CN209078035U - 一种异种钢管接头 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及机械制造领域，特别是一种异种钢管接头。现有焊接制造的异种钢管接头存在焊接熔合面强度低、焊缝及热影响区裂纹、长期服役后性能下降等问题。本实用新型通过激光同轴送粉熔融增材制造技术，制成一体结构并包含有合金A管段、过渡管段及合金B管段三个不同管段的异种钢管接头，所述异种钢管接头的化学成分从合金A有序过渡到合金B，对接位置两种材料成分有序过渡，接头两侧膨胀系数等物理性能差异小，高温高压下热应力降低；钢管接头两侧异种合金的互扩散抑制好，高温时效后的力学性能提高，使用寿命长。
Description
技术领域
本实用新型涉及机械制造领域，特别是一种异种钢管接头，所述异种钢管接头用于连接两种不同材质钢管。
背景技术
高温高压锅炉在不同热负荷区域采用不同的耐热合金换热管需要使用大量异种钢管接头，目前广泛应用的异种钢管接头都是通过焊接工艺将两种不同的金属管直接焊接在一起，两种金属管焊接位置的填充金属采用其中一种母材，如TP347H与S30432材料对接焊采用S30432焊条；或采用其他材料如T91与S30432材料对接焊，采用ERNiCr-3焊条。这种焊接工艺会产生一层性能和组织与母材不同的界面，由于异种金属在元素成分、物理性能、化学性能等方面具有显著差异，因此会产生以下问题：1、异种金属的熔点不同，互溶性差，熔合面强度低，因为在焊接时低熔点的材料达到熔化状态时，高熔点的材料仍呈固态，导致两种材料的互溶性差，而且还容易造成低熔点材料的烧损或蒸发，使得两种材料的熔合面强度相对较低；2、异种材料的线膨胀系数差异大，在热应力作用下容易开裂，因为线膨胀系数越大的材料，热膨胀率越大，冷却收缩也越大，熔池结晶时会产生很大的焊接应力，所述焊接应力不易消除，容易导致焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝金属与母材剥离；3、异种材料成分差异大，熔合面容易发生元素扩散，长期服役后性能下降，熔合面两侧材料的成分不同，化学势差异大，长期服役后，元素发生互扩散，会在熔合面附近产生组织变化，导致焊接接头的力学性能下降，例如T91与S30432材料采用ERNiCr-3焊条对接焊，靠近熔合面的T91母材侧容易产生块状铁素体组织，在600℃温度下服役5~10万小时后，T91侧发生断裂的案例较多。围绕上述问题，虽然有一些措施能缓解异种钢管接头存在的问题，例如改变焊缝填充金属、改进焊接工艺，降低热输入量、采用多道次焊接等等，所述方法可以在一定程度上缓解异种钢焊接中存在的问题，但都无法彻底消除熔合面两侧材料性能阶跃的特性并解决前述问题。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题和提出的技术任务是解决现有直接焊接导致的接头焊接熔合面强度低、焊缝及热影响区产生裂纹、长期服役后性能下降等问题，本实用新型提供一种异种钢管接头，所述异种钢管接头在对接位置良好熔融，两种材料成分有序过渡，钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异小，在高温高压下热应力大幅降低；钢管接头两侧的化学成分浓度梯度低，利于抑制异种合金的互扩散，提高钢管接头高温时效后的力学性能，延长钢管接头的使用寿命，具有显著的安全及经济效益。
本实用新型解决技术问题采用的技术方案：一种异种钢管接头，其特征是所述钢管接头由一体结构的三个管段连接组成，所述三个管段包括中部的过渡管段和分别连接其两端的合金A管段、合金B管段，所述过渡管段混合有合金A与合金B两种成分，且过渡管段自合金A管段一侧向合金B管段一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百逐渐降至零、合金B的成分占比从零逐渐提升至百分百，所述三个管段通过激光熔融增材方式加工制成。本实用新型通过激光同轴送粉熔融增材制造技术，制成一体结构并包含有三个不同管段的异种钢管接头，所述异种钢管接头的化学成分从合金A过渡到合金B，异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异有效降低，高温高压下的热应力也大幅降低；同时异种钢管接头两侧的化学成分浓度逐渐降低，利于抑制A、B两种合金的互扩散，提高了异种钢管接头的高温力学性能，延长使用寿命，具有显著的安全及经济效益。激光同轴送粉熔融增材加工为现有技术，其通过激光熔融粉末增材制造工件；加工时需配备分别放置合金A、合金B粉末的两个送粉器并连接同轴送粉激光器，在熔融过程中通过改变送粉比例以及激光功率，来改变熔池微区内的化学成分，随着熔池的移动凝固，最终形成化学成分从合金A有序过渡到合金B的异种钢管接头。
作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本实用新型采用如下技术措施：所述过渡管段为线性过渡管段，所述线性过渡管段自合金A管段一侧向合金B管段一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百线性降至零、合金B的成分占比从零线性提升至百分百，且线性过渡管段长度对应中间位置的合金A与合金B成分占比相同。过渡管段为线性过渡，两种合金的占比呈线性升降变化并在长度中间位置两种成分占比相同，利于确保异种钢管接头的化学成分从合金A有序过渡到合金B，保证异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异和高温高压下的热应力有效降低；同时异种钢管接头两侧的化学成分浓度呈均匀的梯度降低，更利于抑制A、B两种合金的互扩散，进一步提高异种钢管接头的高温力学性能。
所述合金A为T91，合金B为S30432；所述过渡管段、合金A管段以及合金B管段的长度均为10mm。本实用新型制造出的两种指定合金的异种钢管接头经能谱仪测试分析， T91、S30432异种钢管接头合金成分连续变化；在金相显微镜下，T91侧为马氏体组织，S30432侧为奥氏体组织，中间过渡段为马氏体+奥氏体双相组织，无明显的宏观相界面；过渡管段的显微硬度由T91侧的200HV平滑过渡到S30432侧的175HV，无明显硬度突变。采用所述方法制造的T91/S30432异种钢管接头，常温（25℃）下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率；高温（600℃）下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，均优于传统焊接工艺制造的T91/S30432异种钢管接头。T91合金与S30432合金为现有技术。
本实用新型通过激光同轴送粉熔融增材制造技术，制成由三个不同管段连接而成的一体结构的异种钢管接头，所述异种钢管接头的化学成分从合金A过渡到合金B，异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异有效降低，高温高压下的热应力也大幅降低；同时异种钢管接头两侧的化学成分浓度梯度降低，利于抑制A、B两种合金的互扩散，提高了异种钢管接头的高温力学性能，延长使用寿命，具有显著的安全及经济效益。
附图说明
图1：本实用新型结构及制造工艺流程图。
图2：本实用新型所述过渡管段沿着长度方向的元素成分变化图。
图中：1.同轴送粉激光器、2.蛇形路径、3.合金B管段、4.过渡管段、5.合金A管段、6.旋转底座、7.熔池、8.合金A、9.合金B。
具体实施方式
下面结合附图说明和具体实施方式对本实用新型做进一步的说明。
如图1～2所示，一种异种钢管接头，所述钢管接头由一体结构的三个管段连接组成，所述三个管段包括中部的过渡管段4和分别连接其两端的合金A管段5、合金B管段3，所述过渡管段混合有合金A与合金B两种成分，且过渡管段自合金A管段一侧向合金B管段一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百逐渐降至零、合金B的成分占比从零逐渐提升至百分百，所述三个管段通过激光熔融增材方式加工制成，其中合金A为T91，合金B为S30432；所述过渡管段4、合金A管段5以及合金B管段3的长度均为10mm。本实用新型所述异种钢管接头的化学成分从合金A过渡到合金B，异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异有效降低，高温高压下的热应力也大幅降低；同时异种钢管接头两侧的化学成分浓度逐渐降低，利于抑制A、B两种合金的互扩散，提高了异种钢管接头的高温力学性能，延长使用寿命，具有显著的安全及经济效益。
进一步的，所述过渡管段4为线性过渡管段，所述线性过渡管段自合金A管段5一侧向合金B管段3一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百线性降至零、合金B的成分占比从零线性提升至百分百，且线性过渡管段长度对应中间位置的合金A与合金B成分占比相同。由于过渡管段为线性过渡，两种合金的占比呈线性升降变化并在长度中间位置两种成分占比相同，利于确保异种钢管接头的化学成分从合金A有序过渡到合金B，保证异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异和高温高压下的热应力有效降低；同时异种钢管接头两侧的化学成分浓度呈均匀的梯度降低，更利于抑制A、B两种合金的互扩散，进一步提高异种钢管接头的高温力学性能。
制造时在旋转底座6上使用同轴送粉激光器1自下而上增材制造钢管接头，工艺步骤如下：
（1）在两个送粉器内分别放置合金A8球形粉体与合金B9球形粉体，其中合金A为T91，合金B为S30432，并且两种合金的球形粉体直径在53μm～150μm；
（2）采用压力为0.4MPa～0.6MPa、纯度为99.99%的氮气作为输送介质，分别将所述两个送粉器内对应的球形粉体送至连接激光器加工头的送粉管内，并在送粉管内的输送过程中完成两种粉体的均匀混合，所述两种粉体的输送比例可通过送粉器进行调节，且任意一种粉体的送粉比例均可在0%～100%之间调节；
（3）调节激光器加工头的激光功率为1000W～1200W、扫描速度为12mm/s，送粉管的送粉量为30g/min；
（4）采用设定的蛇形扫描路径2增材制造管段，先采用单一输送合金A的粉体制造出长度在10mm的合金A管段5；然后逐渐增加合金B的粉体输送，并在两种合金粉体的混合物中提高合金B的粉体比例同时降低合金A的粉体比例，直至合金A的粉体比例为零，制造出长度在10mm且混合两种合金成分的线性过渡管段4；最后采用单一输送合金B的粉体制造出长度在10mm的合金B管段3，最终制成总长度30mm的异种钢管接头。
本实用新型所述的两种指定合金的异种钢管接头经能谱仪测试分析， T91、S30432异种钢管接头合金成分连续变化；在金相显微镜下，T91侧为马氏体组织，S30432侧为奥氏体组织，中间过渡段为马氏体+奥氏体双相组织，无明显的宏观相界面；过渡管段的显微硬度由T91侧的200HV平滑过渡到S30432侧的175HV，无明显硬度突变。通过本实用新型所述方法制造的T91/S30432异种钢管接头，常温（25℃）下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率；高温（600℃）下的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，均优于传统焊接工艺制造的T91/S30432异种钢管接头。
Claims (3)
1.一种异种钢管接头，其特征是所述钢管接头由一体结构的三个管段连接组成，所述三个管段包括中部的过渡管段（4）和分别连接其两端的合金A管段（5）、合金B管段（3），所述过渡管段混合有合金A与合金B两种成分，且过渡管段自合金A管段一侧向合金B管段一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百逐渐降至零、合金B的成分占比从零逐渐提升至百分百，所述三个管段通过激光熔融增材方式加工制成。
2.根据权利要求1所述的一种异种钢管接头，其特征是所述过渡管段（4）为线性过渡管段，所述线性过渡管段自合金A管段（5）一侧向合金B管段（3）一侧沿长度方向合金A的成分占比从百分百线性降至零、合金B的成分占比从零线性提升至百分百，且线性过渡管段长度对应中间位置的合金A与合金B成分占比相同。
3.根据权利要求1或2所述的一种异种钢管接头，其特征是所述合金A为T91，合金B为S30432；所述过渡管段（4）、合金A管段（5）以及合金B管段（3）的长度均为10mm。
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| CN111790984A (zh) * | 2020-09-01 | 2020-10-20 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法 |
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