行分析:6号～10号试样的启裂区(含启裂源)应力强度因子幅波动范围较小;而特征尺寸和启裂速率方面则差异较大;7号试样特征尺寸最小,10号试样特征尺寸最大;7号试样启裂最慢,9号试样启裂最快。因此,需要分别选择7号和10号试样、7号和9号试样进行微观对比分析。

因此,特征尺寸和启裂速率变化的研究可以很好地区分同一个焊接接头中高周疲劳性能的差异，为微观试验提供指导性的依据，对进一步研究核电汽轮机低压焊接转子的微观性能影响具有重要作用。

4　结论

(1)对比埋弧焊和氩弧焊接头高周疲劳性能发现,氩弧焊接头高周疲劳性能优于埋弧焊接头高周疲劳性能。比较两种焊接方式高周疲劳断口发现：埋弧焊接头高周疲劳内部启裂源为夹杂物和气孔；而氩弧焊接头内部启裂源均为气孔。

(2)针对焊接接头高周疲劳内部气孔启裂的情况，提出将通过测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸及进一步求得的启裂速率作为评价核电汽轮机低压焊接转子接头高周疲劳安全性的指标。

(3)使用三维白光干涉形貌仪测量启裂区(不含启裂源)特征尺寸，对比埋弧焊和氩弧焊接头启裂速率发现，埋弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率高于氩弧焊接头高周疲劳裂纹启裂速率，这是氩弧焊接头高周疲劳性能优于埋弧焊接头高周疲劳性能的重要原因。

(4)与启裂区对应的应力强度因子幅相比，疲劳裂纹启裂速率的大小与接头高周疲劳性能的优劣更具有对应关系；而特征尺寸和启裂速率的变化研究可以为进一步的微观试验提供指导。

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(编辑王艳丽)

Research on High Cycle Fatigue Properties for Welding Joints of Simulating Product of Nuclear Power Low Pressure Turbine Rotors

Sun Lin’gen1Cai Zhipeng1Pan Jiluan1Liu Xia2Ding Yuming2Xu Xiaojin2

1.Tsinghua University,Beijing,1000842.Shanghai Turbine Company,Ltd.,Shanghai,200240

The high cycle fatigue properties for submerged arc welding(SAW) joints and tungsten inert gas(TIG) welding joints of 25Cr2Ni2MoV simulating product of nuclear power low pressure turbine rotors were researched and compared.and the TIG welding joints were found to be better.The interior crack origins of SAW were porosities and inclusions, while these of TIG were porosities.For the conditions of porosities,an approach to evaluate the high cycle fatigue properties was established with the measurement and calculation of characteristic size of crack initiation zones (without crack origins) and crack initiation rate. For the researched welding joints,white-light interfering profilometer was used to measure the characteristic size,and the crack initiation rate of TIG joint is lower, which is in agreement with the experiments.

welded nuclear rotor;high cycle fatigue;characteristic size;crack initiation rate

2013-12-31

2015-07-08

TG405DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.019

孙林根,男,1989年生。清华大学机械工程系硕士研究生。研究方向为焊接冶金。蔡志鹏(通信作者)，男，1974年生。清华大学机械工程系副教授、博士。潘际銮,男,1927年生。清华大学机械工程系教授、中国科学院院士。刘霞,女,1970年生。上海汽轮机厂有限公司技术发展处教授级高级工程师。丁玉明，男，1984年生。上海汽轮机厂有限公司技术发展处工程师。许晓进，男，1987年生。上海汽轮机厂有限公司技术发展处工程师。