CN102310292A - 用于合金钢的异种焊接的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于合金钢的异种焊接的设备和方法。一种焊接接头12包括低合金钢构件14和高合金钢构件16。在低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的焊道包括与低合金钢构件14接触的第一焊丝18、与高合金钢构件16接触的第二焊丝20，以及在第一焊丝18和第二焊丝20之间的第三焊丝22。第三焊丝22比第一焊丝18具有更高百分比的铬，并且比第二焊丝20具有更低百分比的铬。一种用于焊接的方法包括对低合金钢构件14应用第一焊丝18、对高合金钢构件16应用第二焊丝20，以及在第一焊丝18和第二焊丝20之间应用第三焊丝22。第三焊丝22比第一焊丝18具有更高百分比的铬，并且比第二焊丝20具有更低百分比的铬。

Description

用于合金钢的异种焊接的设备和方法
技术领域
本发明大体涉及用于焊接具有不同组分的合金钢构件-具体而言为具有不同水平的铬含量的合金钢构件-的装置和方法。
背景技术
合金钢是铁和直至70％(重量)的合金元素(例如镍、铬、钼、锰、钒、硅和/或硼)的组合物。一般而言，合金钢比碳钢具有更高的强度、硬度、热硬度、耐磨性、可淬性和/或刚度。合金钢的另外的特征在于添加的合金的量。合金钢族的一个子集是典型地具有小于约5％(重量)的合金元素的低合金钢。NiCrMoV和CrMoV合金钢(低合金钢的实例)通常用于包括在蒸汽轮机中的转子、法兰、轮和圆盘应用中。高合金钢设计了合金钢族的第二子集，并且典型地具有大于约5％(重量)的合金元素。不锈钢为包含等于或大于约9％-12％(重量)的铬的特定类型的高合金钢。
在各种商业应用中通常会出现对将低合金钢构件焊接到高合金钢构件上的需要。例如，蒸汽轮机可包括沿着蒸汽轮机的长度连续地延伸的转子。在可行的情况下，不那么昂贵的低合金钢可用于转子。但是，对于转子的会经历更高温度的那些部分而言，高合金钢可为合乎需要的。因此，转子通常包括焊接到高合金钢区段上而产生单个转子组件的低合金钢区段。
如在本领域中已知的那样，碳扩散或碳偏析会发生在具有不同的铬水平的低合金钢和高合金钢之间的焊接界面上。在焊接界面上的碳扩散或碳偏析的量与在焊接界面上的铬梯度成正比。具体而言，当焊接接头暴露于升高的温度时(诸如例如，在焊后热处理期间或在运行服务期间)，碳穿过焊接界面从具有较低的铬含量的低合金钢扩散到具有较高的铬含量的高合金钢。此碳扩散或碳偏析导致在焊接界面的一侧上有脱碳区域，而在焊接界面的另一侧上有渗碳区域。对于其中使用低合金钢焊丝(低铬水平)来将低合金钢(低铬水平)构件焊接到高合金钢(高铬水平)构件上的组件而言，发生碳扩散的界面是在铬梯度最高处的、低合金钢焊着物(weld deposit)和高合金基体材料之间的焊接界面。在使用高合金钢焊丝(高铬水平)来将低合金钢(低铬水平)构件焊接到高合金钢构件(高铬水平)上的情况下，会导致类似的碳扩散或碳偏析。发生碳扩散的界面是在铬梯度最高处的、低合金钢(低铬水平)基体材料和高合金钢(高铬水平)焊着物之间的界面。在此情况下，脱碳区形成于低合金钢基体材料中，而渗碳区形成于高合金(较高铬水平)焊着物中。脱碳区域和渗碳区域相反地影响焊接接头的强度和蠕变特性。
已经作出尝试来减少在焊接接头上发生的碳扩散或碳偏析。例如，可对合金钢构件中的一个或两者应用覆层，以降低在合金钢构件之间的铬梯度。覆层构件(一个或多个)然后可焊接在一起，如例如在美国专利公开2005/0255333中描述的那样。但是，此过程需要在将合金钢构件焊接在一起之前费时地在合金钢构件上应用覆层以及随后对覆层进行回火。因此，解决在合金钢构件之间的焊接接头上的碳扩散或碳偏析而不需要对构件添加覆层的焊接接头将是合乎需要的。
发明内容
下面在后面的描述中阐述了本发明的各方面和优点，或者根据该描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。
本发明的一个实施例是一种焊接接头，其包括具有小于约4％(重量)的铬的低合金钢构件，以及具有大于约9％(重量)的铬的高合金钢构件。在低合金钢构件和高合金钢构件之间的焊道包括与低合金钢构件接触的第一焊丝、与高合金钢构件接触的第二焊丝，以及在第一焊丝和第二焊丝之间的第三焊丝。第三焊丝比第一焊丝具有更高百分比(重量)的铬，并且比第二焊丝具有更低百分比(重量)的铬。
本发明的另一个实施例是一种焊接接头，其包括低合金钢构件、高合金钢构件、在低合金钢构件和高合金钢构件之间的铬梯度，以及用于降低在低合金钢构件和高合金钢构件之间的铬梯度的装置。
本发明的另外的另一个实施例是一种用于焊接的方法，其包括对低合金钢构件应用第一焊丝，其中，第一焊丝比低合金钢构件具有更高百分比(重量)的铬。该方法进一步包括对高合金钢构件应用第二焊丝，其中，第二焊丝比高合金钢构件具有更低百分比(重量)的铬。该方法还包括在第一焊丝和第二焊丝之间应用第三焊丝，其中，第三焊丝比第一焊丝具有更高百分比(重量)的铬，并且比第二焊丝具有更低百分比(重量)的铬。
在阅读说明书之后，本领域的普通技术人员将更好地理解这种实施例和其它实施例的特征和各方面。
附图说明
在说明书的剩余部分中(包括参照附图)更加特别地阐述了本发明的针对本领域技术人员作出的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：
图1显示了用于蒸汽轮机的转子的简化的局部截面；
图2显示了根据本发明的一个实施例的焊接接头；以及
图3显示了根据本发明的一个备选实施例的焊接接头。
部件列表：
10转子
12焊接接头
14低合金钢构件
16高合金钢构件
18第一焊丝
20第二焊丝
22第三焊丝
24第四焊丝
26第五焊丝
具体实施方式
现在将详细地对本发明的当前实施例作出参照，在附图中示出了这些实施例的一个或多个实例。详细描述使用了数字和字母标号来引用在图中的特征。已经使用在图中或描述中的相似或类似的标号来引用本发明的相似或类似的部件。
以阐述本发明而非限制本发明的方式提供了各个实例。实际上，对于本领域技术人员而言将为显而易见的是，可在本发明中作出修改和变型，而不脱离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可用在另一个实施例上，以产生另外的另一个实施例。因而，意图本发明覆盖处于所附权利要求及其等效物的范围内的这种修改和变型。
本发明的实施例提供了用于减少在合金钢构件之间的焊接接头上的碳扩散或碳偏析的各种装置和方法。例如，图1显示了用于蒸汽轮机的由两种材料-低合金钢构件14(具有低铬水平)和高合金钢构件16(具有高铬水平)-构成的转子10的简化的局部截面。图1提供了样本环境来说明和描述在本发明的范围内的实施例的多个方面。虽然是在转子的情形下描述和说明的，但是本领域普通技术人员将容易地理解，本发明不限于任何特定的装置，而是事实上可用于在低合金钢构件和高合金钢构件之间的任何焊接接头中。
图2和3显示了根据本发明的各种实施例的焊接接头12(例如在图1中的圆圈内的焊接接头12)的放大视图。如在各个图中所示，焊接接头12处于低合金钢构件14和高合金钢构件16之间。如本文中所用，低合金钢定义为铁和小于5％(重量)的合金元素(例如镍、铬、钼、锰、钒、硅和/或硼)的组合物。例如，2％CrMoNiWV是包含0.20％-0.25％(重量)的碳、0.65％-0.85％(重量)的镍、2.00％-2.5％(重量)的铬、0.75％-0.95％(重量)钼、0.25％-0.35％(重量)的钒和0.60％-0.70％(重量)的钨的低合金钢。作为另一个实例，1.25％CrMoV是包含0.25％-0.33％(重量)的碳、0.30％-0.60％(重量)的镍、0.90％-1.30％(重量)的铬、1.00％-1.50％(重量)的钼和0.20％-0.30％(重量)的钒的低合金钢。如本文中所用，高合金钢定义为铁和大于5％(重量)的合金元素的组合物。例如，高合金钢的一种组分可包含0.10％-0.15％(重量)的碳、0.60％-0.80％(重量)的镍、10.0％-12.0％(重量)的铬、1.00％-1.20％(重量)的钼、0.15％-0.25％(重量)的钒、0.95％-1.10％(重量)的钨、0.04％-0.07％(重量)的铌和0.04％-0.07％(重量)的氮。如本文中所用，不锈钢定义为具有大于约9.0％(重量)的铬的高合金钢。
各个焊接接头12包括用于降低在低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度的装置。用于降低铬梯度的装置可包括具有逐渐提高的百分比(重量)的铬含量的多个焊丝。例如，如在图2中所示，用于降低铬梯度的装置可包括三个不同的焊丝18、20、22。
第一焊丝18紧邻低合金钢构件14和/或与低合金钢构件14接触。第一焊丝18可包括2CrMo丝、2CrMoV丝或2CrMoW丝。第一焊丝可包含以下元素：约0.10％-0.15％(重量)的碳、2.0％-4.0％(重量)的铬、0.5％-1.0％(重量)的钼、0.15％-0.30％(重量)的钒和/或0.15％-0.30％(重量)的钨。
第二焊丝20紧邻高合金钢构件16和/或与高合金钢构件16接触，高合金钢构件16可为不锈钢构件。第二焊丝20可包含约0.10％-0.20％(重量)的碳、8.0％-10.0％(重量)的铬、0.5％-1.0％(重量)的钼、0.5％-2.50％(重量)的镍和/或0.15％-0.20％(重量)的钒。
第三焊丝22处于第一焊丝18和第二焊丝20之间。第三焊丝22可包含约0.08％(重量)的碳，5％-10％(且优选5.0-7.0％)(重量)的铬、0.5％-1.0％(重量)的钼、0.5％-2.5％(重量)的镍和/或少于0.20％(重量)的钒。
可使用本领域已知的用于焊接构件的任何传统的方法来应用用于降低低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度的装置。例如，可使用电弧焊、TIG(GTAW)焊、MIG焊、激光焊或焊接技术的混合组合来应用用于降低低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度的装置。在实践中，可直接对低合金钢构件14应用第一焊丝18；可直接对高合金钢构件16应用第二焊丝20，并且可在第一焊丝18和第二焊丝20之间应用第三焊丝22。第一焊丝18、第二焊丝20和第三焊丝22可按任何顺序应用，或者它们可同时应用在一个焊道中。
本领域普通技术人员将理解，用于降低低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度的装置可包括不止三个焊丝。例如，如在图3中所示，用于降低低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度的装置可包括五个焊丝。如前面关于在图2中显示的实施例所描述的那样，可直接对低合金钢构件14应用第一焊丝18；可直接对高合金钢构件16应用第二焊丝20，并且可在第一焊丝18和第二焊丝20之间应用第三焊丝22。可分别在第一焊丝18和第三焊丝22以及第三焊丝22和第二焊丝20之间应用第四焊丝24和第五焊丝26。和前面一样，五个焊丝18、20、22、24、26可包含适当的量的碳、钼、镍和钒，从低合金钢构件14到高合金钢构件16有逐渐提高的百分比(重量)的铬。
本发明的各种实施例因而逐渐地将铬含量从低合金钢构件14中存在的水平提高到在高合金钢构件16中存在的水平。因此，各种实施例逐渐地降低低合金钢构件14和高合金钢构件16之间的铬梯度，以降低在焊接接头12上的碳扩散或碳偏析的势头。另外，铬含量从低合金钢构件14到高合金钢构件16的逐渐提高会导致在焊接接头12上的热膨胀系数值对应地逐渐增加。铬含量的逐渐提高因而会导致焊接接头12的提高的抗拉强度和蠕变强度。由于在焊接接头12上的提高的抗拉强度和蠕变强度的原因，可将焊接接头12用在比以前所允许的更高温度的环境中。
此书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例包括不异于权利要求的字面语言的结构元素，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这样的其它实例意图处于权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种焊接接头(12)，包括：
a.低合金钢构件(14)，其中，所述低合金钢构件(14)包含按重量计小于约4％的铬；
b.高合金钢构件(16)，其中，所述高合金钢构件(16)包含按重量计大于约9％的铬；
c.在所述低合金钢构件(14)和高合金钢构件(16)之间的焊道，其中，所述焊道包括与所述低合金钢构件(14)接触的第一焊丝(18)、与所述高合金钢构件(16)接触的第二焊丝(20)，以及在所述第一焊丝(18)和第二焊丝(20)之间的第三焊丝(22)；以及
d.其中，所述第三焊丝(22)比所述第一焊丝(18)具有按重量计更高百分比的铬，并且比所述第二焊丝(20)具有按重量计更低百分比的铬。
2.根据权利要求1所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述低合金钢构件(14)包含按重量计小于约3.0％的铬。
3.根据权利要求1或2中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第一焊丝(18)比所述低合金钢具有按重量计更高百分比的铬。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第一焊丝(18)具有按重量计约2％-4％的铬。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第一焊丝(18)包含碳、钼和钒。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第二焊丝(20)比所述高合金钢具有按重量计更低百分比的铬。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第二焊丝(20)具有按重量计约10％-11％的铬。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第二焊丝(20)包含碳、镍、钼和钒。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第三焊丝(22)具有按重量计约5％-10％的铬。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第三焊丝(22)包含碳、镍、钼和钒。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的焊接接头(12)，其特征在于，所述第二焊丝(20)比所述第一焊丝(18)具有更高的热膨胀系数值。
12.一种用于焊接的方法，包括：
a.对低合金钢构件(14)应用第一焊丝(18)，其中，所述第一焊丝(18)比所述低合金钢构件(14)具有按重量计更高百分比的铬；
b.对高合金钢构件(16)应用第二焊丝(20)，其中，所述第二焊丝(20)比所述高合金钢构件(16)具有按重量计更低百分比的铬；
c.在所述第一焊丝(18)和第二焊丝(20)之间应用第三焊丝(22)，其中，所述第三焊丝(22)比所述第一焊丝(18)具有按重量计更高百分比的铬，并且比所述第二焊丝(20)具有按重量计更低百分比的铬。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括直接对所述低合金钢构件(14)应用所述第一焊丝(18)。
14.根据权利要求12或13中的任一项所述方法，其特征在于，所述方法进一步包括同时应用所述第一焊丝(18)、第二焊丝(20)和第三焊丝(22)。
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