阶梯式设计焊缝接头坡口制造技术

提供一种具有阶梯式构型的焊缝。所述阶梯式构型可由基片机加工而成，以形成可容纳阶梯式焊缝的焊缝坡口。具有阶梯式构型和受控程序的焊缝展现出改进的使用寿命和改进的损伤容限。还提供一种具有阶梯式构型的焊接接头、一种具有阶梯式构型的接合部件以及一种焊接阶梯式构型的方法。

Ladder type design weld joint groove

Provided is a weld with a stepped configuration. The ladder shaped configuration can be processed by a substrate machine to form a weld groove capable of accommodating a stepped weld. Welds with stepped configurations and controlled procedures exhibit improved service life and improved damage tolerance. Also provided is a welded joint having a stepped configuration, a joint member having a stepped configuration, and a method for welding a stepped configuration.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本公开涉及一种具有阶梯式焊缝坡口构型的焊缝、一种包括所述焊缝的焊接接头、以及一种形成所述焊缝的焊接方法。能源生产部件和锅炉部件由许多不同钢种制造。典型的500 MW锅炉不仅包含数百万磅的各种金属品级，而且还需要数万个焊缝以将这些材料接合到彼此。典型的焊缝包括至少一种母体（基片）金属、热影响区（HAZ）和焊缝自身。焊缝由母体金属材料、来自焊接过程的消耗品和在焊接过程期间引入的额外材料构成。HAZ是母体金属内的区域，其具有与母体金属相同的化学成分但具有不同的材料微观结构。不同的微观结构是由焊接过程所产生的强烈局部加热造成的。用于能源和锅炉应用的合金在多个因素的基础上被选择，诸如使用性能和成本。当水转化成蒸汽时，不同锅炉部件中的操作条件发生变化。因此，当在不同系统部件中蒸汽、温度和压力增加时，商业动力锅炉可包含不同类型的钢以适应不同水平的温度和压力。与能源生产部件和锅炉部件相关联的问题包括，但不限于，蠕变变形和后续的失效。当材料经受物理和热应力时，发生蠕变变形和损伤。所展现出的变形可以是弹性的、塑性的或甚至失效（诸如，开裂）。通常，当温度增加时，蠕变变形的速率也增加。蠕变强度增强的铁素体（CSEF）钢正越来越多地被用来制造在高温高压下进行长期操作所需的部件。经验表明，作为焊缝HAZ中的局部损伤的直接结果，这些部件形成裂纹并且能够失效。失效会在母体材料的仅十分之一的预期寿命时发生，并且可能产生安全和财务风险。目前使用的焊缝接头设计当前基于实际制造因素，诸如：低经济成本、便于焊机进入和完成焊缝所需的时间。在部件已在使用期间失效的情况下，通常使用补焊来实施修复以恢复使用所述部件。用于制造压力边界焊缝的设计方法通常基于‘常规设计’。ASME章节I的前言陈述到，规则的目标是“提供对生命和财产的合理保护以及为使用中的恶化提供界限”以便给出“合理的长而安全的有用期”。章节I未提供什么构成了合理的长设计寿命的明确指示。缺乏关于预期性能的定义部分地是由于能够更改焊缝接头行为的问题的复杂性。影响行为的因素包括操作应力、操作温度、部件几何形状、冶金和构成微观结构、焊接过程考虑因素、热处理和焊接残余应力、以及这些应力的松弛。由于这些不确定性，使得操作者通常不得不对给定系统内的部件执行周期性检测（例如，无损检测）。目前的工程设计精良的焊缝设计提供显著改进的接头设计，其主要有益于使用性能和寿命管理，诸如，由无损检测技术来评定。不同研究人员已尝试开发具有替代性合金成分及后续热处理安排的新CSEF钢，以试图最小化或避免与HAZ中焊缝的早期失效相关联的问题。调整合金成分和热处理程序仅收效甚微。迄今为止，还没有人提出一种在使用期间控制损伤发展以改进相似或不相似的CSEF钢焊件的工程设计方法。需要一种接头设计和制造的工程设计方法，其提供显著改进的使用性能。焊缝坡口的改进的几何形状和受控的焊接程序的益处主要有益于在能够发展蠕变损伤的条件下操作的锅炉中的压力边界焊缝的缺陷容限。蠕变损伤一般在高于绝对熔化温度大约40%的温度下发展。图1是描绘现有技术CSEF焊缝几何形状的示意焊缝轮廓图。图2是描绘焊缝几何形状的说明性实施例的示意焊缝轮廓图。图3是描绘呈阶梯式构型的焊缝坡口的说明性实施例的示意图。图4是描绘常规CSEF焊缝几何形状的裂纹扩展/失效轮廓的显微照片。图5是描绘根据说明性实施例的阶梯式焊缝坡口的裂纹扩展轮廓的显微照片。图6是与具有常规焊缝几何形状的焊缝样本相比，通过使用阶梯式焊缝坡口的说明性实施例达成的蠕变应变随时间变化的图形表示。图7是描绘常规CSEF焊缝几何形状的裂纹扩展/失效轮廓的显微照片。图8是描绘根据说明性实施例的阶梯式修复焊缝坡口的裂纹扩展轮廓的显微照片。图9是与具有常规焊缝几何形状的焊缝样本相比，通过使用阶梯式修复焊缝坡口的说明性实施例达成的应变随时间变化的图形表示。提供的是钢焊缝和焊接钢接头。根据某些实施例，焊缝包括在焊缝区中的具有阶梯式构型的至少一个焊缝坡口和施用到所述焊缝区的焊缝材料。焊缝区可以是受焊接过程影响的局部区域。具有阶梯式构型的焊缝坡口和焊缝材料可在焊接过程期间在焊缝区中接合。焊缝区可在垂直于焊缝的方向上邻近于焊缝材料和焊缝坡口延伸。根据某些实施例，具有阶梯式构型的焊缝坡口已由基片机加工而成。基片包括带有可用于机加工的至少一个基片边缘的母体材料。接着对所述至少一个基片边缘进行机加工，以生产阶梯式构型。机加工过程可包括但不限于以下各者：磨削、钻孔、车削、钻削、冲孔加工、锯切、切割、液压成形、成型、火焰切割、电弧气刨和锻造。当使用诸如火焰切割或电弧气刨的高移除率过程时，仍然可能需要更精确的后续机加工。焊缝坡口可包括具有被机加工成阶梯式构型的至少一个基片边缘的基片。根据某些实施例，阶梯式构型包括不止一个的阶梯。焊缝坡口可位于两个不同部件的表面上，或存在于单个部件内。可经由裂纹或破裂来在单个部件中例证焊缝坡口。可对裂纹或破裂的边缘进行机加工，以产生阶梯式焊缝坡口，且接着可进行修复焊接。根据某些实施例，焊缝材料被施用到多个阶梯式焊缝坡口的接头，以适应阶梯式焊缝接头。根据某些实施例，多个焊缝坡口中的至少一个焊缝坡口在成分上不同于所述多个焊缝坡口中的另一个焊缝坡口。根据某些实施例，焊缝材料基本上与所述至少一个焊缝坡口的成分相同。焊缝材料可能够被调整以配合焊缝坡口阶梯式轮廓。焊缝材料可包括在焊接过程中所使用的消耗品、来自焊缝坡口的母体材料、以及在焊接过程期间并入的额外基片材料和填充材料。在焊接过程期间并入的额外基片材料和填充材料可具有与来自焊缝坡口的母体材料相似的成分或不相似的成分。根据某些实施例，至少一个焊缝坡口和焊缝材料各自独立地包括铁素体材料、11级铬钼钢、12级铬钼钢、22级铬钼钢、CrMoV铬钼钢、23级蠕变强度增强的铁素体钢、24级蠕变强度增强的铁素体钢、91级蠕变强度增强的铁素体钢、911级蠕变强度增强的铁素体钢、92级蠕变强度增强的铁素体钢、VM12蠕变强度增强的铁素体钢、或马氏体微观结构硼/氮控制钢（MARBN）。根据某些实施例，至少一个焊缝坡口和焊缝材料各自独立地包括奥氏体不锈钢、304级不锈钢、304H级不锈钢、316级不锈钢、316H级不锈钢、321级不锈钢、321H级不锈钢、347级不锈钢、347H级不锈钢、310级不锈钢、310H级不锈钢、310HCbN不锈钢、347HFG不锈钢、Super 304H不锈钢、坦帕洛伊耐蚀铜镍合金（Tempaloy） AA-1不锈钢、坦帕洛伊耐蚀铜镍合金A-3不锈钢、NF709不锈钢、或XA704不锈钢。铁素体材料和奥氏体不锈钢是用于发电应用的感兴趣材料。铁素体材料可包括铬钼（CrMo）钢和CSEF钢。奥氏体不锈钢可包括常规或高级不锈钢合金。在发电应用中，通常的做法包括：取决于修复或新构造的需求，将铁素体材料和奥氏体不锈钢的不同组合焊接在一起。根据某些实施例，焊缝包括镍基合金。焊缝可包括通过外部源（诸如，手动和/或自动化给丝、焊条或电极）所添加的焊缝金属。对于在相似成分的焊缝坡口之间的新构造而言，可将成分与母体材料相同的合金或填充材料添加到焊缝。对于在不相似的焊缝坡口之间的新构造而言，合金或填充材料的选择取决于以下各者：部件；材料组合，诸如不相似本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种焊缝，其包括在焊缝区中的具有阶梯式构型的至少一个焊缝坡口和施用到所述焊缝区的焊缝材料；其中，所述至少一个焊缝坡口包括：厚度，T；阶梯深度，ts；阶梯角度，α；以及阶梯宽度，w，其中，w至少大约等于所述焊缝的热影响区的宽度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.01.24 US 61/9312021.一种焊缝，其包括在焊缝区中的具有阶梯式构型的至少一个焊缝坡口和施用到所述焊缝区的焊缝材料；其中，所述至少一个焊缝坡口包括：厚度，T；阶梯深度，ts；阶梯角度，α；以及阶梯宽度，w，其中，w至少大约等于所述焊缝的热影响区的宽度。2.根据权利要求1所述的焊缝，其中，w为至少约6 mm。3.根据权利要求1所述的焊缝，其中，所述焊缝材料被施用到多个焊缝坡口的接头，以适应阶梯式焊缝接头。4.根据权利要求3所述的焊缝，其中，所述多个焊缝坡口中的至少一个焊缝坡口在成分上不同于所述多个焊缝坡口中的另一个焊缝坡口。5.根据权利要求1所述的焊缝，其中，所述至少一个焊缝坡口和焊缝材料各自独立地包括铁素体材料、11级铬钼钢、12级铬钼钢、22级铬钼钢、CrMoV铬钼钢、23级蠕变强度增强的铁素体钢、24级蠕变强度增强的铁素体钢、91级蠕变强度增强的铁素体钢、911级蠕变强度增强的铁素体钢、92级蠕变强度增强的铁素体钢、VM12蠕变强度增强的铁素体钢、马氏体微观结构硼/氮控制钢、奥氏体不锈钢、304级不锈钢、304H级不锈钢、316级不锈钢、316H级不锈钢、321级不锈钢、321H级不锈钢、347级不锈钢、347H级不锈钢、310级不锈钢、310H级不锈钢、310HCbN不锈钢、347HFG不锈钢、Super 304H不锈钢、坦帕洛伊耐蚀铜镍合金AA-1不锈钢、坦帕洛伊耐蚀铜镍合金A-3不锈钢、NF709不锈钢、或XA704不锈钢。6.根据权利要求1所述的焊缝，其中，所述焊缝进一步包括镍基合金。7.根据权利要求1所述的焊缝，其中，a) T是在从约6 mm到约250 mm的范围中；和/或，b) ts是在...

【专利技术属性】
技术研发人员：JA西弗特，JD帕克，
申请(专利权)人：电力研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US