[发明专利]碳钢与奥氏体不锈钢焊接的方法以及所得到的结构

说明书

本发明涉及一种利用高密度能量束来焊接碳钢与奥氏体不锈钢的方法以及利用这种焊接方法构筑的结构。更详细点说，本发明所涉及的是，用于能量转移/分配设备的气体截止器(gas breaker)外套容器接合处的焊接方法，它需要高的可靠性；同时还涉及利用本焊接方法制造的用于能量转移/分配设备的气体截止器。

利用焊接制造一个结构容器时，由于焊接热量，导致发生形变和残余应力。鉴于这个原因，很难制造一个有很高精度的结构容器。尤其是，当焊接能量输入很高时，这种影响变得很大。当容器有形变时，为了矫正形状，就需要机械加工，并由此希望减轻形变程度。弧焊，例如二氧化碳弧焊，或是MIG焊法，它们的焊接热输入比高密度能量焊接法，如激光焊接或电子束焊接更大。因此，当焊接量很大时。焊接形变和残余应力会显著增大。由于焊接速度低，生产率低，并且产生大量烟尘和溅出物。这样，需要额外的工序清除这些东西，与此同时，工作环境受到破坏。

对高密度能量焊接方法的应用，比如说，激光焊接法和电子束焊接法，进行了积极的研究。

另一方面，高密度能量焊接法，如激光焊接和电子束焊接，与气弧焊接法、MIG焊接法相比，能使得热量的输入更小，对这种方法在焊接不同类型材料的应用方面同样也进行了研究。当不同类型的材料，比方说碳钢和奥氏体不锈钢，利用焊接的方法焊合到一块时，在交接处形成的焊缝金属的成分介于各种不同材料的成分之间。这时，由于两种材料各成分的混合，可能形成具有较低脆性的马氏体结构或金属间化合物。具体地说，在靠近碳钢一侧的焊接边界上，形成包含了碳和Cr元素形成的金属间化合物以及极硬极脆的马氏体结构的金属结构。由于在不同类型材料的施焊部分，都有可能产生马氏体结构，这样，所得到的焊接区会变硬，机械性能下降，不同类型的焊接缺陷，如高温裂纹和低温裂纹就有可能产生。采用具有大能量输入的焊接方法，如二氧化碳弧焊或MIG焊法，可能形成脆性马氏体结构和金属间化合物。为了得到一个具有高稳定性和可靠性的焊接区，很有必要采取措施控制交接处焊缝金属的成分和结构，比如，在碳钢的一侧用一种合适的焊接材料进行精细焊接。采用具有小热量输入的高密度能量焊接法时，比如，采用激光焊接和电子束焊接。焊接宽度变小，溶深变大。由于熔融量变小，脆性马氏体结构和金属间化合物的绝对生成量可望减少。因此，通过加入少量焊接材料，采用这种焊接可望得到具有足够高稳定性和可靠性的熔焊区。

就水电发电机涡轮盘的叶轮件和心轴件来说，必需具有高的可靠性，叶轮件与水流接触，它用一种13Cr不锈钢制做；用一种碳钢制造心轴件，利用润滑剂等，可使心轴具有抗腐蚀性能。日本专利公开号132378/1983介绍了一种利用电子束焊接法焊接这种叶轮与心轴的方法，并且通过加入一种纯镍的中间媒体金属，控制交接处的成份。根据这个方法，可得到的施焊部分的冲击韧性比不采用添加金属焊接高。

通过加入镍材料，采用高密度能量束的方法焊接奥氏体不锈钢和碳钢时，碳钢中的杂质元素，如P、S等，扩散到焊缝金属中，与不锈钢中的Cr等发生反应，并且在晶界沉淀成一个金属间化合物层。如果在交接处存在这种化合物层，在焊接后冷却的时候由于热应力的原因，可能产生小的裂纹。

本发明的一个目的是，提供一个采用高密度能量束焊接碳钢和奥氏体不锈钢的焊接方法，这种方法得到的焊接部分具有高的韧性，在焊接后不会产生裂纹，并具提供一个利用这种方法制造的一个结构。

为达到上述目的，本发明提供了一种焊接碳钢和奥氏体不锈钢的方法，在这种方法中，高密度能量束用作上述焊接的热源，得到的焊区的金相结构由奥氏体结构和不超过20％的铁素体结构的混合结构组成。

在上述方法，本发明提供了一个焊接碳钢和奥氏体不锈钢的方法，其中，高密度能量束用作上述焊接的热源，采用奥氏体不锈钢焊接材料填充并用作焊接材料，在焊接部位基体金属渗进被焊接金属的渗透比例不超过80％。

在上述方法，本发明提供了一个焊接碳钢和奥氏体不锈钢的方法，其中，高密度能量束用作上述焊接的热源，填充并加上奥氏体不锈钢焊接材料。

在上述方法，本发明提供了一个焊接碳钢和奥氏体不锈钢的方法，其中，在焊接时，填充并加上奥氏体不锈钢焊接材料。

在上述方法，控制焊接过程，以使焊道表面一侧上的焊缝金属的宽度与Uranami面上焊缝的宽度大体相等。(Uranami侧面亦即焊道表面相对的一侧)这一部分焊接区也被称为根部焊道(封底焊缝)。