CN1278810C - 局部散热焊接装置 - Google Patents

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Abstract

一种局部散热焊接装置。所述局部散热焊接装置包括：焊枪，其设置在彼此接触以待焊接的两块母材的焊缝之上，所述焊枪通过将焊丝熔化在母材焊缝上并将所述母材熔合在一起来焊接母材；以及冷却单元，所述冷却单元被设置为能从焊枪的侧面喷射低温流体，所述冷却单元冷却形成在熔合区外侧周围的热影响区的至少一部分，其中在所述熔合区中所述母材在焊接期间被熔化。通过抑制焊接过程中在非相变热影响区上的碳化物粗化的形成，所述局部散热焊接装置能够改善诸如用于发电厂的压力容器等焊接件的机械性能(诸如机械强度和断裂韧度)，而不必在制造用于压力容器的钢的过程中增加新的热处理过程。

Description

局部散热焊接装置
技术领域
本发明涉及局部散热焊接装置(local heatsink welding device)尤其涉及用于改善材料焊接部分的机械性能的局部散热焊接装置。
背景技术
用于核电站的压力容器应该能够在高压高温下以及中子辐射气氛中使用40年以上，它必须具有对中子辐射脆化的高抵抗性、高的断裂韧性和疲劳强度、高的均质程度、对感应辐射的低敏感性、低腐蚀性以及良好的可焊性等等。尤其是在压力容器的核心区域中，在操作期间高能中子的辐射使最大吸收能量降低，并且中子辐射脆化提高了塑性—脆性转变温度，从而限制了操作条件和压力容器的寿命。由此，为了降低操作条件和延长寿命，优选压力容器由具有高抗冲击性(高断裂韧度)的材料制成。
因此，基于ASME SA508 Gr.3规定的化学成分制造用于核电站的压力容器。SA508 Gr.3钢还广泛地用在蒸汽发生器、加压器以及核电站的反应堆冷却剂管道。
然而，即使压力容器由低合金钢，诸如具有在ASME SA508 Gr.3中规定的化学成分的SA508 Gr.3钢制成，对于压力容器特性的上述需求仍然不能满足。在用低合金钢制造压力容器时，焊接过程是必须的。在焊接过程中，由于在多层焊接和焊后热处理期间的反复热输入，使得在非相变热影响区中形成碳化物粗化，从而产生机械强度和断裂韧度降低的局部弱点。当通过用于焊接的传统方法和装置制造由SA508 Gr.3钢制成的核电站压力容器时，由于在非相变热影响区中的碳化物粗化，使得对于压力容器的机械/断裂性能的一些要求不能被满足。
为了解决上述问题，在韩国专利申请No.261664中公开了一种能够制造出韧度更高的SA508 Gr.3钢的方法，通过这种方法制造的SA508 Gr.3钢具有被显著改善的断裂韧度。所述方法包括：在传统的热处理过程之间，即淬火与回火过程之间，在铁素体相与奥氏体相共存的温度区域内实施附加的热处理。与通过传统热处理制造的SA508 Gr.3低合金钢相比，由于塑性—脆性变温度较低，因此所述方法能够制造室温抗冲击性和最大吸收能量显著增加并且断裂韧度显著改善的SA508 Gr.3低合金钢。利用改善的SA508 Gr.3制造用于发电厂的压力容器，由于焊接过程中产生的局部脆性区而引起的诸如机械强度和断裂韧度等机械性能的降低能够被间接地解决。
然而，由于增加了制造改进的低合金钢所需的新的热处理过程，因此在使用改进的SA508 Gr.3低合金钢制造用于核电站的压力容器时成本会增加，并且花费更长的时间，而这样对于发电厂工业的进步是不利的。
发明内容
本发明提供一种局部散热焊接装置，其通过抑制在非相变热影响区上的碳化物粗化的形成，而使诸如用于发电厂的压力容器等的焊接件的机械性能(诸如机械强度和断裂韧度)得到改善，并且在生产用于压力容器的钢的过程中不必增加新的热处理过程。
一种局部散热焊接装置，用于改善母材焊缝的机械性能，包括：焊枪，其设置在彼此接触地放置以待焊接的两块母材的焊缝之上，所述焊枪通过将焊丝熔化在母材的焊缝上并将两块母材熔合在一起来焊接两块母材；以及冷却单元，所述冷却单元被设置为能从焊枪的侧面喷射低温流体，所述冷却单元冷却形成在熔合区外侧周围的热影响区的至少一部分，其中在所述熔合区中所述母材在焊接期间被熔化；所述冷却单元包括设置在焊枪两侧处以便能够上下移动的一对喷嘴，所述喷嘴将低温流体喷在热影响区上；流体供给单元，用于将低温流体供至喷嘴；以及连接在喷嘴与流体供给单元之间的一对流体供给管，所述流体供给管形成流动通路，来自流体供给单元的流体通过所述流动通路移至喷嘴；喷嘴控制装置，用于控制喷嘴相对于母材的上、下、左和右的位置；在每个喷嘴与焊枪之间设置屏蔽幕，以防止从喷嘴排放的低温流体从热影响区流至熔合区。
附图简述
参照附图，通过对本发明的示例实施例的详细描述，本发明的以上和其他特征、优点将变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明实施例的局部散热焊接装置的示意性视图；
图2是图1中“A”处的放大视图；
图3是示出使用根据本发明实施例的局部散热焊接装置进行焊接的方法的示意性视图；以及
图4是用于解释到达热影响区的最高温度所花费的时间的曲线图。
具体实施方式
下面将参考附图更全面地描述本发明的实施例。
图1是根据本发明实施例的局部散热焊接装置的示意图，图2是图1中“A”处的放大视图。
参考图1和2，局部散热焊接装置1包括：焊枪10，所述焊枪10设置在将被焊接在一起的母材(base metal)的两个接触部分的上表面处，用于将电极或者焊丝11熔化并沉积至母材2；冷却单元20，所述冷却单元20设置为能够从焊枪10的侧面喷射低温流体；以及设置在焊枪10与冷却单元20的喷嘴21之间的屏蔽幕30，稍后将描述。母材2可以分成焊接过程中被熔化的熔合区3和围绕熔合区3的热影响区5，所述热影响区5受到焊接过程中所产生的热的影响。热影响区5可以再细分为相变热影响区5a和非相变热影响区5b，在所述相变热影响区5a中母材2发生相变，而在非相变热影响区5b中母材2不发生相变。
在本发明中，主要使用弧焊方法来焊接母材2，即SA508 Gr.3钢。在弧焊中，在焊丝11被供至焊枪10时在焊枪10与母材2之间形成强电流，从而立即熔化焊丝11和母材2以产生熔合。由此，焊枪10包括电极或者焊丝11，并且连接至电路被包括在其中的焊机(welder)(未示出)。
冷却单元20包括：一对设置在焊枪10两侧处的喷嘴21，所述喷嘴将低温流体喷向热影响区5；将流体供至喷嘴21的流体供给单元23；以及连接在喷嘴21与流体供给单元23之间的一对流体供给管29，所述流体供给管29形成流动通路，来自流体供给单元23的流体通过所述流动通路移至喷嘴21。流体供给单元23包括：流体存储容器27，用于存储低温流体；温度控制器28，用于控制存储在流体存储容器27中的流体的温度；流体供给泵26，用于产生通过喷嘴21喷射存储在流体存储容器27中的流体的动力；流体流速/压力控制器25，用于控制流经流体供给管29的流体的流速和压力；以及流量计24，用于指示流速。在该结构中，当流体供给泵26工作时，温度和流速/压力被温度控制器28和流体流速/压力控制器25控制的流体以预定的低温从流体存储容器27供至流体供给管29。供至流体供给管29的低温流体通过喷嘴21被喷射到母材2的非相变热影响区5b上，从而冷却非相变热影响区5b。
在本发明中设置在焊枪10两侧处的成对喷嘴21随着喷枪10移动。然而，在定位焊枪10之后，喷嘴21的位置可相对于母材2被喷嘴控制装置22向上/下和左/后调整，从而使喷嘴21被定位以有效地抑制在非相变热影响区5b中形成碳化物粗化。
屏蔽幕30被安装，以在设置于喷嘴21与焊枪10之间的屏蔽幕位置控制装置31的控制下在焊枪10与喷嘴21之间移动。屏蔽幕30设置在喷嘴21与焊枪10之间的适当位置处，以防止低温流体喷射或偏斜至熔合区3上，并且防止低温流体从非相变热影响区5b流至熔合区3。由此，屏蔽幕30防止低温流体影响焊接过程。
下面将参考图3和4描述使用上述焊接装置的根据本发明的焊接方法。
在实施焊接之前，通过现有的关于母材，即在本发明中为SA508 Gr.3钢的焊接件的研究结果、试验以及分析研究确定母材2的局部脆性区，在该局部脆性区由于焊接而使母材2的机械性能降低。
目前，非相变热影响区5b被报道为最弱的点，在此处焊接后的机械性能降低。然后，通过诸如有限元方法等分析方法、以及使用热电偶的温度测量试验来确定到达母材2的非相变热影响区5b的最高温度所需的时间。图4是用于解释达到非相变热影响区5b的最高温度所花费的时间的曲线图，曲线a、b和c分别表示距离熔合线为2、4和6mm时母材2的温度变化。点a和b是在相变热影响区5a中，而点c是在非相变热影响区5b中。由于热输入随着离熔合线的距离变远而降低，因此到达最高温度所需的时间应该有少量变化。然而，由于非相变热影响区5b比相变热影响区5a更远离熔合线，因此基于达到非相变热影响区5b的最高温度所花费的时间tmax的母材2的局部冷却可能导致相变热影响区5a的微观结构和尺寸的较小量的变化。这里，tmax被存储作为到达非相变热影响区5b的最高温度所需的标准时间。并且，通过使用有限元分析和试验的分析方法可以确定用于防止非相变热影响区5b的机械性能变差的喷嘴21最佳位置、最佳喷射压力、最佳流体温度以及最佳流速。
接着，在使母材2的两个预定部分接触以便将它们焊接在一起之后，通过熔化焊丝11和所述两个部分并使它们熔合在一起来熔化焊接母材2的两个部分。
在焊接期间，当非相变热影响区5b的温度到达依照预先存储的标准数据的最高温度时，通过操作流体供给泵26使低温流体通过喷嘴21喷到形成在熔合区3外侧的非相变热影响区5b上，由此来冷却非相变热影响区5b的至少一部分区域。
如上所述，在到达预存储的最高温度tmax之后，紧接着将低温流体喷射到非相变热影响区5b的至少一部分区域上，通过这样的方式使用局部散热焊接装置1冷却非相变热影响区5b，可以抑制在焊接期间在非相变热影响区5b上形成碳化物粗化。这样，可以改善用于发电厂的压力容器的机械性能，诸如机械强度和断裂韧度，而不必在用于压力容器的钢的制造过程中增加新的热处理过程。这里，局部散热焊接装置1包括：焊枪10，所述焊枪10通过将焊丝11熔化在母材2的接触部分的上表面上来熔焊母材2；以及冷却单元20，所述冷却单元20被设置在能从焊枪10的两侧喷射低温流体的位置处，以冷却形成在熔合区3外侧的非相变热影响区5b，其中在熔合区3中母材2被熔化。
在以上的描述中，喷嘴21被设置在焊枪10的两侧处。这里，喷嘴21可连接至焊枪10，或者独立于焊枪10设置在母材2的非相变热影响区5b的表面之上，只要它们能将低温流体喷射到非相变热影响区5b上即可。
并且，在以上描述中，假设母材2是SA508 Gr.3。然而，在焊接过程中需要抑制在非相变热影响区5b上形成碳化物粗化的情况下，本发明可以应用到任何金属性母材2。
而且，在以上所述中，局部脆性区是非相变热影响区5b。但是，如果局部脆性区是相变热影响区5a，那么相变热影响区5a也可被冷却。
如上所述，通过抑制焊接过程中在非相变热影响区上的碳化物粗化的形成，根据本发明的局部散热焊接装置以及焊接方法可以改善诸如用于发电厂的压力容器等焊接件的机械性能(诸如机械强度和断裂韧度)，而不必在用于压力容器的钢的制造过程中增加新的热处理过程。
尽管对本发明的优选实施例进行了具体地展示和描述，但本领域技术人员将会理解在不偏离权利要求书所限定的本发明的实质和范围的情况下，可对这些实施例进行形式和细节上的改变。

Claims (1)

1.一种局部散热焊接装置，用于改善母材焊缝的机械性能，包括：
焊枪，其设置在彼此接触地放置以待焊接的两块母材的焊缝之上，所述焊枪通过将焊丝熔化在母材的焊缝上并将两块母材熔合在一起来焊接两块母材；以及
冷却单元，所述冷却单元被设置为能从焊枪的侧面喷射低温流体，所述冷却单元冷却形成在熔合区外侧周围的热影响区的至少一部分，其中在所述熔合区中所述母材在焊接期间被熔化；
所述冷却单元包括设置在焊枪两侧处以便能够上下移动的一对喷嘴，所述喷嘴将低温流体喷在热影响区上；
流体供给单元，用于将低温流体供至喷嘴；以及
连接在喷嘴与流体供给单元之间的一对流体供给管，所述流体供给管形成流动通路，来自流体供给单元的流体通过所述流动通路移至喷嘴；
喷嘴控制装置，用于控制喷嘴相对于母材的上、下、左和右的位置；
在每个喷嘴与焊枪之间设置屏蔽幕，以防止从喷嘴排放的低温流体从热影响区流至熔合区。
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