陳興東，肖玉竹，黃　嵐

焊接電流對(duì)微弧等離子焊接修復(fù)2Cr13葉片接頭組織的影響

陳興東，肖玉竹，黃嵐

（東方汽輪機(jī)有限公司表面工程研究所，四川德陽(yáng)618000）

為使焊接修復(fù)的葉片獲得理想的接頭組織和性能，利用微弧等離子焊接方法對(duì)預(yù)制缺口的2Cr13葉片采用ER410焊絲進(jìn)行焊接修復(fù)。通過對(duì)比不同的電流大小和焊接方法對(duì)接頭焊縫組織、熱影響區(qū)寬度及顯微硬度的影響，結(jié)果表明：當(dāng)焊接電流大于45 A時(shí)，高溫回火后的接頭組織全為回火索氏體，顯微硬度比母材稍高約20 HV10；但焊接電流小于45 A時(shí)，焊縫組織中殘留大量的δ鐵素體，顯微硬度顯著降低。殘留大量δ鐵素體是由于焊縫金屬中鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量配比不當(dāng)，且冷卻過快，而δ鐵素體未來得及相變直接保留至室溫。

金相組織；微弧等離子焊接；δ鐵素體；顯微硬度；回火索氏體

0　前言

隨著近年來對(duì)環(huán)境污染問題的重視，高參數(shù)和高效率的汽輪機(jī)、燃機(jī)的裝機(jī)運(yùn)行越來越多，其中葉片等重要部件在更高參數(shù)下運(yùn)行因沖擊、磨損、沖蝕等導(dǎo)致的損傷也更加嚴(yán)重[1]。那些損傷的葉片等部件長(zhǎng)期運(yùn)行，會(huì)大大降低汽輪機(jī)或燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益，甚至危害機(jī)組的安全運(yùn)行。顯然，延長(zhǎng)這些部件的工作期限，修復(fù)損傷的部件使其恢復(fù)到原設(shè)計(jì)水平，將大大降低機(jī)組的修復(fù)周期和費(fèi)用，有效提高其經(jīng)濟(jì)性和安全性。

目前，用于葉片等部件修復(fù)的技術(shù)有激光熔覆、鎢極氬弧焊、釬焊修復(fù)、粉末冶金修復(fù)再制造、熱噴涂等。其中，激光熔覆[2]是利用一定功率密度的激光束掃描覆于裂紋、缺陷處的合金粉末，使之完全熔化，而基材金屬表層微熔，冷凝后在基材表面形成一個(gè)低稀釋度的包覆層，從而彌合裂紋及缺陷。激光熔覆所獲得的包覆層組織細(xì)小，一般無(wú)氣孔和空穴，但是設(shè)備昂貴，只能修復(fù)葉片表面缺陷。鎢極氬弧焊[3]具有操作方便、合金元素氧化少、修復(fù)速度快等特點(diǎn)，可修復(fù)尾噴管裂紋等。但焊接熱源不集中，焊接變形較大。釬焊修復(fù)[4]為整體加熱，零件變形小，可克服熔焊工藝的局部加熱易引起不均勻熱收縮的不足。但是對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)葉片的修復(fù)，多釬焊司太立合金片，對(duì)于形狀復(fù)雜的葉片的適應(yīng)性差。粉末冶金修復(fù)再制造方法[5]是用機(jī)械方法去除工件表面及裂紋部位的損傷區(qū)，確保所有薄弱材料全部被移除，然后將預(yù)先制備好的可塑粉末體填補(bǔ)在缺口處，再用真空液相燒結(jié)和真空熱處理該區(qū)域，最終修整到原有工件尺寸。但該方法工藝復(fù)雜，效率較低。

相對(duì)于氬弧焊，以等離子弧作為熱源的等離子弧焊，特別是微束等離子弧焊具有與激光和電子束等高能束焊相媲美的能量密度高、熱量集中、溫度高等特點(diǎn)，這是因?yàn)榈入x子弧是利用強(qiáng)制冷卻的噴嘴對(duì)電弧進(jìn)行熱壓縮、機(jī)械壓縮和磁壓縮三種壓縮效應(yīng)的作用下而得到高能量密度的電弧。微弧等離子焊槍的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。因此，微束等離子弧焊接具備熱輸入集中、熱影響區(qū)窄、焊接變形小、焊接應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)，可以用于精密結(jié)構(gòu)、薄板等的焊接和焊補(bǔ)。

圖1　微弧等離子焊槍的結(jié)構(gòu)示意

本次試驗(yàn)旨在初步了解微弧等離子弧補(bǔ)焊葉片的工藝及與氬弧焊的區(qū)別，試驗(yàn)采用不同焊接設(shè)備在不同焊接電流、不同焊接方法的條件下對(duì)預(yù)制缺口的葉片進(jìn)行焊接修補(bǔ)，并通過金相組織、顯微硬度和熱影響區(qū)（HAZ）寬度評(píng)價(jià)接頭組織和性能。

1　試驗(yàn)方法及材料

1.1試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)所使用的葉片是某型汽輪機(jī)某型號(hào)動(dòng)葉片，材料為調(diào)質(zhì)狀態(tài)的馬氏體不銹鋼2Cr13，其化學(xué)成分見表1（其中Cr含量為實(shí)測(cè)值）。采用φ2.4 mm的ER410焊絲，熔覆金屬化學(xué)成分見表1。保護(hù)氣和離子氣都為99.999％高純氬氣。焊接設(shè)備為CASTOLIN微弧等離子焊機(jī)，焊接電流0.6～160 A，其具有程序控制和存儲(chǔ)功能，如圖2所示。使用φ1.2 mm的ER410焊絲，采用SAF微束等離子焊接設(shè)備對(duì)一個(gè)缺口進(jìn)行焊接。

表1　馬氏體不銹鋼2Cr13和焊絲ER410熔覆金屬化學(xué)成分％

1.2試驗(yàn)方法

為了觀察不同焊接電流以及不同焊接方法對(duì)焊補(bǔ)接頭組織的影響，本次試驗(yàn)采用微弧等離子弧焊和氬弧焊方法對(duì)葉片進(jìn)行焊接修復(fù)，焊接方法和參數(shù)如表2所示。試驗(yàn)步驟為：

表2　實(shí)驗(yàn)所使用的焊接方法及參數(shù)

（1）開缺口。在葉片進(jìn)汽側(cè)均勻地開6個(gè)缺口，長(zhǎng)約為20 mm，深4 mm，如圖3所示。

（2）預(yù)熱。利用氧-乙炔火焰將要修復(fù)的局部區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度大于等于250℃～300℃。

（3）焊接修復(fù)。采用表2所示的焊接參數(shù)修復(fù)葉片。

通過觀察葉片修復(fù)后的焊縫外觀、缺陷檢查、HAZ寬度、顯微硬度和金相組織，對(duì)不同參數(shù)及工藝下所得接頭的組織與性能進(jìn)行分析。

圖2　CASTOLIN微弧等離子焊接系統(tǒng)

圖3　葉片進(jìn)氣側(cè)開缺分布

2　結(jié)果分析和討論

2.1缺陷檢查、HAZ寬度及顯微硬度測(cè)量

通過金相顯微鏡觀察所得焊縫的宏觀組織如圖4所示。通過缺陷檢查發(fā)現(xiàn)，只有氬弧焊焊接修復(fù)葉片的焊縫中存在一個(gè)直徑約0.2 mm的氣孔，而等離子弧焊接的焊縫中無(wú)裂紋、氣孔、咬邊或未熔合等缺陷。相對(duì)于微弧等離子焊接，在小焊接電流時(shí)，氬弧焊的操作性不良，特別在采用φ2.4 mm焊絲焊接時(shí)，隨著焊接電流的減小，焊縫外觀棱廓出現(xiàn)不圓滑，特別是25 A的等離子焊接和55 A的氬弧焊焊縫。

隨著焊接電流的減小，采用CASTOLIN微弧等離子焊接設(shè)備的微弧等離子焊縫的熱影響區(qū)寬度變化不大，都在2.2～2.8 mm之間，而且也與氬弧焊焊縫幾乎沒有差別。這是由于手工焊接操作時(shí)，為了保證熔池溫度及充分鋪展?jié)櫥附铀俣葘㈦S著焊接電流的減小而減小，這樣就促使熱輸入幾乎大小無(wú)變化。但由于SAF微弧等離子弧焊接設(shè)備可發(fā)出能量更集中的電弧，從而其熱影響區(qū)可以減小至1.7 mm，即使是更薄的出氣側(cè)。

由圖4a～4e中的顯微硬度壓痕及硬度數(shù)值可以看出，焊縫、熔合區(qū)、粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、母材的顯微硬度先變大再減小，而且粗晶區(qū)的顯微硬度最大，約為300±10 HV10。焊縫硬度250～280 HV10，稍高于母材的顯微硬度250 HV10。但25 A焊接電流的焊縫顯微硬度明顯低于母材和HAZ，這是由于組織中析出大量鐵素體組織的緣故。圖4f中焊縫、熱影響區(qū)的粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)都在240～285 HV10之間，表明SAF微弧等離子焊接設(shè)備由于電弧能量更集中而具有一定優(yōu)越性。

2.2金相組織分析

2.2.1CASTOLIN微弧等離子弧焊修復(fù)葉片的焊縫回火組織（電流55 A、45 A、35 A、25 A）

焊接電流為55 A、45 A、35 A、25 A下的等離子弧焊修復(fù)葉片的焊縫在650℃～680℃下回火20min后的組織如圖5所示。由圖5可知，隨著焊接電流的減小，焊縫組織中回火索氏體的比例逐漸減小，而δ鐵素體逐漸長(zhǎng)大而且比例也增加。其中，在等離子焊接電流為25 A時(shí)，焊縫中δ鐵素體尺寸約為100～200 μm且比例也增加至約30.2％；而55 A電流下的焊縫中的δ鐵素體所占比例為5.0％。小電流多道焊所得焊縫中出現(xiàn)大量尺寸較大的δ鐵素體是由于焊縫中鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量之比（Creq/Nieq）在舍弗勒?qǐng)D中M+F區(qū)，當(dāng)焊接電流小，每道焊縫金屬少，同時(shí)冷卻速度快，δ鐵素體未來得及轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體而直接降至室溫而保留下來，并隨著焊接電流的減小，冷卻速度更快，使δ鐵素體沿前一層焊縫中δ鐵素體生長(zhǎng)的保留下來的更多[6]。焊接電流大于35 A時(shí)，由于焊縫組織中的δ鐵素體較小而且比例較少，所以顯微硬度變化不大，而當(dāng)焊接電流為25 A時(shí)，顯微硬度急劇下降。

2.2.2SAF微弧等離子弧焊接修復(fù)葉片的接頭回火組織（電流12 A）

利用SAF微束等離子焊接設(shè)備在12 A焊接電流下的等離子弧焊修復(fù)葉片的接頭回火組織如圖6所示。由圖6可知，焊縫組織主要為回火索氏體組織和粗大的δ鐵素體；因?yàn)槔梦⒒〉入x子焊接時(shí)，熔池冷卻快，而2Cr13馬氏體不銹鋼剛好處在舍弗勒?qǐng)D的M和F+M的邊界區(qū)，在高溫下A區(qū)域特別小，導(dǎo)致在快速冷卻過程中大量的δ鐵素體未來得及轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體而殘留。由此可見，僅根據(jù)條件焊接工藝在小電流下很難消除或減小δ鐵素體的殘留，必須改變焊材等冶金因素，如利用ER410NiMo等焊材。

圖4　表2中試驗(yàn)方案所得焊縫的宏觀組織、顯微硬度及HAZ寬度

3　結(jié)論

（1）利用微弧等離子弧焊接系統(tǒng)焊接修復(fù)葉片時(shí)，當(dāng)焊接電流在35～55 A時(shí)，成形良好，焊縫組織和HAZ性能與母材相當(dāng)；但焊接電流為25～35 A時(shí)，焊縫中出現(xiàn)大量粗大的δ鐵素體組織，顯微硬度也明顯下降。

（2）在55 A的焊接電流下的氬弧焊修復(fù)葉片時(shí)，雖然其焊縫組織及HAZ性能與母材相當(dāng)，但焊縫中出現(xiàn)氣孔缺陷，小電流下的操作性不良。

（3）在小電流范圍內(nèi)（25～35 A），微弧等離子弧焊接焊縫中出現(xiàn)大量的δ鐵素體是由于熔池中合金元素鉻當(dāng)量與鎳當(dāng)量之比不當(dāng)，且在高溫下快速冷卻，導(dǎo)致δ鐵素體未來得及轉(zhuǎn)變?yōu)锳或M而直接保留至室溫，因此可以推測(cè)，利用含有促進(jìn)A區(qū)域增大的合金元素的焊材進(jìn)行焊接，如ER410NiMo，可一次減少δ鐵素體的比例。

圖5　不同焊接電流下的微弧等離子焊接修復(fù)葉片接頭的焊縫組織（500×）

圖6　微弧等離子焊接修復(fù)葉片接頭焊縫組織，12 A

（4）利用SAF微束等離子焊接設(shè)備并采用ER410焊絲（φ1.2 mm）焊接葉片所得焊縫的組織、HAZ寬度和顯微硬度更優(yōu)，可以推測(cè)，能量更集中的微束等離子焊接適合應(yīng)用于要求高質(zhì)量的葉片修復(fù)領(lǐng)域。

[1]Tim J Carter.Common failures in gas turbine blades[J]. Engineering Failure Analysis，2005（12）：237-247.

[2]Shepeleva L，Medres B，Kaplan W D，et al.Laser cladding of turbine blades，Surface and Coatings Technology，2000（125）：45-48.

[3]秦琴，杜綬，陳麗娟,等.汽輪機(jī)末級(jí)葉片水蝕損傷修復(fù)技術(shù)[J].汽輪機(jī)技術(shù)，1999，41（2）：116-118.

[4]劉強(qiáng).汽輪機(jī)低壓缸末級(jí)葉片水蝕機(jī)理分析及司太立合金片更換研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[5]王茂才，張杰.高溫合金葉片粉末冶金修復(fù)再制造[J].中國(guó)表面工程，2010，23（1）：80-86.

[6]Emel Taban，AlfrenDhooge，ErdnicKaluc.Plasmaarcwelding of modified 12％Cr stainless steel[J].Materials and Manufacturing Processes，2009（24）：649-656.

Influence of welding current on arc plasma welding repair 2cr13 blade joint organization

CHEN Xingdong，XIAO Yuzhu，HUANG Lan
（Surface EngineeringInstitute ofDongfangTurbine Co.，Ltd.，Deyang618000，China）

In order to obtain ideal microstructure and mechanical properties of welding repair blade joint，using micro-arc plasma welding method of precast gap 2Cr13 blade adopts ER410 welding wire for welding repair.By comparing the different size and welding current method of weld joint organization，the influence of the heat affected zone width and microhardness，the results show that when the welding current is greater than 45 A，after high temperature tempering joint organization for tempering sorbite，about 20 HV10 microhardness is a little higher than parent metal.But when the welding current is less than 45 A，the weld microstructure of the residual of the delta ferrite，microhardness decreases significantly.Because of the residue of the delta ferrite in the weld metal chromium and nickel equivalent ratio of improper，and cooling too quickly，and before the delta ferrite transformation directly reserves to room temperature.

microstructure；micro arc plasma welding；delta ferrite；microhardness；tempered sorbite

TG456.2

A

1001－2303（2016）01－0108-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.01.25

2015-11-06

陳興東（1980—），男，四川德陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要從事焊接工藝、焊劑材料等方面的技術(shù)研究。