碳鋼與奧氏體不鏽鋼焊接的方法以及所得到的結構的製作方法
2023-05-08 17:03:36
專利名稱：碳鋼與奧氏體不鏽鋼焊接的方法以及所得到的結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法以及利用這種焊接方法構築的結構。更詳細點說，本發明所涉及的是，用於能量轉移/分配設備的氣體截止器(gas breaker)外套容器接合處的焊接方法，它需要高的可靠性；同時還涉及利用本焊接方法製造的用於能量轉移/分配設備的氣體截止器。
利用焊接製造一個結構容器時，由於焊接熱量，導致發生形變和殘餘應力。鑑於這個原因，很難製造一個有很高精度的結構容器。尤其是，當焊接能量輸入很高時，這種影響變得很大。當容器有形變時，為了矯正形狀，就需要機械加工，並由此希望減輕形變程度。弧焊，例如二氧化碳弧焊，或是MIG焊法，它們的焊接熱輸入比高密度能量焊接法，如雷射焊接或電子束焊接更大。因此，當焊接量很大時。焊接形變和殘餘應力會顯著增大。由於焊接速度低，生產率低，並且產生大量煙塵和濺出物。這樣，需要額外的工序清除這些東西，與此同時，工作環境受到破壞。
對高密度能量焊接方法的應用，比如說，雷射焊接法和電子束焊接法，進行了積極的研究。
另一方面，高密度能量焊接法，如雷射焊接和電子束焊接，與氣弧焊接法、MIG焊接法相比，能使得熱量的輸入更小，對這種方法在焊接不同類型材料的應用方面同樣也進行了研究。當不同類型的材料，比方說碳鋼和奧氏體不鏽鋼，利用焊接的方法焊合到一塊時，在交接處形成的焊縫金屬的成分介於各種不同材料的成分之間。這時，由於兩種材料各成分的混合，可能形成具有較低脆性的馬氏體結構或金屬間化合物。具體地說，在靠近碳鋼一側的焊接邊界上，形成包含了碳和Cr元素形成的金屬間化合物以及極硬極脆的馬氏體結構的金屬結構。由於在不同類型材料的施焊部分，都有可能產生馬氏體結構，這樣，所得到的焊接區會變硬，機械性能下降，不同類型的焊接缺陷，如高溫裂紋和低溫裂紋就有可能產生。採用具有大能量輸入的焊接方法，如二氧化碳弧焊或MIG焊法，可能形成脆性馬氏體結構和金屬間化合物。為了得到一個具有高穩定性和可靠性的焊接區，很有必要採取措施控制交接處焊縫金屬的成分和結構，比如，在碳鋼的一側用一種合適的焊接材料進行精細焊接。採用具有小熱量輸入的高密度能量焊接法時，比如，採用雷射焊接和電子束焊接。焊接寬度變小，溶深變大。由於熔融量變小，脆性馬氏體結構和金屬間化合物的絕對生成量可望減少。因此，通過加入少量焊接材料，採用這種焊接可望得到具有足夠高穩定性和可靠性的熔焊區。
就水電發電機渦輪盤的葉輪件和心軸件來說，必需具有高的可靠性，葉輪件與水流接觸，它用一種13Cr不鏽鋼製做；用一種碳鋼製造心軸件，利用潤滑劑等，可使心軸具有抗腐蝕性能。日本專利公開號132378/1983介紹了一種利用電子束焊接法焊接這種葉輪與心軸的方法，並且通過加入一種純鎳的中間媒體金屬，控制交接處的成份。根據這個方法，可得到的施焊部分的衝擊韌性比不採用添加金屬焊接高。
通過加入鎳材料，採用高密度能量束的方法焊接奧氏體不鏽鋼和碳鋼時，碳鋼中的雜質元素，如P、S等，擴散到焊縫金屬中，與不鏽鋼中的Cr等發生反應，並且在晶界沉澱成一個金屬間化合物層。如果在交接處存在這種化合物層，在焊接後冷卻的時候由於熱應力的原因，可能產生小的裂紋。
本發明的一個目的是，提供一個採用高密度能量束焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼的焊接方法，這種方法得到的焊接部分具有高的韌性，在焊接後不會產生裂紋，並具提供一個利用這種方法製造的一個結構。
為達到上述目的，本發明提供了一種焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼的方法，在這種方法中，高密度能量束用作上述焊接的熱源，得到的焊區的金相結構由奧氏體結構和不超過20％的鐵素體結構的混合結構組成。
在上述方法，本發明提供了一個焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼的方法，其中，高密度能量束用作上述焊接的熱源，採用奧氏體不鏽鋼焊接材料填充並用作焊接材料，在焊接部位基體金屬滲進被焊接金屬的滲透比例不超過80％。
在上述方法，本發明提供了一個焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼的方法，其中，高密度能量束用作上述焊接的熱源，填充並加上奧氏體不鏽鋼焊接材料。
在上述方法，本發明提供了一個焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼的方法，其中，在焊接時，填充並加上奧氏體不鏽鋼焊接材料。
在上述方法，控制焊接過程，以使焊道表面一側上的焊縫金屬的寬度與Uranami面上焊縫的寬度大體相等。(Uranami側面亦即焊道表面相對的一側)這一部分焊接區也被稱為根部焊道(封底焊縫)。
奧氏體不鏽鋼焊接材料傾向於含有如下成分以重量百分比計算，不超過0.15％的C，不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，其餘為Fe元素，同時，做為不可避免的雜質，P的含量不能超過0.02％，S不能超過0.02％。
焊接材料更傾向於含有以重量百分比計算，不超過0.15％的C，0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，1.0～5.0％的Mo，其餘為Fe元素，同時，做為不可避免的雜質，P的含量不能超過0.02％，S不能超過0.02％。
在上述方法，傾向於將焊接槽固定在不鏽鋼基體金屬一側，並且通過加焊條來完成根部焊道的焊接與多層焊接，以使上面所描述的滲透比不會超過80％。
在上述的多層焊接，傾向於利用滲透焊接來完成第二層以及隨後的焊道。
在上述方法，更適合於在碳鋼和不鏽鋼之間的焊區裝上一個熔融嵌入物(melt insert)進行焊接，這種嵌入物的成份為以重量百分比計算，不超過0.15％的C，不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，其餘為Fe元素，並且，做為不可避免的雜質元素，不超過0.02％的P和不超過0.02％的S。
同樣，優選地在碳鋼和不鏽鋼之間的焊接部分同時採用焊條進行焊接，這種焊條含有，以重量百分比計算，不超過0.15％的C，0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，其餘為Fe，並且做為不可避免的雜質，不超過0.02％的P和不超過0.02％的S。
本發明提供一個由碳鋼與奧氏體不鏽鋼組成的結構，這個結構是通過在碳鋼和奧氏體不鏽鋼之間焊接形成一個焊接部分製造出來的，焊接時，高密度能量束用作熱源，焊接部分的金相結構是奧氏體結構和不超過20％的鐵素體結構的混合結構。
在包括碳鋼和奧氏體不鏽鋼的結構中，本發明提供一個包括一種碳鋼和一種奧氏體不鏽鋼的結構，採用高密度能量束作為熱量，在碳鋼和奧氏體不鏽鋼之間焊接成一個焊接部分，並且，在焊接部分，基體金屬進入焊縫金屬的滲透比不超過80％。
在包括碳鋼和奧氏體不鏽鋼的結構中，本發明提供了一個包括一種碳鋼和一種奧氏體不鏽鋼的結構，即利用高密度能量束作為熱源，在這種碳鋼和這種不鏽鋼之間焊接成一個焊接部分，這樣來製造這種結構，並且焊接部分的金屬結構是奧氏體結構和不超過20％的鐵素體的混合結構，同時，基體金屬進入焊縫金屬的滲透比不超過80％。
就能量轉移/分配設備上氣體截止器或氣體絕緣開關設備(gasinsulated switch apparatus)的護套而言，這種外套由一種碳鋼的法蘭和一種奧氏體不鏽鋼鋼管組成，本發明提供了一種能量轉換/分配設備上氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套，在這個護套上，利用高密度能量束做為熱源，在法蘭與鋼管之間通過焊接焊形成焊接區，並且焊接部分的金相結構是奧氏體結構和不超過20％的鐵素體的混和結構，同時，基體金屬進入焊縫金屬的滲透比不超過80％。
就能量轉換/分配設備上的氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套而言，這種護套由一種碳鋼法蘭和一種奧氏體不鏽鋼鋼管組成。本發明提供了一種能量轉換/分配設備上氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套，在這個護套上，焊縫表面一側上法蘭和鋼管之間交接區焊縫金屬的寬度與Uranami面上焊縫金屬的寬度大體相等，並且在同一表面，亦即鋼管的內表面上，Uranami焊縫得以增強。
就上述能量轉移/分配設備上的氣體截止器或氣體絕緣開氣設備的護套而言，本發明提供了一種能量轉換/分配設備上氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套，在這個護套上，用比鋼管剛性更大的厚板密封法蘭部份，讓水壓在容器中發生作用，以便矯正由於高密度能量束焊接產生的形變部份、並消除焊接應力。
本發明為利用高能量束焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼提供了一種焊接材料，其中，這種奧氏體不鏽鋼焊接材料含有如下成分以重量百分比計算，不超過0.15％的C，不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，其餘為Fe，做為不可避免的雜質元素，P的含量不超過0.02％，S的含量不超過0.02％。
本發明為利用高能量束焊接碳鋼和奧氏體不鏽鋼提供了一種奧氏體不鏽鋼焊接材料，焊接材料中含有如下成份以重量百分比計算，不超過0.15％的C，不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，1.0～5.0％的Mo，其餘為Fe，做為不可避免的雜質元素，P的含量不超過0.02％，S的含量不超過0.02％。
圖1是單斜槽或半「V」形槽焊接部分截面圖。
圖2是完成根據本發明所述焊接方法的焊接機器的示意圖。
圖3是本發明的焊接材料的金相結構圖。
圖4是反映焊縫金屬硬度與本發明所述不同基體材料的情況下基體金屬滲入焊縫金屬的滲透比率的關係。
圖5是利用嵌入焊接材料得到的焊接部分截面圖。
圖6是利用嵌入焊接材料和焊條材料得到的焊接部分截面圖。
圖7圖示氣體絕緣開關設備的容器模型。
圖8是依照本發明實施方案的金屬容器的焊接部分截面圖。
圖1是根據本發明由幾種不同材料製成的焊接結構容器的雷射焊接部分示意圖，幾種不同的材料也就是碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2。基體金屬板的厚度為9mm，在不鏽鋼2上開一個單斜槽，其深度為4.5mm，最大斜角為45°，並且通過填充並加上直條焊接材料進行雷射焊接。所得到焊縫金屬的成分是碳鋼1，不鏽鋼2和添加焊接材料的混合成分，同時，焊縫材料的截面是焊接加強區4，Uranami5和斜槽區6的總和。可以這樣理解，焊接材料的截面積等於(焊條進料速度/焊接速度)×焊條的截面積。
以前就知道，交接區的強度、韌性和很小的微裂紋隨著焊縫金屬3的成分而變化。
本發明的發明人驗證了採用高密度的能量束焊接方法如雷射和電子束焊接法時焊縫金屬最適合的結構和成份，他們同時完成了本發明。採用高密度能量束焊接方法如雷射和電子束法時，焊縫金屬的冷卻速度很大；這樣，焊縫金屬的晶粒很小。也就是說，焊縫金屬的晶粒比採用低密度能量焊接法如弧焊法更小，弧焊法熱輸入大，冷卻速度小。參照本發明，第一次發現，被焊接基體金屬中(尤其在碳鋼中)P與S雜質儘管在晶粒很大時(如弧焊時)並不會產生大的問題，然而會沉澱在交接區焊縫金屬中奧氏體晶粒的周圍並且在焊接後的冷卻過程中導致裂紋的產生。一般來說，利用弧焊方法焊接碳鋼1與奧氏體不鏽鋼2的焊接材料為JISD309和D310型不鏽鋼和高Ni合金。本發明人進行了檢驗測試，以確認這些材料能否用做雷射焊料。結果是，採用D309和D310材料時，在相當寬的焊接條件下，產生了馬氏體並且同時產生了低溫裂紋。採用高Ni合金做焊接材料時，在相當寬的焊接條件下，產生了高溫裂紋。採用高密度能量束焊接方法，如採用雷射和電子方法，發明人已確認，焊接材料的選擇必須依照不同於弧焊方法的選擇標準。
焊縫金屬的結構與成分依照下述因素或條件而改變(1)每種被焊金屬的成份。
(2)焊接時加入的焊接材料的成份。
(3)焊接加熱輸入情況(4)斜槽的形狀(5)焊接材料的加料速度。
由此可見(1)—(5)幾個條件應該這樣確定，以便利用上述(1)—(5)條件計算出來的結果能提供所得到的焊接的最期望的強度、韌性和裂紋性能，在(1)—(5)條件中，利用雷射、電子束等的高密度能量焊接法在(3)，(4)與(5)幾個條件與低能量密度，如弧焊法不同。
這樣，條件(2)，也就是焊接時加入的焊接材料的成分也應該改變。
以下的篇幅，將說明為何焊接時加入的焊接材料的成分，也就是條件(2)在本發明中最為重要。首先，假設焊縫金屬3的成分大體與不鏽鋼2的成分相等，在奧氏體晶粒周圍，由於雜質元素如P、S等產生的異類層面導致了很小的焊接裂紋，上面也提到了這一點由於這個原因，δ鐵素體傾向於存在於焊縫金屬中。由於δ鐵素體導致了P、S等雜質的固溶，同時減少了奧氏體晶粒周圍的雜質層。然而，當δ鐵素體的總量太大，焊縫金屬的硬度會變得太大，韌性會下降。因而，焊縫金屬傾向於有一個奧氏體結構，其中δ鐵素體含量不超過20％。
基體金屬滲入焊縫金屬的滲透深度傾向於儘可能小。焊接時，碳鋼中的C元素擴散到焊縫金屬。然而，如果焊縫金屬中某些區域發生碳的含量小的情況，材料的強度會下降。滲透深度很大時，焊接後焊接部分的形度會變得很大。這樣，基體金屬滲入焊縫金屬的滲透比必需不超過80％，並且越接近0％越好。
為了控制焊縫金屬結構，同時必須設計一個合適的焊接方法。換句話說，即便是使用了合適的焊接材料，焊縫金屬成分會隨基體金屬與焊接材料的混和而改變。因而，必需將合適的斜槽固定在焊接部分中，並且加入的焊接材料的量必須控制恰當。加入量的控制同樣也因焊接材料的形狀的改變而改變，這種改變可以通過使用焊條，薄板狀的焊接嵌入物和薄板條等來完成。只有使用了合適的焊接材料並且基體金屬進入焊縫金屬的滲透比傾向於最好不超過80％時，焊縫金屬的成分才會變得合適。
參照本發明而做的實驗表明，為了得到奧氏體結構，在焊料金屬中，將碳鋼與不鏽鋼以約1∶1的比例混和，以使焊縫金屬中滲透比不超過80％，並且焊縫金屬3的結構中鐵素體的含量不超過20％，焊接材料的成分範圍必須滿足(重量百分比)
C≤0.15％，Si≤0.65％，Mn1.0～3.0％Ni10～16％，Cr26～32％，Fe餘量不可避免雜質P≤0.02％，S≤0.02％其它元素1.0—5.0％的Mo，代替Cr。
下面將闡述這些化學成分的原因。
(a)C元素做為奧氏體形成元素必須加入約0.1％左右，以得到鋼的強度，然而，加入碳量增加，鋼變硬，並且C與其它元素結合，削弱包括可焊性在內的鋼的性能。尤其是，由於C與Cr形成金屬間化合物，C的含量限制在不超過0.15％。
(b)Si在焊接時是做為脫氧劑加入的，並且起鐵素體形成元素的作用。由於加入高的Si含量導致鋼的延展性與衝擊性能下降，Si量的最高值限制在0.65％。
(c)在焊接時，Mn與Si的作用一樣是起脫氧劑的作用，並且能有效去除P、S雜質，同樣，它還起奧氏體形成元素的作用。
合適的Mn加入量提高延展性，但加入量大的時候損害加工性能。
這樣，加入量範圍在1.0～3.0％之間。
(d)Ni是奧氏體形成元素，是不鏽鋼中的一種基本元素，Ni的合適的加入量是10～16％，Ni量太小時，鋼變硬，而太大時，容易產生高溫焊接裂紋。
(e)鉻(Cr)起鐵素體形成元素的作用。儘管Cr的加入量與Si、Ni的加入量相關，合適的Cr的加入量是20～32％。當加入量超過30％時，每增加1％的Cr，Ni的含量要增加0.5％，或者要加入Mo。加入過量的Cr使鋼變硬，並導致延展性與衝擊值下降。
(f)Mo起鐵素體形成元素的作用，可代替Cr加入。由於Cr的加入量超過30％時，延展性趨於下降，Mo的加入量傾向在1.0—5.0％之間。
(g)P與S是不可避免的雜質元素，採用現代的煉鋼技術，它們的含量應低於0.02％。並且越低越好。這些雜質元素量的增加，加大了焊接高溫裂紋的產生。
加入上述元素並非只依據上面的百分比，最好是同時還滿足Ni當量為15～17％，Cr當量為28～33％，分別依據下列公式計算Ni當量＝Ni％＋30×C％＋1/2Mn％Cr當量＝Cr％＋1.5×Si％＋Mo％雷射焊接材料使用的是條狀或嵌入物形狀焊接材料。
能量轉換/分配設備的氣體截止器和氣體絕緣開關的護套容器的碳鋼法蘭與不鏽鋼的焊接結構容器的焊接是這樣的用雷射焊接的方法，構造一個斜槽，加入合適的焊接材料作為填充劑。與弧焊相比，儘管這個焊接結構容器不發生大的形變，但依照焊接量的大小而產生的形變還是自然存在的。焊接後，用比鋼管壁剛性高的厚鋼板封密法蘭部分，在容器上施加內壓以通過鋼管的塑性形變矯正焊接角的形變。這個內壓是用水壓一步一步施加上的。通過這個操作，可以免除全部或部分機加工，殘餘應力也可減少被最終消除。最終，可提供一個即便是使用長時間仍有高精度，高質量的焊接結構容器。
實施例1表1是參照本發明的鋼焊接材料化學成分的實例，LW—1表示沒有加入Mo的例子，LW—2表示加入Mo的例子。
表1本發明的鋼焊接材料的化學組成的實例wt(％
p>這些奧氏體不鏽鋼焊接材料製成條狀，使用碳鋼和奧氏體不鏽鋼製成的具有焊接槽(圖1所示)的試驗片，利用雷射焊接機器(圖2所示)進行焊接試驗。在圖2中，雷射振蕩器產生雷射束23，雷射束的方向可由反射鏡改變，並通過拋物線狀鏡14聚焦於焊接區域或焊接部分。焊接過程中，惰性氣體如氮氣或氬氣由惰性氣體進氣孔12進入，等離子控制氣體從等離子控制氣體孔13進入。焊條18由焊條進料裝置19送到焊接區域22。焊條進料裝置19包含一個纏繞著焊條18的捲筒和一個傳送焊條18的驅動馬達。待被雷射束焊接的焊接基材放在一個移動的車21上面，並隨著車21的移動而移動。焊縫金屬15在焊接區域22產生。焊槽的角度可變以改變碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2進入焊縫金屬的基體金屬滲透比率。
圖3示意了碳鋼1，奧氏體不鏽鋼2和焊接材料LW—1和LW—2的金相結構在一張Schaefler圖上的關係。焊接材料的結構在圖上用圓圈○表示，這些可認為是含有大約20％的鐵素體結構的奧氏體結構。當碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2不使用本發明中的焊接材料進行焊接時，碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2在焊縫金屬結構中的混和比率接近1∶1，在圖中出現在三角形△的位置上。這是一個馬氏體結構。當使用焊接材料LW—1和LW—2進行焊接時，焊縫金屬結構由三角形△示意的馬氏體結構變為具有10％鐵素體的奧氏體結構，圖中用方框□表示，並且基體金屬的滲透率隨之減小。
圖4示意了基體金屬進入焊縫金屬的滲透率與維氏硬度之間的關係。這裡，基體金屬由碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2以1∶1的比例混合構成。基體金屬的穿透率0％表示焊接材料自身的組成成分，它的硬度Hv為(0.5)＝170～200kgf/mm2，並且對於LW—1和LW—2都沒有多大差別。使用LW—1材料時，可以看到當基體金屬的穿透率至少為70％時，硬度明顯上升。
對於LW—2材料，可以看出當基體金屬穿透率至少為80％時，硬度上升。LW—2的硬度低的區域相對寬一點。實驗表明，當維氏硬度大於300時，容易出現焊接裂紋，而且機械性能也將降低。相應地，使用LW—2材料焊接工作做起來要容易一些。順便提一句，如前所述，當基體金屬穿透率為100％則意謂著馬氏體結構中碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2的混和比1∶1，而沒添加焊接材料。
圖5是一個示意當焊接嵌入件7插入母體金屬中的深度與母體金屬薄片厚度一樣時進行焊接的剖面圖。這是一個不同材料，即碳鋼1和不鏽鋼2的雷射焊接的剖面圖。基體金屬薄片厚度為9mm，使用基體金屬的滲透焊接，可以減小焊縫金屬上下兩部分的結構的改變。而且可減小焊接角度畸變(Weld angular distortion)。進一步地，還可以減少如氣泡(blow—hole)一類的焊接缺陷。
圖6示意了當嵌入件7的插入深度小於母體金屬的厚度時，在槽位置6處填入焊條的情形。使用這種槽可以排除酒杯形的熔融區域，而且可以使焊縫金屬上部與下部的寬度基本相等。順便一提，焊接可以由單焊程或多焊程完成，但在最後一焊程採用滲透焊接可以防止出現氣孔缺陷，而且焊接角度畸變也可減少。實施例2表2例出了構成焊接基體金屬的碳鋼和不鏽鋼片的化學成分，這些材料通過焊接形成接合的扁平片。
表2薄片型焊接基體金屬的化學成分
每一張碳鋼1和奧氏體不鏽鋼2的基體金屬薄片厚9mm，寬130mm，而焊接長度為400mm。焊接槽角度45°，是如圖1所示的單斜角槽，槽底部長4.5mm。具有表1所示的組成成分的LW—2材料構成的焊條直徑為0.6mm，用它作為焊接材料。表3列出了用作焊接的二氧化碳雷射的各項參數。
焊接由兩焊程完成，其中最後一個焊程採用滲透焊接。基體金屬的滲透率Wd可用式1—(S/Ws)計算，S為焊接材料的截面積，Ws為焊縫金屬的截面積，Wd在表3中為79.1％。
表3雷射焊接條件
表4列出了在表3所列的各項雷射焊接參數下雷射焊接處的性能測試結果。
表4雷射焊接特性測試結果
A奧氏體F鐵素體接合處的抗拉強度與碳鋼的相同，而且焊縫金屬衝擊值(impactvalue)極好，與奧氏體不鏽鋼相同。應變儀測量結果表明，在焊接線方向上的殘留應力為450MPa，在垂直於焊接線方向上(管道軸線上)為290MPa。可以肯定，本發明的LW—2材料適於作為雷射焊接材料。實施例3當把具有表2所示的基體金屬成分的不同材料組成的扁平薄片象例2一樣地進行焊接時，把一個寬1.0mm的薄片嵌入件7加入到如圖5所示的焊接槽中。這個焊接嵌入件具有與表1所示的LW—1材料相同的成分。焊接是在輸出為10KW的雷射焊接條件下進行，焊接速度為8mm/秒。焊接嵌入件7的截面積為9mm2，焊縫金屬(Ws)截面積為24.5mm2。基體金屬滲透率是62.5％。這種施焊部分的焊接特性與表4所列的相同，並可獲得與例2一樣的結果。換句話說，這個施焊部分具有極佳的性能，在一個相當大的焊接範圍內用這個發明的焊接材料均可獲得這種好性能。實施例4用具有表2所示的基體金屬成分的不同材料薄片象例2一樣進行連接焊接(Joint welding)，把一個寬1.0mm的薄片形焊接嵌入件插入如圖6所示的焊接槽中進行焊接。這個焊接嵌入件厚度大約是基體金屬薄片厚度的1/2，槽的上部用焊條填充。焊接嵌入件7具有如表1所示的LW—1材料相同的成分。當進行完第一焊程焊接後，第二焊程焊接使用直徑為0.8mm、表1所示的LW—2材料製成的焊條。雷射焊接是在如表3所列的各項參數下進行。焊接材料的截面積為12mm2，焊縫金屬的截面積為27.4mm2。基體金屬滲透率Wd是56.2％。這種施焊部件的焊接處的特性與表4所列的相當，並可獲得與例2和例3相同的結果。實施例5下面詳細介紹一種典型的用作動力設備的規模很大的金屬容器模型。圖7示出一個氣體絕緣開關裝置的容器模型。奧氏體不鏽鋼2構成的管道2用SUS304材料製成，其內徑為50mm，壁厚9mm，並形成一個水密容器(breaker Container)。這通過雷射焊接與一個SS400的碳鋼法蘭(flange)1A焊接到一起，該法蘭1A的外徑為650mm，壁厚25mm。這個容器用螺栓與別的裝置連到一起。將一種壓力不大於0.59MPa(6kgs/cm2)的SF6氣體封入這個容器。也就是說，這個容器必須保持密不透氣。換句話說，這個施焊部件必須很可靠。同時，碳鋼法蘭1A必須有一垂直於中軸的平面並且很平坦這樣才能保證很好的吻合。因此，通過O—環(O—rings)與其它設備連接後密封性可以得到保證。換句話說，要求圖中法蘭內外直徑部分的形變量δ，例如碳鋼法蘭1A的δ實際上為零。
圖8是這個容器的剖面圖及圖7所示的法蘭施焊部分。構成焊接基體金屬的碳鋼和不鏽鋼的化學成分與表2所列的基本相同。封密板8用一個螺栓9安裝於碳鋼法蘭1A上，以防止焊接形變並在焊完後讓水壓作用於其上以校正形變。焊接槽是一個45。的單斜面槽，與圖1所示的相似，底部長4.5mm。由表1所列的LW—2材料製成的、直徑為0.8mm的焊條用作焊接材料。表5列出了雷射焊接的各項參數值。
表5雷射焊接條件<
>焊接由兩個焊程完成，後一焊程用滲透焊接。焊完後通過染料滲透測試表明，沒有發現焊接裂痕等缺陷，通過X—射線滲透測試(X—ray Permeation test)表明焊接滿足JIS2類焊接判斷標準。焊接形變是這樣來測量的移開封密板8，法蘭平面內的內外徑的形變量δ—即碳鋼法蘭1A和封密板8外徑的縫隙，在0.24mm到0.50mm之間。測量完焊接形變後，重新裝上封密板8，並逐漸加大容器內部的水壓，最後保持1.764MPa(18kgf/cm2)並持續1，800秒(30分鐘)。當去掉水壓後，重新檢測形變量δ，結果發現形變基本得到了矯正，δ平均值不大於0.1mm這樣一個很小的量。利用應變儀測量水壓作用後施焊部件的殘留應力，得出結果是焊接線方向上(管道垂直方向)為83.8MPa，垂直於焊接方向上為52.8MPa，即殘留應力也減小了。順便一提，因為隨著雷射焊接的進行，Uranami的形狀變小了，焊接容器的實際內徑變大了。實施例6
下面介紹一種用作金屬加工的典型的金屬真空容器模型。該模型與圖7所示的相似。金屬法蘭焊部分的剖面圖與圖8相似。該發明用於焊接一個內徑為600mm、厚25mm的SUS304不鏽鋼2管道與一個外徑660mm厚25mm的SS400碳鋼法蘭/A。做為焊接基體材料的碳鋼以及不鏽鋼的化學成分與表2所示相同。一個與例5中相同的密封板8安裝到碳鋼法蘭1A上。一個寬1.0mm的嵌入件7被用作焊接槽，如圖3所示。這個嵌入件的成分與表1所示的LW—1材料相同。雷射焊接的條件是輸出功率10KW，焊接速度8mm/秒，聚焦點為±0mm。用滲透焊接一次完成。通過染料滲透測試沒有發現諸如裂紋的焊接缺陷，並且通過X—射線測試，表明該焊接滿足JIS2類焊接判斷標準。進一步，移開密封板8，測量焊接形變。碳鋼法蘭1A與密封板8的外徑部分的縫隙的0.15～0.65mm。形變測量完畢後，將1.76MPa(12kgf/cm2)的水壓作用於容器的內部，並保持此狀態1，800秒鐘(30分鐘)。去掉水壓後，測量形變的結果表明，形變大體被矯正，平均值到0.2mm以下。實施例7下面介紹動力設備的氣體絕緣開關設備的典型護套容器模型。這個模型與圖7所示的相似。這個容器法蘭焊接部分的剖面圖與圖8相似。這個模型適於將一個內徑為1660mm、厚度為9mm的不鏽鋼管2與一個外徑為1660mm、厚度為25mm的碳鋼法蘭1A焊接到一起。這兩個焊接基體金屬的成分與表2所示大體相同。一個厚1.0mm的薄片的焊接嵌入件7用作圖6所示的焊接槽，這個焊接嵌入件的厚度是基體金屬的一半，槽的上部填充焊條焊料。焊接嵌入件的成分是表1所示的LW—1材料。一次焊接後，用表1中LW—2材料製作的直徑為0.8mm的焊條進行二焊程焊接。雷射焊接的條件如表3所示。焊接由兩個焊程來完成，其中的後一個焊程是採用滲透焊接。焊完後的染料滲透測試中沒有發現諸如裂紋之類的焊接缺陷。X—光測試表明焊接滿足了JIS2類焊接評判標準。進行了形變測量。碳鋼法蘭1A與封密板8外徑部分的距離為0.25～0.75mm。測試焊接形變後，用壓力為0.882MPa(9kgf/cm2)的水壓作用於容器內部並持續1800秒鐘(30分鐘)。去掉水壓後，測量形變量。結果表明，形變大體得到矯正，平均值低於0.15mm。
該發明能提供一個利用高密度能量來在碳鋼與不鏽鋼之間進行焊接方法，這種方法在焊接時不會產生裂紋，得到的焊接部分有高的韌性，該發明還提供了一個用這種焊接方法製造的結構。相應地，這個結構可以長時間保持高的可靠性。尤其是應用在能量轉換/分配設備中的氣體截止器的護套時，可製造出高質量的動力轉換/分配設備。
應該注意的是，被焊接的基體金屬包括C—Mn鋼和低合金鋼，並且Cr當量最好是小於5％，Ni當量最好是小於8％。被焊接的奧氏體不鏽鋼基體金屬的Cr當量最好為17～25％，Ni當量最好為8～20％。
同時在最後一個焊程，最好使焊接完全滲透。熱輸入量為0.5～1.5KW/mm，最好是0.9～1KW/mm。同時還發現填充材料的加料速度隨填充材料的截面積和焊接速度變化而變化。根據表3的數據，進料速度估計在3.5m/秒到5.0m/秒之間，當進料速度為4.0m/秒時，可得到最佳的結果。
另外，基體金屬的混和比率通過調整高密度能量束的焦點來控制。當光束聚焦在基體金屬間的中線時，可得到1∶1的混合比率。
同時在除圖1所示的單斜槽之外，還可使用單「J」槽；然而，最好採用斜角為45°的單斜槽。
另外，從前面的介紹中可知，可以這樣理解，在這種焊接方法中，關於每種被焊接金屬的成分參數，焊接時加入的焊接材料成分的參數，焊接時熱輸入情況的參數，焊槽形狀的參數，以及焊接材料進料速度的參數都是事先確定好的，同時，用高密度能量束焊接基體金屬時的焊接條件由基於上述參數與強度、韌性和小裂紋性能與關係而確定的。
權利要求
1.一種利用高密度能量束將一種由碳鋼組成的基體金屬，焊接到另一種由奧氏體不鏽鋼組成的基體金屬上的焊接方法，包括利用由奧氏體不鏽鋼組成的焊接材料來形成焊縫，其中焊接部分至少有一部分的金相結構是混和結構，這種結構由奧氏體和重量百分比不超過20％的鐵素體組成。
2.一種根據權利要求1的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中基體金屬滲入焊接部分的滲透比不超過80％。
3.一種根據權利要求1的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中至少在焊道表面焊接部分的寬度與封底焊縫表面焊接部分的寬度大體相等。
4.一種根據權利要求2的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中所述焊接材料的成份為以重要百分比計算，不超過0.15％的C，含量不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，和1.0～5.0％的Mo為任選成分，其餘為Fe，作為不可避免的雜質元素，P不超過0.02％，S不超過0.02％。
5.一種根據權利要求4的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中所述的焊接材料至少是嵌入環和焊條中的一種。
6.一種根據權利要求1的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中通過在所述奧氏體不鏽鋼上製作上一個焊槽來形成焊接部分，同時通過填充並加入所述焊接材料的焊條來進行根部焊道的焊接或多層焊接。
7.一種根據權利要求6的利用高密度能量束來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，其中所說的多層焊接的最後一個焊程是通過滲透焊接來完成的。
8.一種根據權利要求1的方法製造能量轉換/分配的氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套的方法，還包括(a)在用比鋼管剛性大的厚鋼板封密的法蘭與鋼管間，提供焊縫。(b)為矯正發生形變的法蘭部分，提供一個內壓並在包括所述法蘭的容器內發生作用。
9.一種包括碳鋼與奧氏體不鏽鋼間的焊接部分的焊接結構，其中焊接部分金相結構由奧氏體結構和不超過20％的鐵素體結構組成。
10.一種根據權利要求9的焊接結構，其中基體金屬進入焊縫金屬的滲透比不超過80％。
11.一種根據權利要求9的焊接結構，其中所述結構是帶有碳鋼法蘭和奧氏體不鏽鋼管的能量轉換/分配設備的氣體截止器或氣體絕緣開關的護套。
12.一種根據權利要求9的包括碳鋼與奧氏體不鏽鋼的焊接結構，其中所述結構是能量轉換/分配設備的氣體截止器或氣體絕緣開關設備的護套的一部分，並且至少在焊道表面上焊接部分的寬度與封底焊縫表面上焊接部分的寬度大體相等。
13.一種用來焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的焊接材料，以重量百分比計算含有不超過0.15％的C，不超過0.65％的Si，1.0～3.0％的Mn，10～16％的Ni，26～32％的Cr，含量為1.0～5.0％的Mo作為任選成分，其餘為Fe，並且，做為不可避免的雜質元素，P的含量不超過0.02％，S的含量不超過0.02％。
全文摘要
焊接碳鋼與奧氏體不鏽鋼的方法，它採用了高密度能量束，如雷射束或電子束。採用高密度能量束的焊接能有效得到高精度的焊接。為了能夠做到既有高精度又沒有裂紋，還沒有形變，本發明方法控制了焊接部分的結構，使其成為奧氏體結構與不超過20％鐵素體結構組成的混和結構。
文檔編號B23K26/32GK1120478SQ9510700
公開日1996年4月17日 申請日期1995年6月15日 優先權日1994年6月15日
發明者小沼勉, 松本俊美, 谷田正三, 後藤浩二, 松島修, 鈴木秀夫, 米澤立雄, 村下雅紀 申請人:株式會社日立製作所