專利名稱：局部散熱焊接裝置及其焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及局部散熱焊接裝置(local heatsink welding device)以及使用所述裝置進(jìn)行焊接的方法，尤其涉及用于改善材料焊接部分的機(jī)械性能的局部散熱焊接裝置及使用所述裝置進(jìn)行焊接的方法。
背景技術(shù)：
用于核電站的壓力容器應(yīng)該能夠在高壓高溫下以及中子輻射氣氛中使用40年以上，它必須具有對(duì)中子輻射脆化的高抵抗性、高的斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度、高的均質(zhì)程度、對(duì)感應(yīng)輻射的低敏感性、低腐蝕性以及良好的可焊性等等。尤其是在壓力容器的核心區(qū)域中，在操作期間高能中子的輻射使最大吸收能量降低，并且中子輻射脆化提高了塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而限制了操作條件和壓力容器的壽命。由此，為了降低操作條件和延長(zhǎng)壽命，優(yōu)選壓力容器由具有高抗沖擊性(高斷裂韌度)的材料制成。
因此，基于ASME SA508 Gr.3規(guī)定的化學(xué)成分制造用于核電站的壓力容器。SA508 Gr.3鋼還廣泛地用在蒸汽發(fā)生器、加壓器以及核電站的反應(yīng)堆冷卻劑管道。
然而，即使壓力容器由低合金鋼，諸如具有在ASME SA508 Gr.3中規(guī)定的化學(xué)成分的SA508 Gr.3鋼制成，對(duì)于壓力容器特性的上述需求仍然不能滿足。在用低合金鋼制造壓力容器時(shí)，焊接過程是必須的。在焊接過程中，由于在多層焊接和焊后熱處理期間的反復(fù)熱輸入，使得在非相變熱影響區(qū)中形成碳化物粗化，從而產(chǎn)生機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度降低的局部弱點(diǎn)。當(dāng)通過用于焊接的傳統(tǒng)方法和裝置制造由SA508 Gr.3鋼制成的核電站壓力容器時(shí)，由于在非相變熱影響區(qū)中的碳化物粗化，使得對(duì)于壓力容器的機(jī)械/斷裂性能的一些要求不能被滿足。
為了解決上述問題，在韓國(guó)專利申請(qǐng)No.261664中公開了一種能夠制造出韌度更高的SA508 Gr.3鋼的方法，通過這種方法制造的SA508 Gr.3鋼具有被顯著改善的斷裂韌度。所述方法包括在傳統(tǒng)的熱處理過程之間，即淬火與回火過程之間，在鐵素體相與奧氏體相共存的溫度區(qū)域內(nèi)實(shí)施附加的熱處理。與通過傳統(tǒng)熱處理制造的SA508 Gr.3低合金鋼相比，由于塑性-脆性變溫度較低，因此所述方法能夠制造室溫抗沖擊性和最大吸收能量顯著增加并且斷裂韌度顯著改善的SA508 Gr.3低合金鋼。利用改善的SA508 Gr.3制造用于發(fā)電廠的壓力容器，由于焊接過程中產(chǎn)生的局部脆性區(qū)而引起的諸如機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度等機(jī)械性能的降低能夠被間接地解決。
然而，由于增加了制造改進(jìn)的低合金鋼所需的新的熱處理過程，因此在使用改進(jìn)的SA508 Gr.3低合金鋼制造用于核電站的壓力容器時(shí)成本會(huì)增加，并且花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間，而這樣對(duì)于發(fā)電廠工業(yè)的進(jìn)步是不利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種局部散熱焊接裝置及焊接方法，其通過抑制在非相變熱影響區(qū)上的碳化物粗化的形成，而使諸如用于發(fā)電廠的壓力容器等的焊接件的機(jī)械性能(諸如機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度)得到改善，并且在生產(chǎn)用于壓力容器的鋼的過程中不必增加新的熱處理過程。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種局部散熱焊接裝置，用于改善母材焊縫的機(jī)械性能，包括焊槍，其設(shè)置在彼此接觸以待焊接的兩塊母材的焊縫之上，所述焊槍通過將焊絲熔化在母材焊縫上并將所述兩塊母材熔合在一起來焊接兩塊母材；以及冷卻單元，所述冷卻單元被設(shè)置為能從焊槍的側(cè)面噴射低溫流體，所述冷卻單元冷卻形成在熔合區(qū)外側(cè)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分，在所述熔合區(qū)中所述母材在焊接期間被熔化。
熱影響區(qū)可以是非相變熱影響區(qū)(non-transformation heat-affectedzone)。
冷卻單元可以包括設(shè)置在焊槍兩側(cè)處以便能夠上下移動(dòng)的一對(duì)噴嘴，所述噴嘴將低溫流體噴在熱影響區(qū)上；流體供給單元，用于將低溫流體供至噴嘴；以及連接在噴嘴與流體供給單元之間的一對(duì)流體供給管，所述流體供給管形成流動(dòng)通路，來自流體供給單元的流體通過所述流動(dòng)通路移至噴嘴。
冷卻單元還可以包括噴嘴控制裝置，用于控制噴嘴相對(duì)于母材的上、下、左和右的位置。
屏蔽幕可以設(shè)置在每個(gè)噴嘴與焊槍之間，以防止低溫流體從熱影響區(qū)流至熔合區(qū)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種利用局部散熱焊接裝置進(jìn)行焊接的方法，所述局部散熱焊接裝置用于改善母材焊縫的機(jī)械性能，所述方法包括定位兩塊預(yù)定的母材，使它們彼此接觸以便能夠被焊接；通過將焊絲熔化在母材的焊縫上并將兩塊母材熔合在一起來將兩塊母材焊接在一起；以及在焊接過程中根據(jù)關(guān)于母材焊接的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)冷卻形成在熔合區(qū)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分，其中在所述熔合區(qū)中母材被熔化。
所述熱影響區(qū)可以是非相變熱影響區(qū)。
所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以包括到達(dá)非相變熱影響區(qū)的最高溫度所花費(fèi)的時(shí)間，并且在到達(dá)所述最高溫度之后緊接著開始冷卻形成在熔合區(qū)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分。
所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)還可以包括噴嘴的預(yù)定位置、預(yù)定噴射壓力以及低溫流體的預(yù)定溫度和流速。
附圖簡(jiǎn)述參照附圖，通過對(duì)本發(fā)明的示例實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的以上和其他特征、優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的局部散熱焊接裝置的示意性視圖；圖2是圖1中“A”處的放大視圖；圖3是示出使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的局部散熱焊接裝置進(jìn)行焊接的方法的示意性視圖；以及圖4是用于解釋到達(dá)熱影響區(qū)的最高溫度所花費(fèi)的時(shí)間的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖更全面地描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的局部散熱焊接裝置的示意圖，圖2是圖1中“A”處的放大視圖。
參考圖1和2，局部散熱焊接裝置1包括焊槍10，所述焊槍10設(shè)置在將被焊接在一起的母材(base metal)的兩個(gè)接觸部分的上表面處，用于將電極或者焊絲11熔化并沉積至母材2；冷卻單元20，所述冷卻單元20設(shè)置為能夠從焊槍10的側(cè)面噴射低溫流體；以及設(shè)置在焊槍10與冷卻單元20的噴嘴21之間的屏蔽幕30，稍后將描述。母材2可以分成焊接過程中被熔化的熔合區(qū)3和圍繞熔合區(qū)3的熱影響區(qū)5，所述熱影響區(qū)5受到焊接過程中所產(chǎn)生的熱的影響。熱影響區(qū)5可以再細(xì)分為相變熱影響區(qū)5a和非相變熱影響區(qū)5b，在所述相變熱影響區(qū)5a中母材2發(fā)生相變，而在非相變熱影響區(qū)5b中母材2不發(fā)生相變。
在本發(fā)明中，主要使用弧焊方法來焊接母材2，即SA508 Gr.3鋼。在弧焊中，在焊絲11被供至焊槍10時(shí)在焊槍10與母材2之間形成強(qiáng)電流，從而立即熔化焊絲11和母材2以產(chǎn)生熔合。由此，焊槍10包括電極或者焊絲11，并且連接至電路被包括在其中的焊機(jī)(welder)(未示出)。
冷卻單元20包括一對(duì)設(shè)置在焊槍10兩側(cè)處的噴嘴21，所述噴嘴將低溫流體噴向熱影響區(qū)5；將流體供至噴嘴21的流體供給單元23；以及連接在噴嘴21與流體供給單元23之間的一對(duì)流體供給管29，所述流體供給管29形成流動(dòng)通路，來自流體供給單元23的流體通過所述流動(dòng)通路移至噴嘴21。流體供給單元23包括流體存儲(chǔ)容器27，用于存儲(chǔ)低溫流體；溫度控制器28，用于控制存儲(chǔ)在流體存儲(chǔ)容器27中的流體的溫度；流體供給泵26，用于產(chǎn)生通過噴嘴21噴射存儲(chǔ)在流體存儲(chǔ)容器27中的流體的動(dòng)力；流體流速/壓力控制器25，用于控制流經(jīng)流體供給管29的流體的流速和壓力；以及流量計(jì)24，用于指示流速。在該結(jié)構(gòu)中，當(dāng)流體供給泵26工作時(shí)，溫度和流速/壓力被溫度控制器28和流體流速/壓力控制器25控制的流體以預(yù)定的低溫從流體存儲(chǔ)容器27供至流體供給管29。供至流體供給管29的低溫流體通過噴嘴21被噴射到母材2的非相變熱影響區(qū)5b上，從而冷卻非相變熱影響區(qū)5b。
在本發(fā)明中設(shè)置在焊槍10兩側(cè)處的成對(duì)噴嘴21隨著噴槍10移動(dòng)。然而，在定位焊槍10之后，噴嘴21的位置可相對(duì)于母材2被噴嘴控制裝置22向上/下和左/后調(diào)整，從而使噴嘴21被定位以有效地抑制在非相變熱影響區(qū)5b中形成碳化物粗化。
屏蔽幕30被安裝，以在設(shè)置于噴嘴21與焊槍10之間的屏蔽幕位置控制裝置31的控制下在焊槍10與噴嘴21之間移動(dòng)。屏蔽幕30設(shè)置在噴嘴21與焊槍10之間的適當(dāng)位置處，以防止低溫流體噴射或偏斜至熔合區(qū)3上，并且防止低溫流體從非相變熱影響區(qū)5b流至熔合區(qū)3。由此，屏蔽幕30防止低溫流體影響焊接過程。
下面將參考圖3和4描述使用上述焊接裝置的根據(jù)本發(fā)明的焊接方法。
在實(shí)施焊接之前，通過現(xiàn)有的關(guān)于母材，即在本發(fā)明中為SA508 Gr.3鋼的焊接件的研究結(jié)果、試驗(yàn)以及分析研究確定母材2的局部脆性區(qū)，在該局部脆性區(qū)由于焊接而使母材2的機(jī)械性能降低。
目前，非相變熱影響區(qū)5b被報(bào)道為最弱的點(diǎn)，在此處焊接后的機(jī)械性能降低。然后，通過諸如有限元方法等分析方法、以及使用熱電偶的溫度測(cè)量試驗(yàn)來確定到達(dá)母材2的非相變熱影響區(qū)5b的最高溫度所需的時(shí)間。圖4是用于解釋達(dá)到非相變熱影響區(qū)5b的最高溫度所花費(fèi)的時(shí)間的曲線圖，曲線a、b和c分別表示距離熔合線為2、4和6mm時(shí)母材2的溫度變化。點(diǎn)a和b是在相變熱影響區(qū)5a中，而點(diǎn)c是在非相變熱影響區(qū)5b中。由于熱輸入隨著離熔合線的距離變遠(yuǎn)而降低，因此到達(dá)最高溫度所需的時(shí)間應(yīng)該有少量變化。然而，由于非相變熱影響區(qū)5b比相變熱影響區(qū)5a更遠(yuǎn)離熔合線，因此基于達(dá)到非相變熱影響區(qū)5b的最高溫度所花費(fèi)的時(shí)間tmax的母材2的局部冷卻可能導(dǎo)致相變熱影響區(qū)5a的微觀結(jié)構(gòu)和尺寸的較小量的變化。這里，tmax被存儲(chǔ)作為到達(dá)非相變熱影響區(qū)5b的最高溫度所需的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。并且，通過使用有限元分析和試驗(yàn)的分析方法可以確定用于防止非相變熱影響區(qū)5b的機(jī)械性能變差的噴嘴21最佳位置、最佳噴射壓力、最佳流體溫度以及最佳流速。
接著，在使母材2的兩個(gè)預(yù)定部分接觸以便將它們焊接在一起之后，通過熔化焊絲11和所述兩個(gè)部分并使它們?nèi)酆显谝黄饋砣刍附幽覆?的兩個(gè)部分。
在焊接期間，當(dāng)非相變熱影響區(qū)5b的溫度到達(dá)依照預(yù)先存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的最高溫度時(shí)，通過操作流體供給泵26使低溫流體通過噴嘴21噴到形成在熔合區(qū)3外側(cè)的非相變熱影響區(qū)5b上，由此來冷卻非相變熱影響區(qū)5b的至少一部分區(qū)域。
如上所述，在到達(dá)預(yù)存儲(chǔ)的最高溫度tmax之后，緊接著將低溫流體噴射到非相變熱影響區(qū)5b的至少一部分區(qū)域上，通過這樣的方式使用局部散熱焊接裝置1冷卻非相變熱影響區(qū)5b，可以抑制在焊接期間在非相變熱影響區(qū)5b上形成碳化物粗化。這樣，可以改善用于發(fā)電廠的壓力容器的機(jī)械性能，諸如機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度，而不必在用于壓力容器的鋼的制造過程中增加新的熱處理過程。這里，局部散熱焊接裝置1包括焊槍10，所述焊槍10通過將焊絲11熔化在母材2的接觸部分的上表面上來熔焊母材2；以及冷卻單元20，所述冷卻單元20被設(shè)置在能從焊槍10的兩側(cè)噴射低溫流體的位置處，以冷卻形成在熔合區(qū)3外側(cè)的非相變熱影響區(qū)5b，其中在熔合區(qū)3中母材2被熔化。
在以上的描述中，噴嘴21被設(shè)置在焊槍10的兩側(cè)處。這里，噴嘴21可連接至焊槍10，或者獨(dú)立于焊槍10設(shè)置在母材2的非相變熱影響區(qū)5b的表面之上，只要它們能將低溫流體噴射到非相變熱影響區(qū)5b上即可。
并且，在以上描述中，假設(shè)母材2是SA508 Gr.3。然而，在焊接過程中需要抑制在非相變熱影響區(qū)5b上形成碳化物粗化的情況下，本發(fā)明可以應(yīng)用到任何金屬性母材2。
而且，在以上所述中，局部脆性區(qū)是非相變熱影響區(qū)5b。但是，如果局部脆性區(qū)是相變熱影響區(qū)5a，那么相變熱影響區(qū)5a也可被冷卻。
如上所述，通過抑制焊接過程中在非相變熱影響區(qū)上的碳化物粗化的形成，根據(jù)本發(fā)明的局部散熱焊接裝置以及焊接方法可以改善諸如用于發(fā)電廠的壓力容器等焊接件的機(jī)械性能(諸如機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度)，而不必在用于壓力容器的鋼的制造過程中增加新的熱處理過程。
盡管對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了具體地展示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)理解在不偏離權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的實(shí)質(zhì)和范圍的情況下，可對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的改變。
權(quán)利要求
1.一種局部散熱焊接裝置，用于改善母材焊縫的機(jī)械性能，包括焊槍，其設(shè)置在彼此接觸地放置以待焊接的兩塊母材的焊縫之上，所述焊槍通過將焊絲熔化在母材的焊縫上并將兩塊母材熔合在一起來焊接兩塊母材；以及冷卻單元，所述冷卻單元被設(shè)置為能從焊槍的側(cè)面噴射低溫流體，所述冷卻單元冷卻形成在熔合區(qū)外側(cè)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分，其中在所述熔合區(qū)中所述母材在焊接期間被熔化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述熱影響區(qū)是非相變熱影響區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述冷卻單元包括設(shè)置在焊槍兩側(cè)處以便能夠上下移動(dòng)的一對(duì)噴嘴，所述噴嘴將低溫流體噴在熱影響區(qū)上；流體供給單元，用于將低溫流體供至噴嘴；以及連接在噴嘴與流體供給單元之間的一對(duì)流體供給管，所述流體供給管形成流動(dòng)通路，來自流體供給單元的流體通過所述流動(dòng)通路移至噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述冷卻單元還包括噴嘴控制裝置，用于控制噴嘴相對(duì)于母材的上、下、左和右的位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，在每個(gè)噴嘴與焊槍之間設(shè)置屏蔽幕，以防止低溫流體從熱影響區(qū)流至熔合區(qū)。
6.一種用局部散熱焊接裝置進(jìn)行焊接的方法，所述局部散熱焊接裝置用于改善母材焊縫的機(jī)械性能，所述方法包括定位兩塊預(yù)定的母材，使它們彼此接觸以便能夠被焊接；通過將焊絲熔化在母材的焊縫上并將兩塊母材熔合在一起來將兩塊母材焊接在一起；以及在焊接過程中基于關(guān)于母材焊接的預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)冷卻形成在熔合區(qū)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分，其中在所述熔合區(qū)中母材被熔化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述熱影響區(qū)是非相變熱影響區(qū)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括到達(dá)非相變熱影響區(qū)的最高溫度所花費(fèi)的時(shí)間，并且在到達(dá)所述最高溫度之后緊接著開始冷卻形成在熔合區(qū)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，關(guān)于焊接的所述標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)包括噴嘴的預(yù)定位置、預(yù)定噴射壓力以及低溫流體的預(yù)定溫度和流速。
全文摘要
一種局部散熱焊接裝置以及使用該裝置的焊接方法。所述局部散熱焊接裝置包括焊槍，其設(shè)置在彼此接觸以待焊接的兩塊母材的焊縫之上，所述焊槍通過將焊絲熔化在母材焊縫上并將所述母材熔合在一起來焊接母材；以及冷卻單元，所述冷卻單元被設(shè)置為能從焊槍的側(cè)面噴射低溫流體，所述冷卻單元冷卻形成在熔合區(qū)外側(cè)周圍的熱影響區(qū)的至少一部分，其中在所述熔合區(qū)中所述母材在焊接期間被熔化。通過抑制焊接過程中在非相變熱影響區(qū)上的碳化物粗化的形成，所述局部散熱焊接裝置能夠改善諸如用于發(fā)電廠的壓力容器等焊接件的機(jī)械性能(諸如機(jī)械強(qiáng)度和斷裂韌度)，而不必在制造用于壓力容器的鋼的過程中增加新的熱處理過程。
文檔編號(hào)B23K9/32GK1550280SQ200410042120
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2004年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月10日
發(fā)明者金種圣, 陳泰殷 申請(qǐng)人:韓國(guó)電力技術(shù)株式會(huì)社