DE69421198T2

DE69421198T2 - Wärmenachbehandlungsverfahren einer Schweissverbindung zwischen zwei verschiedenen legierten Stahlgegenständen

Info

Publication number: DE69421198T2
Application number: DE69421198T
Authority: DE
Inventors: Jacques Comon; Alain Hassan
Original assignee: GEC Alsthom Electromecanique SA
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1993-02-05
Filing date: 1994-02-02
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2014-02-03
Also published as: EP0610135A1; EP0610135B1; DE69421198D1; US5407497A; FR2701272B1; FR2701272A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung nach dem Verschweißen von zwei unterschiedlich legierten Stahlteilen.
Es ist bekannt, daß nach dem Verschweißen von zwei Teilen aus legiertem Stahl im allgemeinen eine Wärmebehandlung, genannt Entspannungsbehandlung, vorgenommen wird. Dieses Verfahren verfolgt ein doppeltes Ziel:
- Beseitigen oder wenigstens Vermindern der thermisch verursachten inneren Spannungen, die während des Auskühlens und der darauffolgenden Verfestigung der Schweißverbindung entstanden sind,
- Aufweichen des verschmolzenen Metalls und der benachbarten Bereiche des Grundmetalls, auf die gleichermaßen thermisch eingewirkt wird, um die Duktilität dieser Bereiche, welche im verschweißten Rohzustand nur sehr mäßig, zu verbessern.
Diese Wärmebehandlung besteht im allgemeinen aus einer einfachen Vergütung bei einer Temperatur, die etwas unterhalb der ersten kritischen Temperatur für die Wärmeumwandlung, genannt AC&sub1;, liegt. Diese Temperatur, welche von der Beschaffenheit des die Schweißverbindung bildenden Stahles abhängt, liegt ungefähr zwischen 550ºC und 750ºC. Sie ist sorgfältig ausgewählt, so daß sie für eine effiziente Entspannung und Aufweichung ausreichend hoch liegt, ist dabei aber um die Eigenschaften des Grundmetalls nicht zu beeinträchtigen gleichwohl begrenzt, so daß vermieden wird, daß die Temperatur AC&sub1; für den Beginn der Wärmeumwandlung überschritten, oder sogar die metallurgische Vergütungstemperatur erreicht wird, der die durch Verschweißung zu verbindenden Teile anfänglich unterlagen.
Es gibt folglich für jede Stahlsorte eine optimale Temperatur für die Wärmbehandlung nach dem Verschweißen.
Wenn man durch Verschweißen zwei Teile aus Stahl unterschiedlicher Sorte verbinden will, ist es ein schwieriges Problem die Behandlungstemperatur zu wählen. Bekanntermaßen wird als Behandlungstemperatur eine Temperatur verwendet, die zwischen den optimalen Temperaturen der beiden Stähle liegt, wobei diese dann für denjenigen Stahl, dessen optimale Temperatur die schwächere ist, zu hoch liegt, oder aber, noch häufiger wird eine Temperatur verwendet, die dem der beiden Stähle entspricht, dessen optimale Temperatur die schwächere ist, wobei in diesem Fall die Temperatur für den anderen Stahl folglich zu tief liegt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit ein neues Verfahren zur Wärmebehandlung nach dem Verschweißen von zwei unterschiedlich legierten Stahlteilen, wobei der erste Teil, genannt A, kritische Temperaturen AC&sub1;A und AC&sub3;A für die Wärmeumwandlung und eine optimale Temperatur für die Behandlung nach dem Verschweißen ΘA, die unterhalb von AC&sub1;A liegt, aufweist, und der zweite Teil, genannt B, kritische Temperaturen für die Wärmeumwandlung AC&sub1;B und AC&sub3;B, die jeweils unterhalb von AC&sub1;A und AC&sub3;A liegen, und eine optimale Temperatur für die Behandlung nach dem Verschweißen ΘB, die unterhalb von AC&sub1;B und von ΘA liegt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmebehandlungszyklus bei der genannten Temperatur ΘA, gefolgt von einem zweiten thermischen Zyklus bei einer Temperatur ΘB erfolgt, wobei die Temperatur zwischen den beiden Zyklen auf unterhalb von 100ºC abfällt.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform übersteigt der genannte erste Wärmebehandlungszyklus bei der Temperatur ΘA die Temperatur AC&sub1;B, wobei die gesamte Behandlung für das Material B folglich eine zwischenkritische Behandlung bildet.
Die Fig. 1 und 2 zeigen typische Diagramme des erfindungsgemäßen Behandlungsverfahrens.
Die Fig. 3 zeigt als Beispiel eine schematische Teilansicht zweier verschweißter Teile des Rotors eines Turbotriebwerks, wobei die beiden verschweißten Teile jeweils aus unterschiedlich legiertem Stahl bestehen und als konkretes Beispiel für die Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienen.
In der Fig. 1 sieht man gemäß einer besonderen Ausführungsform (zwischenkritische Behandlung) ein Diagramm der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung. Dieses gleiche Diagramm ist in die Fig. 2 übertragen. Man sieht, daß sich die Wärmebehandlung aus zwei Zyklen zusammensetzt: ein erster Zyklus bei der Temperatur ΘA und ein zweiter Zyklus bei der Temperatur ΘB.
In der Fig. 1 sind die kritischen Temperaturen für den Beginn und das Ende der Wärmeumwandlung dargestellt: AC&sub1; und AC&sub3; für einen als A bezeichneten legierten Stahl. Diese beiden Temperaturen sind auch vermerkt: AC&sub1;A und AC&sub3;A.
In der Fig. 2 sind die kritischen Temperaturen für den Beginn und das Ende der Wärmeumwandlung dargestellt: AC&sub1; und AC&sub3; für einen als B bezeichneten, zum vorherigen unterschiedlich legierten Stahl. Diese beiden Temperaturen sind auch vermerkt: AC&sub1;B und AC&sub3;B.
Die Temperatur ΘA, die unterhalb von AC&sub1;A liegt, ist die optimale Behandlungstemperatur nach dem Verschweißen für den Stahl A.
Die Temperatur ΘB, die unterhalb von AC&sub1;B und von ΘA liegt, die die optimale Behandlungstemperatur nach dem Verschweißen für den Stahl B.
Indem man die beiden Figuren überlagert sieht man, daß AC&sub1;B unterhalb von AC&sub1;A liegt, und daß AC&sub3;B unterhalb von AC&sub3;A liegt.
Folglich besteht die Erfindung darin, diese zweifache Wärmebehandlung bei den Temperaturen ΘA und ΘB nach dem Verschweißen von zwei unterschiedlich legierten Stahlteilen, jeweils A und B, vorzunehmen, wobei die Temperatur zwischen den beiden Behandlungen bei den Temperaturen ΘA und ΘB auf unterhalb von 100ºC abfällt.
Folglich hat dieser zweifache Zyklus bei ΘA und ΘB für den Stahl A, siehe Fig. 1, die gleiche Wirkung wie eine einfache Behandlung bei der Temperatur ΘA, welche der optimalen Temperatur der Wärmebehandlung nach dem Verschweißen für diesen Stahl entspricht, und der zweite Zyklus bei ΘB hat keine Wirkung.
Dagegen, für den Stahl B, siehe Fig. 2, übersteigt der erste Zyklus bei ΘA die für diesen optimale Temperatur ΘB, wobei indem gezeigten Beispiel die Temperatur ΘA sogar die Temperatur AC&sub1;B übersteigt, d. h. daß während dieses Zyklus für diesen Stahl ein Beginn der Umwandlung in Austenit erfolgt. Während des darauf folgenden Auskühlens wird dieser stark gekohlte Austenit in hartes und zerbrechliches Abschreckmartensit umgewandelt. Während des zweiten Zyklus bei der Temperatur ΘB (oder nahe ΘB) liegt diese abgeschreckte Komponente erweicht vor und ihre Tenazität ist sehr verbessert worden.
Ein zweifacher Zyklus dieser Art für den Stahl B ist eine sogenannte "zwischenkritische" Behandlung, die imstande ist, sehr duktile mikrographische Strukturen zu erzeugen.
Was den abgesetzten Schweißzusatzwerkstoff betrifft, ist dieser gemäß seiner chemischen Analyse den Bestandteilen A oder B ähnlich, und sein Verhalten entspricht dem der einen oder anderen Stahlsorte.
Somit sind dank dieses zweifachen Zyklus bei den Temperaturen ΘA und ΘB, die wesentlichen Ziele der Wärmebehandlung nach dem Verschweißen zugleich bei dem abgesetzten Schweißzusatzwerkstoff und in den beiden miteinander verbundenen Materialien erreicht.
Im allgemeinen ist es vorteilhaft, daß wenigstens der erste thermische Zyklus bei ΘAºC eine lokale Behandlung ist, d. h. nur auf das abgesetzte Metall und das beiderseits unmittelbar benachbarte Grundmetall einwirkt. Somit hat die zwischenkritische Behandlung auf das Metall B außerhalb des der Schweißnaht angrenzenden Bereiches keine Wirkung und behält somit seine anfänglichen Eigenschaften.
Die Fig. 3 beschreibt eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf einen Turbinenrotor.
Es handelt sich darum, einen sogenannten "HP-BP"-Rotor durch das Zusammenfügen von zwei Teilen einer unterschiedlichen Stahlsorte A und B zu erstellen. Die eine Wahl erfolgt für seine Eigenschaften bei Hitze (der Hochdruckteil HP) und die andere für seine Eigenschaften bei Kälte (der Tiefdruckteil BP).
Der HP(A)-Teil ist zum Beispiel ein Stahl mit 1% Cr Mo V, der folgenden
Zusammensetzung:
C = 0,23
Ni = 0,6
Cr = 1
Mo = 1
V = 0,3
wobei die Temperatur AC&sub1;(A) für diesen Stahl bei 750ºC, die Temperatur AC&sub3;(A) bei 900ºC und seine optimale Behandlungstemperatur nach dem Verschweißen ΘA bei 670ºC liegt.
Seine Grenze für die Dehnungsfestigkeit beträgt Re = 500 MPa, seine Bruchfestigkeit beträgt Rm = 650 MPa.
Der Teil BP(B) ist zum Beispiel ein Stahl mit 3% Ni Cr Mo, der die folgende Zusammensetzung aufweist:
C = 0,23
Ni = 3,0
Cr = 1,75
Mo = 0,5
V = 0,1
seine Temperaturen AC&sub1;(B) = 630ºC
AC&sub3;(B) = 810
ΘB = 600ºC
Re = 680 MPa
Rm = 800 MPa
Der abgesetzte Schweißzusatzwerkstoff, der in der Fig. 3 mit 1 markiert ist von der Art: 2 1/4 Cr 1 Mo, welche nach einer Wärmebehandlung die folgenden Merkmale für Dehnbarkeit und Bruchfestigkeit aufweist: Re = 500 MPa
Rm = 650 MPa
Nach dem Zusammenfügen der beiden Teile A und B durch Verschweißen ist die angewendete Wärmebehandlung eine lokale Behandlung, die nur auf die Schweißverbindung 1 und die zur Schweißnaht angrenzenden Bereiche 2 und 3, die in der Figur durch die beiden gestrichelten Linien 4 und 5 abgegrenzt sind, wirkt.
Die auf diesen Bereich angewendete Behandlung ist die folgende:
erster Heizzyklus bei ΘA = 670ºC für einen Zeitraum von 5 Stunden, dann Abkühlung auf 20ºC, zweiter Heizzyklus bei ΘB = 600ºC für einen Zeitraum von 5 Stunden, dann Abkühlung.
Der Teil A HP, in seiner Gesamtheit, und das abgesetzte Metall 1 bewahren nach diesem zweifachen Zyklus ihre normalen mechanischen Eigenschaften.
Der Teil B BP, mit dem Bezugszeichen 6, außerhalb des der Schweißnaht 3 angrenzenden Bereiches behält seine ursprünglichen mechanischen Eigenschaften, da die Heizung bei ΘA = 670ºC diesen nicht erreicht.
Schließlich noch der der Schweißnaht 3 angrenzende Bereich des Teiles B: BP ist einer zwischenkritischen Behandlung (entspricht der Fig. 2) unterworfen, die ihm eine ausgezeichnete Tenazität und eine sehr gute Duktilität vermittelt. Andererseits werden seine Eigenschaften hinsichtlich der Zugfestigkeit Re und Rm durch diese Behandlung vermindert und fallen auf die folgenden Werte ab: Re = 500 MPa
Rm = 650 MPa
was absolut zulässig ist, da diese Merkmale jene des anderen der Schweißnaht angrenzenden Bereiches 2, neben HP sind, welcher im Betrieb den gleichen Spannungen unterliegt.
Alle Bereiche der zusammengefügten und behandelten Teile haben somit entsprechend dem erfindungsgemäßen zweifachen Zyklus bei den Werten ΘB und ΘB die notwendigen Eigenschaften.

Claims

1. Verfahren zur Wärmebehandlung nach dem Verschweißen von zwei unterschiedlich legierten Stahlteilen, wobei der erste Teil, genannt A, kritische Temperaturen AC&sub1;A und AC&sub3;A für die Wärmeumwandlung und eine optimale Temperatur für die Vergütungsbehandlung nach dem Verschweißen ΘA, die unterhalb von AC&sub1;A liegt, aufweist, und der zweite Teil, genannt B, kritische Temperaturen für die Wärmeumwandlung AC&sub1;B und AC&sub3;B, die jeweils unterhalb von AC&sub1;A und AC&sub3;A liegen, und eine optimale Temperatur für die Vergütungsbehandlung nach dem Verschweißen ΘB, die unterhalb von AC&sub1;B und von ΘA liegt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmebehandlungszyklus bei der genannten Temperatur ΘA, gefolgt von einem zweiten thermischen Zyklus bei einer Temperatur ΘB erfolgt, wobei die Temperatur zwischen den beiden Zyklen auf unterhalb von 100ºC abfällt.

2. Verfahren zur Wärmebehandlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der genannte erste Wärmebehandlungszyklus bei der Temperatur ΘA die Temperatur AC&sub1;B übersteigt, wobei die gesamte Behandlung für das Material B folglich eine zwischenkritische Behandlung bildet.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der erste Wärmebehandlungszyklus nur auf den abesetzten Schweißzusatzwerkstoff (1) und auf die den beiden verschweißten Teilen (A, B) unmittelbar benachbarten Teile (2, 3) wirkt.