CN1385278A - 高强度耐热钢的焊接接头部及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明通过对焊接接头部的焊接方法进行简单的变更,解决了焊接热影响部的强度问题,提供了一种将焊接接头部的强度做成与母体相同强度的高强度耐热钢的焊接接头的焊接方法,同时,还提供了一种能够与高强度铁素体系耐热钢相对应的高强度铁素体系耐热钢的焊接接头的焊接方法,多重上部叠层部15a由形成于坡口11外侧的至少覆盖到焊接热影响部13的同时延伸的熔融部形成,上述延伸部的延伸面积,通过坡口宽度/母体厚度之间的关系,而以具有同母体相同的剪切强度[图1(B)的阴影所示的区域]的方式来构成。

Description

高强度耐热钢的焊接接头部 及其焊接方法

技术领域

本发明涉及一种高强度耐热钢的焊接接头的焊接方法，以及在高强度耐热钢中，使用高强度奥氏体系不锈钢、高强度铁素体系耐热钢来提高焊接接头部的高温强度，由此形成高强度耐热钢的多层焊接接头部及其焊接方法，以及高强度铁素体系耐热钢的多层焊接接头部的焊接方法。

现有技术

最近，为了提高火力发电厂的发电效率，人们都在积极地推进蒸气的高温高压化，因此，增加了高强度耐热钢的用量。在高强度耐热钢中，除了高强度奥氏体不锈钢之外，从经济性与热膨胀率的方面来看，还使用了最近开发出的以回火马氏体作为基本组织的高强度铁素体系耐热钢。

特别是在高强度铁素体系耐热钢中，具有奥氏体系钢中看不到的热膨胀系数小、耐力强、不易引起应力腐蚀破坏、氧化皮不易脱落等优点，这些优点在奥氏体系钢中是看不到的，而且，从合金含量低节省资源这一点上看也提高了经济性。

在此，以往大多是将产生上述铁素体系耐热钢的优点的、改善了高温强度、耐氧化性、耐水蒸汽氧化性的高铬铁素体钢以锅炉等的耐热部件以及传热用钢管作为使用对象进行开发的。

例如，在特开平3-97832号公报、特开平5-311345号公报等中公开的技术，每一种都是在600℃以上的高温环境下具有足够的强度、耐氧化性、耐水蒸汽氧化性优良的钢。

然而，上述公报中所公开的钢或者以往的高铬铁素体钢未必能解决其唯一缺点的“焊接接头部高温强度”等问题。

而且，在特开平9-13150号公报中公开了一种焊接接头部的剪切特性优异的高铬铁素体钢，而在其它的一般的钢中仍然没有解决焊接热影响部带有的、由原先的组织变化引起的焊接接头部高温强度的问题，对此必须进行考虑。

上述的焊接热影响部在由焊接时产生的热量所形成的特有组织变化的部位，其组织变化是由通过焊接热源加热的最高到达温度和冷却速度来决定的。

那么，由于是将焊接金属与母体交界部位的焊接点受焊接热量影响的母体部分，从与焊接金属交界部位的焊接点附近熔点之下的高温朝低温依次急速加热再急速冷却至各种温度，从而引起状态改变、析出、恢复、再结晶、晶粒成长、淬火、回火等各种冶金变化。

这样，由于通过焊接热源加热至高温下、急剧冷却，焊接热影响部位的组织与母体的原材质部位相比，组织发生变化，在高强度铁素体钢的情况下，成为带有上述焊接热影响部位的焊接接头部位高温强度降低的一个起因。

在图6(A)中，示出了使用上述高强度耐热钢母体，通过以往的焊接方法形成的坡口与形成的焊接接头部的形状，图6(B)则示出了剪切破坏的状况。

如图6(A)所示，对于带有焊根52的坡口51，进行多层焊接、形成焊接接头55。

引起上述结构的焊接接头的脆性破坏的破断部54，如图6(B)所示，发生在焊接热影响部53的区域内。

这样，上述以往情况的母体10与焊接接头55的强度特性在图6中示出。如图所示的特性根据温度以及时间来变化，但在以往的情况下，与通常的母体材料相比较，其剪切断裂应力被认为有10-15％的降低。

在图8中，示出了特开平7-9141号公报中公开的，防止高纯度铁素体系不锈钢焊接热影响部表面脆化用的焊接方法的简要结构。上述申请是通过多层焊材的覆盖电弧焊接，将焊接金属堆积成最终层，它是一种将热影响部的母体表面，通过TIG电弧熔解成焊道的焊接方法，让上述热影响部表面附近的氧化物在不使用焊剂的情况下通过TIG电弧进行去除，从而防止焊接热影响部的脆化。

如上所述，在母体原材料部与形成焊接接头的焊接金属之间，由于存在着不通过其它方式进行组织变换的上述焊接热影响部，因而，其结果是焊接接头整体的高温强度比母体降低了如上述附图中所说明的那样的大约10～15％的应力。对这种降低机构强度的研究以及对母体成分的改良等的研究正在积极地进行中，目前仍处于无法解决的状态。

因此，在高温机器中使用含有上述高强度铁素体系耐热钢的高强度耐热钢时，对于系统整体则必须以比管厚或者板厚多10％左右的余量进行设计，来补充接头部高温强度的降低。

为此，使得所须的材料使用量损失巨大，从而损害了经济性。另外，在实际操作中也有因上述焊接热影响部破坏的事例报告，由于高温高压机器的破坏是事关人命的事故，因此人们强烈希望解决现有问题。

发明概述

本发明鉴于上述问题，其目的是通过一种简单的焊接方法对以往的焊接接头部进行焊接的焊接方法进行改进，来解决焊接热影响部的强度问题，提供一种让焊接接头的强度与母体强度相同的高强度耐热钢的焊接接头部及其焊接方法，同时，还提供了一种能够与高强度铁素体系耐热钢相对应的高强度铁素体系耐热钢的多层焊接接头的焊接方法。

在此，本发明的高强度耐热钢的焊接接头部是一种将高强度耐热钢的焊接接头部，通过多层焊接完成坡口部位之后，形成让焊接热影响部的至少一部分带有熔融的加强焊道的多重上部叠层部的焊接接头部，

其特征在于：上述焊接热影响部的熔融部，通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上延伸，形成添加于该延伸部位母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部，上述延伸部的延伸面积依据坡口宽度/母体厚度之间的关系而以具有同母体相同的剪切强度[图1(B)的阴影所示的区域]的方式来构成。

即，上述发明中，熔融部是相对坡口部位的多层焊接完成后的、加强焊道移动之前形成的母体表面焊接热影响部，由其后跟随的加强焊道的多重上部叠层部，通过坡口入口的熔融线的移动而在上述焊接热影响部的整个区域上逐渐延伸设置的，在上述母体表面上形成上述多层焊材的多重上部叠层部，从而补充焊接接头部高温时的强度的降低。

为此，无论使用什么样的母体材质，都能够获得与母体强度相同的高温强度。

另外，通过上述发明的熔融延伸形成的多重上部叠层部，也可以由依次吸收上述母体表面一侧的焊接热影响部残留的应力的多层焊材来构成。

这种多重上部叠层部通过让母体表面一侧的上述焊接热影响部所带有的残留应力在上述熔融状态下延伸，由于构成为依次吸收，因而能够利用热影响部的焊接热量补充由组织变化引起的高温时的强度降低。

通过上述焊接接头部的焊接热影响部的焊接热量引起的组织变化来补充高温强度的降低，由于可以保持与母体强度相同的高温强度，因此本发明还能够提出一种高强度耐热钢焊接接头的焊接方法的方案，

即，在将高强度耐热钢焊接接头部通过多层焊接坡口部位完成之后，让焊接热影响部的至少一部分熔融，构成带有加强焊道的多层焊接接头的焊接方法，

其特征在于：上述焊接热影响部的熔融部通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上依次延伸，形成添加于该延伸部位母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部，

上述延伸部的延伸面积是通过按照坡口宽度/母体厚度之间的关系由表示带有与母体相同的剪切强度的区域的操作图设定出来的。

而且，本发明作为可以保持与母体强度相同的高温强度的高强度耐热钢焊接接头的焊接方法，是在通过多层焊接坡口部位完成之后，让焊接热影响部的至少一部分熔融，构成带有加强焊道的多层焊接接头的焊接方法，

其特征在于：上述焊接热影响部的熔融部通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上依次延伸，通过上述的熔融来依次吸收形成于母体表面焊接热影响部的残留应力，形成多层焊材的多重上部叠层部，因此，上述熔融延伸部的延伸面积的设定是通过按照坡口宽度/母体厚度之间的关系，由表示带有与母体相同的剪切强度的区域的操作图来进行的。

另外，通过上述焊接接头部的焊接热影响部的焊接热量引起的组织变化来补充高温强度的降低，可以保持与母体强度相同的高温强度的高强度铁素体系耐热钢焊接接头的焊接方法，是将坡口部位的多层焊材完成时形成的母体表面一侧的焊接热影响部的至少一部分熔融，形成加强焊道的多重上部叠层部，

其特征在于：上述焊接热影响部的熔融部通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上依次延伸，形成添加于该延伸部位的母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部，

上述延伸部的延伸面积是通过按照坡口宽度/母体厚度之间的关系，由表示带有与母体相同的剪切强度的区域的操作图设定出来，从而提出一种高强度铁素体系耐热钢的多层焊接接头的焊接方法。

根据上述发明，在高温机器中使用高强度铁素体系耐热钢时，由于是可以获得与母体相同的高温强度的焊接接头的焊接方法，因此，不需要设计出相对于管厚或者板厚10％左右的余量，而能够使因高温高压机器的破坏而带来的损失控制到最小。

附图的简单说明

图1(A)是表示本发明的焊接方法所示的坡口形状、焊接热影响部、焊接金属的多重上部叠层部的形状图，图1(B)是表示图1(A)中的已知数t(母体的厚度)、坡口宽度X所对应的未知数h(叠层部的厚度)、W(叠层部的大小)之间的关系图。

图2是表示图1的焊接接头部坡口内的多层焊材完成之后，加强焊道的移动过程、多重上部叠层部的形成过程图。

图3(A)是表示使用图1所示的本发明焊接方法的实施例中，在厚度为t的母体上形成的焊接接头部的多层状态、以及多重上部叠层部形状由厚度h、大小W来表示的图。

图3(B)是图3(A)实施例制作中使用的坡口详图。

图4(A)是表示图3所示的实施例中破坏试验的结果图，图4(B)是其应力特性图。

图5是试用本发明的焊接方法来核对焊接接头部高温脆性状态的、在剪切破坏试验中使用的剪切破坏试验片的简略结构图。

图6(A)是以往焊接接头部的结构简图，图6(B)是表示图6(A)的脆性破坏状态图。

图7是以往焊接接头部的应力特性图。

图8是表示以往焊接接头部中防止焊接热影响部脆化的方法图。

具体实施方案的详细描述

下面，将本发明的高强度耐热钢的焊接接头的焊接方法用图中所示的实施例进行详细说明。但是，该实施例中记载的构成部件的尺寸、形状、其相对的配置等并不限于这种特定的记载，不意味着将本发明的范围限定在其中，只不过是进行说明的例子。

图1(A)是表示本发明的焊接方法所示的坡口形状、焊接影响部与焊接金属的多重上部叠层部的形状图，图1(B)是表示图1(A)中所示的已知数t(母体的厚度)、坡口宽度X所对应的未知数h(叠层部的厚度)、W(叠层部的大小)之间关系图，此图与本发明的运算图相对应。

如图1(A)所示，本发明的焊接接头部15是由厚度为t的母体10上所设的带有焊根12的宽为X的I型坡口11、带有通过在该坡口11上多层焊接形成的熔融线14a的母体内焊接金属部14、带有厚度为h的加强焊道的多重上部叠层部15a的焊接金属部来构成。

如图1(A)所示，多重上部叠层部15a至少越过形成于坡口11外侧的焊接热影响部13a(由右上的阴影表示)，让形成焊接热影响部13b(由右下的阴影部表示)的熔融部延伸来构成。

那么，在厚为t的母体10上形成焊接接头部15的情况下，首先将坡口11形成如图1(A)所示的带有焊根12的宽度为X的I形状。

而后，使用上述已知数t和X，如图1(B)所示，通过事先准备的运算图，将[(W-X)/2]设定为上述多重上部叠层部厚度h，同时，设定最佳值，将上述多重上部叠层部15a在焊接热影响部13a的宽度T的上部延伸设置的值W，从图中也可以导出。

另外，图1(A)所示的剖视图也适用于母体为带钢、厚壁钢管的任何情况。

图1(B)的阴影部分示出了带有与母体相同的剪切强度的区域，图的下部示出了比母体剪切强度低的区域。

那么，上述上部叠层部15a的朝着焊接热影响部延伸设置的大小，即，把在焊接热影响部13a的宽度T的上部延伸设置的值W从图(运算图)导出，并且处于上述阴影内的话，则高温剪切断裂便不会由焊接接头部引起，而是由母体发生。

图2是表示图1的焊接接头部15的坡口内多层焊材完成之后进行的加强焊道的移动过程，多重上部叠层部形成过程图。

那么，如图所示，将直到坡口11入口的多层焊接添加到熔融线14a中，在让焊接热影响部13a的至少一部分形成熔融的加强焊道15b之后，将上述焊接热影响部13a的熔融部通过从坡口入口的熔融线14a朝14b移动，以在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的、焊接热影响部13a的至少比其全部区域T稍大一些的值T’来延伸，形成添加于该延伸部位母体表面上的宽为W的多层焊材的多重上部叠层部15a而成。

通过将上述熔融部从熔融线14a朝14a的移动来延伸熔融部而形成的多重上部叠层部，通过让母体表面一侧的上述焊接热影响部13a所带有的残留应力使上述熔融延伸，从而构成了依次吸收，因而，能够获得利用热影响部的焊接热量来补充由组织变化引起的高温时的强度降低的效果。

图3(A)表示使用图1所示的本发明焊接方法的实施例，在厚度为t的母体上形成的焊接接头部15的多层焊材16的多层堆料状态、以及多重上部叠层部15a的形状由厚度h、大小W来表示。

另外，在图3(B)中，示出了图3(A)的实施例制作中使用的设置于母体10上的坡口11的详图。

如上所述，上述坡口11由于设置于厚度为t的母体10上，形成带有宽度为s的焊根12，以及半径为D的圆底的宽度为X的I型坡口。

上述实施例如表1所示，使用了材料为高强度铁素体系耐热钢的大直径厚壁钢管，焊接是在惰性气体中进行，于电极和母体之间产生电弧，使用了在电弧中插入作为焊接材料的焊接线进行焊接，除去氧化膜的表皮的TIG焊接，进行叠层数为40层的多层焊接。

                        [表1]

母体：市售的ASME SA-335 P91大口径厚壁铜管(φ350Xt50)

焊接材料：市售的改良9Cr铜用TIG用焊接线(φ1.2mm)

        焊接条件：预热温度150℃

        焊接电流：90～300A

        焊接电压：9～14V

        焊接速度：60mm/分

        叠层数：40层

        热处理：焊接后实施750℃×2hSR的应力消除退火处理

在图4(A)中，示出了上述图3所示的实施例中进行的破坏试验结果，先前的图6(B)所示的以往焊接接头部引起的剪切断裂部54的破坏位置比较靠近焊接热影响部53，而本实施例情况下的断裂部20则形成于母体10上，显示出本发明的焊接方法形成的焊接接头部具有与母体相同或者更高的强度。

另外，如从图4(B)的高温剪切断裂特性图中所看到的那样，本发明焊接接头部15的强度显示出与母体10的强度大致相同的特性，没有看到先前的图6所示以往焊接接头部特性图中所看到的大约10-15％应力降低的现象，显示出本发明的焊接接头部具有与母体相同的高温强度。

那么，与用于以往焊接方法的高温机器相比，管厚可以减小10-15％，材料的用量也可进行相同程度的削减。

图5中示出的是试用本发明的焊接方法调查焊接接头部的高温脆性破坏状况，在剪切断裂试验中使用的剪切断裂试验片的尺寸图。

表2中示出了在厚为50mm的母体上设置带有X＝15mm的一定宽度尺寸坡口情况下，改变多重上部叠层部的尺寸h、W的焊接接头部剪切断裂试验结果。

                                [表2]

符号	t	h	w	x	h/t	(w-x)/2	650℃×100MPa剪切试验时的断裂时间(h)	接头剪切强度是否优良
									母体	50	-	-	-	-	-	1012	-
12345678	5050505050505050	02468101214	1515151515151515	1515151515151515	0.000.040.080.120.160.200.240.28	00000000	176216214242185104134135	××××××××
									910111213141516	5050505050505050	02468101214	1717171717171717	1515151515151515	0.000.040.080.120.160.200.240.28	11111111	219236126151235107161111	××××××××
1718192021222324	5050505050505050	02446101214	1919191919191919	1515151515151515	0.000.040.080.120.160.200.240.28	22222222	210160134121167213113224	××××××××
									2526272829303132	5050505050505050	02468101214	2121212121212121	1515151515151515	0.000.040.080.120.160.200.240.28	33323333	217121160249121243135213	××××××××
3334353637	5050505050	02468	2323232323	1515151515	0.000.040.080.120.16	44444	177225165198247	×××××

383940	505050	101214	232323	151515	0.200.240.28	444	88010791111	×○○
									4142434445464748	5050505050505050	02468101214	2525252525252525	1515151515151515	00.040.080.120.160.20.240.28	55555555	2202195607951034114210451125	××××○○○○
4950515253545556	5050505050505050	02468101214	2727272727272727	1515151515151515	00.040.080.120.160.20.240.28	66666666	23549898011181038103410181028	×××○○○○○
									5758596061626364	5050505050505050	02468101214	2929292929292929	1515161515151515	00.040.080.120.160.20.240.28	77777777	13792087310341055103411001034	×××○○○○○
6566676869707172	5050505050505050	02468101214	3131313131313131	1515151515151515	00.040.080.120.160.20.240.28	88888888	23735463810341076103410051117	×××○○○○○

                                                            ○：与母体相同(良好)

                                                            ×：比母体弱

如表2中看到的那样，在剪切强度与母体相同的情况下，h/t与(W-X)/2之间的关系基本满足图1(B)所示的关系。

通过使用现有的机器，简单地改变焊接方法，便将焊接接头部的强度做得与母体相同，与用于以往焊接方法的高温机器相比，管厚可以减小10～15％，材料的用量也可进行相同程度的削减。

由此，能够降低高温机器的制造成本，节省资源并且降低发电的单价。另外，还能够提高高温机器的可靠性。

另外，对于引起焊接热影响部的高温强度显著降低的高强度铁素体系耐热钢，本发明起到了显著的效果，能够有效地利用奥氏体系钢所没有的长处。

Claims (5)

1.一种高强度耐热钢的多层焊接接头部，它是一种在将高强度耐热钢的焊接接头部通过多层焊接坡口部位完成之后，形成让焊接热影响部的至少一部分带有熔融的加强焊道的多重上部叠层部的焊接接头部，其特征在于：

将上述焊接热影响部的熔融部通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上延伸，形成添加于该延伸部位的母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部。

2.如权利要求1所述的高强度耐热钢的多层焊接接头部，其特征在于：

上述延伸部的延伸面积，通过坡口宽度/母体的厚度之间的关系，构成了具有与母体相同的剪切强度。

3.如权利要求1所述的高强度耐热钢的多层焊接接头部，其特征在于：

通过上述熔融延伸形成的多重上部叠层部，构成了依次吸收上述母体表面一侧的焊接热影响部残留应力的多层。

4.一种高强度耐热钢的多层焊接接头部的焊接方法，它是一种在将高强度耐热钢的焊接接头部通过多层焊接坡口部位完成之后，让焊接热影响部的至少一部分熔融，构成带有加强焊道的多层焊接接头的焊接方法，其特征在于：

上述焊接热影响部的熔融，通过坡口入口的熔融线的移动，使在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上依次延伸，形成添加于该延伸部位的母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部，

上述延伸部的延伸面积，按照坡口宽度/母体厚度之间的关系，通过带有与母体相同的剪切强度区域的运算图设定出来的。

5.一种高强度铁素体系耐热钢的多层焊接接头的焊接方法，它是在对高强度铁素体系耐热钢的焊接接头部进行焊接的情况下，

将坡口部位的多层焊材完成时形成的母体表面一侧的焊接热影响部的至少一部分熔融，形成加强焊道的多重上部叠层部，

将上述焊接热影响部的熔融通过坡口入口的熔融线的移动，在加强焊道移动之前形成的母体表面一侧的焊接热影响部的整个区域上依次延伸，形成添加于该延伸部位的母体表面上的多层焊材的多重上部叠层部，

上述延伸部的延伸面积，按照坡口宽度/母体厚度之间的关系，通过带有与母体相同的剪切强度区域的运算图设定出来的。

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