通过消除和减小热影响区延长合金钢焊接接头寿命的方法

摘要

本发明提供了一种焊接两金属构件的方法(100)。

说明书

发明背景

发明领域

本发明一般地涉及焊接。更具体地，本发明指一种用隔离层堆焊(buttering)和热处理技术将金属构件焊接到一起的方法以避免焊后热处理并且消除或减小热影响区。

相关技术描述

焊接中有两个方面增加焊接成本并导致焊后元件的失效：热影响区(HAZ)的存在和用来针对热影响区导致的问题的焊后热处理(PWHT)。如本领域公知的，来自焊接的热在邻近焊缝的金属中形成热影响区。这一热影响区的形成具有不利的冶金学效应，如缺口效应或晶粒长大，使热影响区的金属弱化。而新合金，例如含2-12重量％铬的合金，已经被研制出来，以便为高温度压力的应用提供比以前使用的合金和钢更高的强度。限制用这类材料制成的元件的使用寿命的失效易于发生在热影响区内的邻近焊缝处。此外，研制强化焊缝且降低热影响区效应的填充材料的尝试还不令人满意。

另一用于改善热影响区冶金学性能的方法是焊后热处理。美国机械工程师协会(American Society of Mechanical Engineers，ASME)锅炉和压力容器规范(Boiler and Pressure Vessel Code)要求低合金钢管道和压力容器的焊接应用要经过焊后热处理，以在焊接热影响区达到韧性、拉伸和硬度的性能。然而，焊后热处理一般是昂贵的工艺，需要很长的时间去实施。一般地，焊后热处理需要将焊接后的金属件加热到稍稍低于该材料的第一转变温度的温度。美国机械工程师协会规定的一种含2％铬的高温材料的焊后热处理要求该材料每英寸厚度的材料在1350保温一小时。材料的温度可被升温到保温温度和冷却回室温的变温速率必须被精确控制，且需要数小时才能完成。用这种材料制成的2″厚管的一般焊后热处理操作包括准备、将材料升温的时间、保温时间和冷却时间，其可需要24小时。多次焊接的元件可能需要几个焊后热处理操作。

元件的制造者一般在一个允许几个焊接接头同时被回火的大炉子中实施这种焊后热处理。炉子的物理尺寸明显地限制可被回火的元件的尺寸。因此，某些焊后热处理过程必须在野外或现场进行。在这些情形中，部件被焊接在一起并随后被运输到焊后热处理被实施的场地。这样的大元件的焊后热处理一般利用电阻衰减器或感应热处理设备实施。同样地，能够同时得到焊后热处理的焊接接头的数目受到功率和焊后热处理设备的利用率的限制。在大的施工工作中，焊后热处理的时间安排也变成了一项重要的工作。

此外，仅仅将元件从制造车间移动到炉子、储存地、其它制造区域或工作场地就会导致在焊缝和热影响区的失效。在工作场地装配元件对实现可接受的焊后热处理产生了额外的挑战。在元件周围的空气流，包括例如来自风和烟囱效应的外部流和内部流，可导致材料在焊后热处理中未达到形成所需要性能的足够的温度。在焊后热处理操作过程中还需要对元件的支持特别小心，因为焊后热处理操作的高温大幅度地降低材料的强度。

即使进行了焊后热处理，在焊缝附近或在热影响区仍会发生失效。因此，需要一种降低热影响区效应并消除对焊后热处理的需要的改进的焊接方法。

发明概述

本发明提供一种将两金属构件焊接在一起的方法，包括用第一镍基填充金属堆焊第一金属构件的表面产生第一堆焊表面，其厚度足以将第一金属构件中的热影响区与随后的焊接隔离；在堆焊第一金属构件表面之后至少对第一金属构件的热影响区进行热处理以产生热处理的第一堆焊表面；用具有与第一镍基填充金属相同组成的第二镍基填充金属堆焊第二金属构件的表面产生第二堆焊表面，且其厚度足以将第二金属构件的热影响区与随后的焊接隔离；在堆焊第二金属构件表面之后至少对第二金属构件的热影响区进行热处理以产生热处理的第二堆焊表面；并且用具有与第一和第二镍基填充金属相同组成的第三镍基填充金属焊接热处理的第一堆焊表面和热处理的第二堆焊表面。

本发明的方法可用于焊接相似的和不相似的金属。优选地，本发明的方法被用于将马氏体不锈钢与铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或另一种马氏体不锈钢焊接。

本发明的方法允许将亚元件部件在车间或工作现场焊接在一起而不需要焊后热处理。这提供了对设备的更好的利用和对人力规划的改善，同时缩短了野外装配所需要的时间。此处描述的本发明的方法可被用来充分地降低连接低合金管道和/或压力容器材料所需的成本和时间，并可用于多种的不同焊接过程。

本发明的这些和其它特征和优点将在随后的描述中体现，从中结合附图详细地给出了优选实施方案。

附图简述

图1是根据本发明的一个实施方案的工艺流程图；和

图2A-2C示出了根据本发明的一个实施方案的两金属构件的焊接。

发明详述

本发明提供一种减小或消除焊接过程中热影响区形成导致的效应并消除对焊后热处理的需要的改进的焊接方法。一般地，本发明提供一种方法，该方法使用堆焊技术用镍基填充材料制备待焊接的第一金属构件，随后进行或者为对热影响区回火或者为通过正火(normalization)消除热影响区的焊后热处理。第二金属构件也用类似的或相同的方式制备。随后或者在车间里或者在野外将这两个构件焊接在一起，而不需要焊后热处理。

图1是根据本发明的一个实施方案的工艺流程图。工艺100是将两金属构件焊接到一起的方法。应该意识到待焊接到一起的金属构件可以是相似的或不相似的金属。例如，含有低于12重量％铬的低合金铁素体钢可被连接在一起。含有低于12重量％铬的低合金钢，例如铁素体钢，也可被与含有12重量％或更多的铬的不锈钢例如奥氏体不锈钢连接在一起。在一个优选实施方案中，本发明被用于将马氏体不锈钢与铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或另一种马氏体不锈钢连接在一起。另一优选实施方案包括将9Cr合金与另一9Cr合金、其它铁素体合金或奥氏体合金连接在一起，这里9Cr合金可能包括，例如，直的9Cr，P91，P92等等。

应该意识到，术语“低合金”钢的使用是指与碳钢类似的钢，这类钢含有低于大约1.65％锰，0.60％硅或0.60％铜。除非例如铬、钼、钴、铌、钛这些元素被加入以提高其硬化程度和强度。低合金钢的例子包括(T11或P11)，(T22或P22)和多种其它ASTM-型合金钢如铁素体和马氏体钢。术语“铁素体”的使用是指在室温显示铁素体的主导显微结构并且不能用热处理硬化的钢。术语“不锈”的使用是指含有至少10重量％铝并且包括例如奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和析出硬化不锈钢的含铁合金。术语“奥氏体”不锈钢的使用是指用镍或锰和氮合金化提供室温下的奥氏体结构的不锈钢，例如300-系列不锈钢，包括例如304、316、321和347。术语“马氏体”不锈钢的使用是指加入了碳在室温下显示马氏体主导显微结构并可通过热处理硬化的不锈钢，例如400-系列不锈钢，包括例如410、420和440。铁素体不锈钢，例如430或446钢，含有至少10重量％铬并在室温具有铁素体和碳化物的显微结构。一般地，这些合金不通过热处理硬化。

在第一步骤102，待焊接在一起的各金属构件被准备用于焊接。应该意识到，“金属构件”是指待焊接的任何金属构件。例如，金属构件可以是准备焊接到另一亚元部件(sub-component part)上以形成所需的设备的最终元件或构件的一个亚元部件。因此，术语“金属构件”的使用是意图一般地覆盖所有类型和形状的待焊接金属。在本步骤102中所作的准备可能包括在金属构件上进行的将其准备用于焊接的多种工艺步骤或程序。例如，金属构件，或金属构件的特定表面，可能通过运用车床被加工成特定的形状。金属构件的表面还可能被磨削，该磨削一般在电弧刨削后进行，或进行空气弧(air-arcing)处理，以除去金属。放电切削也可能被用来精确加工，但该技术一般较慢。

在下一步骤104，每一随后将要与另一金属构件焊接的金属构件的每一表面被用镍基填充料堆焊。特别地，镍基填充料被焊接到随后将被焊接到一起的每一金属构件的特定表面上。将这一镍基填充料应用于每一金属构件的表面可被称为“堆焊层”。优选地，镍基填充料含有至少10重量％或更多的镍，并且更优选地含有约40-70重量％的镍，并且还更优选地40-60重量％的镍。另外，该填充料可以是本领域已知的任何材料，该材料将部分地依赖于被焊接在一起的金属构件的组成。能够用于本发明的堆焊和不相似金属焊接的一些优选的填充材料的例子包括INCONEL焊接电焊条(Welding Electrode)182，INCONEL填充材料82和INCO-WELD A电焊条。应该意识到，优选地镍基填充料的组成与两金属构件或每一构件上的堆焊层的相同。

用于实施或焊接这一堆焊层的实际情形或技术是本领域的技术人员所熟知的。特别地，现有的任何焊接步骤和技术可以被用来施加该堆焊层。然而，该堆焊层被实施的厚度应该足以将堆焊过程中形成的热影响区与随后的焊接过程中产生的热量隔离。也就是说，堆焊层应该足够厚，使热影响区不被随后的焊接操作即将两个金属构件焊接到一起的过程影响。

此外，在步骤104中，施加堆焊层以后，每一金属构件可以在将两金属构件间最终焊接的准备中再次被机械加工成合适的焊接几何形状。因此，如果这种加工被实施，堆焊层的厚度应该足以允许这种加工导致的其厚度减小。堆焊层的厚度可能根据焊接过程的类型、填充料的组成和所用的合金组成而不同。

在下一步骤106中，每一金属构件被热处理。实施的特定热处理应该足以至少对每一金属构件中的热影响区进行热处理。也就是说，每一金属构件应该经受加热，以使任一构件的至少热影响区被加热到所需的温度，以达到所需的效应。在一个实施方案中，这一热处理包括将每一金属构件或至少其HAZ加热到足以正火HAZ的温度，例如，在一个实施方案中，该热处理包括将各金属构件加热到A_C3转变温度以上，根据合金和相应的化学性质该加热不同。对热影响区的正火导致热影响区恢复到其原始的或原来的基本冶金学状态。优选地，这种热处理在炉中实施，以获得比其它加热方法或设备更好的控制。

应该注意到，这种正火热处理可被用于金属构件都是具有大约2-12重量％铬含量的低合金金属的情形。这种正火热处理可被用于金属构件的每一个都包含低合金铁素体钢构件的情形。这种正火热处理可被用于金属构件的一种包含低合金金属构件而另一种金属构件包含不锈钢构件的情形。这种正火热处理可被用于金属构件的一种包含低合金铁素体钢构件而另一种金属构件包含奥氏体不锈钢构件的情形。这种正火热处理还可被用于金属构件的一种包含马氏体不锈钢构件而另一种金属构件包含低合金铁素体钢、奥氏体不锈钢或马氏体不锈钢的任意一种的情形。

在另一实施方案中，该热处理包含将每一金属构件加热到足以将热影响区回火获得足够的热影响区韧性、拉伸和硬度性能的温度。例如，在一个实施方案中，该热处理包括将每一金属构件加热到A_C1转变温度以上，该温度根据合金和它的相应化学性质而不同，但低于A_C3温度。

应该注意到，该回火热处理可被用于金属构件的一种包含低合金金属构件而另一种金属构件包含不锈钢构件的情形。该回火热处理可被用于金属构件的一种包含低合金铁素体钢构件的情形。例如，该回火热处理可被用于金属构件的一种包含马氏体不锈钢构件而另一种金属构件包含低合金铁素体钢的情形。应该注意到，在一些场合对一个金属构件使用正火热处理而对另一个金属构件使用回火热处理是有益的。

应该注意到，在金属构件被焊接在一起之前对每一金属构件进行热处理的优势避免了对焊后热处理的需要。所以，在金属构件包含特别大元件的亚元件的情形，对单个的亚元件进行热处理可能比不得不对设备的整个完成的元件或构件使用焊后热处理容易。同样地，昂贵的野外焊后热处理可以被避免。进而，应该注意到，这种热处理可在车间或野外实施。

此外，在步骤106对每一金属构件热处理之后，每一金属构件可能在在两金属构件间准备最终焊接时再次被机械加工成合适的焊接几何形状。因此，如果这种加工被实施，堆焊层的厚度应该足以允许这种加工导致的其厚度的减小。堆焊层的厚度可能根据焊接过程的类型、填充料的组成和所用的合金组成而不同。

在下一步骤108，每一热处理的堆焊金属构件被用镍基填充料焊接在一起。如上面讨论的，镍基填充料包含至少10重量％或更多的镍，并且更优选地包含大约40-70重量％镍，并且甚至更优选地包含40-60重量％镍。此外，填充料可以是本领域已知的任何材料，该材料将部分地依赖于被焊接在一起的金属构件的组成。能够用于本发明的堆焊和不相似金属焊接的一些优选的填充材料的例子包括INCONEL焊接电焊条182，INCONEL填充材料82和INCO-WELD A电焊条。优选地，用于将两金属构件焊接在一起的镍基填充料与用于产生堆焊层的镍基填充料相同。

本领域的技术人员将会注意本领域任何已知的方法和技术都可被用来将两金属构件焊接到一起。类似地，本领域已知的任何设备也可被应用。应该注意到，这一焊接操作将不需要随后的焊后热处理，因为在每一金属构件的各自的热影响区已经得到了足够的性能。进而，镍基填充料为这一焊接提供了足够的冶金学性能。因此，这两个焊后的金属构件可被用于服役而不会不得不使用焊后热处理。

图2A-2C示出了根据本发明的一个实施方案的两金属构件的焊接。图2A示出了待焊接的两金属构件202、204。联系图1如以上描述的，每一金属构件可根据本领域已知的准备方法如机械加工被准备。图2B示出了对每一金属构件应用堆焊层206、208。在这一特别场合，堆焊层206、208被应用于每一金属构件202、204的端部表面。联系图1如以上所描述的，具有堆焊层206、208的这些金属构件202、204的每一个将随后或者通过正火热处理或者通过回火热处理被热处理。此外，每一金属构件可以通过机械加工被进一步处理以获得所需要的表面形状。图2C示出了最终焊接步骤的结果，其中填充料210用于焊接堆焊层206、208，并且从而将两金属构件202、204焊接在一起。还有联系图1如前面所描述的，最终焊接后的元件可被用于服役而不需要焊后热处理。

本发明的不同实施方案已被描述。这些描述意图作为本发明的例证。对本领域的技术人员显而易见，这里对发明的描述可以被更改而不偏离以下提出的权利要求的范围。例如，应该理解本发明可被用于相似或不相似的金属构件的焊接。而且，应该理解虽然本发明被一般地描述作用于两金属构件的焊接，但本发明可被用于将金属焊接在一起的任何应用。例如，本发明可被用于动力、化学制剂、石油、钢、运输、以及纸浆和纸。更一般地，任何其中使用低合金钢焊接的过程都可利用本项技术。此外，本发明可被用来将马氏体不锈钢与铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢或另一种马氏体不锈钢的任意一种焊接。