CN112453642A - 一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法,其步骤如下：在叶轮锁紧螺栓与锁紧销待焊部位堆焊材质与锁紧销相同的隔离层；将堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓进行焊后热处理；将叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接。本发明提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，能够解决马氏体不锈钢材质的叶轮锁紧螺栓和镍基合金材质的锁紧销在焊接时，由于两者母材物理性能和力学性能存在较大差异而导致焊接接头的化学成分和金相组织不均匀，从而使接头冲击韧性下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，特别涉及一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法。
背景技术
主泵的叶轮锁紧螺栓为马氏体不锈钢材质，锁紧销为镍基合金材质，将叶轮锁紧螺栓与锁紧销焊接，即马氏体不锈钢与镍基合金的焊接，属于金相组织不同的异种钢焊接。由于叶轮锁紧螺栓与锁紧销的母材无论从化学成分上还是物理性能上都存在较大差异，因而导致焊接接头的化学成分和金相组织不均匀，容易导致焊接接头的冲击韧性下降等问题。
另外，马氏体不锈钢的可焊性差，它有强烈的淬硬倾向，焊后残余应力也较大，焊接极易产生冷裂纹，并且异种材料的线膨胀系数不同，容易引起热应力，而且这种热应力不易消除，结果会使接头处产生裂纹或变形，所以焊后需要进行消应力处理。而锁紧销的焊接是在泵的最终装配阶段进行，无法实现焊后热处理。
因此，需要一种焊接工艺方法，来解决马氏体不锈钢与镍基合金异种钢在泵最终装配阶段焊接的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，以解决马氏体不锈钢材质的叶轮锁紧螺栓和镍基合金材质的锁紧销在焊接时，由于两者母材物理性能和力学性能存在较大差异而导致焊接接头的化学成分和金相组织不均匀，从而使接头冲击韧性下降的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法,所述叶轮锁紧螺栓材质为马氏体不锈钢，所述锁紧销材质为镍基合金，该焊接方法包括如下步骤：
在叶轮锁紧螺栓与锁紧销待焊部位堆焊材质与锁紧销相同的隔离层；
将堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓进行焊后热处理；
将叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接。
进一步地，所述叶轮锁紧螺栓在堆焊隔离层前对叶轮锁紧螺栓在高于150℃的温度下进行焊前预热。
进一步地，所述叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接前对锁紧销在高于10℃的温度下进行焊前预热。
进一步地，所述在叶轮锁紧螺栓堆焊隔离层的工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与所述锁紧销同材质、直径φ为2.4mm的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量为5-12L/min，最大焊接电流为150A，最大焊接电压为12V，最小焊接速度为80mm/min，最大焊接热输入为1350J/mm，最小预热温度为150℃，最大层间温度为250℃。
进一步地，所述隔离层的厚度为5-10mm。
进一步地，所述堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓的焊后热处理温度为700±10℃，焊后热处理时间≤8h。
进一步地，所述叶轮锁紧螺栓隔离层与锁紧销的焊接焊工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与隔离层和锁紧销同材质、直径φ为1.2mm的镍基焊材SFA5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量5-12L/min，最大焊接电流为100A，最小预热温度为10℃，最大层间温度为150℃。
本发明提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，先在马氏体不锈钢材质的叶轮锁紧螺栓一侧堆焊一层与镍基合金材质的锁紧销材质相同的隔离层，然后将镍基合金材质的隔离层与镍基合金材质的锁紧销进行焊接，从而使马氏体不锈钢材质的叶轮锁紧螺栓与镍基合金材质的锁紧销焊接在一起。本发明通过堆焊隔离层作为过渡层，解决了由于叶轮锁紧螺栓与锁紧销的母材物理性能和力学性能存在较大差异而导致焊接接头的化学成分和金相组织不均匀，从而使接头冲击韧性下降的难题；解决了异种钢在泵最终装配阶段无法实现焊后热处理的难题。并且，本发明提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，在马氏体不锈钢材质的叶轮锁紧螺栓一侧堆焊镍基合金材质的隔离层后，进行焊后热处理，不仅可以消除焊接残余应力，还能使焊接接头中的扩散氢逸出，防止延迟裂纹的产生，同时还能减小焊接接头的硬度，改善焊接接头的组织及力学性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法流程图；
图2为本发明实施例提供的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法中叶轮锁紧螺栓的隔离层堆焊示意图；
图3为本发明实施例提供的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法中叶轮锁紧螺栓隔离层加工后的示意图；
图4为本发明实施例提供的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法中叶轮锁紧螺栓与锁紧销焊接的局部示意图。
图中：1-叶轮锁紧螺栓，2-隔离层，3-锁紧销，4-叶轮。
具体实施方式
参见图1，本发明实施例提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法,适用于泵的最终装配阶段无法实现焊后热处理情况下，马氏体不锈钢与镍基合金异种钢的焊接。其中叶轮锁紧螺栓材质为马氏体不锈钢，锁紧销材质为镍基合金，该焊接方法包括如下步骤：
在叶轮锁紧螺栓与锁紧销待焊部位堆焊材质与锁紧销相同的隔离层；
将堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓进行焊后热处理；
将叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接。
作为本发明的一种具体实施方式，所述叶轮锁紧螺栓在堆焊隔离层前对叶轮锁紧螺栓在高于150℃的温度下进行焊前预热。
作为本发明的一种具体实施方式，所述叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接前对锁紧销在高于10℃的温度下进行焊前预热。
作为本发明的一种具体实施方式，所述在叶轮锁紧螺栓堆焊隔离层的工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与所述锁紧销同材质、直径φ为2.4mm的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量为5-12L/min，最大焊接电流为150A，最大焊接电压为12V，最小焊接速度为80mm/min，最大焊接热输入为1350J/mm，最小预热温度为150℃，最大层间温度为250℃。
作为本发明的一种具体实施方式，所述隔离层的厚度为5-10mm。
作为本发明的一种具体实施方式，所述堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓的焊后热处理温度为700±10℃，焊后热处理时间≤8h。
作为本发明的一种具体实施方式，所述叶轮锁紧螺栓隔离层与锁紧销的焊接焊工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与隔离层和锁紧销同材质、直径φ为1.2mm的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量5-12L/min，最大焊接电流为100A，最小预热温度为10℃，最大层间温度为150℃。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
本实施例为叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接工艺方法，材质分别为ASME SA-479M403和ASTM B-446 1级,具体过程如下：
(1)参见图2，对叶轮锁紧螺栓焊接坡口，即隔离层2所处的位置为叶轮锁紧螺栓1的焊接坡口，堆焊后叶轮锁紧螺栓的焊接坡口则成了隔离层2。
(2)焊接方法：采用钨极氩弧焊GTAW。
(3)焊前用酒精将叶轮锁紧螺栓的待焊部位及周围50mm范围内清理干净，避免焊缝金属产生气孔等缺陷。
(4)堆焊隔离层2：
(4.1)焊材选用：采用与锁紧销3同材质的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，直径为φ2.4mm。
(4.2)焊接工艺参数确定：保护气体为纯氩99.99％，气体流量5-12L/min。最大焊接电流为150A，最大焊接电压为12V，最小焊接速度为80mm/min，最大焊接热输入为1350J/mm。最小预热温度为150℃，以便降低焊接接头的冷却速度，防止马氏体不锈钢产生冷裂纹，最大层间温度为250℃，防止热影响区的晶粒粗大，使焊缝强度及冲击韧性等性能下降。
(5)焊后热处理：保持预热温度至少1小时。焊后热处理温度为700±10℃，时间≤8h。
(6)隔离层2的加工：加工焊接在叶轮锁紧螺栓1上的隔离层2，使隔离层2满足与锁紧销3焊接的图纸要求。隔离层2加工完成后如图2所示。
(7)隔离层2的焊后检验：依据设计图纸要求，进行液体渗透检验。使检验结果一次性合格，满足ASME相应标准要求。
(8)锁紧销3的焊接：
(8.1)焊材选用：采用与锁紧销3同材质的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，直径为φ1.2mm。
(8.2)焊接工艺参数确定：保护气体为纯氩99.99％，气体流量5-12L/min。最大焊接电流为100A。最小预热温度为10℃，以免湿气冷凝，导致气孔产生。最大层间温度为150℃，防止焊接接头过热，造成晶粒粗大，增加焊接热裂纹倾向。焊后不需要热处理。焊接完成后如图4所示。
(9)焊后检验：依据设计图纸要求，焊后进行5倍的目视检验，焊缝及其附近的母材不应该存在下列缺陷:电弧划伤；焊穿；裂纹；凹坑；未熔合；焊渣。
(10)焊接过程操作要点：
(10.1)由于焊接过程中，镍基合金中的Ni能与P、S、Pb、Al或低熔点的物质形成脆化元素。氧化物(一般在540℃以上形成)的熔点高(2040℃)，而镍的熔点低(1400℃)，焊后着色检查易造成未熔合缺陷，堆焊工艺存在一定难度。所以，焊前清理和焊接过程中的层间清理非常重要，每焊一层采取打磨或刷理的方式清除焊道表面氧化皮，刷理或打磨工具只适用于不锈钢或镍合金。
(10.2)收弧应填满弧坑，避免产生热裂纹及弧坑裂纹。
(11)焊接工艺评定试验检验项目确定：依据ASME标准及设计规格书要求，确定如下检验项目：
冲击试验(室温)；拉伸试验(室温)；侧弯试验。
(12)焊接工艺评定试验结果：
冲击试验(室温)/J：母材(叶轮锁紧螺栓)80,68,80；热影响区(叶轮锁紧螺栓)120,114,120。
(验收值均为≥41J)
拉伸试验(室温)/MPa：抗拉强度500,576，均塑断于母材。
(验收值≥483)
侧弯试验：按ASME标准弯曲180°,共4个试样，无任何缺陷产生。
从上述实施例可以看出，本发明提供的一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法,采用在马氏体不锈钢叶轮锁紧螺栓侧堆焊隔离层，为后续镍基合金锁紧销的焊接提供过渡层，然后进行焊后消应力，在泵的最终装配出厂前，再进行锁紧销的焊接。其中，各项性能指标均满足标准及技术规格书的要求，目视检验和液体渗透检验结果均满足要求。解决了泵的最终装配阶段，马氏体不锈钢与镍基合金异种钢焊接无法实现焊后消应力的难题。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法,所述叶轮锁紧螺栓材质为马氏体不锈钢，所述锁紧销材质为镍基合金，其特征在于，该焊接方法包括如下步骤：
在叶轮锁紧螺栓与锁紧销待焊部位堆焊材质与锁紧销相同的隔离层；
将堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓进行焊后热处理；
将叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接。
2.根据权利要求1所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述叶轮锁紧螺栓在堆焊隔离层前对叶轮锁紧螺栓在高于150℃的温度下进行焊前预热。
3.根据权利要求1所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述叶轮锁紧螺栓的隔离层与锁紧销焊接前对锁紧销在高于10℃的温度下进行焊前预热。
4.根据权利要求1所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述在叶轮锁紧螺栓堆焊隔离层的工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与所述锁紧销同材质、直径φ为2.4mm的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量为5-12L/min，最大焊接电流为150A，最大焊接电压为12V，最小焊接速度为80mm/min，最大焊接热输入为1350J/mm，最小预热温度为150℃，最大层间温度为250℃。
5.根据权利要求2所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述隔离层的厚度为5-10mm。
6.根据权利要求1所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述堆焊隔离层后的叶轮锁紧螺栓的焊后热处理温度为700±10℃，焊后热处理时间≤8h。
7.根据权利要求1所述的叶轮锁紧螺栓与锁紧销的焊接方法，其特征在于，所述叶轮锁紧螺栓隔离层与锁紧销的焊接焊工艺包括：焊接方法为钨极氩弧焊GTAW，焊接材料为与隔离层和锁紧销同材质、直径φ为1.2mm的镍基焊材SFA 5.14ERNiCrFe-7，保护气体为99.99％的纯氩，气体流量5-12L/min，最大焊接电流为100A，最小预热温度为10℃，最大层间温度为150℃。
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