專利名稱：高強度耐熱鋼的焊接接頭部及其焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高強度耐熱鋼的焊接接頭的焊接方法，以及在高強度耐熱鋼中，使用高強度奧氏體系不銹鋼、高強度鐵素體系耐熱鋼來提高焊接接頭部的高溫強度，由此形成高強度耐熱鋼的多層焊接接頭部及其焊接方法，以及高強度鐵素體系耐熱鋼的多層焊接接頭部的焊接方法。
現(xiàn)有技術(shù)最近，為了提高火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，人們都在積極地推進蒸氣的高溫高壓化，因此，增加了高強度耐熱鋼的用量。在高強度耐熱鋼中，除了高強度奧氏體不銹鋼之外，從經(jīng)濟性與熱膨脹率的方面來看，還使用了最近開發(fā)出的以回火馬氏體作為基本組織的高強度鐵素體系耐熱鋼。
特別是在高強度鐵素體系耐熱鋼中，具有奧氏體系鋼中看不到的熱膨脹系數(shù)小、耐力強、不易引起應(yīng)力腐蝕破壞、氧化皮不易脫落等優(yōu)點，這些優(yōu)點在奧氏體系鋼中是看不到的，而且，從合金含量低節(jié)省資源這一點上看也提高了經(jīng)濟性。
在此，以往大多是將產(chǎn)生上述鐵素體系耐熱鋼的優(yōu)點的、改善了高溫強度、耐氧化性、耐水蒸汽氧化性的高鉻鐵素體鋼以鍋爐等的耐熱部件以及傳熱用鋼管作為使用對象進行開發(fā)的。
例如，在特開平3-97832號公報、特開平5-311345號公報等中公開的技術(shù)，每一種都是在600℃以上的高溫環(huán)境下具有足夠的強度、耐氧化性、耐水蒸汽氧化性優(yōu)良的鋼。
然而，上述公報中所公開的鋼或者以往的高鉻鐵素體鋼未必能解決其唯一缺點的“焊接接頭部高溫強度”等問題。
而且，在特開平9-13150號公報中公開了一種焊接接頭部的剪切特性優(yōu)異的高鉻鐵素體鋼，而在其它的一般的鋼中仍然沒有解決焊接熱影響部帶有的、由原先的組織變化引起的焊接接頭部高溫強度的問題，對此必須進行考慮。
上述的焊接熱影響部在由焊接時產(chǎn)生的熱量所形成的特有組織變化的部位，其組織變化是由通過焊接熱源加熱的最高到達溫度和冷卻速度來決定的。
那么，由于是將焊接金屬與母體交界部位的焊接點受焊接熱量影響的母體部分，從與焊接金屬交界部位的焊接點附近熔點之下的高溫朝低溫依次急速加熱再急速冷卻至各種溫度，從而引起狀態(tài)改變、析出、恢復(fù)、再結(jié)晶、晶粒成長、淬火、回火等各種冶金變化。
這樣，由于通過焊接熱源加熱至高溫下、急劇冷卻，焊接熱影響部位的組織與母體的原材質(zhì)部位相比，組織發(fā)生變化，在高強度鐵素體鋼的情況下，成為帶有上述焊接熱影響部位的焊接接頭部位高溫強度降低的一個起因。
在圖6(A)中，示出了使用上述高強度耐熱鋼母體，通過以往的焊接方法形成的坡口與形成的焊接接頭部的形狀，圖6(B)則示出了剪切破壞的狀況。
如圖6(A)所示，對于帶有焊根52的坡口51，進行多層焊接、形成焊接接頭55。
引起上述結(jié)構(gòu)的焊接接頭的脆性破壞的破斷部54，如圖6(B)所示，發(fā)生在焊接熱影響部53的區(qū)域內(nèi)。
這樣，上述以往情況的母體10與焊接接頭55的強度特性在圖6中示出。如圖所示的特性根據(jù)溫度以及時間來變化，但在以往的情況下，與通常的母體材料相比較，其剪切斷裂應(yīng)力被認為有10-15％的降低。
在圖8中，示出了特開平7-9141號公報中公開的，防止高純度鐵素體系不銹鋼焊接熱影響部表面脆化用的焊接方法的簡要結(jié)構(gòu)。上述申請是通過多層焊材的覆蓋電弧焊接，將焊接金屬堆積成最終層，它是一種將熱影響部的母體表面，通過TIG電弧熔解成焊道的焊接方法，讓上述熱影響部表面附近的氧化物在不使用焊劑的情況下通過TIG電弧進行去除，從而防止焊接熱影響部的脆化。
如上所述，在母體原材料部與形成焊接接頭的焊接金屬之間，由于存在著不通過其它方式進行組織變換的上述焊接熱影響部，因而，其結(jié)果是焊接接頭整體的高溫強度比母體降低了如上述附圖中所說明的那樣的大約10～15％的應(yīng)力。對這種降低機構(gòu)強度的研究以及對母體成分的改良等的研究正在積極地進行中，目前仍處于無法解決的狀態(tài)。
因此，在高溫機器中使用含有上述高強度鐵素體系耐熱鋼的高強度耐熱鋼時，對于系統(tǒng)整體則必須以比管厚或者板厚多10％左右的余量進行設(shè)計，來補充接頭部高溫強度的降低。
為此，使得所須的材料使用量損失巨大，從而損害了經(jīng)濟性。另外，在實際操作中也有因上述焊接熱影響部破壞的事例報告，由于高溫高壓機器的破壞是事關(guān)人命的事故，因此人們強烈希望解決現(xiàn)有問題。
發(fā)明概述本發(fā)明鑒于上述問題，其目的是通過一種簡單的焊接方法對以往的焊接接頭部進行焊接的焊接方法進行改進，來解決焊接熱影響部的強度問題，提供一種讓焊接接頭的強度與母體強度相同的高強度耐熱鋼的焊接接頭部及其焊接方法，同時，還提供了一種能夠與高強度鐵素體系耐熱鋼相對應(yīng)的高強度鐵素體系耐熱鋼的多層焊接接頭的焊接方法。
在此，本發(fā)明的高強度耐熱鋼的焊接接頭部是一種將高強度耐熱鋼的焊接接頭部，通過多層焊接完成坡口部位之后，形成讓焊接熱影響部的至少一部分帶有熔融的加強焊道的多重上部疊層部的焊接接頭部，其特征在于上述焊接熱影響部的熔融部，通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上延伸，形成添加于該延伸部位母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部，上述延伸部的延伸面積依據(jù)坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系而以具有同母體相同的剪切強度[

圖1(B)的陰影所示的區(qū)域]的方式來構(gòu)成。
即，上述發(fā)明中，熔融部是相對坡口部位的多層焊接完成后的、加強焊道移動之前形成的母體表面焊接熱影響部，由其后跟隨的加強焊道的多重上部疊層部，通過坡口入口的熔融線的移動而在上述焊接熱影響部的整個區(qū)域上逐漸延伸設(shè)置的，在上述母體表面上形成上述多層焊材的多重上部疊層部，從而補充焊接接頭部高溫時的強度的降低。
為此，無論使用什么樣的母體材質(zhì)，都能夠獲得與母體強度相同的高溫強度。
另外，通過上述發(fā)明的熔融延伸形成的多重上部疊層部，也可以由依次吸收上述母體表面一側(cè)的焊接熱影響部殘留的應(yīng)力的多層焊材來構(gòu)成。
這種多重上部疊層部通過讓母體表面一側(cè)的上述焊接熱影響部所帶有的殘留應(yīng)力在上述熔融狀態(tài)下延伸，由于構(gòu)成為依次吸收，因而能夠利用熱影響部的焊接熱量補充由組織變化引起的高溫時的強度降低。
通過上述焊接接頭部的焊接熱影響部的焊接熱量引起的組織變化來補充高溫強度的降低，由于可以保持與母體強度相同的高溫強度，因此本發(fā)明還能夠提出一種高強度耐熱鋼焊接接頭的焊接方法的方案，即，在將高強度耐熱鋼焊接接頭部通過多層焊接坡口部位完成之后，讓焊接熱影響部的至少一部分熔融，構(gòu)成帶有加強焊道的多層焊接接頭的焊接方法，其特征在于上述焊接熱影響部的熔融部通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上依次延伸，形成添加于該延伸部位母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部，上述延伸部的延伸面積是通過按照坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系由表示帶有與母體相同的剪切強度的區(qū)域的操作圖設(shè)定出來的。
而且，本發(fā)明作為可以保持與母體強度相同的高溫強度的高強度耐熱鋼焊接接頭的焊接方法，是在通過多層焊接坡口部位完成之后，讓焊接熱影響部的至少一部分熔融，構(gòu)成帶有加強焊道的多層焊接接頭的焊接方法，其特征在于上述焊接熱影響部的熔融部通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上依次延伸，通過上述的熔融來依次吸收形成于母體表面焊接熱影響部的殘留應(yīng)力，形成多層焊材的多重上部疊層部，因此，上述熔融延伸部的延伸面積的設(shè)定是通過按照坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系，由表示帶有與母體相同的剪切強度的區(qū)域的操作圖來進行的。
另外，通過上述焊接接頭部的焊接熱影響部的焊接熱量引起的組織變化來補充高溫強度的降低，可以保持與母體強度相同的高溫強度的高強度鐵素體系耐熱鋼焊接接頭的焊接方法，是將坡口部位的多層焊材完成時形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的至少一部分熔融，形成加強焊道的多重上部疊層部，其特征在于上述焊接熱影響部的熔融部通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上依次延伸，形成添加于該延伸部位的母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部，上述延伸部的延伸面積是通過按照坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系，由表示帶有與母體相同的剪切強度的區(qū)域的操作圖設(shè)定出來，從而提出一種高強度鐵素體系耐熱鋼的多層焊接接頭的焊接方法。
根據(jù)上述發(fā)明，在高溫機器中使用高強度鐵素體系耐熱鋼時，由于是可以獲得與母體相同的高溫強度的焊接接頭的焊接方法，因此，不需要設(shè)計出相對于管厚或者板厚10％左右的余量，而能夠使因高溫高壓機器的破壞而帶來的損失控制到最小。
附圖的簡單說明圖1(A)是表示本發(fā)明的焊接方法所示的坡口形狀、焊接熱影響部、焊接金屬的多重上部疊層部的形狀圖，圖1(B)是表示圖1(A)中的已知數(shù)t(母體的厚度)、坡口寬度X所對應(yīng)的未知數(shù)h(疊層部的厚度)、W(疊層部的大小)之間的關(guān)系圖。
圖2是表示圖1的焊接接頭部坡口內(nèi)的多層焊材完成之后，加強焊道的移動過程、多重上部疊層部的形成過程圖。
圖3(A)是表示使用圖1所示的本發(fā)明焊接方法的實施例中，在厚度為t的母體上形成的焊接接頭部的多層狀態(tài)、以及多重上部疊層部形狀由厚度h、大小W來表示的圖。
圖3(B)是圖3(A)實施例制作中使用的坡口詳圖。
圖4(A)是表示圖3所示的實施例中破壞試驗的結(jié)果圖，圖4(B)是其應(yīng)力特性圖。
圖5是試用本發(fā)明的焊接方法來核對焊接接頭部高溫脆性狀態(tài)的、在剪切破壞試驗中使用的剪切破壞試驗片的簡略結(jié)構(gòu)圖。
圖6(A)是以往焊接接頭部的結(jié)構(gòu)簡圖，圖6(B)是表示圖6(A)的脆性破壞狀態(tài)圖。
圖7是以往焊接接頭部的應(yīng)力特性圖。
圖8是表示以往焊接接頭部中防止焊接熱影響部脆化的方法圖。
具體實施方案的詳細描述下面，將本發(fā)明的高強度耐熱鋼的焊接接頭的焊接方法用圖中所示的實施例進行詳細說明。但是，該實施例中記載的構(gòu)成部件的尺寸、形狀、其相對的配置等并不限于這種特定的記載，不意味著將本發(fā)明的范圍限定在其中，只不過是進行說明的例子。
圖1(A)是表示本發(fā)明的焊接方法所示的坡口形狀、焊接影響部與焊接金屬的多重上部疊層部的形狀圖，圖1(B)是表示圖1(A)中所示的已知數(shù)t(母體的厚度)、坡口寬度X所對應(yīng)的未知數(shù)h(疊層部的厚度)、W(疊層部的大小)之間關(guān)系圖，此圖與本發(fā)明的運算圖相對應(yīng)。
如圖1(A)所示，本發(fā)明的焊接接頭部15是由厚度為t的母體10上所設(shè)的帶有焊根12的寬為X的I型坡口11、帶有通過在該坡口11上多層焊接形成的熔融線14a的母體內(nèi)焊接金屬部14、帶有厚度為h的加強焊道的多重上部疊層部15a的焊接金屬部來構(gòu)成。
如圖1(A)所示，多重上部疊層部15a至少越過形成于坡口11外側(cè)的焊接熱影響部13a(由右上的陰影表示)，讓形成焊接熱影響部13b(由右下的陰影部表示)的熔融部延伸來構(gòu)成。
那么，在厚為t的母體10上形成焊接接頭部15的情況下，首先將坡口11形成如圖1(A)所示的帶有焊根12的寬度為X的I形狀。
而后，使用上述已知數(shù)t和X，如圖1(B)所示，通過事先準(zhǔn)備的運算圖，將[(W-X)/2]設(shè)定為上述多重上部疊層部厚度h，同時，設(shè)定最佳值，將上述多重上部疊層部15a在焊接熱影響部13a的寬度T的上部延伸設(shè)置的值W，從圖中也可以導(dǎo)出。
另外，圖1(A)所示的剖視圖也適用于母體為帶鋼、厚壁鋼管的任何情況。
圖1(B)的陰影部分示出了帶有與母體相同的剪切強度的區(qū)域，圖的下部示出了比母體剪切強度低的區(qū)域。
那么，上述上部疊層部15a的朝著焊接熱影響部延伸設(shè)置的大小，即，把在焊接熱影響部13a的寬度T的上部延伸設(shè)置的值W從圖(運算圖)導(dǎo)出，并且處于上述陰影內(nèi)的話，則高溫剪切斷裂便不會由焊接接頭部引起，而是由母體發(fā)生。
圖2是表示圖1的焊接接頭部15的坡口內(nèi)多層焊材完成之后進行的加強焊道的移動過程，多重上部疊層部形成過程圖。
那么，如圖所示，將直到坡口11入口的多層焊接添加到熔融線14a中，在讓焊接熱影響部13a的至少一部分形成熔融的加強焊道15b之后，將上述焊接熱影響部13a的熔融部通過從坡口入口的熔融線14a朝14b移動，以在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的、焊接熱影響部13a的至少比其全部區(qū)域T稍大一些的值T’來延伸，形成添加于該延伸部位母體表面上的寬為W的多層焊材的多重上部疊層部15a而成。
通過將上述熔融部從熔融線14a朝14a的移動來延伸熔融部而形成的多重上部疊層部，通過讓母體表面一側(cè)的上述焊接熱影響部13a所帶有的殘留應(yīng)力使上述熔融延伸，從而構(gòu)成了依次吸收，因而，能夠獲得利用熱影響部的焊接熱量來補充由組織變化引起的高溫時的強度降低的效果。
圖3(A)表示使用圖1所示的本發(fā)明焊接方法的實施例，在厚度為t的母體上形成的焊接接頭部15的多層焊材16的多層堆料狀態(tài)、以及多重上部疊層部15a的形狀由厚度h、大小W來表示。
另外，在圖3(B)中，示出了圖3(A)的實施例制作中使用的設(shè)置于母體10上的坡口11的詳圖。
如上所述，上述坡口11由于設(shè)置于厚度為t的母體10上，形成帶有寬度為s的焊根12，以及半徑為D的圓底的寬度為X的I型坡口。
上述實施例如表1所示，使用了材料為高強度鐵素體系耐熱鋼的大直徑厚壁鋼管，焊接是在惰性氣體中進行，于電極和母體之間產(chǎn)生電弧，使用了在電弧中插入作為焊接材料的焊接線進行焊接，除去氧化膜的表皮的TIG焊接，進行疊層數(shù)為40層的多層焊接。
母體市售的ASME SA-335 P91大口徑厚壁銅管(φ350Xt50)焊接材料市售的改良9Cr銅用TIG用焊接線(φ1.2mm)焊接條件預(yù)熱溫度150℃焊接電流90～300A焊接電壓9～14V焊接速度60mm/分疊層數(shù)40層熱處理焊接后實施750℃×2hSR的應(yīng)力消除退火處理在圖4(A)中，示出了上述圖3所示的實施例中進行的破壞試驗結(jié)果，先前的圖6(B)所示的以往焊接接頭部引起的剪切斷裂部54的破壞位置比較靠近焊接熱影響部53，而本實施例情況下的斷裂部20則形成于母體10上，顯示出本發(fā)明的焊接方法形成的焊接接頭部具有與母體相同或者更高的強度。
另外，如從圖4(B)的高溫剪切斷裂特性圖中所看到的那樣，本發(fā)明焊接接頭部15的強度顯示出與母體10的強度大致相同的特性，沒有看到先前的圖6所示以往焊接接頭部特性圖中所看到的大約10-15％應(yīng)力降低的現(xiàn)象，顯示出本發(fā)明的焊接接頭部具有與母體相同的高溫強度。
那么，與用于以往焊接方法的高溫機器相比，管厚可以減小10-15％，材料的用量也可進行相同程度的削減。
圖5中示出的是試用本發(fā)明的焊接方法調(diào)查焊接接頭部的高溫脆性破壞狀況，在剪切斷裂試驗中使用的剪切斷裂試驗片的尺寸圖。
表2中示出了在厚為50mm的母體上設(shè)置帶有X＝15mm的一定寬度尺寸坡口情況下，改變多重上部疊層部的尺寸h、W的焊接接頭部剪切斷裂試驗結(jié)果。



○與母體相同(良好)×比母體弱如表2中看到的那樣，在剪切強度與母體相同的情況下，h/t與(W-X)/2之間的關(guān)系基本滿足圖1(B)所示的關(guān)系。
通過使用現(xiàn)有的機器，簡單地改變焊接方法，便將焊接接頭部的強度做得與母體相同，與用于以往焊接方法的高溫機器相比，管厚可以減小10～15％，材料的用量也可進行相同程度的削減。
由此，能夠降低高溫機器的制造成本，節(jié)省資源并且降低發(fā)電的單價。另外，還能夠提高高溫機器的可靠性。
另外，對于引起焊接熱影響部的高溫強度顯著降低的高強度鐵素體系耐熱鋼，本發(fā)明起到了顯著的效果，能夠有效地利用奧氏體系鋼所沒有的長處。
權(quán)利要求
1.一種高強度耐熱鋼的多層焊接接頭部，它是一種在將高強度耐熱鋼的焊接接頭部通過多層焊接坡口部位完成之后，形成讓焊接熱影響部的至少一部分帶有熔融的加強焊道的多重上部疊層部的焊接接頭部，其特征在于將上述焊接熱影響部的熔融部通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上延伸，形成添加于該延伸部位的母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部。
2.如權(quán)利要求1所述的高強度耐熱鋼的多層焊接接頭部，其特征在于上述延伸部的延伸面積，通過坡口寬度/母體的厚度之間的關(guān)系，構(gòu)成了具有與母體相同的剪切強度。
3.如權(quán)利要求1所述的高強度耐熱鋼的多層焊接接頭部，其特征在于通過上述熔融延伸形成的多重上部疊層部，構(gòu)成了依次吸收上述母體表面一側(cè)的焊接熱影響部殘留應(yīng)力的多層。
4.一種高強度耐熱鋼的多層焊接接頭部的焊接方法，它是一種在將高強度耐熱鋼的焊接接頭部通過多層焊接坡口部位完成之后，讓焊接熱影響部的至少一部分熔融，構(gòu)成帶有加強焊道的多層焊接接頭的焊接方法，其特征在于上述焊接熱影響部的熔融，通過坡口入口的熔融線的移動，使在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上依次延伸，形成添加于該延伸部位的母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部，上述延伸部的延伸面積，按照坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系，通過帶有與母體相同的剪切強度區(qū)域的運算圖設(shè)定出來的。
5.一種高強度鐵素體系耐熱鋼的多層焊接接頭的焊接方法，它是在對高強度鐵素體系耐熱鋼的焊接接頭部進行焊接的情況下，將坡口部位的多層焊材完成時形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的至少一部分熔融，形成加強焊道的多重上部疊層部，將上述焊接熱影響部的熔融通過坡口入口的熔融線的移動，在加強焊道移動之前形成的母體表面一側(cè)的焊接熱影響部的整個區(qū)域上依次延伸，形成添加于該延伸部位的母體表面上的多層焊材的多重上部疊層部，上述延伸部的延伸面積，按照坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系，通過帶有與母體相同的剪切強度區(qū)域的運算圖設(shè)定出來的。
全文摘要
本發(fā)明通過對焊接接頭部的焊接方法進行簡單的變更,解決了焊接熱影響部的強度問題,提供了一種將焊接接頭部的強度做成與母體相同強度的高強度耐熱鋼的焊接接頭的焊接方法,同時,還提供了一種能夠與高強度鐵素體系耐熱鋼相對應(yīng)的高強度鐵素體系耐熱鋼的焊接接頭的焊接方法,多重上部疊層部15a由形成于坡口11外側(cè)的至少覆蓋到焊接熱影響部13的同時延伸的熔融部形成,上述延伸部的延伸面積,通過坡口寬度/母體厚度之間的關(guān)系,而以具有同母體相同的剪切強度[圖1(B)的陰影所示的區(qū)域]的方式來構(gòu)成。
文檔編號B23K9/00GK1385278SQ0214019
公開日2002年12月18日 申請日期2002年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月8日
發(fā)明者駒井伸好, 增山不二光, 筌口泰宏, 西文雄 申請人:三菱重工業(yè)株式會社