在发电机组中，汽轮机转子工作在高温高压下，需承受离心力、扭转力矩及自重引起的弯曲应力^[1]；同时，发电机组的启停和调峰还会造成交变的动态热应力和大梯度载荷波动，均可能导致转子构件局部发生塑性变形^[2]，长期的塑性变形循环作用易产生低周疲劳，其失效形式往往伴随疲劳裂纹的迅速扩展和断裂，严重影响发电机组的安全运行。

利用焊接方法制造大型高参数火电汽轮机转子具有结构设计灵活、选材多样、起动快、热应力低等优点，同时单个锻件质量变小降低了锻件制造难度和成本，提高了成材率，对超大型转子及超超临界火电复合转子的生产制造具有重要意义^[3]。低压汽轮机焊接转子在实际生产过程中采用多层多道埋弧焊的加工方式，由于焊接接头区域中组织、成分和力学性能的不均匀性，可能存在低周疲劳性能的薄弱区。因此，对低压汽轮机焊接转子用耐热钢焊接接头低周疲劳性能进行测试和研究，评价其薄弱环节，对焊接转子制造中焊材选择、优化焊接和热处理工艺具有一定的指导意义。

国内外学者针对焊接接头的低周疲劳问题展开了大量的研究工作^{[4, 5, 6, 7]}。Reddy Prasad等^[8]研究了316(N)焊缝金属以及316L(N)/316(N)焊接接头低周疲劳性能与温度之间的关系。Benoit等^[9]研究了300 ℃时18%Cr铁素体耐热钢母材和焊接接头低周疲劳性能。XUE等^[10]研究了管板结构中异种钢焊接接头的低周疲劳性能，通过有限元分析手段预测裂纹萌生部位。蔡志鹏等^[11]提出了适用于汽轮机焊接转子耐热钢的低周疲劳过程损伤变量的复合分析方法。

本文选取25Cr2Ni2MoV低压汽轮机转子用钢焊接接头作为研究对象，测试其低周疲劳性能，统计并分析焊接接头低周疲劳性能薄弱区与应变幅之间的关系，为提高NiCrMoV耐热钢焊接接头低周疲劳性能、改进焊接工艺提供参考。

试验采用了焊接转子模拟件，该模拟件为外径约2 200 mm、内径约1 200 mm、宽度约600 mm的25Cr2Ni2MoV环状锻焊件，深窄间隙环状焊缝居中。25Cr2Ni2MoV耐热钢的化学成分如表1所示。焊接加工采用氩弧焊打底、埋弧焊填充盖面的方式进行，焊丝选用2.5%Ni的低合金钢，主要元素质量分数为2.5%Ni，2.0%Cr，1%Mo，0.6%V，0.5%Mn，0.2%Si。焊接工艺参数见表2。埋弧焊焊接完成后经过550~620 ℃、保温2 ~10 h的热处理。

沿转子模拟件径向将其切割解剖，获得一组扇形试板，深窄间隙焊缝居中。在试板上沿焊接转子模拟件轴向方向横跨焊缝制取低周疲劳试验试样，焊缝区域位于试样中部，试样实物图如图1所示。

图 1 轴向等幅低循环疲劳试样实物图

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轴向等幅低循环疲劳试验按照国家标准GB/T 15248—2008《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》在MTS Landmark1疲劳试验机上完成。载荷采用恒应变拉压对称三角波，R=－1，应变速率恒定为7×10^-3 s^-1，应变幅(Δε/2)分别为±0.25%、±0.28%、±0.30%、±0.40%、±0.60%、±0.80%、±1.00%，试验温度为20 ℃，以最大载荷降低80%或试样断裂作为失效判定标准。为保证实验数据的有效性、降低数据分散对试验结果的影响，部分应变幅下测试2个试样，共获得13个有效数据。

轴向等幅低循环疲劳试验中试样受到外加应变载荷的循环作用。通常采用图2中迟滞回线示意图来表征一个循环周期内材料的应力-应变行为。

图 2 应力-应变迟滞回线

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图2中每个循环内，材料的总应变范围(Δε_t)可分为弹性应变范围(Δε_e)和塑性应变范围(Δε_p)两部分。根据Manson-Coffin公式，材料的疲劳寿命关系式如式(1)—(3)所示：

根据实测低周疲劳实验数据拟合NiCrMoV耐热钢焊接接头应变幅与疲劳失效反向数之间的关系曲线与公式。图3中标记点为实测数据值，黑色曲线为根据实测数据点拟合的关系曲线。式(4)为图3中拟合关系曲线的数学表达式，

图 3 低周疲劳应变幅与疲劳失效反向数的关系

图选项

为确定NiCrMoV耐热钢焊接接头薄弱区，对试样表面用硝酸酒精溶液浅腐蚀，统计焊接接头低周疲劳试验的失效位置。统计结果表明，试验中宏观裂纹出现在焊缝和热影响区的回火区域，可以判断焊缝和热影响区的回火区是NiCrMoV耐热钢焊接接头低周疲劳性能的薄弱区域。

对图4塑性应变幅-疲劳失效反向数曲线上各点对应的失效位置进行统计分析。图4中标记点为实测数据，曲线为根据实测数据点拟合的关系曲线。

图 4 低周疲劳试验失效位置与塑性应变幅-疲劳失效反向数曲线试验点的对应关系

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从图4统计可知，当应变幅为±0.25%、±0.28%、±0.30%时，试样失效位置位于热影响区的回火区域，当应变幅为±0.40%、±0.60%、±0.80%、±1.00%时，试样失效位置位于焊缝中心及其附近区域；即在大应变幅加载条件下，焊缝为整个焊接接头低周疲劳性能的薄弱区，在小应变幅加载条件下，热影响区的回火区为焊接接头低周疲劳性能的薄弱区。当外加载荷由大变小时，低周疲劳性能薄弱区由焊缝转移至热影响区的回火区。

轴向等幅低周循环疲劳试验中，焊接接头区域薄弱区发生转移的应变幅在0.003~0.004之间。相关文献^{[12, 13]}的研究也发现了焊接接头疲劳性能的薄弱区随应变幅的变化而转移的现象，薄弱区的转移并不是偶然现象，而是与外加应变幅的大小、疲劳过程中接头应力应变分布的变化有关。下面采用显微硬度测试和有限元分析手段，从硬度分布和应变集中情况分析薄弱区转移原因。

硬度测试依据国家标准GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行。焊接接头一侧维氏硬度分布情况如图5所示。

图 5 NiCrMoV钢焊接接头硬度分布

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从图5硬度测试结果可知，焊缝中心及附近区域是焊缝硬度较低的部位，由焊缝进入粗晶区，硬度值骤升，粗晶区是焊接接头硬度值最高的区域，从热影响区的正火区开始，硬度开始下降，在回火区会出现较明显的软区平台，之后硬度回升，母材区的硬度值比较平稳。

硬度测试结果表明，焊接接头区域存在两个硬度软区，分别为焊缝中心及附近和热影响区的回火区。由此推测，焊缝中心及附近区域和热影响区的回火区因硬度较低而导致低周疲劳过程中的应变集中是其低周疲劳性能薄弱的原因。

参考低周疲劳试样的具体参数，本文采用ABAQUS有限元分析软件建立有限元模型，分析薄弱区转移原因。建模时焊接接头区域分为焊缝、热影响区和母材，根据接头各区实测的硬度值，又可将热影响区细分为淬硬区、正火区和回火区。母材和焊缝区域依据实际的室温静态拉伸曲线确定材料参数，热影响区由于较窄且本身又划分为淬硬区、正火区和回火区3个不同的区域，很难直接测量相应的应力应变曲线，因此根据王印培等^[14]提出的钢的硬度与屈服强度之间的关系式(σ_s=3.15H-168)进行反推。通过此方法推算的焊接接头各区域屈服强度如表3所示。焊缝、母材的试验实测值与推算值相比误差在0.5%以内，吻合较好。室温下焊缝和母材弹性模量实测值相差在2%以内，故整个接头区域弹性模量近似取208.7 GPa。

为了节省计算时间，利用对称性取接头模型的1/4进行计算分析，3维几何模型各区划分和网格划分示意图如图6a、6b所示，对淬硬区、正火区和回火区的网格细分以提高计算精度，见图6c。选取修正的二次四面体单元(C3D10M)以避免体积自锁现象以及保证分析计算的收敛。设置两种控制轴向应变幅的位移边界条件，两轴向应变幅分别取±0.28%和±0.8%，用以模拟典型小应变幅加载条件和大应变幅加载条件。模型从轴向位移为零拉伸至轴向最大应变(+0.28%或+0.8%)，随后压缩至轴向最小应变(-0.28%或-0.8%)，最终恢复轴向位移为零状态为一次循环过程结束。

图 6 焊接接头模型

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图7为大应变幅加载条件下各循环过程结束时焊接接头各区塑性应变大小分布情况对比图。在疲劳循环过程中，随着循环次数的增加，焊接接头各区的塑性应变逐渐积累。在第1次焊接循环结束时，焊接热影响区的回火区和淬硬区的塑性应变最大，从第2次循环开始，焊缝中心及附近区域塑性应变积累量超过焊接热影响区成为整个焊接接头应变集中最为严重的部位，在随后的循环中，焊缝中心及其附近区域塑性应变积累量的增速明显高于热影响区中的回火区和淬硬区。因此，在大应变幅加载条件下，焊缝中心及附近区域由于塑性应变集中情况最为严重，是焊接接头低周疲劳性能最薄弱的区域。

图 7 大应变幅加载条件下焊接接头各区塑性应变大小分布

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图8为小应变幅加载条件下各循环过程结束时焊接接头各区塑性应变大小分布情况对比图。由于热影响区的回火区硬度最低，屈服强度最低，在循环开始过程中，热影响区中的回火区及其附近区域首先发生塑性变形，在整个循环阶段，焊缝区域和母材处于弹性阶段，塑性应变的积累仅发生在热影响区的回火区及其附近区域。因此，在较小的外加应变幅下，低周疲劳循环过程中，随着循环数的增加，接头热影响区的塑性应变积累量增大，且热影响区的回火区塑性应变量最大，是接头塑性应变集中最严重的部位，从而成为焊接接头低周疲劳的薄弱区域。

图 8 小应变幅加载条件下焊接接头各区塑性应变大小分布

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在低周疲劳过程中，当外加应变幅较大时，回火区因宽度较窄，受到的拘束作用较大，变形受到较大的约束，塑性应变集中情况得到缓解，再加上焊缝区域和回火区的硬度差异并不明显，在回火区塑性变形受到较大约束的情况下，接头整体的塑性变形就会向焊缝区转移，从而导致焊缝中心及附近区域成为塑性应变集中的主要部位，低周疲劳性能较差；随着应变幅的逐渐减小，焊缝和热影响区回火区的塑性应变也相应减小，由于焊缝中心的整体硬度比回火区略高，屈服强度也相对较高，当外加位移载荷产生的应力降低到两区域材料的屈服点之间时，此时焊缝还处于弹性状态，而回火区已经进入了塑性变形阶段，再加上回火区薄层处于正火区和母材两硬层之间，易存在应力集中，加剧回火区的应变集中程度，从而导致回火区的低周疲劳性能较差。

本文测试了25Cr2Ni2MoV耐热钢焊接接头区域低周疲劳性能，统计了不同应变幅下焊接接头低周疲劳性能薄弱区，并从硬度分布和应变集中情况分析低周疲劳性能薄弱区转移原因，得到如下结论：

1) 低周疲劳试验中宏观裂纹出现于焊缝和热影响区的回火区域，当外加应变载荷由大变小时，焊接接头低周疲劳性能薄弱区由焊缝中心及附近区域转移至热影响区的回火区。

2) 焊缝中心及附近区域和热影响区中的回火区为焊接接头的硬度软区，易产生应变集中，成为低周疲劳性能的薄弱区域。

3) 大应变幅外加载荷条件下，热影响区中的回火区塑性变形受较大约束，焊接接头整体的塑性应变向焊缝区转移；小应变幅外加载荷条件下，焊缝区域始终处于弹性状态，焊接接头整体的塑性应变集中于热影响区的回火区。