TWI518184B - 焊接方法及抗腐蝕填料合金及其消耗品 - Google Patents

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Description

焊接方法及抗腐蝕填料合金及其消耗品
本發明大體上係關於一種焊接方法及材料。更特定言之，本發明係關於一種抗腐蝕填料金屬及尤其適用於製造及修理核電廠(NPP)組件之焊接方法。
在核電廠之沸水反應器(BWR)及壓水式反應器(PWR)中，藉由裂變反應產生之熱量加熱冷卻水。在沸水反應器中，冷卻水的溫度在高壓下可達到或超過約550℉(約290℃)。因此，受熱冷卻水作用之反應器組件係暴露在高腐蝕性環境下。
已使用多種合金製造反應器組件，其包括低合金鋼、不鏽鋼及鎳基合金。後者之顯著實例包括NiCrFe合金，例如習知的合金600(76Ni-15Cr-8Fe)及合金690(62Ni-29Cr-9Fe)。製造及修理反應器組件之方法已包括使用各種焊接方法(例如焊接接縫、焊接覆蓋、及焊接堆積)及各種焊接技術(例如氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、遮蔽型金屬電弧焊(SMAW)、雷射焊接、電子束焊接及超音波焊接)。鎳基填料金屬被廣泛用於焊接由低合金鋼、不鏽鋼及鎳基合金形成之組件。
用於製造及修理由合金600及690形成之結構的鎳基填料金屬之顯著實例包括稱為合金82、合金182、合金52、合金152及合金132之市售合金。據報告，合金82之組成通常包含18.0至22.0重量%鉻、2.5至3.5重量%錳、2.0至3.0重量%鈮+鉭、不多於3.0重量%鐵、不多於0.75重量%鈦、不多於0.50重量%矽、不多於0.50重量%銅、不多於0.75重量%鈷、不多於0.10重量%碳、不多於0.030重量%磷、不多於0.015重量%硫、及最低67.0重量%鎳。據報告，合金182通常包含13.0至17.0重量%鉻、5.0至9.5重量%錳、1.0至2.5重量%鈮+鉭、不多於10.0重量%鐵、不多於1.0重量%鈦、不多於1.0重量%矽、不多於0.50重量%銅、不多於0.12重量%鈷、不多於0.1重量%碳、不多於0.030重量%磷、不多於0.015重量%硫、及最低59.0重量%鎳。合金52係鉻含量高於合金82及182的最近合金。據報告，合金52之組成通常係28.0至31.5重量%鉻、7.0至11.0重量%鐵、不多於1.0重量%錳、不多於0.10重量%鈮+鉭、不多於1.0重量%鈦、不多於1.10重量%鋁、不多於1.5重量%鈦+鋁、不多於0.50重量%矽、不多於0.30重量%銅、不多於0.040重量%碳、不多於0.05重量%鉬、不多於0.020重量%磷、不多於0.015重量%硫，且其餘部分為鎳。據報告，合金152之組成通常包含28.0至31.5重量%鉻、不多於5.0重量%錳、1.0至2.5重量%鈮+鉭、7.0至12.0重量%鐵、不多於0.50重量%鈦、不多於0.75重量%矽、不多於0.50重量%銅、不多於0.05重量%碳、不多於0.030重量%磷、不多於0.015重量%硫、不多於0.50重量%鋁、不多於0.50重量%鉬，且其餘部分為鎳。據報告，合金132之組成通常包含13.0至17.0重量%鉻、不多於3.5重量%錳、1.5至4.0重量%鈮+鉭、不多於11.5重量%鐵、不多於0.75重量%矽、不多於0.50重量%銅、不多於0.12重量%鈷、不多於0.080重量%碳、不多於0.030重量%磷、不多於0.020重量%硫、及最低62.0重量%鎳。除上述以外，亦提出若干類型之合金52，包括由Special Metals Corp.引進之合金及由Knolls Atomic Power Laboratory報告為合金52i之組合物。
已確認合金82及特定言之合金182在某些核電廠操作條件下，特定言之在暴露於熱冷卻水環境(包括(但不限於)溫度為約290℃或更高之冷卻水)時，易受應力腐蝕裂紋(SCC)影響。儘管合金52相較於合金82及182顯示改良之抗腐蝕性，但其已顯示由於失延裂紋(DDC)及熱裂而更難以焊接。因此，可希望獲得可顯示改良之抗應力腐蝕裂紋性及改良之可焊接性以克服先前技術限制之鎳基焊接填料金屬。
本發明提供一種鎳基合金及焊接方法，該方法使用該合金作為焊接填料金屬以製造及修理組件，包括核電廠反應器中接觸該反應器之熱冷卻水的組件。
根據本發明之第一態樣，該鎳基合金係由以下物質組成：26至約30重量%鉻、2至約4重量%鐵、2至約4重量%錳、2至約3重量%鈮、1至約3重量%鉬、不多於0.6重量%鈦、不多於0.03重量%碳、不多於0.05重量%氮、不多於0.6重量%鋁、不多於0.5重量%矽、不多於0.01重量%銅、不多於0.02重量%磷、不多於0.01重量%硫，且其餘部分為鎳及偶發雜質。
本發明之其他態樣包括由上述合金形成之焊接消耗品，及使用上述合金焊接由鎳基合金形成之組件的方法。一特定(但非限制性)實例係焊接由NiCrFe合金形成之組件，以製造核電廠輕水反應器的組件及結構元件。
本發明之技術效果係該鎳基合金相較於習知合金(例如合金52、82、132、152及182)可顯示改良之抗應力腐蝕裂紋性及改良之可焊接性。
本發明之其他態樣及優點將自以下詳細描述更好地理解。
圖1示意性地呈現已藉由將兩組件12與14焊接在一起，形成冶金連接組件12與14之焊件16而製得或修理之結構10。圖2示意性地呈現已藉由焊接覆蓋組件20之一表面以在該組件表面上形成呈覆層形式之焊件22而製得或修理之結構18。特定言之，將參照作為核電廠反應器之部分(例如接觸該反應器之熱冷卻水的輕水反應器組件)的結構10及18描述本發明，但可預見其他應用。特定言之，亦將參照由NiCrFe合金(其顯著實例包括合金600及690)形成之組件12、14及20描述本發明，但應理解本發明亦包括各種其他合金(其顯著實例包括低合金鋼及不鏽鋼)之焊接。後者之實例包括沃斯田(austenitic)300系列不鏽鋼。
根據本發明之一較佳態樣，焊件16及22係自由鎳基焊接填料合金形成之焊接消耗品形成，且定製該合金之化學性質以顯示增強的可焊接性並提高焊件16及22之抗腐蝕性及抗破裂性。本文所使用之焊接消耗品係指電極、金屬絲、粉末及在焊接製程期間可用於製造焊件16及22之各種其他合金形式。尤其顯著的焊接技術包括氣體保護鎢極電弧焊(GTAW)、氣體保護金屬極電弧焊(GMAW)、遮蔽型金屬電弧焊(SMAW)、雷射焊接、電子束焊接及超音波焊接。儘管焊件16及22係分別表示為對接接頭及焊接覆蓋層，但應理解該合金及焊接技術可用於形成各種其他類型的焊件，且亦可用於形成填充空腔之焊件，形成包覆或堆積材料，及修理可存在於組件表面之各種其他類型的缺陷。
通常，調配用於形成焊件16及22之鎳基焊接填料合金以使其具有類似於待焊接組件12、14及20之合金的物理及機械性質。就此而言，本發明之焊接填料合金與先前技術焊接填料合金(例如先前用於焊接NiCrFe合金(例如合金600及690)、不鏽鋼及低合金鋼之合金52、82、132、152及182)一樣包含鎳、鉻及鐵。然而，本發明焊接填料合金就其鉻及鐵含量、及有意添加之顯著量鉬及氮而言係顯著不同。該合金之一般、較佳及標準化學性質係匯總於下表1中。除列出之成分外，該合金可另外包含偶發雜質，但該等雜質較佳係不超過該合金的約0.5重量%。
該焊接填料合金中之鉻之合金量係根據提高於熱水中之抗應力腐蝕裂紋性之需求來選擇。該焊接填料合金中之鉻含量係明顯高於合金182及82，以提供改良的抗應力腐蝕裂紋性(SCC)。圖3顯示若干鎳基合金中鉻對SCC蔓延速率的影響。自圖3明顯可知：當合金中的鉻含量增加時，裂紋生長速率降低。就本發明焊接填料合金中之鉻濃度而言，預期該SCC生長速率與合金52相似，但顯著低於合金182及82。引導本發明之研究顯示：當合金中之鉻含量增加時，裂紋生長速率降低，此相當於抗應力腐蝕裂紋性增強。如下所論述，該焊接填料合金相較於合金52亦顯示改良之可焊接性。
此外，該焊接填料合金包含有意添加之含量遠超過合金52、82、132、152及182中者之鉬，且亦包含有意添加之氮。選擇添加鉬以提高該合金之可焊接性。鉬藉由與合金中之碳反應促進碳化鉬之形成，以減少可與鉻反應生成碳化鉻之碳含量，碳化鉻係失延裂紋(DDC)之主要原因。如相關技術中已知，失延裂紋係合金可焊接性之量度。添加鉬亦提高該合金在高溫水中之抗腐蝕性。保持鉬之最大含量為3，以避免固化裂紋。
最後，根據不同原因選擇該合金中其餘成分之含量，且特定言之為鐵、鈮、碳、錳、矽、氮、磷及硫之含量。保持較低的鐵含量(小於合金52)以藉由減小形成Laves相及M23C6碳化物之可能性提高可焊接性。Laves相係脆性且係固化裂紋的主要原因之一。該焊接填料合金與合金82(其具有良好的可焊接性)具有相似的鈮含量。合金52不含鈮且顯示較差的可焊接性。因此，添加鈮係藉由促進代替碳化鉻之碳化鈮之形成提高可焊接性。碳含量(不多於0.03%)比合金182低。據信需要較低的碳含量以避免(例如)焊接期間之敏化作用。據信添加錳係有利，因為其藉由增加熔池之流動性提高可焊接性。該焊接填料合金中所包含之低含量矽抑制Laves相之形成及固化裂紋之發生。儘管氮在鎳合金中之溶解度有限，但指定有限量之氮將提高可焊接性。應保持較低的磷及硫含量，以減少焊接期間之熱裂紋。
鑒於上述內容，預期由本發明焊接填料合金形成之焊件在使用該合金作為焊接消耗品之製造、修理及覆蓋製程期間顯示極佳的可焊接性，且預期當焊接組件經受腐蝕及高溫時(如在輕水反應器組件接觸高溫(例如290℃或更高)冷卻水之情況下)，所得之焊件顯示抗破裂性。因此，本發明之技術優點係可實現由低合金鋼、不鏽鋼及鎳基合金，及特定言之NiCrFe合金(例如用於核電廠之合金600及690)形成之焊接結構之整體性能的改善。商業優點包括可能的成本降低及使核電廠關閉期間之修理與更換最少。
儘管已就一較佳實施例描述本發明，但應瞭解熟習此項技術者可採用其他形式。因此，本發明之範疇係僅受以下申請專利範圍限制。
10．．．結構
12．．．組件
14．．．組件
16．．．焊件
18．．．結構
20．．．組件
22．．．焊件
圖1示意性地呈現一藉由使用本發明鎳基焊接填料合金將兩個組件焊接在一起所形成之結構的部分；
圖2示意性地呈現一藉由使用本發明鎳基焊接填料合金焊接覆蓋一組件所形成之結構的部分；及
圖3係包含顯示在若干鎳基合金中鉻含量對應力腐蝕裂紋(SCC)蔓延速率之影響的數據之圖表。
(無元件符號說明)

Claims (19)

  1. 一種鎳基合金，其係由以下組成：26至約30重量%鉻；2至約4重量%鐵；2至約4重量%錳；2至約3重量%鈮；1至約3重量%鉬；不多於0.6重量%鈦；不多於0.03重量%碳；不多於0.05重量%氮；不多於0.6重量%鋁；不多於0.5重量%矽；不多於0.02重量%磷；不多於0.01重量%硫；及其餘部分為鎳及偶發雜質；其中該合金不含銅。
  2. 如請求項1之合金，其中該鉻含量係約27至約29重量%。
  3. 如請求項1之合金，其中該鉻含量係約28重量%。
  4. 如請求項1之合金，其中該鐵含量係約2.5至約3.5重量%。
  5. 如請求項1之合金，其中該錳含量係約2.5至約3.5重量%。
  6. 如請求項1之合金，其中該鈮含量係約2.0至約2.5重量%。
  7. 如請求項1之合金，其中該鉬含量係約1.9至約2.2重量%。
  8. 如請求項1之合金，其中該鈦含量係約0.2至約0.5重量%。
  9. 如請求項1之合金，其中該碳含量係不多於0.025重量%。
  10. 如請求項1之合金，其中該氮含量係約0.02至約0.03重量%。
  11. 如請求項1之合金，其中該鋁含量係小於0.5重量%。
  12. 如請求項1之合金，其中該矽含量係不多於0.2重量%。
  13. 如請求項1之合金，其中該磷含量係小於0.01重量%。
  14. 如請求項1之合金，其中該硫含量係約0.001至約0.005重量%。
  15. 一種焊接消耗品，其係由如請求項1之合金形成。
  16. 一種使用如請求項1之合金焊接組件的方法，該方法包括利用該合金焊接該等組件，以在結構上形成焊件。
  17. 如請求項16之方法，其中該等組件係由一或多種選自由低合金鋼、不鏽鋼及鎳基合金組成之群的合金形成。
  18. 如請求項16之方法，其中該等組件係由一或多種NiCrFe合金形成。
  19. 如請求項16之方法，其中該結構接觸核電廠之冷卻水。
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