[发明专利]产生堆焊的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2005年1月25日提交的第60/647,179号，题为“具有抗失延裂纹的药皮焊条”的美国临时申请的权益，本文引入其全部内容。

发明背景

发明领域

本发明总体涉及镍、铬、铁的焊接合金，由其制造的用于生产焊件的物件，以及焊接件和生产这些焊件的方法。本发明还涉及焊条、焊丝、焊药涂剂(flux chemical coating)组合物以及焊接方法，以获得堆焊组合物，该堆焊组合物在原子能发电环境中尤其具有抗失延裂纹性能，以及具有抗一次水(primary water)应力腐蚀裂纹性能。

相关技术描述

在包括用于原子能发电设备在内的各种焊接应用中，需要提供抵抗各种裂纹现象的焊件。所述裂纹现象不但包括应力腐蚀裂纹，而且还包括热裂纹、冷裂纹以及根部裂纹。

自20世纪的后半叶就已存在商用和军用的原子能发电。在这期间，该工业用含有约30％的更高铬含量的合金取代了含有14％至15％铬的第一代NiCrFe合金。该变化是以发现能用包含该含量铬的这种类型的合金来避免核纯水(pure water)中的应力腐蚀裂纹为基础的。含约30％铬含量的NiCrFe合金现已使用了约20至25年。

在核电站里需要大量焊接和被焊接产品的原子能发电设备的具体应用是核蒸汽发生器的装配。该设备基本上是一个大的管-壳式热交换器，该热交换器可从来自一次核反应堆冷却剂的二次水(secondary water)产生蒸汽。该蒸汽发生器的关键部件是管板。该管板有时直径为15至20英寸，厚度大于一英寸，通常由高强度的低合金钢铸造而成，所述合金钢必须用具有优良的可成型性并具有抗核纯水应力腐蚀裂纹性能的NiCrFe合金进行堆焊。由于管板的尺寸，在堆焊期间所述堆焊要承受相当大的残余应力。此外，在焊接金属堆焊层(overlay)中钻孔后，其必须能够被重新焊接，所述孔接受数千个小蒸汽发生器管。这些管子必须被焊封到堆焊层的堆焊上，以构成氦气密封的焊接。这些焊接必须具有非常高的质量并且必须提供30至50年的可预测的寿命。另外，在堆焊层的堆焊和被焊接的蒸汽发生器管中，必须提供极好的抗裂性。关于对抗热裂性，也称为抗“硬化裂纹”性以及抗应力腐蚀裂纹性能的需求已通过大部分含30％铬的焊件得到解决。

除了抗热裂性和抗应力腐蚀裂纹性能以外，管子与管板的焊接需要抗根部裂纹性能。通过熔化管端和管周围的一圈堆焊层材料进行管子与管板的焊接(使用或不使用额外的焊料)，从而密封管壁和管板的孔之间的空间。这些焊接在管子与管板界面处的焊接底部有开裂倾向。由于其发生在焊接的根部，因此这种类型的裂纹被称为“根部裂纹”。含30％铬的焊接合金不具有抗根部裂纹性能。

可能遇到的第三种类型的裂纹是冷裂纹，也称为“失延裂纹”或“DDC”。该裂纹仅发生在完成焊接凝固后的固化状态。在凝固发生后，由于在较低温度下焊接合金体积的减少，收缩应力开始出现。同时，一旦凝固完成，对于几百度延展性复原迅速发生，然后延展性急剧暂时丧失，接着延展性再进一步逐步连续恢复直至到达室温。如果当合金显示出这种急剧的延展性丧失时，冷却的残余应力足够大，那么可以发生固态裂纹(DDC)。这是由于在通常温度下，不具有足以抵抗应力的强度或延展性的部分微观结构造成的。目前可商购的含有30％铬的焊接合金不能充分抵抗DDC。

在过去十年间，在用于核工业的单相奥氏体镍-铬-铁合金和焊接产品中，失延裂纹(DDC)/冷裂纹已成为引起人们关注的主题。科学界已经意识到含约30％Cr的NiCrFe合金具有抗核环境中的一次水应力腐蚀裂纹(PWSCC)的性能。然而，较高的Cr水平，以及减少的Nb，趋于得到沿长直的树枝状结晶边界取向附生凝固的堆焊。当经受较高应变和升高的温度时，这些边界尤其易于产生DDC。这些现象在含30％铬的镍合金中似乎更为普遍，所述镍合金例如因科内尔合金690和AWS级NiCrFe-7的焊接产品。因科内尔焊料52M和焊带52M(AWS级NiCrFe-7A-UNS3N06054)的发明已经解决了DDC裂纹的倾向性。美国专利第6,242,113号公开的本发明人的发明包括了这些产品，在此将其全部内容引入作为参考。本申请具体解决了在药皮焊条中的DDC/冷裂纹。