TW309618B - - Google Patents

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經濟部中央橾準局員工消費合作社印製 309618 Α7 _ Β7 五、發明説明（1) 查明领域 本發明有關管路及其他殘留應力敏感元件之焊接。特別 地，本發明有關原子壚所使用之管路及其他元件之焊接，與 焊件相鄰之熱影響區中，該元件容易應力腐蝕破裂。 登明背景 一原子破，包含一可分裂燃料核心，其於核分裂時可產生 熱。利用反應埴壓力容器所包含之反應爐冷卻劑，即水，從 燃料核心除去熱。個別管路將加熱水或蒸汽運送至蒸汽產生 器或渦輪機，並且將循環水或給水運送回，至容器《沸水反應 壚（BWR)之反應爐壓力容器之工作壓力及溫度係約7MPa 及288 °C，壓水反應瀘（PWR )係約1 5MPa及32(TC。沸 水反應瀘（BWRs)及壓水反應瀘（PWRs)所使用之材料 必須能耐各種負載，環境及輻射條件。本文所使用之"高溫 水"一辭係指具有約1 5 0 eC或更高溫度之水，蒸汽或其冷凝 液。 一些暴露於高溫水之材料包含碳鋼，合金鋼，不鎊姻及媒 基、姑基與锆基合金》雖然業者小心選擇及處理使用於水反 應爐之此些材料，及暴露於高溫水之材料，仍然發生腐飪。 此腐姓造成種種問題，例如：摩力腐蝕破裂，間隙腐蚀，浸 姓腐蚀’減墨閥之滯著，及Co-6〇r輻射同位素之增加。 應力腐蚀破裂（SCC)係發生在與高溫水接觸之反應爐元 件中，例如結構件，管路，連結件及焊接。本文之應力腐蝕 破裂係指由靜態或動態拉伸應力與裂缝尖端上之腐蝕結合所 傳導疋破裂。反應壚元件承受各種不同應力，例如：熱膨脹 本紙張尺度通用肀國國家榡準（CNS ) Μ规格（21 〇 X μ公釐 --------「裝-------订丨------^ ^ (#先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 經濟部中央標準局貝工消费合作社印装 五、發明説明（參 之差異，反應爐冷卻水之容積所需之工作恩力，及例如來自 烊接，冷加工及其他不對稱金屬處理之殘留應力。此外，水 化學、焊接、熱處理及輻射增加應力腐蝕破裂之可能性》本 發明有關減輕可能導致應力腐蝕破裂之焊接產生之殘留應力 及熱敏化作用》 圈1A説明結合兩管（2及4)之習用V形槽熔接道（6)。 以位在圓柱形電焊電極（未顯示）尖端之熔填線熔融材料之 ♦ 烊珠填充V形槽而形成熔接道（6)。此焊接法在烊接接頭 附近產生非常宽之熱影響區（HAZ)。由於在此焊接接頭 附近出現應力腐蝕破裂，全世界之輕水反應爐發電廠必須 修理或置換許多管路。業者己超過十年時間使用無數方法以 改良焊接接頭附近之拉伸殘留應力狀態，包含磁感應，電 阻及電弧加熱法》所有此些方法係在整個焊接材料厚度產生 溫差，即在材料之一側上提供熱源，且在材料之另一側上維 持水冷卻。此溫差產生熱應變及材料塑性，及一相對之逆應 力作用於整個材料之厚度上。最終結果，反應瀘水環境接觸 之接頭端之殘留應力成爲較小張力，或較佳地，爲壓縮。此 些前述方法，包含”吸熱焊接"及”最後一次焊道吸熱焊接"， 均依焊接接頭之環境接觸側之連續水對流冷卻，以達到要求 之溫差及逆應力反應。無論管路是新安裝或新置換的，需要 此水冷卻對製造者而言，是一項嚴格的負擔，因爲全套管路 系統必須完整，以包含水。典型使用之電弧焊接法需要水冷 卻’以在整個材料厚度，達成溫度梯度及對應殘留應力反 應，其具有相當低熱能及時間效率，並利用低之深寬比接 -5· ---------{ + II (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ir Λ 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS ) Α4洗格（21〇Χ297公釐） 經濟部中央梂準局貝工消費合作社印製 309618 a? __ _ Β7 五、發明説明（》 頭之寬烊接接顽設計β在焊接時，利用内部水冷卻減小金屬 晶格構造中之張力，以減輕輻射所產生之應力腐蝕破裂之出 現’其中不銹鋼合金之雜質因中子衝擊，擴散至晶界β 在有耐腐蝕性之鉻不銹鋼合金中，與焊接相鄰之熱影蜜區 之熱敏化的大小與程度係應力腐蚀破裂之次主要因素。熱敏 化係指碳化路沉殿在材料之晶界中之過程。碳化路之沉爽使 鉻免於溶解。因此，沿著晶界之薄層係沒有鉻，而形成不耐 腐蝕區，因此容易應力腐蝕破裂。此不銹鋼優先在晶界上 腐蚀。

I 在耐應力腐蝕破裂設計中，必須考慮將結合元件之熱輸入 減至最少β此熱輸入典型維持一程度，使焊料足以提供可靠 熔融予接頭側壁，在另一焊接法中，側壁由移動接頭中之圓 柱形電極所必須之量分離。 發電廠管路焊接所使用之縮小槽寬度焊接法之一型係所謂 "窄槽"烊接，在圖1Β中做説明。此技術在管（21及4，）間 產生溶接道（61)，具有窄於搰角之熱影響區，此槽角小於 V形槽烊接法之熱影響區及槽角。"窄槽"焊接法使用揉準之 圓柱形電極幾何形狀β此種標準電極以各種長度及直徑出 現，典·型具有相當尖或錐形端。然而，在"窄槽"焊接中，槽 寬度之減小可由所需之焊接電流之電極最小直徑限制。所有 前述烊接，包含"窄槽"焊接，均爲圓柱形電極形狀，故成爲 工業標準。圓柱形電極之最小直徑同樣由給定尺寸之電流負 載容量及散熱量所限制。在V形槽或"窄槽"焊接應用中，尚 未提供非圓柱形電極之製造與安裝。 本紙張尺度遑用中國國家橾準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） ---------衣------ir------^ (請先閲讀背面之注意Ϋ項再填寫本頁) 經濟部中央揉準扃負工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4) 發明之概沭 本發明係改良焊接根側上，特別是管路焊接侧壁上之有害 拉伸殘留應力狀態之方法及裝置·。此方法組合極薄的坪接 接頭設計與具有長型橫截面形狀之非圓柱形之薄烊接電極。 在焊接中，長型尺度與焊接接頭長度平行排列。此組合使能 結合管路及具有初焊接接頭準備與完全熔接道兩者之其他 殘留應力敏感元件’完成之，烊接具有非常薄的宽度，且爲高 之深寬比。使用此高之深寬比之焊接接頭法可減輕焊接產生 之殘留應力’不需正常所必須之内部水冷卻。無論自材料之 —侧或更多側焊接’此方法有效減輕具有任何路線形狀接頭 之殘留應力及有關之烊接應變（變形）。本發明之烊接法亦 減少熱影響區之熱輸入，因此減輕焊接接頭之熱敏化。 本發明係高熱能及時間效率焊接法，應用於所有管路及其 他型式之元件’當與非常薄之烊接接頭設計組合，在烊接 時’基底金屬之導熱自冷作用可以改良元件烊接接頭之殘 留應力’而不需水’或元件之其他冷卻。由於組合高熱效 率、高熱及冷卻速率、所揭示方法之薄接頭設計及每一焊接 通道之對應小尺寸，因此在整個焊接材料之厚度產生了必須 之溫度梯度熱應力，及改良殘琴應力分佈。在完成接頭之外 通道時，確立殘留應力之最後位準。 附ffl之簡罩説明 圈1A係根據習用焊接技術之v形糌接頭焊接之截面圈。 圈1B係根據另一習用烊接技術之窄槽接頭烊接之截面 _ -7- -I : I —i I 1! .=-^- —I - - -- ^^1 I i —— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

I 及 A. nt ύ I

fr I esl S 經濟部中央樣準扃負工消费合作社印製 A7 B7 _ _五、發明説明（5) 圈。 圈1C係根據本發明之技術之接頭烊接之截面圈。 圖2 A - 2 C係分別爲根據本發明之較佳具髏實例之電極幾何 形狀之前、側及底視圖。 圖3係圖2C所示之托板幾何形狀之詳細説明圈。 圈4係根據本發明之焊接技術所結合之一部份管之神幾何 形狀之截面圈。 ， 圖5 A及5 B係分別爲根據本發明之較佳具體實例之接頭與 焊接設備總成之側及頂視圖》 圖6係顯示根據本發明之較佳具體實例之接頭及焊接設備 總成之透視圖。 鉸佳具體實例之詳細説明 根據本發明之較佳具體實例之焊接設備包含習用氣體保護 鎢極電弧烊（GTAW)系統，其使用獨特的鎢極幾何形狀 之機械化焊炬運動。根據本發明焊接法之步驟包含產生獨特 的烊接接頭幾何形狀，以新穎的電極形狀做成此焊接，及以 其他特點使此焊接更具實用性》根據本發明之焊接接頭幾何 形狀’管（2與4)間之槽較佳具有小於5。之銳角，以縮小 宽度之焊接材料填充此銳角i其需要較少的熱即可完成熔 融。因此’此搰之熱影響區窄於"窄槽"焊接所產生之熱影響 區，如圈1B與圈1C之比較所示。 與習用電極相反，本發明之獨特的電極幾何形狀具有長 型，非圓形橫截面形狀之柱體，該長型尺寸與焊接接頭長度 平行，而縮短尺寸垂直於接頭長度。對於給定橫截面面積而 ---------f 裝—I (請先閎請背面之注意事項再填寫本頁)

J 本紙張尺度適用中國國家橾準（CNS ) A4規格（2丨0X297公釐）

五、發明説明（6) 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 309618 吞’本發明之薄電極幾何形狀所提供電極尺寸（即：寬度） 小於等橫截*面積之圓柱㈣極直徑β此較薄之尺寸及其方 向使本發明之電極可以進入習用圓柱形電極因爲太寬而不能 進入之薄槽。因此，所焊接之接頭寬度小於所使用之圓柱形 電極，卻可以維持近似固定之電極橫截面面積。在焊接時維 持電極橫截面面積係非常重要，以控制電極之電流強度、焦 耳熱及導熱冷卻。電極所需，要機械強度亦由固定之橫截面面 積維持。此外，使用本發明之非圓柱形、薄電極有效減少每 一通道之烊接熱輸入，因此相對減小熱影響區之尺寸及敏 化。 本發明焊接法所使用之長型橫截面電極基本上不受電極多 薄之限制，也不受焊接接頭有多薄之限制，只要焊接電極之 橫截面面積固定，及接頭壁有空隙，以利向前移動。 本發明之較佳具體實例具有圖2A-2C所示幾何形狀之平的 鎢合金電極。電極（10)包含一圓柱形柄（l〇a)，一非圓 柱形托板（10b)及一尖端（l〇c) »托板（l〇b)選擇地 塗有絕緣外層》所有銳角轉角均切成圓角，以避免龙弧。托 板（l〇b)較佳具有圓角之矩形形狀。圖3所示係托板尺寸 之詳細説明。托板（101))具_有寬度（A)，厚度（B)， 及半厚度（C)，而柄（10a)具有直徑（D)。圖2A所見 之虚線表示當A等於D時之另一托板。四種典型電極之A至D 之尺寸給定如下表： 尺寸型1_^2._Ml_型4 型5 A 0.125 0.125 0.1875 0.1875 0250 *9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ ί 經濟部中央橾準局負工消費合作社印褽 A7 ____ B7 五、發明説明（7) B 0.060±〇.〇〇5 0.045 ±0.005 0.(M5±0.005 0.030 ±0.004 0.025 ±0.002 C 0.030±〇.〇〇2 0.0225 土0.002 0.0225 ±0_002 0.015±0.002 0.0125 土0.001 D 0.125 0.125 0.125 * 0.125 0.125 根據本發明之概念，A至D之尺寸可做廣範圍之改變，且不 限於上表所述之値。較佳地，A對B之比率至少爲1 . 5比1。 圈4説明本發明焊接技術所結合管槽幾何形狀之較佳具體 實例。管具有壁厚度（t):管之端面包含一台肩（2a)， 係自管内圓周向外延伸之環形徑向表面，並包含一斜面 (2b )，此錐形面以徑向面成比例之角，θ向外徑向延伸。 根據本發明’ Θ較佳小於5。，且儘可能爲〇。。延伸面 (2c)連接斜面（2b)内周與台肩（2a)外周。延伸面 (2c)可爲圓筒形面（未示出）’或錐形面，例如：如圈4 所示，具有45。之角度。台肩（2a)高度以h〗表示，延伸 (2c)高度以h 2表示。 本發明之烊接技術成功應用於由3〇4不妨鋼所製成之6及 14英寸直徑，且位在水平方向焊接之管^ 6英寸直徑管具有 等於0.432英寸之壁厚度t，14英寸直徑管具有等於125英 寸之壁厚度t。選定斜角$等於下列其中之一角度2

0 a Q ' ，3.5。及4。，以做測試焊接目的。△虎； (Μ)自〇.〇30英寸到〇 〇7〇英寸不等；延伸高度（自 0.090英寸到〇·156英寸不等。 當焊接時，兩管（2及4)銜接固定在水平位置中，其間具 有褙"），如圈5Α ’圖5Β及圈6所示。在此情況下，槽 (8)有平行側壁’即斜角Θ等於〇。。自消耗環形套座 ^ 張尺度 it 财關緖 -—:---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝. --訂

A Α7 Β7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（8) (16)具有例如1/16英寸xl/8英寸之橫截面，且與熔化烊 絲之成份相同，此套座（16)固定在槽（8)根部上之管對 置端的台肩之間，以補償台肩之任何徑向失配。當焊第一焊 道（根部焊道〉時，必須橋接結合管間之槽。台肩及自耗套 座提供溶融材料，以形成焊接根部。在根部烊道後，做熱烊 道（第二焊道），其後做許多填料焊道及蓋焊道（最後一烊 道）。 烊珠沉積在槽内，使用薄的加長鎢合金電極（1〇)熔化餵 給槽内之熔化焊絲。電極（10)具有圖2A-2C所示之幾何 形狀’且配合在槽（8)内’電極與側壁間有空隙，圖5B清 楚可見。電極（10)之托板（l〇b)塗有鍵免層（12) (見圖5A) ’以避免電旅發至槽（8)侧壁。電極電合於習 用焊炬（14) »扁電極連同小斜角及選定之焊接參數，產 生非常薄的焊接接頭，如圈1C所示。 使用長型橫截面電極之烊接法使非常薄的焊接接頭更具 實用性，允許所結合之兩表面更互相接近，因此兩表面以非 常低之熱輸入率（改良熱效率）由小炫秘烊接落池同時弄 濕》減少所焊接之沉積焊料及基底材料之每一焊接焊道之熱 輸入有效減小與熔駐區相鄰$熱影響區（ΗAZ )之尺寸與 溫度，具對應減少磁感材料產生應力腐蝕破裂之利益 果，所焊接元件之整個厚度之溫度梯度係非常陡的， 梯度係由熔融金屬相當恆定高溫及構件（已知焊接，，趣f或 第一焊道）遠表面降低之低溫所控制》以本發明之莽薄的 焊接接頭完成之元件之陡溫度梯度亦有產生較小張力之利 -11- (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4^格（210x297公菜〉 A7 B7 經濟部中央梯準局負4消費合作社印製 五、發明説明（·9) & ’較佳地’在焊接根部產生至缩殘留應力。此改良應力狀 態亦減少材料產生應力腐蝕破裂敏感性。在熱影響區 t減少熱:碳化物沉澱）及在烊接根部上改良應力狀 ,：；'；-· ：,ί 態之综合’有效增加與活潑環境接觸之焊接接頭之耐應 力腐蝕破裂》 在烊接法中’使用在電離態中之低電阻之焊接氣體，例 如：氬與氫及/或氦混合物，，而非純氬，以減少弧長（在電 極端與焊接接頭底之間），保証電弧不會轉移至接頭壁，因 爲此接頭壁較其他焊接法之接頭壁接近電極。焊接法所詳述 之另一方法，係以例如陶瓷材料，除了電弧轉移之電極尖端 外’塗敷電極表面，以避免電弧轉移至接頭壁，此陶瓷具較 大電阻’以電離焊接氣體混合。此供給保証電極長度之邊 (幾何不連續性）係非電弧轉移位置，因爲此位置較電極尖 端更易發生電弧轉移。此方法亦不需將電絕緣氣體杯形延伸 插入接頭内，如一些其他較寬之接頭焊接法之實施。 根據本發明，減少熱影響區之熱輸入、尺寸及溫度之另一 項有關優點係減少或除去焊接之晶粒成長。在熱影響區中， 有效晶粒成長及在此區中之對應熱敏度導致材料之"刀蝕"形 式之應力腐蝕破裂，此材料原t係耐應力腐蝕破裂，例如：穩 定種級之奥氏體不銹鋼。 以與寬槽及柱形電極桿接之習用接頭爲基礎，焊接時，以 本發明煬接法所製成之接頭根部上改良殘留應力狀態係由 應力反應所產生的。在焊接中，熱及減弱的熱影響區及新固 化之焊接金屬塑性壓縮的，這是由於對於較冷且較強之周圍 •12· --------【裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適用中國國家橾準（CMS ) A4規格（2丨0X297公釐） 309618 經濟部中央樣準局負工消費合作社印製 五、發明説明（丨Q 材料之熱膨脹所引起的。當冷卻時，此餐縮區靠著周面材料 收縮，且加入拉伸殘留應力態中。此收縮及對應張力應力由 周圍材料所平衡，材料特別是烊接根部，成爲較少張力之理 想狀態’或成爲更理想之壓應力。應力改良程度係随所使用 之特別焊接法參數而定。使烊接法有效減小熱影蜜區敏感性 及產生根抗張殘留應力，而不需所烊接元件之水冷卻（外吸 熱）之主因係烊接法之非常低的熱輸入能（及對應内吸 ， 熱）’這是由於使用非常薄的接頭幾何形狀，且同樣利用 薄，且非圓的焊接電極形狀。 在根據本發明焊接法所製之^頭根部上，減小抗張殘留應 力之另一優點係減少暴露在輻射環境中，與輻射捕助應力腐 蝕破裂（IASCC)機構接觸的材料之可能性。有害元件延 滯擴散至内界面所產生此有利作用，其係利用較高抗張殘留 應力影響之助。 控制焊接法熱效率之烊接法參數包含電弧氣體組成，焊炬 移動速度及電派電流與電流脈衝値》本發明烊接法之此些及 其他參數已超過其正常園做修改，以做V形槽或"窄槽"焊接 接，將熱影響區及根抗張殘留應力減至最少。測量管直徑及 抽長，顯示收縮已經減少，因此得到較少之抗張應力β 測試不同的惰性氣體混合當做保護氣體，包含：（1 ) 5 0 0/〇 氬-5 0 % 氦，（2 ) 9 8 氬-2 % 氩’及（3 ) 9 5 % 氩-5 °/。氩。氬 與氫之混合增加電弧溫度，使熔池更快弄濕基底β由於高能 量密度，快速加熱基底表面，使表面下無導熱時間。較習用 已知法產生更薄的熱影響區。氩添加亦縮短電系，因此需要 -13- 本紙伕尺度通用中國國家揉準（CNS > Α4規格（ 210X297公釐）~~ " ' --------八'衣------，ΙΓ------^ {請先«讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 五、發明説明（η) 較小之側壁間隙。 此外，當測試焊接時，烊炬移動速度每分鐘在2英寸與1〇 英寸之間變化。高焊炬移速度使泮接材料之熔池快速凝固。 在焊接法過程中，對根部焊道（第一焊道）而言，第一脈 衝之電弧電流係90至115培（amps)，第二脈衝之電弧電 流係60至70安培；對熱焊道（第二焊道）而言，第一脈衝 之電弧電流係1 1 5至1 7 0安棒，第二脈衝之電弧電流係5 0至 70安培；且對填料焊道而言，第一脈衝之電弧電流係170至 220安培，第二脈衝之電弧電流係70至1、1 0安培。業者嘗試 各種脈衝電路。 揭示前述方法及裝置以做説明目的。熟諳焊接技藝者容易 明白所揭示之方法與裝置之變化與改良。下文所述之申請專 利範圍欲包含不悖離本發明概念之所有此些變化與修改。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局員工消費合作社印製 本紙张尺度適用中囷國家標準（CNS〉Α4规格（210X 297公釐）

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局身工消费合作社印製 六、申請專利範圍 l —種焊接電極，包括一具有一軸及一尖端之托板，該尖 端係結合且電連接於該托板之一端，該托板係一具有大 致爲矩形橫截面之圓柱體，其.具有一於一垂直於該軸之 厚度方向的厚度尺寸及一於一垂直於該厚度方向及該抽 疋宽度方向的寬度尺寸，該寬度尺寸對該厚度尺寸的比 率爲1.5比1，及該尖端係一固體，其包含第一，第二及 第二面，該第一面係垂事於該托板軸，該第二面係相對 該第一面斜置，該第三面相對於該第一面斜置且不平行 於該第二面’該第二及第三面呈梯形，該第一及第二面 係結合於一第一線性連接點，該第一及第三面係結合於 —第二線性連接點，該牦板及該第二面係結合於一第三 線性連接點，該托板及該第三面係結合於一第四線性連 接點，該第一至第四線性連接點係互相平行。 2·根據申請專利範圍第1項之焊接電極，其中該尖端具有 一截稜錐之形狀。 3. 根據申請專利範圍第1項之焊接電極，其中該托板係有 電絕緣材料之塗層。 4. —種在一深度方向結合第一及第二金屬元件之方法，於 未結合狀態中，該第一及早二金屬元件分別具有第一及 第二側壁，由具有至少—預定寬度之一槽分離，包含之 步樣有：進給烊接材料於一電極尖端之附近區域，該電 極係在一特殊之焊接通道中以一選定之移動速度移動； 當該電極以該選定之行進速度移動時，根據選定之焊接 參數’藉由自該電極之一尖端釋放電流’於該槽内連績 -15 - 本紙張尺度適用中國國家樣準（CNS >八4«洛 --------「裝------訂—------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A8 B8 C8 D8 -1 *09618 '申請專利範圍 熔融焊接材料；及固化該熔融之焊接材料，以形成熔融 珠’該電極具有一托板，其具有一端結合且電連接至該 尖端，該托板具有一非圓形橫截面，其具有一於一第一 方向之第一尺寸及—於一第二方向之第二尺寸，該第_ 及第二方向係互相垂直，該第一尺寸較該第二尺寸爲 小’該第二尺寸較該槽之該預定寬度爲大，一預定數目 之焊接通道共同產生一参終之殘留應力狀態，其係橫越 該烊接接頭及其熱影響區而壓縮，在任何該焊接通道中 達到該恩缩殘留應力狀態毋需使用任•何外部之吸熱介質 以吸取輸入之熱。 5.根據申請專利範圍第4項之方法，其中該第一及第二金 屬元件係管，且該槽係分離該管之一環形槽，且當該烊 接材料以大於每分鐘5英寸之一速度熔融時，該電極尖端 在該環形槽内沿圓周移動。 --------(裝------訂-----^ \ (請先Μ讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央揉隼局負工消費合作社印製 -16 本紙伕尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（21〇><297公釐）