滲碳奧氏體型耐熱合金材料的焊接方法技術

本發明專利技術涉及滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料的焊接和補焊方法。國際專利分類號為ＩＰＣＢ２２Ｆ。用公知的常規方法對滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料進行焊接將不可避免地產生裂紋。為了解決這一問題，本發明專利技術提出在高溫下，即始焊溫度在９００℃以上，終焊溫度不低于７００℃的高溫下對滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料進行焊接的方法可得到令人滿意的結果。從而，在生產實踐中，例如在乙烯裂解爐爐管的日常維護和定期更換中，節省大量價格昂貴的高Ｃｒ、Ｎｉ合金材料，縮短維修周期，具有可觀的技術經濟效果。（*該技術在2011年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于焊接
，尤其涉及。國際專利分類號為IPC B22F。一般奧氏體型耐熱合金材料的焊接不存在特別的困難，其焊接方法為人們所公知。例如在《奧氏體耐熱不銹鋼的焊接》一書中介紹了對于HK-40，1Cr18Ni9Ti等牌號的奧氏體型耐熱合金材料，可用成分與母體材料相同或相近的焊接材料(焊絲或焊條)，采用直流正接或反接，取焊接電壓20-25V，焊接電流80-200A施焊，焊前無需予熱，焊后無需熱處理，都能得到令人滿意的效果。但是，在生產實踐中卻提出了要對滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料進行焊接和補焊的問題。例如，世界上的乙烯裂解爐通常所用的爐管材料均為含高Cr，Ni的奧氏體型耐熱合金材料，如HP、HK、INCOLOY 800等系列的合金。由于Cr、Ni含量高，材料價格非常昂貴。這些材料的爐管在使用過程中，由于工作溫度(900°-1100℃)和介質(輕烴、輕油、石腦油等)的同時作用而滲碳。工作溫度越高，工作時間越長，滲碳越嚴重;而且滲碳程度從管內壁到管外壁呈梯度地不均勻分布。滲碳后的耐熱合金爐管材料在其晶界和晶粒內部都大量析出M23C6和M7C3等碳化物，致使其性能變脆，室溫沖擊值一般都在0.5Kg-M/cm2以下。這給裂解爐的檢修，尤其是關鍵工序-爐管的焊接帶來嚴重困難。通常，只要滲碳深度超過2mm，焊接將因產生裂紋而無法進行，被迫更換新爐管，造成極大的浪費。對于這種滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料的焊接方法還未見到有關資料報導。本專利技術的目的就在于解決上述生產實踐中所提出的這一問題，提出一種，它可以避免這種合金材料在焊接時產生裂紋，從而順利地進行焊接或補焊，以節省大量貴重材料，從而取得可觀的技術經濟效益。為實現上述專利技術目的，本專利技術的方法是，在滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料的焊接或補焊中，采用同未滲碳的奧氏體型耐熱合金原始材料相同的焊接方式(例如TIG焊或普通電弧焊)，相同的坡口形狀和尺寸，相同的焊接規范(電源及其連接方式、電壓、電流、焊接速度等)以及相同的焊接材料(同被焊接的母材成分相同或相近的焊絲或焊條)，其特征在于在焊接前將焊接部位加熱到900℃以上，然后于高溫下施焊，終焊溫度不低于700℃。下面結合附圖對本專利技術予以詳細說明。附圖說明圖1是表示材料為HP-Nb，尺寸為Φ124×11.2的乙烯裂解爐爐管使用8萬小時后的滲碳情況的曲線圖。圖2是圖1所示材料的高溫拉伸強度( b)和溫度的關系曲線圖。圖3是圖1所示材料的高溫塑性(延伸率δ)和溫度的關系曲線圖。圖2、3中拉伸試件的取樣方式是先沿圖1所使用的滲碳爐管的縱向并在管壁中心取樣，刨成11×11的長方條，并車成Φ5的拉伸試件(其標距拉伸處為Φ5)，然后在高溫拉伸試樣機上拉伸，其含碳量在1.5-2.0%之間。圖4是表示材料為HP-WNb，尺寸為Φ103×7的乙烯裂解爐爐管使用4800小時后的滲碳情況的曲線圖。圖5是圖4所示材料的高溫拉伸強度( b)和溫度的關系曲線圖。圖6是圖4所示材料的高溫塑性(塑面收縮率 )和溫度的關系曲線圖。圖5、6中拉伸試件的取樣方式是先沿圖4所使用的滲碳爐管的縱向刨成7×7的長方條，然后再車成Φ6的拉伸試件(其標距拉伸處為Φ6，兩頭夾持處為7)。其含碳量在0.7-2.4%之間。圖7是表示材料為HP-WNb的Φ6拉伸試件進行人工滲碳處理后的碳濃度分布圖。圖8是圖7所示試件的高溫拉伸強度( b)和溫度的關系曲線圖。圖9是圖7所示試件的高溫塑性(斷面收縮率 )和溫度的關系曲線圖?？紤]到HP系列材料為常用的乙烯裂解爐爐管材料，同時考慮到奧氏體型耐熱合金材料滲碳后難于焊接的內在因素是過多的碳化物析出。因此，本專利技術人以含碳和碳化物合金元素較高的HP-Nb和HP-WNb兩種材料為典型例子對奧氏體型耐熱合金材料的滲碳情況及滲碳后的機械性能同溫度的關系進行了試驗研究。上述兩種材料的組成見表1。表1兩種材料的組成(重量%) 試驗結果示于圖1～6。考慮到圖1～6主要反映出滲碳較高的情況，為了弄清爐管外表面滲碳較低情況下的性能和溫度的關系，以HP-WNb材料的Φ6試件，用人工滲碳方法進行了補充試驗研究。結果示于圖7～9。根據以上試驗結果，可得出如下幾點結論1.滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料的室溫塑性極低，幾乎為零。2.滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料的強度，當滲碳較低時隨溫度升高而增加，但當滲碳較高時，則隨溫度升高而增低。3.最重要的是，滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料明顯地具有高溫塑性。雖然不同的材料及不同的滲碳情況明顯地具有較高塑性的溫度起點及隨溫度升高而增加的趨勢表現的有所不同，但是，塑性隨溫度升高而增加卻是其共同規律。而且在900℃以上時，這些材料都表現出具有較高的塑性，在不低于800℃時都具有足夠的塑性;在滲碳較低的情況下，在不低于700℃時都還具有相當的塑性。根據以上試驗結果本專利技術又提出了如前所述的實現本專利技術目的的技術措施即在滲碳奧氏體型耐熱合金材料的焊接或補焊中，采用高溫焊接，即在焊接前將焊接部位加熱到900℃以上，然后于高溫下進行焊接，終焊溫度不低于700℃。由于在高溫下進行焊接，大大降低了焊接結構的溫差，從而使焊接應力降低到最低限度;同時，由于滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料在高溫下具有足夠的塑性，使焊接應力得以松馳，降低了焊接結構的構束度，從而解決了滲碳奧氏體型耐熱合金材料焊接開裂問題。當終焊溫度不低于800℃時，效果更令人滿意。另外，本專利技術人采用加熱、保溫和控溫裝置，使焊接部位在整個焊接和冷卻過程中都可良好地保溫，結果更加。最好在始焊溫度保溫10-30分鐘后再施焊。焊接部位的坡口形狀和尺寸雖然與未滲碳奧氏體型耐熱合金原始材料相同，但其割口和坡口不宜采用熱切割方法加工，而以機加工為宜。本專利技術人應用上述方法對材料為HP-WNb，尺寸為Φ103×7，滲碳深度達管壁厚度的90%的30萬噸乙烯裂解爐爐管材料進行了焊接，都得到了令人滿意的效果，經著色和x射線檢查均未發現裂紋。相反，作為對照，用常規方法對這些滲碳后的奧氏體型耐熱合金材料進行焊接，用同樣的方法檢查發現，大多在焊接熔合線附近產生平行裂紋，有的則從焊縫起裂到母材?？傊瑹o一不出現裂紋。應用本專利技術方法的實施例及對照例詳見表2。本專利技術雖然是以HP40系列的奧氏體型耐熱合金材料為典型例子試驗研究成功的，但本專利技術所揭示的規律卻是奧氏體型耐熱合金材料所共有的。實踐已經證明，本專利技術的方法可適用于碳化物合金元素比HP40系列低或相當的HK40、incoloy 800等其它系列奧氏體型耐熱合金材料滲碳后的焊接。不僅如此，本專利技術的方法甚至還可用于那些在長時間使用后由于碳化物析出而脆化的非滲碳的奧氏體型耐熱合金材料的焊接，例如化肥廠轉化爐爐管的HK40材料的焊接。將本專利技術的方法應用在生產實踐中可取得可觀的技術經濟效益。例如，將本專利技術的方法應用在乙烯裂解爐的日常維修中，對因偶然因素出現裂紋或其它事故的滲碳爐管，可采用補焊代替換管，不但節省了爐管材料的直接費用，而且避免了拉運、吊裝爐管、拆裝爐蓋等檢修步驟，大大節省了維修工作量，可提前投入生產。對于年產4萬噸乙烯的裂解爐，按處理一根爐管計算，其直接和間接的經濟效益可達15萬元以上。實踐證明采用本技術可提前一天投產，每噸乙烯按1500元，每根爐管按6萬本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種滲碳奧氏體型耐熱合金材料的焊接和補焊方法，采用同未滲碳的奧氏體型耐熱合金原始材料相同的焊接方式，相同的焊接規范和相同的焊接材料，其特征在于：在焊接前將焊接部位加熱到９００℃以上，然后于高溫下焊接，終焊溫度不低于７００℃。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓萬學，張寶巖，鐘繼偉，
申請(專利權)人：中國石油化工總公司大慶石油化工總廠，
類型：發明
國別省市：23[中國|黑龍江]