CN102451944A - 堆焊方法及结构部件 - Google Patents

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Abstract

一种堆焊方法，减轻液滴引起的结构部件的腐蚀，并且实现焊接作业的工期的缩短化和成本的降低化。在腐蚀环境下使用的结构部件的堆焊方法中，将所述结构部件的暴露在腐蚀环境中的部位除去，在所述除去的部位上通过使用了Hv.400以上的焊丝的短路过渡气体保护焊来形成硬质层。

Description

堆焊方法及结构部件
技术领域
本发明涉及用于防止处于腐蚀环境下的例如涡轮(turbine)叶片等结构部件的腐蚀的堆焊方法及结构部件。
背景技术
在图3中示出通常的蒸汽涡轮的整体结构图。蒸汽涡轮包括主蒸汽管1、再热蒸汽管2、涡轮转子(rotor)3、低压外部壳体4、连通管(crossover pipe)6等，在低压外部壳体4内部收纳有低压内部壳体5，在该低压内部壳体5的内侧配置有涡轮动叶片7及涡轮静叶片8。
该涡轮动叶片7及涡轮静叶片8处于因蒸汽中包含的水滴或氧化垢的粉末而受到腐蚀的腐蚀环境下。特别是用于最终段的大型叶片的材料一般使用含有Cr、Mo的具有优良的强度的铁基材料，但是即使是具备该较高的延展性且硬度较大的叶片材料，有时也由于涡轮的运转条件而发生工作蒸汽中包含的液滴引起的腐蚀，成为涡轮叶片寿命的支配性的因素。
作为该液滴引起的涡轮叶片的腐蚀对策，以往使用了如下的技术：局部火焰淬火、将以司太立合金(Stellite)为代表的硬质钴基材料的板通过钎焊或焊接与叶片的一部分接合，从而减小腐蚀带来的影响。
但是，由于局部火焰淬火是使用钢的马氏体(martensite)相变的局部硬化法，所以像通过析出强化提高了强度的17-4PH这样的钢铁材料无法通过火焰淬火进行局部硬化。
此外，在将以司太立合金为代表的硬质钴基材料的板通过钎焊或焊接与叶片的一部分接合的方法中，除了司太立合金板素材的成本和交货期较长等而入手性较差之外，对于析出强化型的钢来说，因焊接、接合时的热影响而强度大幅下降也令人担心。
另一方面，提出了通过激光焊接使司太立合金粉末在叶片的一部分上层叠的技术(专利文献1)。由此，通过将焊接带来的热影响降到最小，以及在焊接后进行时效处理，即使对于析出强化型的钢也不会使强度降低，能够进行司太立合金的堆焊。
专利文献1：日本特开2008-93725号公报
但是，在通过上述的激光焊接进行的司太立合金粉末的堆焊法中，每单位时间能够层叠的司太立合金的量较小，在应用于大型的涡轮叶片时，存在作业工程长期化且高成本的问题。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而做出的，其目的在于，提供一种堆焊方法及其结构部件，能够减轻涡轮叶片等的结构部件的因液滴引起的腐蚀，并且能够实现作业期间的缩短化和低成本化。
为解决上述课题，本发明的堆焊方法的特征在于，在腐蚀环境下使用的结构部件的堆焊方法中，将所述结构部件的暴露在腐蚀环境中的部位除去，在所述除去的部位通过使用了Hv.400以上的焊丝(solid wire)的短路过渡气体保护焊(gas metal-arc welding)来形成硬质层。
此外，本发明的结构部件的特征在于，使用本发明的堆焊方法，在暴露在腐蚀环境中的结构部件的部位形成硬质层及中间层。
发明的效果
根据本发明，能够减轻涡轮叶片等的结构部件的因液滴引起的腐蚀，并且能够实现作业期间的缩短化和低成本化。
附图说明
图1(a)是应用本实施方式的堆焊法的涡轮旋转叶片的整体结构图，图1(b)是涡轮旋转叶片前端部的扩大图，图1(c)是堆焊后的涡轮旋转叶片前端部的示意图。
图2是图1(c)的堆焊部的部分扩大截面图。
图3是一般的蒸汽涡轮的结构图。
符号说明
1...主蒸汽管、2...再热蒸汽管、3...涡轮转子、4...低压外部壳体、5...低压内部壳体、6...连通管、7...涡轮动叶片、8...涡轮静叶片、11...涡轮旋转叶片、12...涡轮旋转叶片的前端部、13...叶片前缘、14...堆焊部、15...硬质层、16...中间层。
具体实施方式
在短期间内高效地进行使用了司太立合金的堆焊时，为了防止司太立合金层中含有的碳的稀释、防止高温引起的焊接裂纹，需要将焊接输入热量控制为较小，本发明者等新发现了以下情况：使用通过短路过渡进行液滴过渡的气体保护焊(以下称为“短路过渡气体保护焊)，能够适当地控制输入热量。
此外，通过实际试验确认了如下情况：该短路过渡气体保护焊通过对其焊接电源进行数字控制来进行，与作为液滴过渡形态而使用喷雾过渡或溶滴(globule)过渡的气体保护焊相比，由于焊接的熔深非常小，所以母材与焊接金属混合的稀释非常小，以及焊接金属部附近的热影响部非常小。
进而，本发明者等进行了如下焊接试验：使用该短路过渡气体保护焊的焊接电源和Hv.400以上的硬质材料的焊丝，削去涡轮叶片试件的前端部，通过堆焊将叶片形状的一部分用司太立合金层等替换，结果确认了包含司太立合金的焊丝能够无断裂地进行焊接，以及由此能够减轻可能发生液滴带来的腐蚀的涡轮叶片的腐蚀。
以下参照附图说明将本发明的堆焊方法应用于涡轮旋转叶片(动叶片)的实施方式。
在本实施方式中，图1(a)是涡轮旋转叶片11的整体结构图，图1(b)是涡轮旋转叶片11的前端部12的扩大图，为了进行堆焊而将前端部12的叶片前缘13的一部分削去。此外，图1(c)是堆焊后的涡轮旋转叶片前端部12的示意图，在叶片前缘13形成有堆焊部14。图2是堆焊部14的部分扩大截面图，在涡轮旋转叶片的前端部12形成有硬质层15和中间层16。
本实施方式的蒸汽涡轮叶片的材质是15Cr-6.5Ni-1.5Cu-Nb-Fe合金，是铁基的析出强化型的钢。
对该涡轮旋转叶片用以下的步骤来实施堆焊。
首先，在实施堆焊之前，将涡轮旋转叶片11的前端部12中的叶片有效部的70％高度以上的叶片前缘13的部位削去约10mm以上(图1(b))。该切除的部位是叶片的周速度较大、容易受到液滴引起的腐蚀的部位。
接着，在前工序中削去的叶片前缘13上通过短路过渡气体保护焊形成堆焊部14。如图2所示，该堆焊部14是通过将由司太立合金构成的硬质层15和由奥氏体类的焊接材料构成的中间层16用短路过渡气体保护焊来进行堆焊而形成的。
为了防止司太立合金中包含的碳的稀释，中间层16中加入了不会将碳固溶的镍基合金，同时使司太立合金堆焊部的较大的残留应力得到缓和。该中间层16与由司太立合金构成的硬质层15同样，能够通过短路过渡气体保护焊来层叠，中间层16的硬度优选为Hv.300以下。另外，在本实施方式中，使用Hv.260的铬镍铁(inconel)625。
为了防止上述碳的稀释，并降低高温裂纹的风险，焊接的施工条件优选为以3000J/cm以下的焊接输入热量来进行焊接。此外，每分钟使用20g以上焊接材料来进行堆焊。
在短路过渡气体保护焊中，需要连续地供给焊丝，焊丝是必需品。在本实施方式中使用包含司太立合金No.6那样的Hv.400以上的硬质材料的焊丝。
使用该硬质的焊丝，通过短路过渡气体保护焊以3000J/cm以下的焊接输入热量、20g/分以上地进行了堆焊，结果确认了：能够防止司太立合金中含有的碳的稀释，并且能够不发生高温裂纹地形成司太立合金硬质层及中间层。
这样，通过本实施方式的堆焊方法将涡轮旋转叶片的叶片前缘等容易受到因液滴而引起的腐蚀的部位替换为硬质的材料，从而能够减轻腐蚀带来的影响，延长叶片的寿命。
另外，在本实施方式中，作为涡轮旋转叶片的基材使用了析出强化型的不锈钢，但是对于马氏体类不锈钢也能够进行同样的堆焊。此外，对于涡轮静叶片当然也能够实施。
此外，在本实施方式中，在制作涡轮叶片的阶段实施了本焊接堆焊，但是对于已经用于运转、已腐蚀的涡轮叶片的叶片前缘也能够应用。施工方法与涡轮叶片制作时同样，削去腐蚀部位，通过短路过渡气体保护焊进行堆焊。
进而，由于本实施方式中使用的短路过渡气体保护焊几乎没有焊接姿势的制约，因此在实际的修补焊接、修理作业时能够在不将涡轮叶片从涡轮转子上分解下来的状态下进行堆焊。这能够不对实际的修理工程的工期造成较大影响地进行修理，可以认为是本发明的较大优点。
以上，根据本发明的实施方式，通过使用了硬质的焊丝的短路过渡气体保护焊来进行堆焊，从而能够以低焊接输入热量进行堆焊，能够防止司太立合金中包含的碳的稀释，并且不发生高温裂纹地形成由高熔着性的司太立合金构成的硬质层及中间层。由此，能够减轻因液滴引起的腐蚀，并且能够实现焊接作业期间的缩短化和成本的降低化。
另外，本发明不限于上述实施方式，只要不脱离本发明的范畴，可能进行任何变形或变更。
例如，虽然在上述实施方式中以涡轮叶片为对象，但是也可以用于科尔莫诺伊合金(Colmonoy)和泵用叶轮(impeller)等其他部件的腐蚀对策。

Claims (7)

1.一种堆焊方法，是在腐蚀环境下使用的结构部件的堆焊方法，其特征在于，
将所述结构部件的暴露在腐蚀环境中的部位除去，在所述除去的部位通过使用了Hv.400以上的焊丝的短路过渡气体保护焊来形成硬质层。
2.如权利要求1所述的堆焊方法，其特征在于，
所述焊丝包含司太立合金。
3.如权利要求1或2所述的堆焊方法，其特征在于，
在所述结构部件和硬质层之间，通过短路过渡气体保护焊形成HV.300以下的中间层。
4.如权利要求1或2所述的堆焊方法，其特征在于，
以焊接输入热量为3000J/cm以下、焊接量为20g/分钟以上的方式进行所述短路过渡气体保护焊。
5.如权利要求1或2所述的堆焊方法，其特征在于，
所述结构部件是析出强化型的不锈钢。
6.如权利要求3所述的堆焊方法，其特征在于，
所述中间层包括具有奥氏体组织的Ni基合金。
7.一种结构部件，其特征在于，
使用权利要求1、2或6记载的堆焊方法，在暴露在腐蚀环境中的结构部件的部位形成硬质层及中间层。
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