TW583385B - Stainless steel pipe and its joining method - Google Patents
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Description
5786 pif 1 玖、發明說明： 發明領域 本發明是有關於一種不鏽鋼配管及其接合方法，且特別是 有關於一種伴隨著與流通管內壁接觸的同時，極端避免氧化物 等不純物混入的不鏽鋼配管及其接合方法，應用在製造半導體 所使用的半導體製造裝置’以及供給氣體所使用之配管。 習知技藝 在半導體製造設備中，或是在將半導體製造用的材料氣體 供給至該半導體製造設備時所使用的配管中，因爲所使用的氣 體其腐蝕性強等因素’接觸這些氣體的設備或配管，大多使用 耐蝕性高的不鏽鋼。然而’在考慮到將這些不鏽鋼配管以特定 之長度接續並配備的情形下之接合焊接時，一般多使用惰性氣 體保護鎢極電弧焊接法（tungsten-inert-gas arc welding，TIG)。 且，若考慮半導體製造設備或附設於其上的氣體等之供給配 管，在這些氣體等流通的流路配管內’不希望存在有稱爲空艙 (dead space)之不必要的且多餘的死角空間出現。 即，若配管內一存在空艙，則該空艙中將有粒子等微小的 粉塵堆積，此堆積的粒子將引發程度不等的衝擊，並伴隨著流 通的氣體排出。 又，若供給腐蝕性氣體的配管一存在空艙，則要除去存在 於該空艙內的水份將變得困難，且這些水份會溶解腐蝕性氣 體，使誘發隙間腐蝕變得容易。而一但產生隙間腐蝕，金屬腐 5786 pif 1 蝕生成物將由內壁剝離，此剝離的腐蝕生成物將成爲不純物而 污染氣體。 然而，上述之空艙，多是在配管或設備的加工製造時，且， 特別是在接續焊接加工時所形成。例如，在不繡鋼配管的接續 焊接部產生溶混不足的情況下，此不繡鋼配管的焊接部內壁面 將殘存有未焊接之圓切面對圓切面接合部份，而此微小間隙將 形成空艙。因此，爲使焊接用的熔融金屬能到達焊接部的內壁 面，施行完全溶混的焊接是必要的。 但是，若熔融金屬到達不鏽鋼配管焊接部之內壁面，由熔 融金屬產生，被稱爲煙霧（fume)的極微細金屬顆粒將於管內發 生，作爲污染流通氣體的污染源。因此，雖然希望使用不純物 含有量少的高價不鏽鋼配管，卻總是無法避免煙霧的形成。 若更進一步地描述，施行完全溶混焊接的接合部，將因爲 耐蝕性低之熔融金屬與熱影響部的存在，在此範圍中亦可能發 生腐蝕的問題。 發明所欲解決之課顆 因此本發明根據上述情況，提供不鏽鋼配管，其管之焊接 接合部的管內壁面不會產生空艙，且焊接接合部的管內，可穫 得來自基於煙霧之金屬微粒子的污染極端地少之不鏽鋼配 管’不但可供給無不純物污染之供給氣體，亦可提供管之接合 部耐蝕性極端良好的不鏽鋼配管。本發明之課題即在提供穫得 5786 pifl 此不鏽鋼配管的接合方法。 解決課顆; 本發明爲了解決課題，須將上述之不方便與問題關鍵解 決。 與申請專利範圍第1項有關的發明是以圓切面對圓切面 焊接接合的不鏽鋼配管，此不鏽鋼配管的接合部，是由不鏽鋼 配管之圓切面對圓切面接合部的外壁面部側接合部溶混接 合’與不鏽鋼配管之圓切面對圓切面接合部的內壁面部側接合 部於未熔融狀態固相接合而成，此不鏽鋼配管之特徵爲部份溶 混並以圓切面對圓切面的方式焊接。 與申請專利範圍第2項有關的發明是管壁之厚度大於1毫 米的不鏽鋼配管，此不鏽鋼配管未熔融之固相接合部份的長度 ts ’是由接合部之管內壁面爲基準並往外壁計算，大小約爲0 < ts S 0·7(毫米）。 而與申請專利範圍第3項有關的發明是管壁之厚度小於1 毫米的不鏽鋼配管，此不鏽鋼配管未熔融之固相接合部份的長 度ts，是由接合部之管內壁面爲基準並往外壁計算，若管壁之 厚度爲t，則ts的大小約爲0<ts$0.7t(毫米）。 且，與申請專利範圍第4項有關的發明是一種不鏽鋼配管 之接合方法，將必須接合之不鏽鋼配管的圓切面接合部以圓切 面對圓切面的方式接合，此不鏽鋼配管是在管內充滿背屏氣體 5786 pif 1 (back shield gas)，或是在真空環境下焊接，此不鏽鋼配管的圓 切面接合部其內壁面部側接合部是以未熔融部份的型態殘 存，並從管外壁面溶混而以圓切面對圓切面的方式焊接，再將 前述未熔融部份形成固相接合部。 與申請專利範圍第5項有關的發明是一種不鏽鋼配管之 接合方法，該不鏽鋼配管在充滿背屏氣體或在真空環境下所使 用之氧化性氣體含量小於lOppm。 爲讓本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下 文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1圖繪示本發明不鏽鋼配管沿接合部的管軸方向橫切 之擴大部份剖面圖； 第2圖繪示本發明不鏽鋼配管沿接合部之徑向方向橫切 之剖面模型圖； 第3圖繪示伸張強度T對熔混深度tw之變化關係圖；以 及 第4圖繪示伸張強度T對背屏氣體中氧氣濃度之關係圖。 圖式之標記說明： 1 :配管接合部 2:管之圓切面對圓切面接合部 2a:外壁面部側接合部(熔混圓切面對圓切面接合部） 5786 pifl 2b :內壁面部側接合部（未熔融圓切面對圓切面接合部） 3 :管之外壁面 4 :管之內壁面 W:熔混接合部 5 :固相接合部 t:管壁壁厚 tw :熔混接合部的熔混深度 ts :未熔融圓切面對圓切面接合部之深度 發明之實施形胤 關於本發明不鏽鋼配管的實施形態，是參照第1圖與第2 圖作如下說明。第1圖是爲了說明本發明不鏽鋼配管的接合 部，沿接合部的管軸方向橫切之部份擴大剖面圖。第2圖同樣 地，是爲了說明本發明不鏽鋼配管的接合部，沿接合部之徑向 方向橫切之剖面模型圖。 本發明不鏽鋼配管，是以圓切面對圓切面的方式焊接接合 的不鏽鋼配管，配管之接合部1，是由管的圓切面對圓切面接 合部2之外壁面部側接合部(溶混圓切面對圓切面接合部)2a佔 有溶混深度tw之溶混接合部W，以及內壁面部側接合部（未熔 融之圓切面對圓切面接合部)2b在未熔融狀態下壓接時未熔融 深度爲ts之固相接合部S所形成。作爲以所謂部份溶混並以圓 切面對圓切面的方式焊接爲特徵的不鏽鋼配管，配管之內壁面 5786 pifl 4將不會形成空艙，亦不會生成煙霧，是一緊密接合的不鏽鋼 配管。 然而，特別是在接合之配管其管壁厚度大於1毫米的情況 下，先以弧光(arc)由外壁面3向內壁面4照射，將配管之圓切 面對圓切面接合部熔融後焊接。前述內壁面部側接合部（未熔融 之圓切面對圓切面接合部）2b之未熔融部的深度ts，是由圓切 面對圓切面接合部2之管內壁面4爲基準向外壁面3起算，約 0< ts€0.7(mm);且外壁面部側接合部（溶混圓切面對圓切面接 合部）2a是由外壁面3爲基準向內壁面4起算的溶混深度tw， 約爲〇.3€tw<l(mm)。如此溶混焊接形成之圓切面對圓切面接 合部2之內壁面4將不會形成空艙，且能獲得管之內壁面部側 接合部2b中不會生成煙霧而包括形成壓接固相接合部S之不 鏽鋼配管。 且，在接合之配管其管壁厚度小於1毫米的情況下，前述 內壁面部側接合部（未熔融之圓切面對圓切面接合部）2b之未熔 融部的深度ts，是由圓切面對圓切面接合部2之管內壁面4爲 基準向外壁面3起算，若管壁厚度爲t，則0< ts$0.7t(mm); 且外壁面部側接合部（溶混圓切面對圓切面接合部）2a由外壁面 3爲基準向內壁面4起算的溶混深度tw，約爲0.3t$tw<t(mm)。 如此溶混焊接形成之圓切面對圓切面接合部2之內壁面4將不 會形成空艙，且能獲得管之內壁面部側接合部2b中不會生成 583385 5786 pifl 煙霧而包括形成壓接固相接合部S之不鏽鋼配管。 更進一步地，爲獲得具有上述構造之不鏽鋼配管，其管之 接合方法如下：首先’對不鏽鋼配管施行圓切面對圓切面之焊 接，將應接合之不鏽鋼配管其圓切面對圓切面接合部2以圓切 面對圓切面的方式對齊，並於配管內充滿背屏氣體，或於真空 環境下焊接，管之圓切面對圓切面接合部2之內壁面部側接合 部2b是以未熔融圓切面對圓切面接合部的形式殘存，管之外 壁面部側接合部2a是以溶混圓切面對圓切面接合部的形式焊 · 接，將前述未熔融部份2b以固相接合S密接的方式接合。且， 應接合之不鏽鋼配管，其圓切面對圓切面接合部的表面粗糙程 度若約在30微米以下，則爲一理想的接合。 即，此固相接合部S，是伴隨著焊接金屬之熔融池其凝固 時的收縮，根據配管方向的作用應力，將熔融池內未熔融之兩 圓切面對圓切面接合部2b壓接在一起。且更進一步地，根據 焊接金屬所產生之熱傳導，爲了使未熔融之兩圓切面對圓切面 鲁 接合部2b升溫，將未熔融之兩圓切面對圓切面接合部2b保持 在固相而接合，即，於配管之接合部內壁面不產生空艙的密接 狀態下接合。 有關配管的焊接，是藉著弧光焊接、電子光束焊接、以及 雷射焊接，以沿著圓切面對圓切面接合部2之周壁一次或一次 以上的方式焊接，一邊保持熔融之金屬部份其熔混圓切面對圓 11 583385 5786 pif 1 切面接合部2a(W)的深度(tw)，一邊使投入總熱量增加，並根據 未熔融狀態，增加圓切面對圓切面接合部2b之加熱保持時間， 由該未熔融圓切面對圓切面接合部2b確實形成一層固相接合 部S。 且，上述熔混圓切面對圓切面焊接，是隨管壁的厚度而有 所不同，使得焊接速度在600mm/min以下，較理想的範圍是 50〜300mm/min。於焊接速度在600mm/min以上的快速焊接下， 爲使圓切面對圓切面接合部1的溫度保持時間縮短，未熔融接 φ 合部2b的加熱將變得不充分，無法獲得滿意的固相接合部S。 另一方面，若是在50mm/min以下的焊接速度下，爲了施行可 形成所希望之未熔融固相接合部S的熔混圓切面對圓切面焊 接，將使得焊接在極度低電流的條件下進行，而無法穩定地進 行。若不論焊接條件，皆使圓切面對圓切面接合部2之焊接熔 融金屬到達管內壁面4，則在一般圓切面對圓切面焊接的情況 下，無法完成可形成所希望之未熔融固相接合部S的熔混焊接。鲁 又，關於接合作業，須進行焊接的不鏽鋼配管，是在背屏 氣體環境中，或是在真空環境下焊接。若配管內存在含有氧氣 的空氣或氧化性氣體，形成固相接合部S的圓切面對圓切面接 合部2b中，將形成厚的酸化皮膜，而無法形成良好的固相接 合部S。適當的氧化性氣體含有量是在10Ppm以下。 然而，上述所稱之背屏氣體，是選自由氬氣、氮氣、以及 12 583385 5786 pif 1 氦氣所組成族群中之元素，亦可在其中添加氫氣而適當地使 用。 若要將須接合之不鏽鋼配管其圓切面對圓切面接合部2 之表面粗度Ry限制在30//m以下，則須施行部分熔混之圓切 面對圓切面焊接。若將此圓切面對圓切面接合部2之粗度Ry 限制在30// m以上之粗度，則兩圓切面對圓切面接合部無法密 接，成爲空隙、空洞等發生的原因。且，圓切面對圓切面接合 部2之表面粗度Ry若在30// m以下，可獲得極端良好的固相 _ 接合部S。 本發明根據上述條件，施行部分熔混圓切面對圓切面焊 接，因爲高溫的焊接熔融金屬無法到達配管的內壁面4，可大 幅降低被稱爲煙霧的極微粒金屬粒子的產生。 且，因爲圓切面對圓切面接合部2其內壁面4側之接合部 2b的溫度可以控制在較完全熔混圓切面對圓切面焊接低的溫 度下，所以根據熱影響，耐蝕性的劣化範圍將極端地縮小。或 _ 者，由於耐蝕性低之焊接熔融金屬無法到達配管的內壁面4， 可以作爲耐蝕性佳的不鏽鋼配管。 更進一步地，由於入熱量小，殘留應力可抑制在較低的範 圍，使引起應力腐蝕裂痕的危險性降低，並且，可抑制焊接所 產生的角變形在較低的範圍。 第一實施例 13 5786 pifl 以下，爲了確立本發明不鏽鋼配管之特徵，使管的內壁面 4側之未熔融圓切面對圓切面接合部2b形成固相接合部S的狀 態，進行以下的實驗。 ⑴特定由外壁面3起算之熔混圓切面對圓切面接合部2a 之溶混ί朵度tw(mm)(貫驗1)。 (ii) 特定焊接速度（實驗2)。 (iii) 特定焊接環境(實驗3)。 (iv) 特定圓切面對圓切面接合部2之表面粗度Ry (實驗4)。 實驗中所使用的共同焊接機器、焊接條件、以及試驗用配 管等之各部份原始規格如下： 【焊接機器】 。自動焊接機：ARC Machine Co· Inc·製 model 207 。焊接頭：ARC Machine Co· Inc.製 model 750 。電源：附設脈衝振動器，脈衝發生時間：0.1/0.1秒 【焊接條件】 。弧長（標準電壓）：0.8mm(8V) 。焊接速度：120mm/min 。焊接起始位置及運彳了：於3點鐘方向起始，以橫向 向下焊接 。背屏氣體：急氣4L/min 。屏蔽(shield)氣體：氣 10L/min 14 583385 5786 pif 1 。焊接前後的淨化(purge)時間：30秒以上 【試驗用配管】 。材質：不鏽鋼SUS 316 L 。外徑：9.53mm( 3/8 inch ) 。壁厚：1mm (實驗一） 由上述壁厚1mm、外徑9.53mm之SUS 316 L不鏽鋼配管 所備製的試驗用配管，分成編號N〇l〜N〇8之8個樣品。並各別 · 將這些樣品達到所希望的熔混深度twmm，以表1所列的各層 次之焊接電流値進行焊接。 且，作爲在熔混圓切面對圓切面焊接中所使用的焊接法， 可以由惰性氣體保護鎢極電弧焊接法等弧光焊接法、電子光束 焊接法、以及雷射焊接法等之焊接法中’選用適宜且適當的焊 接法來使用。 然而，根據這些焊接法的焊接，是如第2圖所示，將配管 · 應焊接的圓切面對圓切面接合部2的剖面區分開來，根據所在 的位置，適當地調節焊接電流以施行焊接。亦即，將管之中心 作爲原點，根據(χ-χ，)軸、（γ-γ，)軸區分爲4個象限，其中第1 象限作爲層次①、第2象限作爲層次④、第3象限作爲層次③、 第4象限作爲層次②。（x-x，)軸將配管接合部1的剖面橫切， 以表示3點鐘方向的位置作爲起始點而開始焊接，沿者管外壁 15 583385 5786 pifl 面3之周面，以順時針方向移動，根據層次②-層次③-層次④-層次①-層次②的順序，以弧光或光束等一邊照射一邊移動，此 時，在前述各層次中，須適當地調整適宜之焊接電流以進行焊 表1 樣品 N0.1 NO.2 NO.3 NO.4 NO.5 NO.6 NO.7 NO.8 層次1 17/11 18/11 19/12 21/13 23/14 25/15 25/16 25/1 6 層次2 16/11 17/11 18/12 20/13 22/14 24/15 24/16 25/1 6 層次3 13/11 14/11 16/12 18/13 20/14 22/15 22/16 22/1 6 層次4 12/11 13/11 14/12 16/13 18/14 20/15 20/16 21/1 6 平均熔混深 度 tw(mm) 0.11 0.20 0.30 0.37 0.49 0.70 0.75 1.00 未熔融固相 接合部 ts(mm) 0.89 0.80 0.70 0.63 0.51 0.30 0.25 0 接著，根據如此獲得的各熔混深度tw的差異，進行確認 伸張強度τ之變化的試驗。 16 583385 5786 pifl 伸張試驗是將長度爲700mm的試驗片以圓切面對圓切面 接合部爲中心，在間隔維持45mm的攫取端中保持兩端，並將 金屬芯以保持20mm的間隔插入。接著，以伸張試驗機（島津製 作所股份有限公司製AG-5000D)進彳了試驗。由於使用5噸的負 載傳感器(load cell) ’伸張速度爲20mm/min。 試驗的結果，以第3圖伸張強度T(kgf/mm2)對熔混深度tw 變化的圖形來表示。 正如第3圖的圖形所示，若平均熔混深度是〇.3mm(使用 _ 配管之管壁厚度的30%)，伸張強度T將超過50 kgf/mm2而達 到約54 kgf/mm2之値。然而，若平均熔混深度tw是在0.3mm 以上，伸張強度T將不會增加，而是與熔混深度tw爲1.0mm(使 用配管之管壁厚度的100%)的完全熔混接合狀態具有同樣的伸 張強度T。且，此伸張強度T之値大於JIS G3459「配管用不鏽 鋼管」所規定的伸張強度，其値爲480N/ mm2(48.98 kgf/mm2)。 由此結果觀之，若欲形成平均熔混深度tw爲0.3mm(使用 _ 配管之管壁厚度的30%)以上的圓切面對圓切面接合部2a，可 以確認的是，將獲得與完全熔混接合具有同樣伸張強度T的固 相接合配管。亦即，若形成圓切面對圓切面接合部2之內壁面 部側接合部其未熔融圓切面對圓切面接合部2b的深度ts在 0.7mm(使用配管之管壁厚度t的70%)以下，可以確認此焊接是 適當的。 17 583385 5786 pifl (實驗二） 接著，爲了能獲得滿意固相接合部S，以下進行確認適當 熔接速度的實驗。 此實驗是使用上述共通外徑爲9.53mm、壁厚爲1mm之試 驗用配管，焊接速度可以在15mm/min、120mm/min、以及 600mm/min之3種速度間變化，爲了使各試驗用配管的熔混深 度tw爲0.3mm，將如表2所示調整焊接電流，並以高純度的氬 氣作爲背屏氣體，施行部份熔混焊接，將如此獲得的接合部進 行伸張試驗。且，此伸張試驗是如同實驗一所述的方法進行。 實驗的結果如表2所示。 表2 焊接速度 15 120 600 (mm/min) 平均焊接電流 10 14 50 (A) 伸張強度 53.7 53.6 52.9 (kgf/mm2) 如同表2所示，不論何者的焊接速度’只須根據焊接速度 適當的調節焊接電流，即可滿意地得到具有合適伸張強度 480N/ mm2(48.98 kgf/mm2)以上之熔混深度〇.3mm，即固相接合 部0.7mm，的圓切面對圓切面接合配管。但是，若考慮焊接速 18 5786 pifl 度爲600mm/min的焊接，其伸張強度較其他焊接速度所得到的 伸張強度略差。 這是因爲當焊接速度快時，固相接合部的溫度保持時間縮 短的緣故。 (實驗三） 接著，是關於焊接時充滿於環境中之背屏氣體所造成之影 響的實驗。本實驗使用上述共通外徑9.53mm、管壁壁厚imm 之試驗用配管，並以高純度氬氣作爲背屏氣體，且，在此高純 度氬氣中添加氧氣，使氧氣的濃度在10%〜l〇ppm間變化。在 包含這些氧氣濃度的氬氣環境下，爲使熔混深度tw成爲 0.3mm，以焊接速度120mm/min施行圓切面對圓切面焊接。又， 所獲得之配管的伸張強度，以與實驗1相同的方法來試驗，其 結果以第4圖所繪示之伸張強度T對背屏氣體中的氧氣濃度關 係圖來表不。 如弟4圖所不’若含有之氧氣濃度大於iQppm (0.001%)， 伸張強度T的値將小於49 kgf/mm2，所以，若要得到大於JIS 所規定之伸張強度T之値，480N/ mm2(48.98 kgf/mm2)，必須將 氧氣濃度抑制在10ppm(0.001%)以下。 且，在檢查接合部的斷面時，若考慮以含有氧氣濃度高於 1%以上之氬氣作爲背屏氣體而焊接的試驗用配管，其斷面將全 部被氧化；但，若考慮以含有氧氣濃度在1〇ρριη(〇.〇01%)以上， 19 5786 pif 1 1%以下之氬氣作爲背屏氣體的焊接步驟，可以證實有些部份氧 化而使配管無法接合。 還原性熱體（氬氣+7容量％氫氣）可以替代前述局純度急 氣，或是惰性氣體之氮氣亦可作爲背屏氣體，以下根據這些氣 體所含有之氧氣濃度，同樣地對其影響作試驗。試驗的結果與 使用上述局純度氬氣時的結果相同。 如上所述，背屏氣體中之氧氣或氧化性氣體的含量必須抑 制在lOppm以下。 (實驗四） 且，爲了獲得所須要的固相接合部S，在此證實位於配管 接合部1之圓切面對圓切面接合部2其表面粗度之影響，本實 驗是使用上述共通外徑9.53mm、管壁壁厚1mm之試驗用配 管，使接合部2的表面粗度Ry變化，隨後，將這些具有不同表 面粗度的配管置於作爲背屏氣體的高純度氬氣中，並使熔混深 度tw維持在〇.3mm，以120mm/min的焊接速度施行圓切面對 圓切面接合。接著，將如此獲得’以各種表面粗度進行接合的 試驗用配管，進行如同實驗1所述之伸張強度試驗。試驗結果 以表3來表不表面粗度Ry之差異㈣伸張強度T之變化。 表3 表面粗度Ry(# 52 38 29 20 3 m) 20 583385 5786 pifi 伸張強度 21 43 51 54 52 (kgf/mm2) 如同表3所示，隨著表面粗度變小，伸張強度將變大， 若要獲得JIS所規定之伸張強度値480N/ mm2(48.98 kgf/mm2)，可以證實，須使用表面粗度心爲30//m以下之平 滑面。 其次，爲了證實本發明不鏽鋼配管的性能，將依據由實驗 1至實驗4所獲得之結果，使用外徑9.53mm (3/8inch)、管壁壁 厚1mm之不鏽鋼配管（SUS 316 L)，先將圓切面對圓切面接合 部2由外壁面3熔融，使熔混深度tw爲0.3mm，形成圓切面對 圓切面接合部（W)，並形成未熔融深度ts爲0.7mm之固相接合 部（S)。本發明不鏽鋼配管將以實施例來製作。 接著，進行（1)焊接部剖面觀察、（2)伸張試驗、（3)彎曲試 驗、（4)粒子發生量測定、以及（5)腐蝕試驗。 且，爲了明確得知上述性能，將以比較例與實施例作比 較，使用與實施例相同的不鏽鋼配管作爲試驗用配管，以習知 完全熔混之焊接方法製作接合之不鏽鋼配管，之後，施行上述 各實驗與外觀檢查，將實施例之不鏽鋼配管與比較例之不鏽鋼 配管的性能試驗結果作比較。 第二實施例 本發明之不鏽鋼配管將於下述焊接條件下製作。 21 583385 5786 pif 1 【焊接條件】 。弧長(標準電壓）：〇.8mm(8V) 。焊接速度：120mm/min 。焊接起始位置及運行：於3點鐘方向起始，以橫向 向下焊接 。背屏氣體：高純度氣4L/min 。屏蔽氣體：筒純度贏氣l〇L/min 。焊接前後的淨化時間：30秒以上 。圓切面對圓切面接合部2的表面粗度： 平均粗度(Ryav) 〇.29//m 最大粗度(Rymax) 0.31 // m 。焊接機器：使用與上述實驗相同的自動焊接機 。電源：附設脈衝振動器，脈衝發生時間：0.1/0.1秒 關於焊接，是如第2圖所示，以圓切面對圓切面接合部2 的3點鐘方向爲起始位置，橫向向下進行焊接，各層次的焊接 電流與焊接時間將如表4所列之値來調整。 表4 本發明之焊 層次 層次 層次 層次 接法 ① ② ③ ④ 焊接電流(A) 19/12 18/12 15/12 14/12 焊接時間 5.5 3.7 3.7 5.0 22 583385 5786 pif 1 (秒） (比較例） 使用與實施例相同的不鏽鋼配管作爲試驗用配管，以習知 完全熔混焊接法製作接合之不鏽鋼配管。
本比較例之熔接條件與上述實施例之熔接條件相同，爲使 根據完全熔混焊接所形成的內圏(bead)幅度爲2mm，將根據表 5所示之値調節各層次之焊接電流與焊接時間。 表5 完全熔混焊 層次 層次 層次 層次 接法 ① ② ③ ④ 焊接電流(A) 31/17 30/17 25/17 24/17 焊接時間 5.5 3.7 3.7 5.0 (秒） (性能試驗) 將上述實施例獲得之本發明部分熔混圓切面對圓切面焊 接接合之不鏽鋼配管與根據習知技藝施行之完全熔混圓切面 對圓切面焊接接合之不鏽鋼配管兩者之性能，以如下之試驗作 比較。 (1) 焊接部剖面觀查 將根據本發明熔混深度爲0.3mm之部分熔混圓切面對圓 23 5786 pif 1 切面焊接方法所獲得之不鏽鋼配管’沿著圓切面對圓切面接合 部1的管軸橫切，觀察圓切面對圓切面接合部1的組織。結果’ 管內壁面4側之未熔融圓切面對圓切面接合部2b(虛線之內壁 面4側)有結晶粒貫通全管，而兩未熔融圓切面對圓切面接合部 2b可以固相接合。 (2) 伸張試驗 將上述實施例中根據本發明部分溶混圓切面通圓切面焊 接所接合的不鏽鋼配管，與比較例中根據習知技藝施行之完全 熔混圓切面對圓切面焊接所接合之不鏽鋼配管’作實驗要領如 下之伸張試驗。 (伸張試驗要領） 。試驗片長：7〇〇mm 。攫取端部分間隔：45mm 。金屬芯插入間隔：2〇mm 。伸張速度：20mm/min 。負載傳感器：5噸 島津製作所股份有限公司製AG-5000D是所使用之伸張 試驗機，並製作3種樣品來作試驗。其結果如附有基材伸張強 度之表6所示。 表 6 (單位：kgf/mm2) 24 5786 pif 1 基材 本發明焊接法（實 施例） 完全熔混焊接法（比 較例） 伸張強度平 均値 54.3 53.6 53.7 伸張強度最 大値 54.4 54.4 54.0 伸張長度最 小値 54.1 52.1 53.4 583385 如同表6所示，本發明實施例製作之依據部分熔混圓切面 對圓切面焊接所接合的不鏽鋼配管，其伸張強度爲52.1至54_4 kgf/mm2,較基材伸張強度的範圍，54·1至54.3 kgf/mm2,略差。 比較例中根據習知技藝施行之完全熔混圓切面對圓切面焊接 所接合之不鏽鋼配管，其伸張強度爲53.4至54.4 kgf/mm2，與 本發明相若。以上伸張強度之値皆超過JIS所規定之480N/ mm2(48.98 kgf/mm2)，爲可充分使用之合適的數値。 且，在上述伸張實驗中’令負荷過重’使圓切面對圓切面 接合部斷裂，並將此斷裂面以掃瞄式電子顯微鏡觀察。殘存之 坡口加工面(prepared edge)(未熔融圓切面對圓切面接合部2a) 會被波紋(dimple)覆蓋，且根據焊接時的熱傳導使接合部2升 溫。伴隨著升溫，接合部2之熱膨脹與熔融池凝固時之收縮應 力會相互纏結，爲圓切面對圓切面接合部2之未熔融圓切面對 25 583385 5786 pif 1 圓切面接合部2b壓接形成固相接合部的狀態。更進一步地， 圓切面對圓切面接合部2之未熔融圓切面對圓切面接合部2b 其管斷裂時，切削的痕跡會消失，兩未熔融之圓切面對圓切面 接合部2b可以百分之百固相接合。 由於比較例的不鏽鋼配管是以習知的方法焊接，其檢查只 是確認是否爲外觀適切之完全熔混圓切面對圓切面焊接。 (3) 彎曲試驗 更進一步地，將實施例中所製作藉由本發明部分熔混圓切 面對圓切面焊接所形成的不鏽鋼配管其接合部的管壁以管軸 方向細長狀地切斷(約1/4周），並以外壁面3側的熔混圓切面 對圓切面接合部2a爲支點，向外側彎曲約180度，且將未熔融 的圓切面對圓切面接合部2b施加使其開口的外力。且，雖然 進行此實驗，未熔融的圓切面對圓切面接合部2b沒有剝離現 象，亦不會形成開口，可以證實未熔融的圓切面對圓切面接合 部2b會形成強固的固相接合部。 (4) 粒子發生量測定 以下，在實施例中以本發明部分熔混圓切面對圓切面焊接 接合的焊接情況下，將關於比較例中習知完全熔混圓切面對圓 切面焊接接合的焊接之種種，以表7所示之實驗要領，使用粒 子計數器，測定焊接煙霧產生量與各焊接時間內管內所流動氣 體中之粒子含量。 26 5786 pifl 表7 粒子計數器 ΚΑΝΟΜΑΧ 製 UCPC-2010 最大測定粒徑 3nm 最大測定規格 100000 個/cm2 測定方法 等速吸引法 擴散管內徑 7.53mm 吸引管內徑 約 1.7mm 背屏氣體流量 11.7L/min 吸引量 1.5L/min 如上所示，以平常條件進行的圓切面對圓切面焊接，是在 管壁焊接1周的情況下，此時，粒子將大量產生，而使粒子言十 數器溢位(count over)。所以，在只焊接管周壁1/4周時即施行 測定，並使背屏氣體流量增加至27L/min，最後，於量測結束 後施行換算而求得粒子個數。 在實施例中以本發明部分熔混圓切面對圓切面焊接而接 合的焊接情形下，其量測結果是3次試驗粒子數的平均値，爲 8.128 個/cm2。 另一方面，在比較例中以習知完全熔混圓切面對圓切面焊 接接合的焊接情況下，3次試驗中粒子個數的平均値爲208.569 個/cm2。亦即，根據本發明部分熔混焊接而接合之粒子發生量， 27 5786 pif 1 激減至根據習知技藝完全混焊接而接合之粒子發生量的4%， 因此，本發明的接合法即因此效果而顯得優異。 (5) 腐蝕試驗 接著，施行實施例中所製作本發明之不鏽鋼配管其圓切面 對圓切面接合部與比較例中以習知技藝所製作之不鏽鋼配管 其圓切面對圓切面接合部的腐蝕試驗。本試驗的要領是將各接 合部曝露在表8所示之腐蝕環境中腐蝕後，在定量評價其腐蝕 表8
腐蝕媒體 氮氣+50%氯化氫 水分濃度 lOOppm 封入壓力 1.5*105Pa 封入時間 168小時 試驗溫度 298K 對於腐蝕量的定量評價，是在曝露於表8所示之腐蝕環境 後，以5%硝酸注入腐蝕部分之內部並保持5分鐘，再採取溶 出之腐蝕生成物，對溶出之金屬成份作定量分析。 接著，作爲對照組的背景環境(background)，是將沒有施 行腐蝕試驗(沒有曝露在表8所表示的腐蝕環境）的基材，以同 樣的溶出方法採取溶出成份，並以同樣的方法作定量分析。 所要分析的元素，包括作爲不鏽鋼主成份的鉻（Cr)、鎳 28 5786 pifl (Ni) '以及鐵（Fe)，還有作爲熔融煙霧成份的錳(Μη)。 & ’作爲分析手段所使用的分析儀器，是對分析成份元素 Cr、Ni、以及Μη施行誘導結合電漿發光分析法聊屬），而 對成份元素Fe施行原子吸光分析法(AAS)。 此結果以表9表示。 表9 (單位：// g) Μη Cr Ni Fe 合計 基材 0.02 6.13 5.47 22.5 33.6 1 5 7 本發明之焊接 0.02 7.12 5.30 29.7 42.2 法 9 5 0 完全熔混焊接 1.20 11.1 14.1 63.9 90.4 法 0 7 0 3 0 由表9所示之溶出金屬含量，是以基材溶出量作爲背景環 境’實施例中以本發明部分熔混焊接法所接合之不鏽鋼配管， 由其試料片所溶出之各金屬元素溶出量’以及比較例中以習知 技藝完全熔混焊接法所接合的不鏽鋼配管，由其試料片所溶出 之各金屬元素溶出量之値，皆較基材的値爲大。這是因爲實施 例以及比較例的試料片皆經由焊接而使其表面遭受污染’煙霧 的產生以及不安定金屬表面的形成亦爲其因。 如表9所示，對於實施例中以本發明部分熔混焊接法所接 29 583385 5786 pifl 合之不鏽鋼配管，由於焊接處理，使其各金屬溶出量較基材的 各金屬溶出量多’但兩者的金屬丨谷出量並沒有很大的差異。 另一方面，比較例中以習知技藝完全熔混焊接法所接合的 不鏽鋼配管，其各金屬溶出量較基材之各金屬溶出量增加許 多，特別是由於煙霧發生量所引起之金屬元素Μη之增加，以 及起因於不安定金屬表面之形成的金屬元素Fe之增加，皆非 常顯著。 根據上文，以本發明部分熔混焊接法所接合之不鏽鋼配 管，在不論及基材的情形下，將其表面污染程度、煙霧發生程 度、以及不安定之金屬表面形成程度等，與習知技藝完全熔混 焊接法所接合之不鏽鋼配管相比較，可發現是顯著地減少，特 別是煙霧發生量減少的程度尤著。且，由於上述情事’以本發 明可形成固相接合部S之部分熔混焊接法所接合之不鏽鋼配 管，較習知技藝完全熔混焊接法所接合之不鏽鋼配管’具有顯 著增加的耐蝕性。 如上所述，將以本發明部分熔混焊接法所接合之不鏽鋼配 管之性能，與以習知技藝完全熔混焊接法所接合之不鏽鋼配管 相比較，可以發現，本發明之不鏽鋼配管，以粒子發生量降低’ 與耐蝕性增加爲其顯著之優點。且，爲了使以本發明部分溶混 焊接法所接合之不鏽鋼配管，與以習知技藝完全熔混焊接法所 接合之不鏽鋼配管同樣地不存在空艙’不會產生引起此現象之 30 583385 5786 pif 1 隙間腐蝕或供給流通氣體污染等不妥當的問題。 雖然上述實施例中是使用管之外徑爲9.53mm(3/8 inch)、 管壁壁厚爲1mm之不鏽鋼配管，本發明並不限制使用管壁較薄 的管，所以不論深度爲何的管皆能適用，特別是可以合適使用 之不鏽鋼配管。若管壁太厚，則焊接較爲困難，例如配管基本 直徑爲(nominal diameter)250A (267.4mm)、SchedulelOS(4mm) 等之管，則先形成V型、U型、或Z型坡口，並於焊接時在圓 切面對圓切面接合部間使未熔融圓切面對圓切面接合部由內 壁面部向外壁面起算之厚度在〇.7mm以下，再施行本發明部分 熔混焊接使其接合，理所當然地，即可獲得具有固相接合部之 本發明不鏽鋼配管。 在上述說明中，「配管」一詞是包括直管、彎管、以及T 型管。 發明的效果 本發明不鏽鋼配管及其接合方法，是以上述之型態實施， 並具有以下之功效。 即兩不鏽鋼配管根據圓切面對圓切面焊接以接合之時，順 利地熔融至管之內壁面部。在欲接合之管其管壁厚度大於1mm 時，則由管之內壁面部往外壁面起算，形成0mm以上、〇_7mm 以下之未熔融圓切面對圓切面接合部；或是在管壁厚度小於 1mm時，由管之內壁面部往外壁面起算，形成管壁厚度0%以 31 583385 5786 pif 1 上、70%以下之未熔融圓切面對圓切面接合部。根據部分熔混 焊接，上述未熔融圓切面對圓切面接合部，是先形成固相接合 部，並在配管內壁面不存在熔融部時，與習知技藝根據完全熔 混焊接法形成圓切面對圓切面接合部同樣地，爲了使空艙不存 在，獲得與習知技藝，根據完全熔混焊接法接合具有同等以上 強固之圓切面對圓切面接合部的接合配管。 而且，由於熔融部並未到達管之內壁面部，可以抑制配管 內煙霧的發生，並可根據配管內的不純物來防止污染。再者， 由於加熱所直接產生的熱影響無法達到管內壁面，可以抑制配 管內壁面耐蝕性的惡化，即使經過長時間，仍可保持耐鈾性。 根據上述情事，由本發明所獲得之不鏽鋼配管，是極端地 厭惡伴隨著不純物氣體之供給，且希望供給沒有混入不純物之 高純度氣體，而作爲供給半導體製造用氣體之配管，可以極度 有效地活用。特別是在供給趨向高性能，高積極化的半導體製 造工業中所使用的高純度氣體時，可作爲不會損壞的配管而發 揮顯著的效果。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限 定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍 內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後 附之申請專利範圍所界定者爲準。 32
Claims (1)
- 583385 5786 pif 1 拾、申請專利範圍： I一種不鏽鋼配管，以圓切面對圓切面的方式焊接接合， 其中包括一接合部，是由溶混接合該不鏽鋼配管之該接合部之 一外壁面部側接合部以及在未熔融狀態下固相接合該不鏽鋼 配管之該接合部之一內壁面部側接合部所形成，其特徵在於該 不錢鋼配管是部份溶混並以圓切面對圓切面的方式焊接，並且 當該不鏽鋼配管管壁之厚度大於1毫米，其中未熔融之固相接 合部份的深度ts，是由該接合部之管內壁面爲基準並往外壁計 算爲〇<ts^0.7(毫米），當該不鏽鋼配管管壁之厚度小於丨毫 米’且未熔融之固相接合部份的長度ts，是由該接合部之管內 壁面爲基準並往外壁計算，若管壁之厚度爲t，則ts的大小爲0 < ts$0.7t(毫米）。 2·—種不鏽鋼配管之接合方法，該方法是將必須接合之該 不鏽鋼配管的圓切面接合部以圓切面對圓切面的方式接合，該 不鏽鋼配是在管內充滿背屏氣體，或是在真空環境下焊接，該 不鏽鋼配管的圓切面接合部其內壁面部側接合部是以未熔融 部份的型態殘存，並從管外壁面溶混而以圓切面對圓切面的方 式焊接，再將前述未熔融部份形成固相接合部。 3.如申請專利範圍第2項所述之不鏽鋼配管之接合方法， 其中該不鏽鋼配管在充滿背屏氣體或在真空環境下所使用之 氧化性氣體的含量小於1 〇ppm。 33
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