一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼的焊接方法
【專利摘要】一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，包括下述步驟：1)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管，摩擦焊機(jī)夾具卡緊所述鋼管，鋼管不能產(chǎn)生晃動，馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的中心線保持在一條水平線上；2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為25-75MPa，摩擦?xí)r間為4-6秒；3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為100-200MPa，摩擦變形量為4-8mm；4)頂鍛階段，頂鍛壓力為150-250MPa，頂鍛時間為4-6秒；5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，消除殘余應(yīng)力；具有接頭質(zhì)量高、適合異種材質(zhì)的焊接、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點。
【專利說明】一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼的焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于超超臨界機(jī)組的異種鋼焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]超超臨界機(jī)組(Ultra-supercritical USC)作為目前世界最先進(jìn)的潔凈煤發(fā)電技術(shù)以其高效環(huán)保和節(jié)能等優(yōu)勢成為我國目前及未來一段時期內(nèi)火力發(fā)電的必然趨勢。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前正在建設(shè)和規(guī)劃建設(shè)的超超臨界(USC)機(jī)組有近50臺，其容量為600MW和1000麗兩個級別，這些機(jī)組從2007年起陸續(xù)投入運行，我國已經(jīng)成為目前世界上擁有USC機(jī)組最多的國家。發(fā)展USC機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)之一就是新型耐熱鋼的開發(fā)和應(yīng)用，其中以T92、T91為代表的馬氏體耐熱鋼和以Super304H、HR3C為代表的奧氏體耐熱鋼正是應(yīng)用于1000MW超超臨界機(jī)組的新型鋼材。目前，我國USC機(jī)組所用T92、T91鋼和Super304H、HR3C鋼及其焊接材料主要依靠進(jìn)口，因此國家非常重視新型耐熱鋼技術(shù)的研究。
[0003]我國USC機(jī)組在壓力上高于日本，在溫度上高于歐洲同類機(jī)組，在管道選材方面，目前世界上并無一臺相同的機(jī)型可供借鑒。同時，我國對馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接技術(shù)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于歐美和日本，技術(shù)資料數(shù)據(jù)幾乎全部依賴鋼材的供應(yīng)商和國外相關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)，這在很大程度上制約了我國超超臨界機(jī)組設(shè)計、制造及安全運行。因此，在借鑒國外馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對我國引進(jìn)建設(shè)的超超臨界機(jī)組的特點，開展對以T92、T91為代表的馬氏體耐熱鋼和以Super304H、HR3C為代表的奧氏體耐熱鋼的焊接技術(shù)的研究是我國近期超超臨界機(jī)組建設(shè)和安全運行的迫切需要。
[0004]T92、T91鋼是細(xì)晶強韌化馬氏體耐熱鋼，比傳統(tǒng)鐵素體耐熱鋼具有更高的蠕變斷裂強度。Super304H、HR3C鋼是細(xì)晶奧氏體耐熱鋼，由于添加Cu、Nb、N合金元素，具有比傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼具有更高的蠕變斷裂強度和抗高溫蒸汽氧化性能。在USC鍋爐過熱器各區(qū)域蒸汽溫度不同，對所用管材的抗腐蝕性、抗氧化性和高溫蠕變性能的要求也不同。因此，在機(jī)組過熱器管部件中會出現(xiàn)大量的以T92、T91為代表的馬氏體耐熱鋼和以Super304H、HR3C為代表的奧氏體耐熱鋼異種鋼焊接接頭，異種鋼焊接接頭性能的優(yōu)劣將關(guān)系到機(jī)組的安全可靠運行。
[0005]過熱器管、省煤器管、水冷壁管、再熱器管爆漏是影響超超臨界機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運行的主要問題之一，而異種鋼焊接接頭又是爆漏事故的多發(fā)地帶，因此馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接接頭的質(zhì)量和可靠性是決定超超臨界電站鍋爐能否安全靠運行的重要因素，所以開發(fā)以T92、T91為代表的馬氏體耐熱鋼和以Super304H、HR3C為代表的奧氏體耐熱鋼異種鋼摩擦焊焊接技術(shù)，對于我國超超臨界機(jī)組的技術(shù)研發(fā)和安全運行將會產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種接頭質(zhì)量高、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低、節(jié)能環(huán)保的馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼異種鋼焊接方法。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，包括下述步驟:
1)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管，摩擦焊機(jī)夾具卡緊所述鋼管，鋼管不能產(chǎn)生晃動，馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的中心線保持在一條水平線上；
2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為25-75MPa，摩擦?xí)r間為4-6
秒；
3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為100-200MPa，摩擦變形量為4_8mm ；
4)頂鍛階段，頂鍛壓力為150-250MPa，頂鍛時間為4_6秒；
5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，消除殘余應(yīng)力。
[0008]所述步驟5)的熱處理參數(shù)為:升、降溫速度小于等于150°C /h，加熱溫度750±10°C，保溫時間l_2h，冷卻至150°C以下可在爐內(nèi)冷卻至室溫。
[0009]所述的馬氏體耐熱鋼鋼管的材料選自各種進(jìn)口或者國產(chǎn)的T91鋼和T92鋼的任一種；奧氏體耐熱鋼鋼管的材料選自各種進(jìn)口或者國產(chǎn)的HR3C鋼和Super304H鋼的任一種；馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的尺寸，外徑為3(Tl20mm，厚度為5?20mm，鋼管長度根據(jù)需要確定。
[0010]所述馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的外徑尺寸差小于等于較小鋼管外徑的10%，厚度尺寸差小于等于較小鋼管厚度的5%，焊接前，鋼管焊接面要保持清潔，不被污染。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用了摩擦焊，摩擦焊是在壓力下，利用被焊工件接觸面的相互摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，使被焊接面金屬達(dá)到熱塑化狀態(tài)，通過金屬間的擴(kuò)散和再結(jié)晶實現(xiàn)連接的一種焊接方法。摩擦焊技術(shù)是目前世界各國著力推廣應(yīng)用的先進(jìn)固態(tài)連接技術(shù)，具有動態(tài)、高溫、快速變形和變形程度大的特征。
[0012]摩擦焊焊接過程中，焊縫區(qū)發(fā)生強烈的相互粘合、剪切撕裂和體積塑變粘滯，使該區(qū)金屬得到充分變形，位錯密度增大，晶格畸變能增加，動態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動力增大，且隨熱塑性變形溫度降低，再結(jié)晶晶粒單位體積自由能降低值增大，有利于高的再結(jié)晶形核率和均勻大量的形核，使焊縫區(qū)易獲得較完善的動態(tài)再結(jié)晶組織，達(dá)到細(xì)化晶粒和組織的效果，從而獲得細(xì)晶或超細(xì)晶組織。熱、壓力與扭矩的綜合力學(xué)冶金效應(yīng)使得焊縫區(qū)晶粒細(xì)化、組織致密、夾雜物彌散分布，因此摩擦焊接頭不僅連接質(zhì)量高，而且力學(xué)性能好。摩擦焊技術(shù)與傳統(tǒng)的氬弧焊技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點:
a)、接頭質(zhì)量高
摩擦焊屬于固態(tài)焊接，焊接界面不發(fā)生熔化，焊合區(qū)金屬為鍛造組織，不產(chǎn)生氬弧焊焊接過程中因為熔化、凝固作用產(chǎn)生的氣孔、夾渣等焊接缺陷，因此摩擦焊接頭質(zhì)量高于氬弧焊接頭質(zhì)量。[0013]b)、適合異種材質(zhì)的焊接
摩擦焊不僅適用于普通的異種鋼焊接、還可用于焊接性能差別很大的異種鋼和異種金屬，甚至可以焊接金屬和非金屬。
[0014]C)、生產(chǎn)效率高
摩擦焊控制參數(shù)少，焊接過程簡單，焊前工件準(zhǔn)備時間短，焊接設(shè)備易于機(jī)械化、自動化、操作簡單，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的氬弧焊技術(shù)。
[0015]d)、生產(chǎn)成本低
摩擦焊接不需要填充材料和保護(hù)氣體，與傳統(tǒng)的氬弧焊技術(shù)相比，成本可降低30%左右。
[0016]e)、節(jié)能環(huán)保
摩擦焊所需功率僅及氬弧焊的1/5?1/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護(hù)氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極，焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有弧光和火花，工作環(huán)境好。
[0017]目前國內(nèi)外還沒有以T92、T91為代表的馬氏體耐熱鋼和以Super304H、HR3C為代表的奧氏體耐熱鋼異種鋼摩擦焊焊接相關(guān)的研究報道，將摩擦焊替代傳統(tǒng)的氬弧焊應(yīng)用于馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼異種鋼焊接，不僅有利于提高焊接接頭的性能，而且有利于降低焊接成本，提高生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，符合我國節(jié)能環(huán)保的基本國策。
[0018]按照本發(fā)明的方法，通過連續(xù)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)摩擦焊方法制備的馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼焊接接頭焊縫的抗拉強度達(dá)到700-800MPa，超過奧氏體耐熱鋼母材的抗拉強度600-700MPa，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，可以滿足超超臨界機(jī)組的實際工程需要，對于我國超超臨界機(jī)組的技術(shù)研發(fā)和安全運行將會產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明實施例1的焊件示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明實施例1常溫拉伸試樣圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結(jié)合具體實施例對
【發(fā)明內(nèi)容】
作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
實施例1
馬氏體耐熱鋼選自上海寶鋼產(chǎn)的T92鋼管，奧氏體耐熱鋼選自德國進(jìn)口的Super304H鋼管，T92鋼管的尺寸外徑為45mm,厚度為9mm, Super304H鋼管的尺寸外徑為45mm,厚度為9mm，兩種鋼管長度均為0.15m。焊接前，鋼管焊接面保持清潔，不能被污染。
[0022]使用的連續(xù)驅(qū)動摩擦焊機(jī)滿足以下性能要求:摩擦過程能實現(xiàn)兩極加壓，一級加壓階段，轉(zhuǎn)速滿足0-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力滿足0-75MPa，摩擦?xí)r間滿足0_6秒，二級加壓階段，轉(zhuǎn)速滿足0-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力滿足0-200MPa，摩擦?xí)r間滿足0_20秒，頂鍛階段，頂鍛壓力滿足0-250MPa，頂鍛時間滿足0_6秒。
[0023]按照下述步驟焊接T92鋼管和Super304H鋼管
I)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好T92鋼管和Super304H鋼管，要求摩擦焊機(jī)夾具卡緊鋼管，T92鋼管和Super304H鋼管不能產(chǎn)生晃動，兩個鋼管的中心線保持在一條水平線上；
2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為50MPa，摩擦?xí)r間滿足5秒；
3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為200MPa，摩擦變形量為6mm ；
4)頂鍛階段，頂鍛壓力為200MPa，頂鍛時間為5秒；
5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，以消除殘余應(yīng)力，所述步驟5)的熱處理參數(shù)為:升、降溫速度小于等于150°C/h，加熱溫度750°C，保溫時間Ih。
[0024]實施例2
按照下述步驟焊接T91鋼管和Super304H鋼管
1)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好T91鋼管和Super304H鋼管，要求摩擦焊機(jī)夾具卡緊鋼管，T91鋼管和Super304H鋼管不能產(chǎn)生晃動，兩個鋼管的中心線保持在一條水平線上；
2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為50MPa，摩擦?xí)r間滿足5秒；
3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為200MPa，摩擦變形量為6mm ；
4)頂鍛階段，頂鍛壓力為200MPa，頂鍛時間為5秒；
5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，以消除殘余應(yīng)力，所述步驟5)的熱處理參數(shù)為:升、降溫速度小于等于150°C/h，加熱溫度740°C，保溫時間Ih。
[0025]實施例3
1)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好T91鋼管和Super304H鋼管，要求摩擦焊機(jī)夾具卡緊鋼管，T91鋼管和Super304H鋼管不能產(chǎn)生晃動，兩個鋼管的中心線保持在一條水平線上；
2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為75MPa，摩擦?xí)r間滿足5秒；
3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為150MPa，摩擦變形量為6mm ；
4)頂鍛階段，頂鍛壓力為200MPa，頂鍛時間為5秒；
5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，以消除殘余應(yīng)力。
[0026]所述步驟5)的熱處理參數(shù)為:升、降溫速度小于等于150°C /h,加熱溫度760V，保溫時間2h。
【權(quán)利要求】
1.一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，其特征在于，包括下述步驟: 1)按照摩擦焊機(jī)的技術(shù)要求，分別安裝好馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管，摩擦焊機(jī)夾具卡緊所述鋼管，鋼管不能產(chǎn)生晃動，馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的中心線保持在一條水平線上； 2)一級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為25-75MPa，摩擦?xí)r間為4-6秒； 3)二級加壓階段，轉(zhuǎn)速為1200-1800轉(zhuǎn)/分，摩擦壓力為100-200MPa，摩擦變形量為4_8mm ； 4)頂鍛階段，頂鍛壓力為150-250MPa，頂鍛時間為4_6秒； 5)馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的焊接接頭焊后需進(jìn)行局部熱處理，消除殘余應(yīng)力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，其特征在于，所述步驟5)的熱處理參數(shù)為:升、降溫速度小于等于150°C /h，加熱溫度750±10°C，保溫時間 l_2h。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，其特征在于，所述的馬氏體 耐熱鋼鋼管的材料選自各種進(jìn)口或者國產(chǎn)的T91鋼和T92鋼的任一種；奧氏體耐熱鋼鋼管的材料選自各種進(jìn)口或者國產(chǎn)的HR3C鋼和Super304H鋼的任一種；馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的尺寸，外徑為3(Tl20mm，厚度為5~20mm，鋼管長度根據(jù)需要確定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種馬氏體耐熱鋼和奧氏體耐熱鋼的異種鋼焊接方法，其特征在于，所述馬氏體耐熱鋼鋼管和奧氏體耐熱鋼鋼管的外徑尺寸差小于等于較小鋼管外徑的10%，厚度尺寸差小于等于較小鋼管厚度的5%，焊接前，鋼管焊接面要保持清潔。
【文檔編號】B23K20/227GK104014928SQ201410273641
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】魯元, 楊玉山, 韓建軍, 荊強征, 楊旭, 贠柯, 丁勇 申請人:西安特種設(shè)備檢驗檢測院