TW201323128A - 使用峰值溫度回火焊接方式焊接薄壁管件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用於藉由TIG焊接連接兩個組件之方法，該等組件由一風硬鋼合金，且特定而言，由材料T23或T24，組成。在待連接之該等組件之間產生一接頭17，該接頭特定而言自一內側朝向一外側加寬。首先，在該內側之區域中焊接一根層。隨後地，焊接鄰接該根層之一填充層，以使得該接頭至少90%被填充。最後，將一覆蓋層焊接至該填充層上，藉此以使得在該內側上在該根層之該區域中調整一最佳溫度範圍中之一溫度之一方式預先規定焊接參數。

Description

使用峰值溫度回火焊接方式焊接薄壁管件之方法
本發明係關於一種用於連接兩個毗鄰零件(特定而言，用於生產一鍋爐壁之管件壁調風器之兩個管件)之方法。一蒸汽產生器之鍋爐壁包括一介質流動穿過其之管件，該等管件經由提供於該等管件上之板條彼此連接且形成一封閉鍋爐壁。該等管件壁調風器可使用板條調風器支臺上之板條方式及/或經由該等管件沿著環縫調風器支台彼此連接。結合係藉由焊接(特定而言，使用鎢極惰性氣體焊接方法方式)完成。
在操作期間，一蒸汽產生器之鍋爐壁經受大應變。特定而言，考量到一介質材料流動穿過其之管件，需要使用可相應地應力之材料。該鍋爐壁包括封閉該鍋爐之燃燒室之一燃燒室壁及一煙道氣通道之一鄰接圍阻壁。該燃燒室壁以及該圍阻壁必須能夠移除足夠熱。為滿足此等需求，可用於該等壁之材料係一麻田散體鋼合金。然而，此等材料需要隨後之熱處理，此乃為何期望使用避免隨後之熱處理之一材料。因此，較佳地使用肥粒鐵、變韌體或變韌體-麻田散體鋼合金。由於其化學組成，此等合金中之數者(甚至在藉助預熱發生焊接時)在自焊接溫度冷卻時往往增加硬化。在下文中，此等合金將稱作「風硬」。特定而言，使用材料T23(7CrWVMoNb 9-6)或T24(7CrMoVTiB 10-10)，此等材料係由歐洲標準EN 10216以及由美國材料 試驗協會(ASTM國際組織；美國賓夕法尼亞州西康舍霍肯)之ASTM A213/A213M-09a定義及/或標準化。材料T24稱作標準7CrMoVTiB 10-10。基於在壓力下操作之無縫鋼管件之交貨技術條件(DIN EN 10216-2)，欲結合之組件之碳含量可係0.05 wt%至0.10 wt%(wt%=重量百分比)。
已發現此等材料之管件(特定而言，材料T24及T23)在蒸汽產生器之操作期間經受損害。該材料在焊接操作期間完全硬化以使得裂痕由於根中之幾何不規則、由於高壓及由於高溫而形成在該管件之內側上，該等裂痕然後導致損害且最終導致管件中之洩漏。
在本文中，將具有高達5毫米至最大10毫米之一壁厚度之管件稱作薄壁管件。VD TÜV(德國技術控制協會)材料資料表533/2並不提供具有10毫米之一壁厚度之經TIG(鎢極惰性氣體)焊接薄壁管件中之一隨後之熱處理。確實可藉由在一回火溫度下之一隨後之熱處理來消除焊接中之硬度增加；然而，已發現此不僅昂貴而且亦可導致裂痕之形成且導致經熱處理之組件之一變形。在大型鍋爐中，此方法係不可行的。
迄今為止，已經考量之另一解決方案係超過麻田散體起始溫度焊接。然而，此溫度係極高，且因此建議在實際應用中亦不適合。此方法產生一過熱結構且伴隨材料性質之一劣化。
因此，本發明之目標係提供一種用於焊接管件壁調風器 之焊接方法，該方法亦適合於風硬鋼合金，且特定而言，適合於材料T23及T24，且特定而言，適合於薄壁管件。
此目標係藉助展現專利技術方案1之特徵之一方法達成。
在兩個組件(舉例而言，兩個管件或兩個板條)之接頭焊接中，在一接頭中形成一多層焊縫。首先，產生一根層。該根層定位於在將兩個管件焊接在一起時形成之一內側上，該內側藉由與介質相關聯之管件形成。較佳地，該接頭自該內側朝向一相對外側加寬。該接頭可係具有一三角形或梯形剖面之一V接頭。
隨後地，將至少一個填充層施加至該根層，該填充層填充待連接之兩個組件之間的該接頭高達基本上該外側之高度(若可能)。同等類型之管之接頭焊接係籍助使用與待結合之組件之材料相同類型之一焊接填料材料來完成。因此，舉例而言，籍助對應之焊接填料材料WZCrMo2VTiNb將兩個T24管件焊接在一起。另外，該焊接方法可用於異質類型之焊接接頭，其中待結合之組件中之至少一者及/或焊接沈積物展現風硬性質。使用所謂鎢極惰性氣體焊接(TIG焊接)方法作為該焊接方法。
針對根層及填充層之焊接條件可經適當地判定。如此做時，在根層之區域中形成經硬化區，在此情形中，在該等經硬化區中α混合晶體已變態為γ混合晶體。該γ混合晶體顯示一更大碳溶解度，其在冷卻期間在熱影響區中以及在焊接沈積物本身中產生一經應變晶格及材料之相伴增加硬 化。此硬度增加亦發生在待結合之組件之內側之區域中，此係特別關鍵的。此極端硬度使得該等組件(舉例而言，管件壁調風器)對結合點(特定而言，該內側表面)處之裂痕之形成(視情況亦及應力破裂腐蝕)敏感。另一關鍵發生硬化之機制係在550℃之一溫度範圍中之特殊碳化物之分離。此等特殊碳化物導致該熱影響區域之一敏化且導致對鬆弛裂痕形成之所謂損害機制之一增加敏感性。
因此，根據本發明，將一或多個覆蓋層焊接至填充層上，藉此以使得在一最佳溫度範圍內發生對內側及/或根層之區域中之焊縫之加熱(該加熱係由焊接程序引起)且因此產生經減少之硬度之一方式預先規定焊接參數。用於最佳化該硬度以及用於最佳化微結構之最佳溫度範圍係藉由相圖之AC1溫度及AC3溫度之材料特定保持點或變態點(且特定而言亦及特殊碳化物之材料特定分離溫度)而判定。較佳地，達成此條件，此乃因焊接電流強度係限制於介於70安培與120安培之間的一範圍。
較佳地，該至少一個覆蓋層係藉由所謂擺動焊接施加。如此做時，覆蓋層之焊接珠並不作為一線性焊珠而是作為一擺動焊珠產生。其在接頭中以一蛇形線之形式延伸。當產生該擺動焊珠時，焊接填料材料之電焊條及/或焊線不僅沿著焊縫移動，而且同時在橫向上往後返移動至其以使得形成一蛇形焊珠形狀。由於此運動，距內側上或根層之區域中之先前經硬化區之距離不斷改變。至此等經硬化區之熱供應係適度的，以使得溫度可保持在最佳溫度範圍 中。如此做時，焊接電流因此限制於介於70安培至120安培之間的範圍中之一最大值。
較佳地，用於焊接根層及/或填充層之焊接電流大於用於焊接該至少一個覆蓋層之焊接電流。用於焊接根層之焊接電流可然後低於用於焊接填充層之焊接電流。
可自獨立申請專利範圍以及自實施方式推斷根據本發明之方法之有利實施例。實施方式闡釋該方法之一項例示性實施例且限於本發明之基本特徵以及其他情況。圖式係用於補充資訊。
圖1展示作為用於一鍋爐壁之製造之一管件壁調風器10之一例示性組件之一管件11。鍋爐壁包括封閉鍋爐之一燃燒室之一燃燒室壁及封閉鄰接該燃燒室之煙道氣通道之一圍阻壁。該鍋爐壁經組態以便係氣密的。
通常，需要藉由(例如)在製造一鍋爐壁時對兩個受影響管件端進行焊接(例如，TIG焊接)來以一流體密封方式使管件11彼此連接。如此做時，使毗鄰鍋爐壁調風器10之管件11彼此連接。此連接係藉由焊接(舉例而言，藉由TIG焊接)完成。使用一焊接縫13方式使兩個毗鄰管件壁調風器10之管件11在環縫調風器支台處彼此連接，及/或在調風器支台處連接至兩個毗鄰管件壁調風器10之板條12。圖2展示此一焊接縫13之一示意性表示。用於待連接之兩個組件11、12之間的焊接連接之接頭17具有一三角形或梯形剖面且自一內側14朝向一外側15加寬。當連接兩個管件時， 內側14藉由面向一處理介質之管件內壁16表示。接頭17在外側15上之寬度BA係大約10毫米至12毫米。接頭17在內側14上之寬度BI係大約2毫米至4毫米。
待連接之兩個組件11、12之壁厚度W係介於5毫米與10毫米之間。管件11及/或板條12由一風硬鋼合金組成，特定而言由一變韌體或變韌體-麻田散體鋼合金組成。在例示性實施例中，所使用之材料係具有至少0.05 wt%(且舉例而言，0.1 wt%)之一碳含量之T24(7CrMoVTiB 10-10)。
焊接縫13由數個層構成。其包括位於待結合之組件11、12之內側14上之一根層20。至少一個填充層21經施加至此根層20，該填充層與根層20一起基本上完全填充接頭17。填充層之數目取決於壁厚度。根據該實例，填充層21鄰接外側15且具有以一凹形彎曲方式沿接頭橫向方向Q背對根層20之一表面22。接頭17至少90%被填充層21及根層20所填充。
至少一個覆蓋層23且(較佳地)一第一覆蓋層23a及一第二覆蓋層23b經施加至填充層21。每層20、21、23之焊接珠軌道之數目可變化。舉例而言，圖5及圖6展示分別帶有一個焊珠軌道24之層20、21、23，而圖7及圖8展示沿接頭橫向方向Q形成之兩個毗鄰焊珠軌道24之單個覆蓋層23。此外，在圖8中之第一覆蓋層23a包括沿接頭橫向方向Q彼此毗鄰之兩個焊珠軌道24。同樣，其他層20、21可包括數個焊珠軌道24。一層20、21、23之焊珠軌道24之數目亦可大於兩個。
在如圖7或圖8中之焊接接頭之實施例中，兩個焊珠軌道24在一個覆蓋層23或23a中彼此靠近。每一焊珠軌道24穿過接頭17距在中心平面外側之熱影響區Z中之一點的距離可變化，如藉由由箭頭d1及箭頭d2在圖8中之一隨機位置之實例所示意性展示。因此，當正焊接覆蓋層23或23a之兩個焊珠軌道24時，此位置處之熱影響之範圍亦變化。結果係一不對稱性。取決於最後焊接哪一焊珠軌道24，此可在熱影響區Z中之接頭17之受影響側上導致一潛在非期望之大硬度。在彼等情形中，如圖8所展示，將一第二覆蓋層23b施加於一個焊珠軌道中，以使得再次抵消熱影響區Z中之不對稱溫度影響。
特定而言，在沿著內側14之區域中，焊接接頭必須不展現由於麻田散體形成及促進裂痕之形成之二次硬化所致之任何增加之硬度。特定而言，在此區域中該硬度必須低於350 HV。特定而言，關鍵係在根層20與分別毗鄰組件11、12以及根凹陷27之間的兩個過渡處26。特定而言，在此等關鍵點處26、27處，當內側區域展現增加之硬度時可能開始一裂痕形成。
至少一個覆蓋層23之焊接係籍助經預先規定之焊接參數完成，以使得在內側14上在根層20之區域中，在一熱影響區Z中調整大約600℃至大約1000℃之一最佳溫度範圍中之一溫度T。根據該實例，該最佳溫度範圍係介於材料特定AC1溫度與AC3溫度之間。該最佳溫度範圍之下限亦可由於分離程序而低於AC1溫度大約100℃。舉例而言，針對材料 T24，AC1溫度係815℃且AC3溫度係930℃。因此，當產生根層20時及/或當產生填充層21時，內側14上之熱影響區域中之增加之硬化減小或消除，且此熱影響區域中之硬度經減少至內側14上之可容許值，特定而言，該等值低於350 HV。
根據該實例，焊接電流I用作經預先規定之焊接參數，該參數係在焊接該至少一個覆蓋層23時經預先規定。
用於焊接至少一個覆蓋層23之焊接電流I經調整而符合與壁厚度W之一經預先規定非線性關係，如藉由圖9中之曲線K所定性展示。焊接電流I及該焊接電流隨增加壁厚度W而變化增加。此意指曲線K之傾斜度隨壁厚度W增加而增加。
當焊接覆蓋層23時，焊接電流I以使得遍及內側14之區域中之待連接之管件11之壁之溫度輸入及熱耗散係在介於T=AC1與T=AC3之間的最佳溫度範圍內處於一平衡狀態之一方式經調整。圖10中展示針對每一壁厚度W之結式關係。彼處展示針對一壁厚度W在沿著接頭17之一周邊點處隨時間t而變之內側14之區域中之熱影響區Z中之溫度T。針對每一焊接電流I產生一不同關係，以使得使用焊接電流I作為一參數，獲得一族曲線。
為達成上文所述之平衡狀態，定義焊接電流I之電流強度以使得熱影響區域Z中之溫度T在一第一時間t1處超過AC1溫度，此值低於經預先規定第一持續時間限制ta。AC1溫度錶示必須達成之溫度下限。此外，焊接電流I經調整 以使得熱影響區域Z中之溫度T在一第二持續時間限制tb已流逝之前不超過由AC3溫度預先規定之溫度上限。該第二持續時間限制tb與該第一持續時間限制ta之間的時間差△t係足夠大以為由一操作員進行之焊接保留足夠時間。由於該操作員沿著接頭17移動電焊條，因此該經預先規定之時間間隔△t為一焊接裝置之任何操作員預先規定一足夠大之時間週期，以使得無論操作員之個別習慣如何，在介於AC1溫度與AC3溫度之間之所期望最佳溫度範圍內達成輸入至熱影響區Z中之一溫度。
舉例而言，參考由圖10所展示之實例，焊接電流I之電流強度I4係適合的。相關聯溫度曲線在一第一時間t1處達到AC1溫度，該溫度低於第一持續時間限制ta，且在第二持續時間限制tb已流逝之後才在一第二時間t2處超過AC3溫度。電流強度I3亦將適合於焊接電流I。
若產生數個覆蓋層23a、23b，則在待連接之組件之相同幾何條件下，對於所有覆蓋層23a、23b而言，焊接參數且(特定而言)焊接電流I係完全相同的。
在一個或兩個側上，覆蓋層23可係位於距分別毗鄰組件11、12之一距離處，該距離稱作縫寬度S且(根據該實例)介於0毫米與2毫米之間。
覆蓋層23之焊接珠24或覆蓋層23a、23b之焊接珠24並不應用為線性焊珠而係以擺動焊珠P之形式，如由圖3及圖4所示意性展示。在焊接操作期間，焊接填料材料之電焊條及/或焊線在接頭17中以蛇形線或鋸齒線移動。如此做 時，沿接頭橫向方向Q之偏轉係電焊條直徑或焊線直徑的至少兩倍或三倍。通常，若待連接之組件由相同類型之材料組成，則使用相同類型之焊接填料材料，舉例而言，針對管件T24使用WZCrMo2VTiNb。若焊接接頭係由一異質類型之材料構成，則可使用根據本發明之焊接技術，前提是待連接之組件中之至少一者及/或焊接填料材料展現風硬性質。根據該實例，該焊線具有2.0毫米至3.5毫米之一直徑。
本發明係關於一種用於藉由TIG焊接連接兩個組件11、12之方法，該等組件由展現風硬性質之一鋼合金，且特定而言，由材料T23或T24，組成。在待連接之組件之間產生一接頭17，該接頭(特定而言)自一內側14朝向一外側15加寬。首先，在內側14之區域中焊接一根層20。隨後地，焊接鄰接根層20之一填充層21，以使得該接頭至少90%被填充。最後，將一覆蓋層23焊接至填充層21上，藉此以使得在內側14上在根層20之該區域中調整一最佳溫度範圍中之一溫度之一方式預先規定焊接參數。
10‧‧‧管件壁調風器/鍋爐壁調風器
11‧‧‧管件/組件
12‧‧‧板條/組件
13‧‧‧焊接縫
14‧‧‧內側
15‧‧‧外側
16‧‧‧管件內壁
17‧‧‧接頭
20‧‧‧根層/層
21‧‧‧填充層/層
22‧‧‧表面
23‧‧‧覆蓋層/層
23a‧‧‧覆蓋層/第一覆蓋層/層
23b‧‧‧覆蓋層/第二覆蓋層/層
24‧‧‧焊接珠/焊珠軌道/焊縫軌道
26‧‧‧過渡處/關鍵點
27‧‧‧根凹陷/關鍵點
AC1‧‧‧溫度
AC3‧‧‧溫度
BA‧‧‧寬度
BI‧‧‧寬度
d1‧‧‧隨機位置
d2‧‧‧隨機位置
I‧‧‧焊接電流/電流強度
K‧‧‧曲線
P‧‧‧擺動焊珠
Q‧‧‧接頭橫向方向
S‧‧‧縫寬度
T‧‧‧溫度
t‧‧‧時間
t1‧‧‧第一時間
t2‧‧‧第二時間
ta‧‧‧第一持續時間限制
tb‧‧‧第二持續時間限制
W‧‧‧壁厚度
Z‧‧‧熱影響區
△t‧‧‧時間差/時間間隔
圖1係一管件(如在實例中，作為管件壁調風器之一組件)之一示意性圖解說明之一透視圖；圖2係示在兩個組件(舉例而言，兩個管件)之一結合部位處包括一多層焊接縫之一接頭之一示意性剖面圖解說明；圖3及圖4係該焊接縫之一覆蓋層之較多擺動焊珠中之一 者之前進之一示意性圖解說明；圖5至圖8係展示焊接珠之數個層之配置選項之示意性剖面圖解說明；圖9係焊接珠之電流強度I與壁厚度W之間的關係之一表示；且圖10係針對焊接電流I之各種電流強度及針對一壁厚度W隨時間t而變之一熱影響區Z中之溫度T之間的關係。
11‧‧‧管件/組件
12‧‧‧板條/組件
17‧‧‧接頭
24‧‧‧焊接珠/焊珠軌道/焊縫軌道
P‧‧‧擺動焊珠

Claims (14)

  1. 一種用於藉由焊接連接兩個組件(11、12)之方法，其中該兩個組件(11、12)中之至少一者或焊接接頭之產生中所使用之一焊接填料材料由一風硬鋼合金組成，該方法包括以下步驟：在待連接之該兩個組件(11、12)之間提供自一內側(14)朝向一外側(15)延伸之一接頭(17)；在該內側(14)之區域中焊接一根層(20)，焊接鄰接該根層(20)之一填充層(21)，以經預先規定焊接參數在該外側(15)之該區域中焊接鄰接該填充層(21)之至少一個覆蓋層(23)，以使得在該內側(14)上之該根層(20)之該區域中調整一最佳溫度範圍中之一溫度。
  2. 如請求項1之方法，其中該鋼合金具有在1.9至2.6重量百分比(wt%)之範圍中之一鉻含量。
  3. 如請求項2之方法，其中該鋼合金具有在2.25至2.5重量百分比(wt%)之範圍中之一鉻含量。
  4. 如請求項1之方法，其中該至少一個覆蓋層(23)之至少一個焊接珠(24)應用為一擺動焊珠(P)。
  5. 如請求項1之方法，其中該最佳溫度範圍之上限對應於待連接之該等組件(11、12)之材料特定AC3溫度。
  6. 如請求項1之方法，其中該最佳溫度範圍之下限係大約為600℃或700℃。
  7. 如請求項1之方法，其中該最佳溫度範圍之該下限對應於待連接之該等組件(11、12)之該材料特定AC1溫度。
  8. 如請求項1之方法，其中用於焊接該至少一個覆蓋層(23)之焊接電流(I)係介於70安培與120安培之間，且較佳地介於85安培與95安培之間。
  9. 如請求項1之方法，其中待連接之該等組件(11、12)係一鍋爐壁之一管件壁調風器(10)之兩個管件(11)或兩個板條(12)。
  10. 如請求項1之方法，其中待連接之該等組件(11、12)具有小於10毫米之一壁厚度(W)。
  11. 如請求項1之方法，其中待連接之該等組件(11、12)具有在5.6毫米至6.3毫米範圍中之一壁厚度(W)。
  12. 如請求項1之方法，其中待連接之該等組件(11、12)之碳含量係至少0.05至0.10重量百分比(wt%)。
  13. 如請求項1之方法，其中該等層(20、21、23、23a、23b)中之每一者包括一或多個焊縫軌道(24)。
  14. 如請求項1之方法，其中該焊線具有2.0毫米至2.5毫米之一直徑。
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