一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法

摘要

一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，本发明涉及燃烧室司太立合金堆焊方法。本发明是要解决燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊焊缝强度、抗裂性能不符合设计要求与机组安全运行不平稳的问题，而提出的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法。一、对工件焊接区域进行清理；二、采用炉窑设备对工件加热；三、使用直流氩弧焊机对工件焊接司太立合金；四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理，即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊。本发明应用于燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊领域。

权利要求

1.一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法按以下步骤实现：一、使用体积百分含量为97％～100％乙醇水溶液对工件焊接区域进行清理；

二、采用炉窑设备对工件加热至350～400℃并保持温度在此区间；

三、以8～10L/min的流速通入氩气进行保护，然后使用直流氩弧焊机对工件进行焊接；其中，所述直流氩弧焊机选用Φ2.0铈钨极，焊接电流调至45～60A，所述焊接使用的焊材为司太立6号钴基硬质合金焊丝，焊接速度60～80mm/min，道间温度350～400℃；

四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理；其中，所述热处理方法为：以150～

200℃/时的升温速度，将工件升温至840～860℃，并保温2小时，再以100～150℃/时的降温速度，将工件降温至150℃以下，然后进行空冷即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊。

2.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤一中的工件为燃气轮机燃烧室中的定位器和座圈。

3.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤二中对工件加热至360～390℃。

4.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤三中的氩气纯度99.999％～100％。

5.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤三中是以8.5～9.5L/min的流速通入氩气进行保护的。

6.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤三中焊接电流调至50～55A.。

7.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤三中焊接速度控制在65～75mm/min。

8.根据权利要求1所述的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，其特征在于步骤三中道间温度360～390℃。

说明书

一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法

技术领域

[0001] 本发明涉及燃烧室司太立合金堆焊方法。

背景技术

[0002] 燃压机组燃烧室中的定位器以及燃烧室座圈，材质为俄标镍基高温合金(10Cr30Ni50WMoAlTiNb)，按设计要求需在此材料上堆焊一层司太立合金层，以提高其耐磨损、耐冲击、耐腐蚀等特殊要求。对于 的焊接性目前了解较少，在该材质上堆焊司太立合金堆焊属于新的焊接工艺。另外设计要求堆焊层硬度要在HRC40以上，但是司太立合金是一种易裂焊材，其抗裂性和硬度又是两种矛盾的性能指标。因此需要通过模拟产品试样进行一系列焊接、热处理以及金相、力学等试验，摸索出最佳工艺，使焊缝性能达到产品要求，保证燃压机组安全运行。

[0003] 目前，在司太立合金堆焊方面，工艺上我们同国外技术差距不大，但是由于我国30MW天然气压缩燃气轮机的研制比国外晚，对乌克兰标准材料了解较少。因此对(10Cr30Ni50WMoAlTiNb)这种镍基高温合金的焊接性能了解不多，只有通过焊接试验来摸索其焊接流动性、熔敷效果、线膨胀系数、收缩率等焊接特性，并通过理化试验检验其焊缝性能，最终分析得出合理的工艺参数，完善司太立合金堆焊工艺，保证堆焊层的硬度等各项性能指标达到设计要求，使公司的燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊制造工艺达到国内外先进水平。

发明内容

[0004] 本发明是要解决燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊焊缝强度、抗裂性能不符合设计要求与机组安全运行不平稳的问题，而提出的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法。

[0005] 本发明一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法按以下步骤实现：

[0006] 一、使用体积百分含量为97％～100％乙醇水溶液对工件焊接区域进行清理；

[0007] 二、采用炉窑设备对工件加热至350～400℃并保持温度在此区间；

[0008] 三、以8～10L/min的流速通入氩气进行保护，然后使用直流氩弧焊机对工件进行焊接；其中，所述直流氩弧焊机选用Φ2.0铈钨极，焊接电流调至45～60A，所述焊接使用的焊材为司太立6号钴基硬质合金焊丝，焊接速度60～80mm/min，道间温度350～400℃；

[0009] 四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理；其中，所述热处理方法为：以150～200℃/时的升温速度，将工件升温至840～860℃，并保温2小时，再以100～150℃/时的降温速度，将工件降温至150℃以下，然后进行空冷即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊。

[0010] 发明效果：目前此项成果已经纳入产品焊接工艺中，在燃压机组定位器、座圈的焊接工艺中所采用的焊接参数均是该参数。通过此项成果，使我们对 这种材质的焊接性有一定的了解，熟悉了该堆焊结构的性能特点，总结出了焊缝性能随焊接及热处理参数变化的规律，得到了燃压机组燃烧室司太立堆焊的最佳焊接参数，并为今后同类材料的焊接生产提供了有价值的参考资料，填补了对该材料焊接研究领域的空白。在燃压机组的生产中保证了燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊焊缝强度、抗裂性能符合设计要求的问题，设计要求堆焊层硬度要在HRC40以上，而本试验均能满足要求，硬度最低在43.2HRC，从而有效的保证了产品焊接质量，降低返修率，节省大量资金，有效地保证燃压机组质量，保障机组安全运行平稳。

附图说明

[0011] 图1为定位器焊件示意图；其中a表示司太立堆焊层焊接处；

[0012] 图2为座圈焊件示意图；其中a表示司太立堆焊层焊接处；

[0013] 图3司太立合金堆焊层硬度-热处理温度曲线；

[0014] 图4为定位器焊接试样；其中A表示堆焊层，B表示母材 C表示堆焊层第一层，D表示堆焊层第二层；

[0015] 图5为×200下焊缝金相组织照片；

[0016] 图6为×500下焊缝下金相组织照片；

[0017] 图7为×200下母材金相组织照片；

[0018] 图8为×500下母材金相组织照片；

[0019] 图9为×200下热影响区金相组织照片；

[0020] 图10为×500下热影响区金相组织照片；

[0021] 图11为×200下熔合线金相组织照片；

[0022] 图12为×500下熔合线金相组织照片。

具体实施方式

[0023] 具体实施方式一：本实施方式的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法按以下步骤实现：

[0024] 一、使用体积百分含量为97％～100％乙醇水溶液对工件焊接区域进行清理；

[0025] 二、采用炉窑设备对工件加热至350～400℃并保持温度在此区间；

[0026] 三、以8～10L/min的流速通入氩气进行保护，然后使用直流氩弧焊机对工件进行焊接；其中，所述直流氩弧焊机选用Φ2.0铈钨极，焊接电流调至45～60A，所述焊接使用的焊材为司太立6号钴基硬质合金焊丝，焊接速度60～80mm/min，道间温度350～400℃；

[0027] 四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理；其中，所述热处理方法为：以150～200℃/时的升温速度，将工件升温至840～860℃，并保温2小时，再以100～150℃/时的降温速度，将工件降温至150℃以下，然后进行空冷即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊。

[0028] 本实施方式效果：目前此项成果已经纳入产品焊接工艺中，在燃压机组定位器、座圈的焊接工艺中所采用的焊接参数均是该参数。通过此项成果，使我们对 这种材质的焊接性有一定的了解，熟悉了该堆焊结构的性能特点，总结出了焊缝性能随焊接参数变化的规律，得到了燃压机组燃烧室司太立堆焊的最佳焊接参数，并为今后同类材料的焊接生产提供了有价值的参考资料，填补了对该材料焊接研究领域的空白。在燃压机组的生产中保证了燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊焊缝强度、抗裂性能符合设计要求的问题，设计要求堆焊层硬度要在HRC40以上，而本试验均能满足要求，硬度最低在43.2HRC，从而有效的保证了产品焊接质量，降低返修率，节省大量资金有效地保证燃压机组质量，保障机组安全运行平稳。

[0029] 具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中的工件为燃气轮机燃烧室中的定位器和座圈。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

[0030] 具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中对工件加热至360～390℃。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

[0031] 具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤三中的氩气纯度99.999％～100％。其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

[0032] 具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤三中是以8.5～9.5L/min的流速通入氩气进行保护的。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

[0033] 具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中焊接电流调至50～55A.。其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

[0034] 具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤三中焊接速度控制在65～75mm/min。其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。

[0035] 具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中道间温度360～390℃。其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。

[0036] 通过以下试验验证本发明有益效果：

[0037] 试验1

[0038] 1、通过金属化学成份分析实验得到 材料金属化学成分如表1所示：

[0039] 表1 材料金属化学成分

[0040]

[0041] 2、通过拉伸、冲击以及高温性能试验对 材料进行力学性能测定，得到材料力学性能结果如表2所示：

[0042] 表2 材料力学性能及高温持久性能

[0043]

[0044] 3、焊材方面根据其产品性能要求及设计要求，选用司太立6号(Stellite-6)钴基硬质合金焊丝进行焊接，该焊丝焊后硬度可达40HRC以上，其化学成分如表3所示：

[0045] 表3Stellite-6焊丝化学成分

[0046]牌号 C Mn W Ni Cr Mo Fe Si Co
Stellite-6 0.9～1.4≤1.0 3.0～6.02.0～3.026.0～32.0≤1.0 ≤3.0 0.4～2.0 余量[0047] 通过焊接母材 及焊材Stellite-6的分析，初步制定焊接参数范围，进行焊接操作试验；

[0048] 4、焊接结构分析

[0049] 如图1、图2所示，两种产品(定位器以及燃烧室座圈)司太立堆焊层在加工后均剩余1mm，而且焊接位置较小，重要的是在剩余的1mm堆焊层中，由于焊接过程中焊缝金属相互熔合，堆焊剩余司太立堆焊层金属化学成分会被母材稀释，有可能导致焊缝金属强度下降，因此第一层焊缝需要在焊接过程中控制其厚度低于1mm，保证加工面所裸露金属为第二层焊缝，从而保证堆焊层表面司太立合金的成分准确，硬度才能得到保证；

[0050] 5、焊接试验内容

[0051] 影响司太立合金硬度及焊接应力的主要因素有以下几点：

[0052] ①母材的预热温度；

[0053] ②焊接层间温度；

[0054] ③焊后热处理制度；

[0055] 因此，结合司太立焊接以及镍基材料焊接的经验拟定以下几种试验工艺如表4所示：

[0056] 表4试验工艺

[0057]

[0058] 通过焊接母材及焊材的分析，初步制定焊接参数范围，同时选用以下统一焊接参数可保证焊缝充分熔合，参数如表5所示：

[0059] 表5焊接统一参数

[0060]焊接电流 焊接电压 道间温度 钨极尺寸 氩气流量 焊接速度
45A 18～24V 350-400℃ Φ2.0 8～10L/min 60～80mm/min

[0061] 经试验发现该两种材料在此焊接参数下六种试验工艺焊接性较好，熔合情况较理想；

[0062] (一)、经板材堆焊试验，发现两者膨胀及收缩系数相当，堆焊后板材变形较小，这说明在定位器及座圈的司太立堆焊层冷裂纹倾向不大，不会在焊后熔池凝固收缩过程中由于收缩系数不同而导致应力过大产生裂纹。

[0063] (二)、洛氏硬度(HRC)检验：

[0064] 我们分别对拟定的6组工艺试验的试样加工后表面进行硬度试验，平均硬度统计见下表6：

[0065] 表6试样平均硬度统计表

[0066]

[0067] 以表4试验5焊接及热处理后试验件为例，堆焊层表面金属为焊缝第二层，有效地保证了表层司太立金属纯度和硬度；

[0068] 根据表6洛氏硬度数据分析可知，该司太立合金堆焊层在无热处理或900℃(燃烧室工作温度)以下的去应力热处理过程中，硬度受热处理影响不大，且堆焊层硬度均在55HRC左右，完全满足图纸技术要求的40HRC，另外根据火焰筒制造工艺流程考虑，在定位器、安装边这两个司太立合金堆焊的部件组焊到火焰筒以后，在后序喷涂处理过程中还要经过1180℃高温过程，因此，还需要试验6来验证其焊缝在高温情况下硬度变化情况，试验数据显示虽然1180℃高温对司太立合金焊缝硬度影响比较明显的，但是其数据仍然可以满足图纸技术要求的40HRC，因此即便工艺顺序要求焊缝必须经过1180℃高温，焊缝硬度仍可满足产品要求；根据此数据绘制的司太立合金堆焊层硬度随热处理温度变化规律见图
3；

[0069] (三)、同时金相试验显示热处理后使得组织组织一定程度上得到均匀细化，虽然不热处理虽然各方面性能也达标，但是焊缝中还是不可避免的存在一定的内应力，因此工艺中还是要选择进行热处理。

[0070] 6、工艺方案总结

[0071] 通过对 材料上司太立合金堆焊进行的多组试验的金相、硬度数据分析以及实际焊接操试验作可知：

[0072] ①按照表5中既定的焊接参数进行焊接，可以是焊缝充分熔合且保证组织良好，因此焊接参数即可定为该参数；

[0073] ②司太立合金在热焊时可以有效地防止焊接热裂纹的产生，因此结合以往司太立合金焊接经验，选用层间温度为350-400℃热焊；

[0074] ③司太立合金堆焊层硬度在热处理温度900℃以下变化不大，因此焊后热处理温度选用近似火焰筒整体热处理以及火焰筒实际工作温度的850℃×2h；

[0075] 综上，可以得到使用Stellite-6焊材在 母材上进行堆焊的最佳焊接工艺，具体焊接及热处理工艺参数见下表7：

[0076] 表7工艺参数

[0077]焊接电流 焊接电压 钨极尺寸 氩气流量 焊接层数 道间温度 焊接速度 热处理温度
45A 18～24V Φ2.0 8～10L/min2～3层 350-400℃ 60～80mm/min 850℃×2h[0078] (三)以表4中的5采用以上表7参数进行本试验的一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法具体按以下步骤进行：

[0079] 一、焊前使用体积百分含量为99％乙醇水溶液对工件焊接区域认真清理；

[0080] 二、采用炉窑设备对工件加热至400℃并保持温度在此区间；

[0081] 三、以10L/min的流速通入纯度为99.9999％氩气进行保护，然后使用直流氩弧焊机对工件进行焊接；其中，所述直流氩弧焊机选用Φ2.0铈钨极，焊接电流调至55A，所述焊接使用的焊材为司太立6号钴基硬质合金焊丝，焊接速度65mm/min，道间温度380℃。

[0082] 四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理2h；其中，所述热处理方法为：以200℃/时的升温速度，将工件升温至850℃，并保温2小时，再以150℃/时的降温速度，将工件降温至150℃以下，然后进行空冷即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊；

[0083] 本试验中的工件为燃气轮机燃烧室中的定位器和座圈；

[0084] 本试验中的步骤二中的炉窑设备为DGHG型电热鼓风干燥烘干箱，购买自吴江佳和电热电器有限公司；

[0085] 本试验中的步骤三中直流氩弧焊机型号为DA300P交直流两用脉冲TIG焊机，购买自日本OTC(上海)公司；

[0086] 本试验的焊接试样实物图片见图4；其中A表示堆焊层，B表示母材 C表示堆焊层第一层，D表示堆焊层第二层；

[0087] 通过本试验焊接的实物进行金相试验：

[0088] 通过对表4试验5焊接及热处理后试验件为例，金相试验结果显示，在所有参数下所得焊缝宏观及微观均无裂纹，证明该两种材质(∏648Л和司太立合金焊缝熔焊金属)膨胀、收缩系数近似，焊缝、母材组织、热影响区及熔合线结构均匀稳定，以表4试验5的金相组织为例，显示焊缝、母材组织、热影响区及熔合线各区域组织情况良好，各区域×200及×500金相组织照片见图5～图12；

[0089] 从金相图片可以看出：

[0090] (1)司太立堆焊层组织细密紧致，可以保证焊缝的硬度；

[0091] (2)母材基本不受焊接及去应力热处理影响，保证其原有性能；

[0092] (3)热影响区金相组织均匀，性能稳定可靠；

[0093] (4)熔合线处金属熔合情况良好，无裂痕。