[发明专利]一种异种钢管接头的增材制造方法

说明书

本发明涉及激光增材制造领域，特别是一种异种钢管接头的增材制造方法。现有异种钢管接头直接焊接制造存在焊接熔合面强度低、焊缝及热影响区裂纹、长期服役后性能下降等问题。本发明提供一种异种钢管接头的增材制造方法，通过激光同轴送粉增材制造技术，在两个送粉器中分别放置A、B两种合金的球形粉体，在熔融过程中通过连续改变送粉比例以及激光功率，改变熔池微区内的化学成分，形成化学成分从A有序过渡到B的异种钢管接头，降低异种钢管接头两侧膨胀系数等物理性能的差异，大幅降低高温高压下的热应力；同时又降低异种钢管接头两侧的化学成分浓度梯度，利于抑制A、B两种合金互扩散，提高高温力学性能和使用寿命，具有显著安全及经济效益。

技术领域

本发明涉及激光增材制造领域，特别是一种异种钢管接头的增材制造方法，所述异种钢管接头用于连接两种不同材质钢管。

背景技术

高温高压锅炉在不同热负荷区域采用不同的耐热合金换热管需要使用大量异种钢管接头，目前广泛应用的异种钢管接头都是通过焊接工艺将两种不同的金属管直接焊接在一起，两种金属管焊接位置的填充金属采用其中一种母材，如TP347H与S30432材料对接焊采用S30432焊条；或采用其他材料如T91与S30432材料对接焊，采用ERNiCr-3焊条。这种焊接工艺会产生一层性能和组织与母材不同的界面，由于异种金属在元素成分、物理性能、化学性能等方面具有显著差异，因此会产生以下问题：1、异种金属的熔点不同，互溶性差，熔合面强度低，因为在焊接时低熔点的材料达到熔化状态时，高熔点的材料仍呈固态，导致两种材料的互溶性差，而且还容易造成低熔点材料的烧损或蒸发，使得两种材料的熔合面强度相对较低；2、异种材料的线膨胀系数差异大，在热应力作用下容易开裂，因为线膨胀系数越大的材料，热膨胀率越大，冷却收缩也越大，熔池结晶时会产生很大的焊接应力，所述焊接应力不易消除，容易导致焊缝及热影响区产生裂纹，甚至导致焊缝金属与母材剥离；3、异种材料成分差异大，熔合面容易发生元素扩散，长期服役后性能下降，熔合面两侧材料的成分不同，化学势差异大，长期服役后，元素发生互扩散，会在熔合面附近产生组织变化，导致焊接接头的力学性能下降，例如T91与S30432材料采用ERNiCr-3焊条对接焊，靠近熔合面的T91母材侧容易产生块状铁素体组织，在600℃温度下服役5~10万小时后，T91侧发生断裂的案例较多。围绕上述问题，虽然有一些措施能缓解异种钢管接头存在的问题，例如改变焊缝填充金属、改进焊接工艺，降低热输入量、采用多道次焊接等等，所述方法可以在一定程度上缓解异种钢焊接中存在的问题，但都无法彻底消除熔合面两侧材料性能阶跃的特性并解决前述问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是解决现有异种钢管接头直接焊接制造存在焊接熔合面强度低、焊缝及热影响区产生裂纹、长期服役后性能下降等问题，本发明提供一种异种钢管接头的增材制造方法，通过该制造方法制成的钢管接头在对接位置良好熔融，两种材料成分有序过渡，钢管接头两侧膨胀系数等物理性能差异小，在高温高压下热应力大幅降低；钢管接头两侧的化学成分浓度梯度低，利于抑制异种合金的互扩散，提高钢管接头高温时效后的力学性能，延长钢管接头的使用寿命，具有显著的安全及经济效益。

本发明解决技术问题采用的技术方案：一种异种钢管接头的增材制造方法，其特征是所述制造方法通过在旋转底座上使用同轴送粉激光器自下而上增材制造钢管接头，且制造方法具有以下工艺步骤：

（1）在两个送粉器内分别放置合金A球形粉体、合金B球形粉体；

（2）采用压力为0.4MPa～0.6MPa、纯度为99.99%的氮气作为输送介质，分别将所述两个送粉器内对应的球形粉体送至连接激光器加工头的送粉管内，并在送粉管内的输送过程中完成两种粉体的均匀混合，所述两种粉体的输送比例可通过送粉器进行调节，且任意一种粉体的送粉比例均可在0%～100%之间调节；

（3）调节激光器加工头的激光功率在1000W～1200W、扫描速度为1mm/s～30mm/s，送粉管的送粉量为1g/min～30g/min；