专利名称：焊接修复工艺及用此工艺修复的制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及焊接修复工艺。本发明尤其涉及焊接修复钢合金制品的方法，该法要在该焊修复完成之前于该焊接修复物的有限的中间区进行局部热处理，而又避免了该制品完全的焊后热处理。
已发现铬-钼(Cr-Mo)和铬-钼-钒(CrMoV)低合金钢在蒸汽轮机和其它发电设备的应用方面有宽广的用途。这些合金部份地是按蠕变和疲劳性能选用的，因为这些性能与蒸汽轮机部件的恶劣作业条件相关。虽然用CrMo和CrMoV钢制成的蒸汽轮机部件显示了长的使用寿命，但仍可能出现冲刷、腐蚀、冲击、疲劳和域过载，因而需要修复或更换这类部件。过去，常通过焊接修复CrMo和CrMoV部件，按此法，去除该部件的已损坏的部份，然后在该位置上堆上钢的焊料。修复后，按常规该部件经焊后热处理(PWHT)，以便消除因该焊接修复工艺引起的应力，及使该变硬的焊接热影响区(HAZ)回火，从而形成与原合金相似的性能。
在图2中示出了焊态的和经焊后热处理的CrMoV合金的硬度对比数据。硬度在该焊接区的HAZ中测量，该区的基体合金的化学成份一般不因此焊接作业而改变，但由于在焊接时发生的恶劣的热周期中出现了明显的微观组织变化。这种微观组织变化的一种影响是在HAZ中出现明显的硬化。在图2中表明HAZ中的硬度与离融合线的距离有关，在本文中该线是以焊接修复材料和该部件的基体材料间的界面定义的。因为焊接引起的硬度有损于蠕变和疲劳性能，所以，图2证明，为在焊接修复的部件中呈现这些合乎要求的性能，则需要焊后热处理。
过去，焊后热处理总是要把整个部件加热到低于该合金的临界温度“A1”的温度，临界温度“A1”在本技术领域中是以铁-碳平衡图的面心立方晶格的结晶组织(奥氏体)的下限定义的。这种工艺的缺点是热处理作业所用的费用、与化费于进行与此作业的相关的时间及损坏该部件的可能性。这些缺点在修复具有高度抗蠕变要求的高温部件，如蒸汽轮机的CrMoV汽轮机低级管方面，特别成问题。为了焊后热处理而取下这些部件是费钱费时的，因为必切割管路的连接，而且在修复后必须重焊，在汽轮机中重新排列等。但，不经焊后热处理而修复这类部件会产生不适宜的结果，而原地焊后热处理的尝试又有使该管变形的倾向。
因此焊接修复技术一直推荐采用无需焊后热处理的填料。但，这种技术一般只限于临时修补及某些不严格的用途，这是因为经过焊接热处理的焊接修复一般都显示优越的性能。其它的不进行焊后热处理的焊接修复的可供选择的方案包括各种焊道回火焊接技术，按此法，小心控制的焊接顺序，通过将因该堆积的焊道而产生的HAZ的适宜的温度区叠加在先前堆积的焊道所形成的HAZ的硬的部位上，从而产生了一定程度的回火。在使该HAZ中的金相组织有益地软化的努力中，一直实施这类技术。但，当施于某种CrMo和CrMoV合金钢部件时，总出现不合格的HAZ硬化，这已由图2中所示的焊道回火技术的数据分布带所证明。
因此，所需要的是针对低合金钢，如用于构成汽轮机部件的CrMo和CrMoV合金钢的可靠的焊接修复技术，该技术不依靠该修复的部件的焊后热处理而能产生长时间的焊接修复效果，同时还不会使该部件变形。
按照本发明，提供了焊接修复由低合金钢构成的部件的方法。该法无需对该部件或其整个焊接修复区作全面的焊后热处理，因而避免了与进行这类处理相关的缺点。反之，本发明的方法相当简单，而且产生了与该部件的基体材料相近的机械和环境性能。按照本发明，虽然此方法特别适于修复CrMo和CrMoV低合金钢，但此法还可用于其它的，为本领域普通技术人员所理解的低合金钢。
本发明的方法一般包括在制品的表面上堆积一或多层第一焊接修复层的步骤，该表面一般是经过去除了该制品的损坏部位而暴露出来的制品的基材的部位。该暴露的表面可以是基体材料中的孔穴或沟槽，或另行具有适于去除该制品的被损坏部位，便于实施该焊接工艺和/或增强所产生的焊接修复的任何形状或外形。在堆积第一焊接修复层的过程中，在该制品的表面的下面的该制品中形成了硬的热影响区(HAZ)。然后以高于该基体材料临界温度的温度，即该合金的铁-碳平衡图的奥氏体相区的下限的温度对该第一焊接修复层和至少与此第一焊接修复层相邻的HAZ部位作局部热处理。按照本发明，CrMo和CrMoV合金的较佳最低处理温度为约1500°F(约815℃)，而最高处理温度为约1600°F(约870℃)，以便防止该HAZ中晶粒过份生长。由于这种局部热处理，第一焊接修复层和该HAZ中的原结晶组织全被具有可接受的硬度的细晶组织替代。此后，在该第一焊接修复层上再堆上至少一层辅助焊接修复层。按照本发明，打算使该第一焊接修复层有足以避免在该制品的基体材料中，由于堆上该辅助焊接修复层而形成另外的HAZ的厚度。
按照本发明，已不可预料地发现上述工艺产生了这样的焊接修复它显示出与该制品的基体材料相近，甚至更好的机械和环境性能，从而使所产生的修复层有长的工作寿命。因此，可以在工作期间无需对该辅助的焊接修复层或整个制品进行焊后热处理，而着手进一步处理该制品及更换该制品。其它的优点是上述的工艺能通过使用已知的和相当简单的焊接技术形成每一种焊接修复层，从而使该制品达到有益的性能。
从以下的详细陈述中将能更好地理解本发明的其它的目的和优点。
图1为按本发明形成的焊接修复件的横截面；图2是表示在按现有技术修复的低合金钢中的焊接修复区的HAZ中的硬度变化的曲线；图3是表示按本发明和按现有技术修复的相同的低合金钢的低周期疲劳对比数据的曲线。
图1代表按本发明修复的低合金钢制品的横剖面。这类制品的一个例子是蒸汽轮机的部件，当然，也可用本发明的方法修复种类繁多的部件。如图1所示，该制品一般包括基体材料10，其上堆积焊接复层12，直到该制品在去除被损坏的部位后恢复其原尺寸为止。焊接修复层12一般包括堆在基体材料10的表面上，从而形成表面焊接修复层14的一或多个焊接修复层。接着示出的是堆在构成表面的焊接修复层14上的填焊层16。构成表面的焊接修复层14和基体材料10之间的界面叫做焊接修复层12的融合线20。按本发明，当修复用于构成蒸汽轮机部件之类的CrMoV和CrMo合金，比如1.25Cr-1Mo-0.25V(％(重量))时，焊接修复层14和焊接层16的适用材料包括CrMo和CrMoV合金。一种特别适用的CrMo合金的公称成份(％重量)为约0.5％的Cr，约1.0％的Mo，不大于约0.05％的C及少量的其它元素。按本发明，发现修复层的低的碳含量对于取得可以接受的焊态高温性能特别重要。
在导出本发明的研究过程中，确定了由于在CrMoV钢上实施焊道回火技术而在所产生的HAZ中出现不合格的硬化是这类钢的二次硬化特性的结果，这证明了这是在充分的回火温度下的滞留时间过短的结果。在解决这一问题是，本发明以这样的判断为基础施于紧邻基体材料10的有限焊接部位的局部热处理可提供足以改进基体材料10中的HAZ18的性能的滞留时间。采用高于该基体材料合金的临界温度“A1”的温度的实验已表明优于采用常规的消除应力温度的实验，即优于在低于基体合金材料的A1温度的焊后热处理的极大改进。
按照本发明的修复低合金钢制品的较佳方案，总要完全去除该制品的被损坏的部位。然后用适宜的焊接技术，如气体保护金属极电弧焊(SMAW)在基体材料10的新暴露的表面上堆积一或多个焊层而构成形成表面的焊接修复层，当然，还可采用其它技术也是可以想见的。在基体材料10上堆成形成表面的焊接修复层14的工艺产生了图1中所示的HAZ18。为修复CrMo或CrMoV合金，如1.25Cr-1 Mo-0.25V，适用于形成表面的焊接修复层14的材料是CrMo低合金钢，尤其是上述的低含碳量(0.05％(重量)或更低)的0.5Cr-1Mo合金。
形成表面的焊接修复层14的总厚度应这样选择使焊接修复层14和其下的HAZ18的局部热处理得以迅速完成，而且还使后续堆积的填焊层16不在基体材料中产生另外的HAZ。然后对焊接修复层14和HAZ18实施局部热处理。对于CrMo和CrMoV合金而言，其临界温度A1约1370°F(约745℃)。因此按本发明，至少以约1420°F(约770℃)、更好是在约1500°F(约815℃)和约1600°F(约870℃)之间进行该热处理。此热处理适宜的持续时间最多为约15分钟，当然更长的持续时间也可想见。在此温度范围中，形成表面的修复层14的适宜厚度为约4-约8mm。
重要的是，在该工艺阶段的金相检验表明形成表面的焊接修复层14和HAZ18最好以不高于约365努普的硬度和不大于约ASTM6的晶粒度为特征。热处理之后，可用常规的焊接技术，如气体保护金属极电弧焊堆积填层。对于修复CrMo和CrMoV合金而言，发现上述的低碳0.5Cr-1Mo合金对此目的来说是有益的。
在本发明的研究过程中，对铸造的1.25Cr-1Mo-0.25V合金试样实施了上述方法。在每件试样上用气体保护金属极电弧焊电极堆上上述的低碳0.5Cr-1Mo合金的形成表面的焊接修复层14，从而在该试样表面中产生HAZ18。然后用焊炬将形成表面的焊接修复层14和其下的HAZ18进行加热至约1500°F-约1600°F的温度，即高于该钢的约1400°F(约760℃)的临界温度A1，持续时间5-10分。该试样的后续金相检验表明上述的HAZ18和形成表面的焊接修复层14已全部被具有可接受的硬度的细晶粒组织所替代，该硬度一般不超过约365努普。然后用与用于堆积形成表面的焊接修复层14相同的气体保护金属极电弧焊技术形成低碳0.5Cr-1Mo合金的填焊层从而完成焊接修复12。按本发明，该填焊层16未经任何焊后热处理，因而保存焊接状况。
然后，随机地选试样去作约1050°F-约1200°F(约565℃-约650℃)的蠕变断裂试验，所用的负荷相当于约33.6-约36.6的Larson Miller断裂参数值。此试验的结果是发现此试样的蠕变性能与用常规方法采用0.5Cr-1Mo焊接填料合金修复，再经低于该合金临界温度A1的全部的焊后热处理的铸态1.25Cr-1Mo-0.25V合金试样的此性能相近。
其它的试样经受约1050°F(约565℃)的低周期的疲劳试验，同时完全释放应力而无保温时间。为了对比，用常规的焊接修复方法，用常规的0.5Cr-1Mo填料金属(即碳含量为约0.07-约0.15％(重量％)制成两组试样，一组有完全的焊后热处理，而另组没有。
此试验的结果示于图3中，该图证明用带有完全焊后热处理的常规焊接方法制成的试样表现得明显优于那些按常规修复而未经焊后热处理的试样。如图3所示最值得注意的是，按本发明处理的那些试样，其抗低周期疲劳的性能与经常规处理，而且经焊后热处理的试样的该性能相似或更好。
由上可得出结论用本发明的修复工艺可达到可靠的修复，而且可以期望按本发明修复的低合金钢部件的工作寿命与按带有完全焊后热处理的常规方法修复的低合金钢部件的工作寿命相近。
虽然我们的发明是以较佳实施方案被描述的，但本技术领域中的普通技术人员还可选用其它的形式是很清楚的。因此，本发明的范围仅由以下的权利要求限定。
权利要求
1.修复钢合金制品的方法，该法包括如下步骤在该制品表面上至少堆积第一焊接修复层，从而在该表面下的该制品中形成一个HAZ；对该第一焊接修复层和至少与该第一焊接修复层相邻的HAZ部位，以高于该钢合金制品的临界温度A1的温度进行局部热处理；在该第一焊接修复层上堆积至少一个在该制品表面中不形成另外的HAZ的辅助焊接修复层；在堆积该辅助的焊接修复层的步骤之后，不对此辅助的焊接修复层作焊后热处理将该制品投入使用。
2.权利要求1的方法，其中该第一焊接修复层是CrMo低合金钢。
3.权利要求1的方法，其中该辅助焊接修复层是CrMo低合金钢。
4.权利要求1的方法，其中该第一焊接修复层和该辅助焊接修复层由0.5Cr-1Mo低合金钢构成。
5.权利要求4的方法，其中该0.5Cr-1Mo低合金钢的碳含量不大于0.05％(重量)。
6.权利要求1的方法，其中该热处理步骤最多进行约15分钟。
7.权利要求1的方法，其中该第一焊接修复层和该HAZ的特征是该热处理步骤后的晶粒度不大于约ASTM6。
8.权利要求1的方法，其中该第一焊接修复层和该HAZ的特征是该热处理步骤后的硬度不大于约365努普。
9.权利要求1的方法，其中每个堆积步骤都采用气体保护金属极电弧焊技术。
10.权利要求1的方法，其中形成该制品的钢合金选自CrMo和CrMoV低合金钢。
11.权利要求1的方法，其中该制品是蒸汽轮机的部件。
12.用权利要求1的方法修复的制品。
13.修复低合金钢制品的方法，该法包括的步骤为去除该制品的表面部份，以便形成该制品的基础表面；在该基础表面上堆积至少一个焊接修复层，以便在该基础表面上形成第一焊接修复层，及在该基础表面下的该制品中形成HAZ，该第一焊接修复层是CrMo低合金钢，其厚度约4-约8mm；以约1500°F-约1600°F的温度对该一焊接修复层和至少与该第一焊接修复层相邻的该HAZ部位作局部热处理；在该第一焊接修复层上堆积不在该基础表面中形成另外的HAZ的填焊层，该填焊层是CrMo低合金钢；在堆积该填焊层的步骤后，不经对此填料焊接层的焊后热处理，进一步加工此制品，然后将其投入使用。
14.权利要求13的方法，其中该第一焊接修复层和该填焊层是碳含量不大于0.05％(重量)的0.5Cr-1Mo低合金钢。
15.权利要求13的方法，其中该第一焊接修复层和该HAZ的特征是该热处理步骤后的晶粒度不大于约ASTM6。
16.权利要求13的方法，其中该第一焊接修复层和该HAZ的特征是该热处理步骤后的硬度不大于约365努普。
17.权利要求13的方法，其中每个堆积步骤都用气体保护金属极电弧焊技术。
18.权利要求13的方法，其中该制品用选自CrMo和CrMoV低合金钢的低合金钢制成。
19.权利要求13的方法，其中该制品是蒸汽轮机的部件。
20.用权利要求13的方法修复的部件。
全文摘要
用于焊接修复低合金钢构成的制品的方法。该法一般包括在该制品表面上堆积第一焊接修复层(14)的步骤,然后以高于形成该制品的该合金的临界温度A
文档编号B23K31/00GK1196990SQ9810709
公开日1998年10月28日 申请日期1998年4月14日 优先权日1997年4月14日
发明者G·R·克劳梅尔, J·F·诺兰 申请人:通用电气公司