CN110773894B - 一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，属于大拘束度结构组件的焊接技术领域。本发明的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，包括以下步骤：步骤1、对结构件一与结构件二进行焊接，使之通过焊接接头相连形成大拘束度结构组件；步骤2、对步骤1的焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道。采用本发明能够降低大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹，提高了焊接接头的质量。

Description

一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法

技术领域

本发明涉及一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，属于大拘束度结构组件的焊接技术领域。

背景技术

焊接制造的火电汽轮机阀门，其焊接接头呈大厚壁管对接焊接结构，同时焊接接头部位受两侧本体超大重力拘束，其焊接热影响区容易出现再热裂纹7，如图1所示。

具有一定约束条件的焊接结构组件焊后近表层呈现较大的焊接残余应力，在焊后热处理或高温服役过程中，其粗晶热影响区位置容易出现沿晶开裂，虽然这种开裂的微观机理目前暂无定论，但是引起再热裂纹产生的直接原因是再热过程中接头应力集中和应力松弛作用在晶界强度远低于晶内强度的粗晶热影响区。

首先，具有热影响区再热裂纹倾向的材料一般含有强碳化物沉淀强化元素(如V、Ti、Nb等)，在焊接热循环的快速加热过程中，粗晶热影响区晶界位置的强碳化物回溶基体的同时，奥氏体晶粒长大，在后续快速冷却过程中此类强化元素处于晶内并呈过饱和状态，同时杂质元素(S、P等)快速偏析到晶界并使其弱化。先施焊的内部位置的热影响区因具有较多的回火焊道(后道焊缝对前道焊缝具有回火热处理作用，公知常识)作用，部分强碳化物会优先沿晶析出，故在焊后热处理或高温服役过程中，当晶内的过饱和强化相析出时，近表层粗晶热影响区的晶内和晶界的强度差异最大；

其次，对于大约束结构的厚壁件的焊接，近表层的应力也相对较大，且在表层焊道的热影响区位置因咬边及本体过渡等问题易出现应力集中，在后续热过程的较大应力松弛时，粗晶区的晶界发生更大的塑性变形直至出现沿晶开裂；

最后，大壁厚的结构焊缝对两侧本体具有极强的收缩拉应力，焊后本体出现一定程度的反重力变形，在后续热过程的应力松弛过程中，两侧的本体为回到平衡状态，重力作用会叠加到近表层焊接接头的上部，进一步加剧焊接接头的上部近表层的粗晶热影响区的再热裂纹倾向。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，通过在焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道，能够降低大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹。

本发明采用的技术方案如下：

一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，包括以下步骤：

步骤1、对结构件一与结构件二进行焊接，使之通过焊接接头相连形成大拘束度结构组件；

步骤2、对步骤1的焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道。

采用上述方案时，在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接，使之通过焊接接头相连形成大拘束度结构组件(如火电汽轮机阀门)，这是现有技术的常规技术手段，由于结构特点，结构件一与结构件二通过焊接接头相连时形成的焊接结构件具有较强的拘束度，即大拘束度结构组件，本领域技术人员能够轻易理解。经过步骤1后，对于已经施焊完毕的焊接接头，焊接接头的两侧形成有焊接热影响区(为了便于区别和描述，该焊接热影响区称为热影响区一)，该热影响区一的近表层(以及表层)容易出现焊接再热裂纹；经过步骤2后，对经步骤1形成的焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道(从肉眼看，重熔焊道大概覆盖在步骤1形成的焊缝熔合线的位置)，重熔焊道形成了热影响区一表面的“回火焊道”，类似于对步骤1形成的焊接接头的近表层(以及表层)的焊接热影响区的进行了回火的处理，使得部分强碳化物(强化相)会优先沿晶析出(原理参见背景技术的第二段)，并有细化晶粒作用，有效的改善了焊接接头近表层(以及表层)的焊接热影响区的组织形式，降低了大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹。此处需要补充说明的是，步骤2完成后，重熔焊道也是焊接接头的一部分，重熔焊道也会产生新的焊接热影响区(为了便于区别和描述，该焊接热影响区称为热影响区二)，热影响区二位于热影响区一外侧，热影响区二是经步骤2刚被重熔焊道形成的，而热影响区一经步骤1的多层多道焊接过程中很多次焊接热循环形成的，显然热影响区二的组织性能是优于热影响区一的，热影响区二基本不会出现再热裂纹的情况。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，通过在焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道，能够降低大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹，提高了焊接接头的质量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是典型大拘束焊接结构再热裂纹示意图；

图2是当焊接至距母材表层约10mm之时，对结构件一的坡口处与结构件二的坡口处分别堆焊过渡层的示意图；

图3是在图2的基础上对焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道的示意图；

图4是在图2的基础上对焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道的局部放大图；

图5是大拘束度结构组件的结构件一与结构件二分别安放于支撑件一、支撑件二上的示意图。

图中标记：1-结构件一、2-结构件二、3-焊接接头、31-热影响区一、32-热影响区二、4-重熔焊道、5-过渡层、61-支撑件一、62-支撑件二、7-再热裂纹。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图2至图5所示，本实施例的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，包括以下步骤：

步骤1、对结构件一1与结构件二2进行焊接，使之通过焊接接头3相连形成大拘束度结构组件；

步骤2、对步骤1的焊接接头3的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道4。

采用上述方案时，在步骤1中，对结构件一1与结构件二2进行焊接，使之通过焊接接头3相连形成大拘束度结构组件，这是现有技术的常规技术手段，由于结构特点，结构件一与结构件二通过焊接接头相连时形成的焊接结构件具有较强的拘束度，即大拘束度结构组件，本领域技术人员能够轻易理解。经过步骤1后，对于已经施焊完毕的焊接接头，焊接接头形式为对接接头，焊接接头的两侧形成有焊接热影响区(为了便于区别和描述，该焊接热影响区称为热影响区一31)，该热影响区一21的近表层(以及表层)容易出现焊接再热裂纹；经过步骤2后，对经步骤1形成的焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道(从肉眼看，重熔焊道大概覆盖在步骤1形成的焊缝熔合线的位置)，重熔焊道4形成了热影响区一31表面的“回火焊道”，类似于对步骤1形成的焊接接头的近表层(以及表层)的焊接热影响区的进行了回火的处理，使得部分强碳化物(强化相)会优先沿晶析出(原理参见背景技术的第二段)，并有细化晶粒作用，有效的改善了焊接接头近表层(以及表层)的焊接热影响区的组织形式，降低了大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹。此处需要补充说明的是，步骤2完成后，重熔焊道4也是焊接接头3的一部分，重熔焊道4也会产生新的焊接热影响区(为了便于区别和描述，该焊接热影响区称为热影响区二32)，热影响区二32位于热影响区一31外侧，如图4所示，热影响区二是经步骤2刚被重熔焊道形成的，而热影响区一经步骤1的多层多道焊接过程中很多次焊接热循环形成的，显然热影响区二的组织性能是优于热影响区一的，热影响区二基本不会出现再热裂纹的情况。本发明的焊接方法不限，比如焊接方法MIG、TIG、SMAW或SAW等。结构件一与结构件二的材质为具有焊接再热裂纹倾向的珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢或镍基合金等；比如都为15Cr1Mo1V。

可供选择的，所述重熔焊道为自熔焊道。即，进行步骤2时，不填充焊材。

可供选择的，所述重熔焊道为填充了焊材的填充焊道。

进一步的，当所述重熔焊道为填充了焊材的填充焊道，那么在步骤2之后，还包括以下步骤：对重熔焊道进行打磨，基本清除掉重熔焊道。

优选的，如图3、图4、图5所示，在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接时，当焊接至距母材表层的距离不低于5mm之时(优选的，焊接至距母材表层的距离为5mm-20mm之时；比如，焊接至距母材表层的距离约10mm之时)，对结构件一的坡口处与结构件二的坡口处分别堆焊过渡层5，然后再继续对结构件一与结构件二进行焊接。能控制热影响区晶粒粗化程度，增强晶界结合强度，能够进一步的降低了大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，进一步的避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹。母材指的就是结构件一与结构件二，对于本领域技术人员来讲，不存在理解困难的问题，不存在不清楚的问题。

进一步的，过渡层5的厚度不低于3mm。优选的，过渡层5的厚度为3mm-5mm；比如，过渡层5的厚度约为3mm、4mm或5mm。

进一步的，在堆焊过渡层时，适当降低焊接热输入。焊接热输入是公知常识，焊接热输入是指熔焊时，由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热能。热输入等于焊接电流、电弧电压、热效率的乘积和焊接速度的比值，公式：E＝IUη/V。焊接热输入过大，会造成焊接热影响区的晶粒过于粗大，影响焊接接头的性能；焊接热输入过小，会影响焊接效率，增加产品的制作周期。很明显的，进行本发明的步骤1、2时，焊接热输入是合理的合适的。而本设计特别设计了在堆焊过渡层时，适当降低焊接热输入，通过牺牲较小的焊接效率，来达到控制热影响区晶粒粗化程度，增强晶界结合强度。

进一步的，在施焊重熔焊道时，适当降低焊接热输入。原理与“在堆焊过渡层时，适当降低焊接热输入”基本相似，此处不再赘述。

优选的，在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接时，当焊接至距母材表层的距离不低于5mm之时开始(优选的，焊接至距母材表层的距离为5mm-20mm之时开始；比如，焊接至距母材表层的距离约10mm之时开始)，对每道焊缝进行敲击，用以释放焊接应力。比如，采用扁铲风枪对焊缝进行敲击。

进一步的，在步骤1之前，还包括以下步骤：对结构件一1与结构件二2进行组装，且在对结构件一与结构件二进行组装时，尽量避免强力组装，以降低大拘束度结构组件的拘束度，降低结构对焊缝的叠加应力。

进一步的，在步骤1之前，还包括以下步骤：对结构件一1与结构件二2的待施焊部位进行焊前预热，且在结构件一与结构件二的材料允许的前提下，适当提高焊前预热温度。优选的，组装的步骤在预热的步骤之前。

进一步的，在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接时，保持较高的焊接道间温度。

较高的焊前预热温度与较高的焊接道间温度，能够增加焊接冷却过程的高温停留时间，降低晶内强碳化元素的过饱和度，最终减小晶内和晶界强度差。

进一步的，在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接时，在焊接面层焊缝时，应尽量避免出现焊痘、焊瘤、咬边等焊接缺陷，确保面层焊缝与母材(结构件一与结构件二)的圆滑过渡，以避免局部应力集中。

进一步的，在步骤2之后，还包括以下步骤：对大拘束度结构组件的焊接接头进行焊后热处理；且在结构件一与结构件二的材料允许的前提下，适当提高焊后热处理的温度和时间。能够提高消除焊接残余应力、以及消除焊缝中的扩散氢的效果，并在一定程度上减缓晶界杂质元素的偏析程度。

进一步的，若焊接接头两侧、大拘束度结构组件出现反重力变形，那么在进行焊后热处理之前，对大拘束度结构组件预留反重力变形的应力松弛空间。用以避免在焊后热处理过程中、因反重力变形的应力松弛而造成的、额外形成于焊接接头上部的拉应力。

具体的，在对结构件一1与结构件二2进行组装时，结构件一1安放到高度可调的支撑件一61上，结构件二2安放到高度可调的支撑件二62上，通过调节支撑件一61、支撑件二62的高度，实现结构件一1与结构件二2的组装(避免了强力组装)。比如，支撑件一61、支撑件二62为液压升降杆。在进行焊后热处理之前，焊接接头两侧、大拘束度结构组件出现反重力变形时，导致结构件一1上翘，使得结构件一1与支撑件一61的出现间距，该间距称为第一间距，那么此时调节支撑件一的高度，使得结构件一与支撑件一的间距变小，该间距称为第二间距(预留的反重力变形的应力松弛空间)，第二间距的尺寸小于第一间距的尺寸。那么在热处理过程中，大拘束度结构组件反重力变形应力松弛时，结构件一将逐渐的靠近支撑件一，直至压在支撑件一上，被支撑件一支撑；得益于支撑件一预留的反重力变形空间以及应力松后支撑件一的支撑作用，这就避免在焊后热处理过程中、因反重力变形的应力松弛而造成的、额外形成于焊接接头上部的拉应力。

进一步的，还包括以下步骤：对焊接接头3进行无损检测。采用本设计时，可以是在进行步骤1之后进行无损检测，也可以是在进行步骤2之后进行无损检测，也可以是焊后热处理之后进行无损检测；或者，还可以在进行步骤1、步骤2以及焊后热处理之后都分别进行无损检测。进一步的，所述无损检测为UT、RT、PT或/和MT。

综上所述，采用本发明的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，能够降低大拘束度结构组件的焊接热影响区的再热裂纹倾向，能够避免甚至杜绝大拘束度结构组件的焊接热影响区出现再热裂纹，提高了焊接接头的质量，避免了焊接修复及焊后热处理返工，缩短生产周期，降低劳动成本。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、对结构件一与结构件二进行焊接，使之通过焊接接头相连形成大拘束度结构组件；其中，

对结构件一与结构件二进行焊接时，当焊接至距母材表层的距离不低于5mm之时，对结构件一的坡口处与结构件二的坡口处分别堆焊厚度不低于3mm的过渡层，然后再继续对结构件一与结构件二进行焊接，且在堆焊过渡层时，适当降低焊接热输入；

步骤2、对步骤1的焊接接头的焊接热影响区处表面施焊重熔焊道，且在施焊重熔焊道时，适当降低焊接热输入。

2.如权利要求1所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：所述重熔焊道为自熔焊道。

3.如权利要求1所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：所述重熔焊道为填充了焊材的填充焊道。

4.如权利要求3所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：在步骤2之后，还包括以下步骤：对重熔焊道进行打磨，基本清除掉重熔焊道。

5.如权利要求1所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：在步骤1中，对结构件一与结构件二进行焊接时，当焊接至距母材表层的距离不低于5mm之时开始，对每道焊缝进行敲击，用以释放焊接应力。

6.如权利要求1所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：在步骤2之后，还包括以下步骤：对大拘束度结构组件的焊接接头进行焊后热处理；且在结构件一与结构件二的材料允许的前提下，适当提高焊后热处理的温度和时间。

7.如权利要求6所述的一种大拘束度结构组件的焊接热影响区再热裂纹控制方法，其特征在于：若在焊接接头两侧、大拘束度结构组件出现反重力变形，那么在进行焊后热处理之前，对大拘束度结构组件预留反重力变形的应力松弛空间。

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