CN101407010A - 用于横跨焊缝恢复母体金属性能的方法和系统 - Google Patents

用于横跨焊缝恢复母体金属性能的方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于横跨焊缝恢复母体金属性能的方法和系统。一种用相关系统提供铸件的方法，所述方法包括：进行退火热处理以便减少浇铸应力；初始机加工铸件；初始非破坏性检验(NDT)经过机加工的铸件以便识别铸件中的NDT指示；处理和排除经过机加工的铸件中的NDT指示；焊接增强经过机加工的铸件中经过处理和排除的NDT指示；同时焊接增强提供应力消除；中间非破坏性检验铸件以便识别经焊接增强的铸件中的NDT指示；正火和回火热处理铸件；第二中间非破坏性检验铸件以便识别铸件中的NDT指示；进一步处理和排除铸件中的NDT指示；后正火和回火处理焊接增强经过处理和排除NDT指示同时提供应力消除；和最终非破坏性检验铸件以便识别铸件中的NDT指示。

Description

用于横跨焊缝恢复母体金属性能的方法和系统
技术领域
[0001]本发明一般涉及一种增强和热处理工艺(或方法)及相关系统。尤其是，本发明一般涉及用于铸件的增强和热处理工艺及相关系统，所述铸件可以形成具有缺陷或NDT(非破坏性检验)显示。
背景技术
[0002]铸造部件，如，但不限于，大的砂型铸造(例如，在成品经过机加工的状态下在5-35吨范围内)有一些长期存在的问题是带有制造缺限。这些缺陷包括裂纹、孔隙和在冷却期间所产生的浇铸收缩及由于模芯的不依从的性质所引起的热撕裂。例如，CrMoV用于无论是燃气轮机还是汽轮机的涡轮壳的砂型铸造都有公认的问题是带有制造缺陷，所述这些制造缺陷可以认为是冷却期间的浇铸收缩和由于模芯的不依从的性质所引起的热撕裂(裂纹)二者的结合造成的。
[0003]这些模芯通常是砂，所述砂带有粘合剂以便在定位期间为模芯提供剪切强度，用刚性构架为在模具中帮助升起定位提供结构载荷路线。这种盛行的安排限制固化金属的运动，同时导致收缩孔隙和裂纹形成。现已确定，在铸造壳体如用于燃气轮机外壳和压缩机排放壳及和用于汽轮机外壳的壳体中所用的那些壳体的每一半中，可以形成多达130-140个裂纹(或更多)，某些长度高达12英寸。
[0004]目前，致力于减少和消除缺陷，其中包括在这些铸造部件中所显示的裂纹，可以减少裂纹总数，然而，所需的步骤导致机械和物理性能的不希望有的降低。
[0005]消除铸造制品中裂纹的方法是包括检查可能已经受正火和回火热处理的壳体以便识别裂纹的方法。然后将所发现的裂纹例如通过挖除(excavated)如，但不限于，用火炬和研磨设备除去。挖除部分是充填焊接金属、应力消除，与焊缝的顶部混合以便与壳体匹配。上述步骤经常在必要时重复以便消除裂纹。由于起初浇铸具有粗糙表面，所以可能采取至少3或4个这些周期，以便完全除去所有的裂缝的显示，此处可以兼顾检查。如已经显而易见的，这种方法是不希望有地劳力、时间和能量加强。
[0006]另外，随着焊接和混合如上所述进展，壳体表面变得更光滑，且还可以检测更小的裂缝(约1/8英寸长)。有时，发现一些小缺陷是在以前焊接区域内部。因此，随着检查过程进行，一些小裂纹可以在以前未发现的位置中发现。
[0007]在消除铸造制品中裂纹的另一种方法中，焊接材料是在正火和回火热处理之后施加。在这种方法情况下，已经确定在铸件中所形成的焊接热影响区(HAZ)使低周期疲劳寿命(LCF)减少差不多90％(常用的术语是说LCF减少一个因数10)。这种减少当然是不希望有的。
[0008]因此，理想情况是提供一种克服上述不足的增强和热处理法及相关系统。另外，理想情况是提供一种劳力、时间和能量有效且在对最终铸造制品性能没有不利影响的情况下产生无缺陷浇铸的增强和热处理法及相关系统。
[0009]本发明的这些和其它方面、优点和突出特点从下面结合附图所作的详细说明将变得显而易见，此处本发明的附图，所公开的实施例自始至终是相同的部件用相同的标号表示。
发明内容
[0010]简言之，按照本发明的一方面，用于提供铸件的方法包括：初始退火热处理，所述退火热处理可以包括或可以不包括正火和回火热处理，以便减少浇铸应力和然后除去浇铸冒口和浇口，接着开始或初步机加工铸件；开始无破坏性检验(NDT)经过机加工的部件以便识别铸件中的NDT指示；处理和排除经过机加工的铸件中NDT指示；焊接增强经过处理和排除的机加工铸件中的NDT指示，焊接增强还包括应力消除；中间非破坏性检验铸件以便识别和增强(或“修理”或“清洁”)焊接增强的铸件中的NDT指示；正火和回火热处理铸件(也通称为“优质热处理”)；部件的可能的第二初步加工，第二中间非破坏性检验铸件，以便识别铸件中的NDT指示(所述NDT指示现在通常比初步检查在数量上要小和少得多)；进一步处理和排除铸件中的NDT指示；和最终非破坏性检验铸件；以便“清除”铸件中的所有NDT指示。
[0011]在本发明的另一方面，用于提供铸件的系统包括：用于退火和/或正火和回火热处理以便减少浇铸应力的机构；用于除去浇口和冒口的机构；用于初始机加工铸件的机构；用于初始非破坏性检验(NDT)经过机加工的铸件以便识别铸件中NDT指示的机构；用于处理和排除经过机加工的铸件中NDT指示的机构；用于焊接增强经过机加工的铸件中NDT指示的机构；用于焊接增强经过机加工的铸件中经过处理和排除的NDT指示的机构；用于提供应力消除的机构；用于中间非破坏性检验铸件以便识别焊接增强的铸件中NDT指示的机构；用于正火和回收热处理(优质热处理)的机构；用于第二非破坏性检验铸件以便识别铸件中NDT指示的机构；用于进一步处理和排除铸件中NDT指示的机构；用于焊接增强经过处理和排除的NDT指示，同时提供应力消除的机构；和用于最终非破坏性检验以便“清除”铸件中NDT指示的机构。
附图说明
[0012]本发明的这些和其它特点、方面和优点当把下面详细说明结合附图阅读时，将变得更好理解，其中各附图自始至终都是同样的标号代表同样的部件，其中：
[0013]图1是如本发明所实施的方法的流程图。
具体实施方式
[0014]本发明的一方面，例如但不限制本发明，是提供一种生产焊接方法及相关系统，能生产大的基本上无NDT指示的铸件，如但不限于CrMoV铸件。铸件可以是型砂铸件，其制造区域具有可以通过用非破坏性检验(NDT)检测来显示的已知问题。这些可以通过NDT指示的区域一般是尺寸小于1/8英寸的区域，并可以包括称之为不完整、损坏、瑕疵、缺点、缺陷及诸如此类的项目(以后简称之为“NDT指示”)。这些NDT指示可能是由于在冷却期间的浇铸收缩和由于模芯的非柔性性质所引起的热撕裂(裂纹)。如公认的，这些模芯通常是带粘合剂的砂子，以便在定位期间用刚性内部构架为模芯提供剪切强度，所述构架在模具中为促进提升定位提供结构载荷路径。这种配置限制固化金属的运动，同时导致收缩孔隙和裂纹形成。现已确定，在铸造铸件如用于燃气轮机壳体和压缩机排出箱的那些铸造壳体的每一半中，可以形成约130+那样多的裂纹，某些长度达12英寸。
[0015]如本发明所实施的，这些焊接打算用于铸件，且优选的是具有接近母体基底金属的低周期疲劳(LCF)寿命。这种加工能力通过在焊接之后正火和回火(N&T)热处理期间显著消除焊接热影响区(HAZ)达到。
[0016]本发明包括用于铸造后处理的过程顺序，所述过程顺序从常规处理开始，与一系统一起，用于横过焊缝恢复母体金属，上述系统具有用于提供工艺的机构。如本发明所实施的，某些可能涉及处理，然而，当修理时，也许没有任何需要修理的，因为没有断裂。实质上，如本发明所实施的，处理是增强或恢复母体金属。这种处理/工序改变使产生大的、基本上无NDT指示的铸件，例如但一点也不限制本发明，CrMoV钢铸件。在这方面，在这种临界区域中，无缺陷意味着NDT指示小于约1/8英寸(3mm)。在非临界区域中，无缺限意味着NDT指示小于约1/4英寸(6mm)。限制寿命区通常是在临界区内。
[0017]参见图1，如本发明所实施的方法包括一系列步骤。在步骤S1中，部件如涡轮机部件是铸件。涡轮机部件可以包括涡轮机壳体、过渡件、热气体路线部分、或者是涡轮机、泵、或其它大型机器。上面列举的部件仅是示例性的并且不是对本发明范围内所包括的各种涡轮机部件的限制。
[0018]一旦涡轮机部件铸造成，则在步骤S2进行落砂。落砂包括，但不限于，从模具中取出铸件。步骤S2的落砂可以包括清洁并开始目视检查铸件。
[0019]在步骤3中，对铸件施加高温退火周期。步骤3的高温退火周期在约965℃或更高温度下进行几小时，随后在炉内冷却。如果需要更好的可焊性，则在步骤S3.1处(图1中用虚线示出)，可以对铸件施加最佳回火温度。退火周期打算减少且可能除去铸件中残留应力。因此，铸件可以具有任何铸造技术，如，但不限于，浇注系统、冒口设计，及在步骤S4中撕裂取出的托架(例如，且一点也不限制本发明，通常是用焊炬)。步骤S3的退火可使在步骤S4中所述的取出在铸件中产生更多裂纹的危险最小的情况下进行。
[0020]在另外的清洁之后，在步骤S5中对铸件施加机加工或初步机加工。步骤S5的机加工制备许多铸件的表面，用于随后的非破坏性检验(NDT)，所述NDT将在随后的步骤中进行。例如，但不限于，在步骤S5处的机加工可以开始产生所希望的铸件的形状，其中包括内孔和凸缘(包括前部凸缘、后部凸缘、和中心线凸缘)。
[0021]在步骤S6中，非破坏性检验(NDT)是在铸件上实施。非破坏检验可以包括任何足够和合适的NDT，例如但不限于，射线照相术检验(RT)、超声波检验(UT)、目视检验(VT)、和磁粉探伤检验(MT)的至少其中之一。NDT打算识别NDT指示，如但不限于，收缩孔隙、非金属夹杂物、和裂纹。
[0022]一旦NDT指示在步骤S6处用NDT识别出，则将NDT指示从铸件中除去。在步骤S7中除去铸件中的NDT指示包括NDT指示的挖除部分，随后在步骤S8中除去NDT指示的部位处的中间NDT。在示例性的挖除中，但一点也不限制本发明，步骤S7的挖除部分可以包括用火炬和研磨设备进行挖除。在挖除和NDT之后，步骤S7中的焊接包括，但不限于，用焊接金属(优选的是可与铸件材料相容的焊接材料或金属)充填挖除部分、加热/焊接焊接材料以使所述材料流入挖除的NDT指示中，和然后应力消除焊接的金属。焊接步骤S7之后是应力消除操作，以便减少和排除挖除过程和焊合铸件的可能不利的影响。
[0023]在步骤S7之后，于步骤S8处实施中间NDT。步骤S8的非破坏性检验可以包括任何足够和合适的NDT，如但不限于，RT、VT、UT、或MT的至少其中之一，如在步骤S6中那样。在步骤S8处的中间NDT预定用来识别步骤S7之后所产生的/留下的NDT指示，并可用来开始重复处理和排除步骤S7铸件中的NDT指示。需要时可以重复步骤S7和S8，直至令人满意的降低NDT的水平，例如但不限于没有NDT指示，在铸件中是很明显的。
[0024]在步骤S9中正火和回火热处理之前，步骤S7预定用来减少和排除焊接热影响区(HAZ)，所述HAZ在步骤S7中通过焊接增强产生。在步骤S9中排除NDT指示和HAZ，通过扩散和应力松弛作业可使NDT指示和HAZ返回到母体基底金属的性能，这将增强铸件的增强区的低周期疲劳(LCF)寿命。本发明实施的方法预定用来使整个铸件具有LCF寿命几乎与原始铸件母体基底性能相同。然而，应该意识到，某些NDT指示也许未发现，或者那些增强的NDT指示的一部分在步骤S9热处理之后处可能因此产生裂纹。从经验可知，约有10％的焊接在步骤S9处热处理之后可能需要增强。因此，可以预料，约有10％的增强区将经受LCF增入(debit)。
[0025]当实施步骤S7和S8及其结果是如本发明所实施的方法可以持续时，则方法包括在步骤S9处的正火和回火热处理步骤。正火和回火热处理步骤9可以包括正火和回火热处理。尽管热处理如正火和回火热处理已知，但在焊接增强步骤之后步骤S9处工艺的正火和回火热处理帮助提供方法的优点，如本发明所实施的。热处理步骤S9可以包括，但不限于，在约1050℃(但可能低至约950℃)下正火，和在约715℃下回火热处理。应该意识到，在正火热处理期间方法的这个步骤可能产生铸件的畸变，因此建议给铸件提供合适的支承，以使畸变减至最小。可供选择地，可以增加另外的机加工留量，以便适应可能的畸变。
[0026]接下来，如本发明所实施的方法包括在步骤S10处的另一个可能的初步机加工周期。在步骤S10处机加工可以产生进一步限定的铸件的形状。例如，但不限于，在步骤S10处的机加工可以产生所希望的铸件的形状，其中包括更有代表性的内孔和凸缘。如果铸件具有最小畸变，则可能该机加工步骤也许不必要；同时应意识到这个步骤的主要目的是重新建立铸件的精度和产生若干表面，因此可进行优质NDT检查(尤其是超声波(UT)检查)。
[0027]接下来在步骤S11中，对铸件实施进一步的非破坏性检验(NDT)。在步骤S11处的这种非破坏性检验要求所述焊接都融合到铸件的外形中，这将能对铸件中的收缩、孔隙、夹杂物、和裂纹进行更好的NDT检验。在步骤S11处的NDT可以包括任何足够和合适的NDT，如但不限于，射线照相法、磁粉探伤、和超声波检验的至少其中之一，如上所述。
[0028]如果在铸件中发现收缩孔隙、夹杂物、或裂纹(NDT指示)其中的任一种，则可将NDT指示进行处理并从铸件中除去。在步骤S12中处理和除去经过处理和铸件中的NDT指示可以包括将NDT指示挖除到可容许的壁厚界限，或者在除去NDT指示的部位处的最佳焊接步骤。这个焊接步骤还包括在约690℃下应力消除操作若干小时(与铸件的厚度有关)，以便减少和排除挖除部分和焊接热影响区对铸件的可能不利的影响。
[0029]在步骤S12中处理和排除经过处理和铸件中NDT指示之后，随后对铸件实施非破坏性检验(NDT)。在步骤S13处的这种非破坏性检验是发现和识别铸件中任何不合格的收缩孔隙、夹杂物、或裂纹。在步骤S13处的NDT可以包括任何足够和合适的NDT，如但不限于，射线照相术、目视检查、磁粉探伤、和超声波检验的至少其中之一。步骤S12和S13可以在需要时重复，以便提供具有合格指示等级的最后铸件。应该意识到，在步骤S12中所形成的焊缝接着进行应力消除，例如在约690℃下应力消除不能使该区域返回到母体基底金属性能。焊接HAZ的后面应力消除将经受LCF增入，因而产生一种估计具有约10％经受LCF增入的焊接增强区的铸件，而不是具有100％焊缝经受LCF增入的现行方法。此处，如本发明所实施的方法包括焊接增强，所述焊接增强跟随正火和回火热处理。
[0030]如本发明所实施的这种方法可以用来加工许多涡轮机部件，如但不限于，涡轮机壳体、压缩机排放箱、内桶、弯管、蜗管或泵壳。涡轮机部件和本发明所实施的方法可以在许多材料组成上进行，如，但不限于，CrMoV(1-1/4％Cr，1/2％Mo，1/4V％[B50A224B])，其中包括，但不限于，2-1/4％Cr-1％Mo(B50A178H)钢，10％Cr、1％Mo、1/4％V[B50A349]钢、或者13％Cr、4％Ni、1/2％Mo钢[CA6NM或ASTM A487]，其中焊接增强已知降低LCF寿命。
[0031]如本发明所实施的方法可以提供用于焊缝及其HAZ的LCF寿命，上述HAZ在正火和回火热处理恢复到大于约90％母体金属性能之前形成，例如在约371℃(700°F)下除去约2-约25倍增入，如果焊缝和HAZ只在标准经和回火处理法之后形成，则发生上述情况。在焊接和NDT情况下的经验还表明，由于在正火和回火热处理之前所形成的一部分焊缝因不合适的裂缝排除或者不合适的NDT检查而在热处理之后产生裂纹，所以有大于约90％的焊缝可以达到在LCF方面的改善。
[0032]另外，利用如本发明所实施的方法，焊缝及其在正火和回火热处理之前所形成的HAZ的LCF寿命可以恢复到大于母体金属性能的约79％，同时在约510℃(950°F)下排除约1.6-约7.7倍增入，如果焊缝和HAZ仅在正火和回火热处理法之后形成，则发生上述情况。在焊接和NDT情况下经验还表明，由于在正火和回火热处理之前所形成的一部分焊缝因不合适的排除裂缝或者不合适的NDT检查而在热处理之后产生裂纹，所以有大于约90％的焊缝可以达到这种在LCF方面的改善。
[0033]此外，本发明所实施的方法可以在涡轮机部件上提供某些限制寿命的区域，所述区域在正火和回火热处理之前检测、挖除、焊接和NDT检查期特别注意。这些特别注意区域在正火和回火处理之后可以没有裂纹，并因此增加了部件的LCF寿命。而且，如本发明所实施的方法可以提供更多的工程技术加到部件铸造中，以便减少在正火和回火热处理之前收缩孔隙、夹杂物和裂纹的发生，这样因此可以减少必须增强的焊缝总数，因此同时减少了时间和生产部件的成本。经验表明，如果把铸件设计成固化模型的充足分析应用到铸造方法上，则在限制LCF寿命的区域中，也许能在正火和回火热处理之前消除限制LCF寿命的区域中所有的焊接。
[0034]改善部件的LCF寿命的更短和或许更快的途径是在优质热处理之前只识别铸件上限制寿命的区域及只挖除和焊接增强那些区域，如上面两节所述。然后可以在优质热处理之后挖除和增强其余的区域。
[0035]尽管本文只例证和说明了本发明的某些特点，但对该领域的技术人员来说，可以进行许多修改和改变。因此，应该理解，所附权利要求书打算包括所有这些修改和改变，因为它们都属于本发明的真实精神的范围内。

Claims (10)

1.一种提供铸件的方法，所述方法包括：
进行退火热处理以便减少铸件应力；
取出铸件技术；
对铸件进行初始机加工；
对经过机加工的铸件进行初始的非破坏性检验(NDT)，以便识别铸件中的NDT指示；
焊接增强经过机加工的铸件中的NDT指示，焊接增强提供应力消除；
对铸件进行中间非破坏性检验，以便识别经过焊接增强的铸件中的NDT指示；
正火和回火热处理铸件；
对铸件进行第二次中间非破坏性检验，以便识别铸件中的NDT指示；
进一步处理和排除铸件中NDT指示；
焊接增强经过进一步处理和排除的NDT指示，提供应力消除；和
对铸件进行最终非破坏性检验，以便识别铸件中的NDT指示。
2.按照权利要求1所示的方法，其中初始机加工制备用于非破坏性检验的铸件的表面。
3.按照权利要求1所述的方法，其中初始非破坏性检验、中间非破坏性检验、第二中间非破坏性检验、和最终非破坏性检验的至少其中之一包括射线照相术、目视、磁粉探伤和超声波检验的至少其中之一，其中初始非破坏性检验、中间非破坏性检验、第二中间破坏性检验、和最终非破坏性检验的至少其中之一可以识别收缩孔隙、夹杂物、和裂纹的至少其中之一。
4.按照权利要求1所述的方法，其中焊接排除包括挖除NDT指示。
5.按照权利要求1所述的方法，还包括退火热处理后的回火热处理。
6.按照权利要求1所述的方法，其中焊接增强包括用焊接材料充填NDT指示、焊接焊接材料、应力消除焊接和部件、及将焊接材料混合到铸件外形中的至少其中之一。
7.按照权利要求1所述的方法，其中正火和回火热处理包括在约950℃和约1050℃的温度范围内正火和在约715℃下回火热处理。
8.一种提供铸件的系统，所述系统包括：
用于退火热处理以便减少铸件应力的机构；
用于初始机加工铸件的机构；
用于初始非破坏性检验(NDT)经过机加工的铸件以便识别铸件中NDT指示的机构；
用于处理和排除经过机加工的铸件中NDT指示的机构；
用于焊接增强经过处理和排除经机加工的铸件中的NDT指示而提供应力消除的机构；
用于中间非破坏性检验铸件以便识别经过焊接增强的铸件中NDT指示的机构；
用于铸件的正火和回火热处理的机构；
用于第二中间非破坏性检验铸件以便识别铸件中NDT指示的机构；
用于进一步处理和排除铸件中NDT指示的机构；
用于正火和回火后焊接增强经过处理和排除的NDT指示而提供应力消除的机构；和
用于最终非破坏性检验铸件以便识别铸件中NDT指示的机构。
9.按照权利要求8所述的系统，其中用于初始机加工的机构制备用于非破坏性检验的铸件的表面。
10.按照权利要求8所述的系统，其中用于初始非破坏性检验的机构、用于中间非破坏性检验的机构、用于第二中间非破坏性检验的机构、和用于最终非破坏性检验的机构包括用于射线照相、目测检验、磁粉探伤检验和超声波检验的机构，其中用于初始非破坏性检验的机构、用于中间非破坏性检验的机构、用于第二中间非破坏性检验的机构、和用于最终非破坏性检验的机构可以识别收缩孔隙、夹杂物、和裂纹的至少其中之一。
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