[发明专利]用于合金钢的异种焊接的设备和方法

说明书

技术领域

本发明大体涉及用于焊接具有不同组分的合金钢构件-具体而言为具有不同水平的铬含量的合金钢构件-的装置和方法。

背景技术

合金钢是铁和直至70％(重量)的合金元素(例如镍、铬、钼、锰、钒、硅和/或硼)的组合物。一般而言，合金钢比碳钢具有更高的强度、硬度、热硬度、耐磨性、可淬性和/或刚度。合金钢的另外的特征在于添加的合金的量。合金钢族的一个子集是典型地具有小于约5％(重量)的合金元素的低合金钢。NiCrMoV和CrMoV合金钢(低合金钢的实例)通常用于包括在蒸汽轮机中的转子、法兰、轮和圆盘应用中。高合金钢设计了合金钢族的第二子集，并且典型地具有大于约5％(重量)的合金元素。不锈钢为包含等于或大于约9％-12％(重量)的铬的特定类型的高合金钢。

在各种商业应用中通常会出现对将低合金钢构件焊接到高合金钢构件上的需要。例如，蒸汽轮机可包括沿着蒸汽轮机的长度连续地延伸的转子。在可行的情况下，不那么昂贵的低合金钢可用于转子。但是，对于转子的会经历更高温度的那些部分而言，高合金钢可为合乎需要的。因此，转子通常包括焊接到高合金钢区段上而产生单个转子组件的低合金钢区段。

如在本领域中已知的那样，碳扩散或碳偏析会发生在具有不同的铬水平的低合金钢和高合金钢之间的焊接界面上。在焊接界面上的碳扩散或碳偏析的量与在焊接界面上的铬梯度成正比。具体而言，当焊接接头暴露于升高的温度时(诸如例如，在焊后热处理期间或在运行服务期间)，碳穿过焊接界面从具有较低的铬含量的低合金钢扩散到具有较高的铬含量的高合金钢。此碳扩散或碳偏析导致在焊接界面的一侧上有脱碳区域，而在焊接界面的另一侧上有渗碳区域。对于其中使用低合金钢焊丝(低铬水平)来将低合金钢(低铬水平)构件焊接到高合金钢(高铬水平)构件上的组件而言，发生碳扩散的界面是在铬梯度最高处的、低合金钢焊着物(weld deposit)和高合金基体材料之间的焊接界面。在使用高合金钢焊丝(高铬水平)来将低合金钢(低铬水平)构件焊接到高合金钢构件(高铬水平)上的情况下，会导致类似的碳扩散或碳偏析。发生碳扩散的界面是在铬梯度最高处的、低合金钢(低铬水平)基体材料和高合金钢(高铬水平)焊着物之间的界面。在此情况下，脱碳区形成于低合金钢基体材料中，而渗碳区形成于高合金(较高铬水平)焊着物中。脱碳区域和渗碳区域相反地影响焊接接头的强度和蠕变特性。

已经作出尝试来减少在焊接接头上发生的碳扩散或碳偏析。例如，可对合金钢构件中的一个或两者应用覆层，以降低在合金钢构件之间的铬梯度。覆层构件(一个或多个)然后可焊接在一起，如例如在美国专利公开2005/0255333中描述的那样。但是，此过程需要在将合金钢构件焊接在一起之前费时地在合金钢构件上应用覆层以及随后对覆层进行回火。因此，解决在合金钢构件之间的焊接接头上的碳扩散或碳偏析而不需要对构件添加覆层的焊接接头将是合乎需要的。

发明内容

下面在后面的描述中阐述了本发明的各方面和优点，或者根据该描述，本发明的各方面和优点可为显而易见的，或者可通过实践本发明来学习本发明的各方面和优点。

本发明的一个实施例是一种焊接接头，其包括具有小于约4％(重量)的铬的低合金钢构件，以及具有大于约9％(重量)的铬的高合金钢构件。在低合金钢构件和高合金钢构件之间的焊道包括与低合金钢构件接触的第一焊丝、与高合金钢构件接触的第二焊丝，以及在第一焊丝和第二焊丝之间的第三焊丝。第三焊丝比第一焊丝具有更高百分比(重量)的铬，并且比第二焊丝具有更低百分比(重量)的铬。

本发明的另一个实施例是一种焊接接头，其包括低合金钢构件、高合金钢构件、在低合金钢构件和高合金钢构件之间的铬梯度，以及用于降低在低合金钢构件和高合金钢构件之间的铬梯度的装置。

本发明的另外的另一个实施例是一种用于焊接的方法，其包括对低合金钢构件应用第一焊丝，其中，第一焊丝比低合金钢构件具有更高百分比(重量)的铬。该方法进一步包括对高合金钢构件应用第二焊丝，其中，第二焊丝比高合金钢构件具有更低百分比(重量)的铬。该方法还包括在第一焊丝和第二焊丝之间应用第三焊丝，其中，第三焊丝比第一焊丝具有更高百分比(重量)的铬，并且比第二焊丝具有更低百分比(重量)的铬。

在阅读说明书之后，本领域的普通技术人员将更好地理解这种实施例和其它实施例的特征和各方面。

附图说明

在说明书的剩余部分中(包括参照附图)更加特别地阐述了本发明的针对本领域技术人员作出的完整和能够实施的公开，包括其最佳模式，其中：

图1显示了用于蒸汽轮机的转子的简化的局部截面；