专利名称：渗碳奥氏体型耐热合金材料的焊接方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及渗碳奥氏体型耐热合金材料的焊接方法。国际专利分类号为IPC B22F。
一般奥氏体型耐热合金材料的焊接不存在特别的困难，其焊接方法为人们所公知。例如在《奥氏体耐热不锈钢的焊接》一书中介绍了对于HK-40，1Cr18Ni9Ti等牌号的奥氏体型耐热合金材料，可用成分与母体材料相同或相近的焊接材料(焊丝或焊条)，采用直流正接或反接，取焊接电压20-25V，焊接电流80-200A施焊，焊前无需予热，焊后无需热处理，都能得到令人满意的效果。
但是，在生产实践中却提出了要对渗碳后的奥氏体型耐热合金材料进行焊接和补焊的问题。例如，世界上的乙烯裂解炉通常所用的炉管材料均为含高Cr，Ni的奥氏体型耐热合金材料，如HP、HK、INCOLOY 800等系列的合金。由于Cr、Ni含量高，材料价格非常昂贵。这些材料的炉管在使用过程中，由于工作温度(900°-1100℃)和介质(轻烃、轻油、石脑油等)的同时作用而渗碳。工作温度越高，工作时间越长，渗碳越严重;而且渗碳程度从管内壁到管外壁呈梯度地不均匀分布。渗碳后的耐热合金炉管材料在其晶界和晶粒内部都大量析出M23C6和M7C3等碳化物，致使其性能变脆，室温冲击值一般都在0.5Kg-M/cm2以下。这给裂解炉的检修，尤其是关键工序-炉管的焊接带来严重困难。通常，只要渗碳深度超过2mm，焊接将因产生裂纹而无法进行，被迫更换新炉管，造成极大的浪费。
对于这种渗碳后的奥氏体型耐热合金材料的焊接方法还未见到有关资料报导。
本发明的目的就在于解决上述生产实践中所提出的这一问题，提出一种渗碳奥氏体型耐热合金材料的焊接方法，它可以避免这种合金材料在焊接时产生裂纹，从而顺利地进行焊接或补焊，以节省大量贵重材料，从而取得可观的技术经济效益。
为实现上述发明目的，本发明的方法是，在渗碳后的奥氏体型耐热合金材料的焊接或补焊中，采用同未渗碳的奥氏体型耐热合金原始材料相同的焊接方式(例如TIG焊或普通电弧焊)，相同的坡口形状和尺寸，相同的焊接规范(电源及其连接方式、电压、电流、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丝或焊条)，其特征在于在焊接前将焊接部位加热到900℃以上，然后于高温下施焊，终焊温度不低于700℃。
下面结合附图对本发明予以详细说明。
图1是表示材料为HP-Nb，尺寸为Φ124×11.2的乙烯裂解炉炉管使用8万小时后的渗碳情况的曲线图。
图2是图1所示材料的高温拉伸强度(
b)和温度的关系曲线图。
图3是图1所示材料的高温塑性(延伸率δ)和温度的关系曲线图。
图2、3中拉伸试件的取样方式是先沿图1所使用的渗碳炉管的纵向并在管壁中心取样，刨成11×11的长方条，并车成Φ5的拉伸试件(其标距拉伸处为Φ5)，然后在高温拉伸试样机上拉伸，其含碳量在1.5-2.0%之间。
图4是表示材料为HP-WNb，尺寸为Φ103×7的乙烯裂解炉炉管使用4800小时后的渗碳情况的曲线图。
图5是图4所示材料的高温拉伸强度(
b)和温度的关系曲线图。
图6是图4所示材料的高温塑性(塑面收缩率
)和温度的关系曲线图。
图5、6中拉伸试件的取样方式是先沿图4所使用的渗碳炉管的纵向刨成7×7的长方条，然后再车成Φ6的拉伸试件(其标距拉伸处为Φ6，两头夹持处为7)。其含碳量在0.7-2.4%之间。
图7是表示材料为HP-WNb的Φ6拉伸试件进行人工渗碳处理后的碳浓度分布图。
图8是图7所示试件的高温拉伸强度(
b)和温度的关系曲线图。
图9是图7所示试件的高温塑性(断面收缩率
)和温度的关系曲线图。
考虑到HP系列材料为常用的乙烯裂解炉炉管材料，同时考虑到奥氏体型耐热合金材料渗碳后难于焊接的内在因素是过多的碳化物析出。因此，本发明人以含碳和碳化物合金元素较高的HP-Nb和HP-WNb两种材料为典型例子对奥氏体型耐热合金材料的渗碳情况及渗碳后的机械性能同温度的关系进行了试验研究。上述两种材料的组成见表1。
表1两种材料的组成(重量%)
试验结果示于图1～6。
考虑到图1～6主要反映出渗碳较高的情况，为了弄清炉管外表面渗碳较低情况下的性能和温度的关系，以HP-WNb材料的Φ6试件，用人工渗碳方法进行了补充试验研究。结果示于图7～9。
根据以上试验结果，可得出如下几点结论1.渗碳后的奥氏体型耐热合金材料的室温塑性极低，几乎为零。
2.渗碳后的奥氏体型耐热合金材料的强度，当渗碳较低时随温度升高而增加，但当渗碳较高时，则随温度升高而增低。
3.最重要的是，渗碳后的奥氏体型耐热合金材料明显地具有高温塑性。虽然不同的材料及不同的渗碳情况明显地具有较高塑性的温度起点及随温度升高而增加的趋势表现的有所不同，但是，塑性随温度升高而增加却是其共同规律。而且在900℃以上时，这些材料都表现出具有较高的塑性，在不低于800℃时都具有足够的塑性;在渗碳较低的情况下，在不低于700℃时都还具有相当的塑性。
根据以上试验结果本发明又提出了如前所述的实现本发明目的的技术措施即在渗碳奥氏体型耐热合金材料的焊接或补焊中，采用高温焊接，即在焊接前将焊接部位加热到900℃以上，然后于高温下进行焊接，终焊温度不低于700℃。
由于在高温下进行焊接，大大降低了焊接结构的温差，从而使焊接应力降低到最低限度;同时，由于渗碳后的奥氏体型耐热合金材料在高温下具有足够的塑性，使焊接应力得以松驰，降低了焊接结构的构束度，从而解决了渗碳奥氏体型耐热合金材料焊接开裂问题。
当终焊温度不低于800℃时，效果更令人满意。另外，本发明人采用加热、保温和控温装置，使焊接部位在整个焊接和冷却过程中都可良好地保温，结果更加。
最好在始焊温度保温10-30分钟后再施焊。焊接部位的坡口形状和尺寸虽然与未渗碳奥氏体型耐热合金原始材料相同，但其割口和坡口不宜采用热切割方法加工，而以机加工为宜。
本发明人应用上述方法对材料为HP-WNb，尺寸为Φ103×7，渗碳深度达管壁厚度的90%的30万吨乙烯裂解炉炉管材料进行了焊接，都得到了令人满意的效果，经着色和x射线检查均未发现裂纹。相反，作为对照，用常规方法对这些渗碳后的奥氏体型耐热合金材料进行焊接，用同样的方法检查发现，大多在焊接熔合线附近产生平行裂纹，有的则从焊缝起裂到母材。总之，无一不出现裂纹。
应用本发明方法的实施例及对照例详见表2。
本发明虽然是以HP40系列的奥氏体型耐热合金材料为典型例子试验研究成功的，但本发明所揭示的规律却是奥氏体型耐热合金材料所共有的。实践已经证明，本发明的方法可适用于碳化物合金元素比HP40系列低或相当的HK40、incoloy 800等其它系列奥氏体型耐热合金材料渗碳后的焊接。不仅如此，本发明的方法甚至还可用于那些在长时间使用后由于碳化物析出而脆化的非渗碳的奥氏体型耐热合金材料的焊接，例如化肥厂转化炉炉管的HK40材料的焊接。
将本发明的方法应用在生产实践中可取得可观的技术经济效益。
例如，将本发明的方法应用在乙烯裂解炉的日常维修中，对因偶然因素出现裂纹或其它事故的渗碳炉管，可采用补焊代替换管，不但节省了炉管材料的直接费用，而且避免了拉运、吊装炉管、拆装炉盖等检修步骤，大大节省了维修工作量，可提前投入生产。对于年产4万吨乙烯的裂解炉，按处理一根炉管计算，其直接和间接的经济效益可达15万元以上。实践证明采用本技术可提前一天投产，每吨乙烯按1500元，每根炉管按6万共计24万元。再例如，将本发明的方法应用在乙烯裂解炉炉管的更换中，可节省大量价格昂贵的炉管材料。由于乙烯裂解炉炉管多为局部先达到寿命，用本发明的方法就可将更换整根炉管变成更换局部炉管。如某厂的30万吨乙烯裂解炉共有16组呈W形的炉管，每组有4根炉管。当更换第4根已达到寿命的炉管时，若紧邻的第3根炉管已严重渗碳但又未达到寿命，采用普通方法将已更换的第4根炉管同严重渗碳的第3根炉管进行焊接，将产生裂纹，势必连第3根炉管同时更换。采用本发明的方法后，第3根炉管则可不更换，从而减少换管。其效益是明显的。由于本发明的方法中采用了专门加热装置，使焊工劳动条件得到改善。
表2应用实施例及对照例
续表2应用实施例及对照例
说明1.渗碳深度是指渗碳厚度占管壁厚的百分比。
2.焊接材料36X的组成和母材HP-WNb相似。
权利要求
1.一种渗碳奥氏体型耐热合金材料的焊接和补焊方法，采用同未渗碳的奥氏体型耐热合金原始材料相同的焊接方式，相同的焊接规范和相同的焊接材料，其特征在于在焊接前将焊接部位加热到900℃以上，然后于高温下焊接，终焊温度不低于700℃。
2.根据权利要求1的焊接和补焊方法，其特征在于采用加热，保温和控温装置使焊接部位在整个焊接和冷却过程中都良好地保温。
3.根据权利要求2的焊接和补焊方法，其特征在于在始焊温度保温10-30分钟后施焊。
4.根据权利要求1，2，3的焊接和补焊方法，其特征在于终焊温度不低于800℃。
5.根据权利要求1，2，3的焊接和补焊方法，其特征在于焊接部位的割口和坡口均采用机械加工方法加工。
全文摘要
本发明涉及渗碳后的奥氏体型耐热合金材料的焊接和补焊方法。国际专利分类号为IPC B22F。用公知的常规方法对渗碳后的奥氏体型耐热合金材料进行焊接将不可避免地产生裂纹。为了解决这一问题，本发明提出在高温下，即始焊温度在900℃以上，终焊温度不低于700℃的高温下对渗碳后的奥氏体型耐热合金材料进行焊接的方法可得到令人满意的结果。从而，在生产实践中，例如在乙烯裂解炉炉管的日常维护和定期更换中，节省大量价格昂贵的高Cr、Ni合金材料，缩短维修周期，具有可观的技术经济效果。
文档编号B23K35/30GK1067840SQ9110383
公开日1993年1月13日 申请日期1991年6月15日 优先权日1991年6月15日
发明者韩万学, 张宝岩, 钟继伟 申请人:中国石油化工总公司大庆石油化工总厂