CN104540629A - 形成管道接头与管道接头的方法 - Google Patents

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Abstract

接合工件的系统和方法被提供，其中熔敷层(122)被沉积在部件(110,112)之间，并且焊道(130)被这样提供，以使它接触熔敷层。所提供的系统和方法通过使用熔敷层来最小化到部件中的热量输入，以提供管道部件之间的接合强度。

Description

形成管道接头与管道接头的方法
优先权
本申请要求美国临时专利申请No.61/681,934的优先权，所述美国临时专利申请No.61/681,934的全部内容通过引用被并入本文。
技术领域
本发明涉及接合部件(包括柱形部件)的系统和方法。更具体地，本主题的发明涉及用于以热焊丝系统和工艺来接合部件、工件以及管道的系统和方法。
发明背景
图1A所示的是在第一管道12和第二管道14之间的已知且典型的焊接接头10的图示说明性实施方案。第二管道14被插入第一管道12内，并且消耗焊条或焊丝被应用来形成角接(fillet)焊缝16以接合第一和第二管道12、14。角接焊缝16可以通过任何已知的焊接或接合技术(包括已知的电弧焊接或“热焊丝”焊接技术)来形成。接合工艺以及焊缝金属成形将热量引入到接头10中，并且更特别地，引入到管道12、14中，以在管道12、14的每个中生成靠近焊缝金属的热影响区(HAZ)18。如在美国专利6,336,583中所描述的，HAZ是在管道12、14的每个中还未被熔化的基底金属的部分，但其中微观结构和机械性能已被由接合工艺引入的热量改变，所述美国专利6,336,583在2002年1月8日被公开，其全部内容通过引用被并入本文。为了调整不合期望的改变，管道以及接头可能要经受热处理工艺。
通过将常规的、传统的以及已提出的手段与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本发明的实施方案相比，对本领域技术人员来说这样的手段的进一步的局限性和缺点将会变得明显。
发明内容
为了降低在沿焊道的热影响区中的不合期望的影响，根据权利要求1的系统和根据权利要求7的方法被提出。优选的或有利的实施方案在从属权利要求中被公开。本发明的实施方案提供用于接合两个部件的系统和方法，其中一个部件被插入另一个的凹入处中，或者以其他重叠方式被安置，例如搭接接头。
首先，应该注意的是，即使下面的讨论利用管道的接合作为示例性实施方案，本发明的方面可以以许多不同的配置(包括但不限于搭接接头、对接接头、角(angles)接头等)在接合工件上被利用。因此，下面的示例性讨论并不意图来简单地限于管道接头，因为本文所讨论的实施方案和方面可以在多种接头类型中被同等地采用而不脱离本发明的范围和精神。因此，即使下面的讨论利用管道实施方案，本发明的方面在这方面不受限制。
现在转到本发明的示例性实施方案，所提供的是用于接合具有凹处的第一柱形部件与被设置在所述凹处中的第二柱形部件的系统和方法。从而，本主题的系统和方法适合用于接合两个管道。在一个实施方案中，第一管道部件包括限定通道的内表面，并且第二管道部件被至少部分地设置在所述通道中，以使第一管道部件的一部分与第二管道部件重叠。被设置在第一和第二管道部件的重叠区域之间的是熔敷材料，所述熔敷材料限定第一和第二管道部件之间的界面。角接焊缝接合第一和第二管道部件，并且角接焊缝的一部分沿熔敷界面延伸。在本主题的系统和方法的一个方面，熔敷界面本质上用作热沉(heat sink)以最小化或排除HAZ在第一和第二管道部件的基底材料中的影响。因此，在本主题的系统和方法的一个特定的方面，对接合后的第一和第二管道的焊后热处理的需要可以被排除。
管道接头组件的另一个特定的实施方案包括第一柱形管道部件，所述第一柱形管道部件具有限定第一管道通道的内表面。内部熔敷物沿第一管道部件的内表面形成。第二柱形管道部件被设置在第一管道部件内，所述第二柱形管道部件具有外表面，所述外表面具有围绕所述外表面设置的外部熔敷物。内部和外部熔敷物限定第一和第二管道部件之间的界面。角接焊缝在第一和第二管道部件之间延伸并且接合第一和第二管道部件。角接焊缝的至少一部分沿内部和外部熔敷物延伸。
从如下的说明书、权利要求书和附图，所要求保护的本发明的这些和其他特点以及图示说明的本发明的实施方案的细节将会被更加完整地理解。
附图简要说明
通过参照附图详细描述本发明的示例性实施方案，本发明的上述和/或其他方面将会更加明显，在所述附图中：
图1A-图1B是已知的管道接头组件；
图2是示例性管道接头组件的分解图；
图2A是图2的管道接头组件的剖视图；
图2B是图2A的管道接头的详细剖视图；
图2C是管道接头组件的另一个实施方案的详细剖视图；
图2D是管道接头组件的进一步的实施方案的详细剖视图；以及
图3A-图3B示意性地图示说明用于形成图2B的接头的热焊丝系统。
详细描述
现在将在下面通过参照所附的附图描述本发明的示例性实施方案。所描述的示例性实施方案意图帮助理解本发明，而不意图以任何方式限制本发明的范围。相似的参考编号在通篇中涉及相似的要素。
首先，应该注意的是，即使下面的讨论利用管道的接合作为示例性实施方案，本发明的方面可以以许多不同的配置(包括但不限于搭接接头、对接接头、角(angles)接头等)在接合工件上被利用。因此，下面的示例性讨论并不意图来简单地限于管道接头，因为本文所讨论的实施方案和方面可以在多种接头类型中被同等地采用而不脱离本发明的范围和精神。因此，即使下面的讨论利用管道实施方案，本发明的方面在这方面不受限制。
图2所示的本发明的示例性实施方案是示例性接头组件100的分解视图，所述示例性接头组件100通过第一柱形部件110被接合到第二柱形部件112而形成。第一部件限定外径并且包括限定第一部件的中心通道116的内表面114。在一个特定的实施方案中，第一部件是管道110，所述管道110限定第一公称直径D1。如本文所使用的，“公称”是被指定的值，测量可以在可接受的变化(variance)内围绕所述值变化。第一管道110包括限定具有内径ID1的管道通道116的内管道表面114。
组件110包括第二部件112，所述第二部件112限定被配置用于在第一部件110中插入的外尺寸。在组件100的一个特定的实施方案中，第二部件是第二管道部件112，所述第二管道部件112限定第二公称直径D2。第二管道部件112包括限定具有内径ID2的第二部件的中心通道120的内表面118。对于示例性实施方案而言，第一和第二管道被描绘为直线管道段。然而，如本文所使用的，“管道”包括直线管道、成形(formed)管道(如，例如弯曲管道)；或者管道配件(如，例如T配件、肘配件)。
如上面所注意的并且如图2A所示，第二管道部件112被设置在第一管道部件110内，以使第一管道部件110的端部与第二管道部件112的端部重叠，以形成示例性接头100。设置在第一管道110和第二管道112的重叠部分之间的是限定第一和第二管道110、112之间的界面的熔敷材料122。在一个特定的实施方案中，第一熔敷层122a沿第一管道部件110的内表面114形成。在第一熔敷物122a的一个特定的实施方案中，熔敷物在管道110内形成具有轴向长度L1和材料厚度t1的内部套(sleeve)。这些尺寸中的每个可以基于接头以及强度要求来变化。可替换地或除此之外，第二熔敷层122b围绕第二管道部件112的端部处的外表面被设置。在第二熔敷层122b的一个特定的实施方案中，熔敷物围绕第二管道112形成具有轴向长度L2和材料厚度t2的外套。
在本发明的示例性实施方案中，熔敷层122a和122b中的每个使用低热量输入熔敷操作被应用到管道。例如，如在2011年12月8日公开的美国专利公开No.2011/0297658和2010年7月15日公开的美国专利公开No.2010/0176109中所描述和公开的，激光热焊丝熔敷工艺可以被使用，所述美国专利公开中的每个的全部内容通过引用被并入本文。因为这样的熔敷操作给予比电弧工艺低的热量输入，在这样的操作中的HAZ是较小的并且具有较少的对部件或管道110和112的作用。因此，如下面所描述的，熔敷层122a和112b中的每个本质上提供吸收来自接合操作的热量的基底(substrate)。
图2A所示的是接头100的剖视装配图，其中第一管道110具有内部熔敷物122a。设置在第一管道110和其内部熔敷物122a内的是具有外部的外表面熔敷物122b的第二管道112。在所示出的实施方案中，第一和第二熔敷物122a、122b基本上彼此重叠，并且更特别地，彼此完全重叠，限定基本上相等的直线距离L1、L2。在形成接头100的一个方面，外部熔敷的第二管道112在第一管道110的内部熔敷物122a内形成干涉配合(interferencefit)。其他配合是可能的，如，例如，滑动配合被形成在第一和第二熔敷物122a、122b之间。第一和第二管道110、112一起限定接头轴X-X。
为了将第一管道110附接并且接合到第二管道112，焊缝金属130被形成在第一管道110的轴向端部，并且更特别地，被形成在熔敷物122的轴向端部处。焊缝金属130将第一管道110和/或熔敷物122接合到第二管道112的相邻外表面。在一个特定的实施方案中，焊缝金属130是由任何合适的焊接技术包括电弧焊接或热焊丝焊接技术(如，例如GTAW)形成的角接焊缝。在一个方面，焊缝金属130周向地并且连续地围绕接头轴X-X延伸。
图2B所示的是特定的角接焊缝金属130的详细视图。在一个方面，焊缝金属130限定高度h，所述焊缝金属130在熔敷材料122之上径向地延伸。而且，焊缝金属130沿第二管道表面轴向地延伸一轴向距离X。通过沿熔敷物122形成焊缝金属130的至少一部分，熔敷物可以用作热沉，以最小化到第一和第二管道110、112的基底材料中的热量输入。在本发明的示例性实施方案中，熔敷层具有这样的合厚度，以使焊道130的高度h的大部分(所示出的)接触熔敷层122而非管道110。例如，在本发明的示例性实施方案中，熔敷层122a和122b具有这样的合厚度，以使焊道130的高度的至少50％接触熔敷物122。在其他示例性实施方案中，合厚度是这样的以使焊道130的高度h的至少75％接触熔敷物122而非管道110。在进一步的示例性实施方案中，如图2A所示，熔敷物122a和122b的合厚度是这样的以使焊道130的高度h的100％接触熔敷物而不接触任何管道110。上面的内容不仅仅限于焊道的高度h，而且可以对焊道的长度X也适用，其中如下面所进一步说明的，熔敷层122b可以在管道112上延伸超出熔敷层122a。
如在上面所描述的实施方案中所示出的，层122a和122b中的每个在本质上相同的点终止，以使焊缝130中的至少一些是直接在管道112上。然而，在本发明的其他示例性实施方案中，至少熔敷层122b延伸超出管道110和层122a的边缘，以使焊缝沉积物130几乎全部接触层122a和122b。通过这样做，层122a和122b中的每个可以吸收来自焊道130的创建的附加热量，无论电弧工艺与否，并且因为层122a和122b的形成是低热量工艺，到管道110和112中的总热量输入在很大程度上被最小化。这样的实施方案在图2C中被示出。从而，熔敷层122a、122b可以彼此完全重叠或者彼此可替换的部分重叠。图2C所示的是管道接头组件的可替换的实施方案，其中焊缝金属130的长度X沿外部熔敷材料122a被设置，并且焊缝金属130的高度h沿内部熔敷材料122a延伸。同样，在这样的实施方案中，到这样的程度，即焊接工艺产生要被输入到焊缝区域的热量，所述热量的大部分将由熔敷层而非位于下面的管道部件110和112吸收。这可以降低在接合工艺之后对热处理或以其他方式处理管道110和112的需要。
本发明的另一示例性实施方案在图2D中被示出。在该图中，熔敷层122a覆盖管道110的端部或前面110f中的至少一些，以使焊道130不接触管道110和112中的任一个。在这样的实施方案中，正是被有效地彼此接合的熔敷层122a和122b使得这些层中的每个吸收焊接工艺中大部分的热量输入，防止在焊接工艺后对处理管道110或112中的任一个的需要。因此，在这些实施方案中，焊道130的宽度X和高度Y中的每个是这样的，以使在完整的焊接接头被创建之后焊道130不接触管道112/110中的任一个。
应该注意的是，尽管本文所示出的接头是一个管道被插入到另一个中的标准管道接头，本发明的实施方案不限于这种配置，并且如上面所讨论的，其他类型的接头可以被使用而不脱离本发明的精神或范围。
例如，图2B至图2D中的每个可以同样示出两个平坦工件(其不是管道)之间的搭接接头，并且本发明的方面将同样适用。另外，本发明的方面可以同样被应用到对接型和角型接头，在所述对接型和角型接头中，对减小热影响区的需要是合乎期望的。例如，在对接型接头中，接合表面中的至少一个(或二者)可以至少部分地完全覆盖有如本文所描述的熔敷层，以使熔敷表面使用如上面所描述的焊接操作来接合。因为这样的接头类型是众所周知的，它们不需要在本文被详细描述。因此，在示例性实施方案中，无论接头类型，工件表面中的至少一个可以具有如本文所阐述的熔敷层，并且焊接接头/焊道被接合有如上面所描述的那样的熔敷表面。例如，在搭接接头、对接接头、角接头等中的任一个中，如图2C和图2D中所一般描绘的，熔敷层可以是这样的以使焊接接头中的至少一侧仅被耦合到熔敷表面。当然，如上面所描述的，焊接接头/焊道可以被部分地耦合到熔敷层。
另外，本发明的实施方案还允许经由熔敷层的使用而对不同的(dissimilar)金属进行接合。例如，接合具有不同的组成的两个管道(或其他工件)(这难以使用已知的方法来完成)可以是合乎期望的。这样的不同的金属可以包括铬钼钢和不锈钢。在这样的实施方案中，熔敷物可以由镍合金构成，所述镍合金将与工件充分地结合并且在焊接接头130被创建时将与焊接接头130很好地结合。因此，不仅本发明的实施方案以减小的热影响区来接合工件，而且它们还可以对具有不同组成的工件这样做。
示例性实施方案示出被接合在一起的两个管道构件。然而，本文所描述的系统和方法不限于形成所焊接的管道接头。本主题的技术可应用于通过焊接接合两个部件，其中一个部件具有内表面，所述内表面限定用于接收第二部件的凹入处，并且其中熔敷表面可以在内部或者在外部围绕部件形成，以在所述部件之间形成熔敷界面。从而，第一部件的内表面和第二部件的外表面可以限定任何的几何结构，例如圆形的、矩形的、三角形的等等，只要它们彼此接触以用于以本文所描述的方式接合部件。
图3A和图3B中的每个所示意性地示出的是用于形成内部熔敷物122a和外部熔敷物122b中的每个的热焊丝系统500，所述内部熔敷物122a沿第一管道110(3A)的内表面形成，所述外部熔敷物122b沿第二管道112(3B)的外表面形成。用于执行示例性热焊丝工艺的系统500包括通过导电管560送进的消耗或填充焊丝520，所述导电管560应用来自热焊丝电源供应器570的加热信号电压和/或电流来将消耗焊丝520加热到它的熔点或接近它的熔点。高强度能量源512被引导到两个部件或管道接头以及消耗焊丝或填充焊丝520，以在管道接头内产生并且保持焊接熔池。所示出的系统是使用激光器512作为热源，但实施方案不限于激光器的使用，并且与本文的说明相一致的其他高能量热源可以被使用。消耗品520被带到近距离处并且与管道110、112相间隔。管道组件被安装到可旋转的安装结构，以围绕它的轴相对于激光器512和填充焊丝520旋转管道110、112，以用于沉积熔敷物。系统500的附加细节(包括它的操作和利用)在2011年12月8日公开的美国专利公开No.2011/0297658和2010年7月15日公开的美国专利公开No.2010/0176109中被示出和描述，所述美国专利公开中的每个的全部内容通过引用被并入本文。因为以热焊丝激光焊接/熔敷操作的激光器的使用可以导致相对低的热量输入工艺，本发明的实施方案可以使用传统的焊接方法来接合管道而不需要在接合工艺后热处理或处理管道。已知的焊接消耗品可以具有变化的配置，包括固体填充焊丝、盖覆有焊剂的和有焊剂芯的填充焊丝。
尽管已经参照某些实施方案描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，可以进行各种改变并且等同方案可以被替代，而不偏离本发明的范围。另外，可以进行许多修改来使特定情形或材料适用于本发明的教导，而不偏离其范围。因此，并不意图将本发明限于所公开的特定实施方案。
参考编号
10       焊接接头                  510      激光束
12       第一管道                  512      能量源或激光器
14       第二管道                  514      激光电源供应器
16       角接焊缝                  515      聚焦系统
100      接头组件                  520      消耗或填充焊丝
110      第一部件或管道部件        550      焊丝驱动装置
110f     前面                      560      导电管
112      第二部件或管道部件        570      电源供应器
114      表面或内表面              580      控制器
116      通道                      D1       第一公称直径
118      表面或内表面              D2       第二公称直径
120      通道                      ID1      内径
122      熔敷材料或界面            L1       轴向长度
122a     第一熔敷层                L2       轴向长度
122b     第二熔敷层                t1       材料厚度
130      焊缝金属或焊道            t2       材料厚度
500      系统或热焊丝系统          X-X      接头轴

Claims (14)

1.一种两个部件或管道接头(10)系统，所述系统包括：
第一部件或管道部件(110)；
部件或第二管道部件(112)；所述第一和第二部件具有重叠区域，特别地，所述第二部件或管道部件被部分地设置在所述第一管道部件中，以限定中心接头轴(X-X)；
熔敷界面(122)，所述熔敷界面(122)在所述第一和第二部件或管道部件之间；以及
焊道(130)，所述焊道(130)将所述第一部件或管道部件接合到所述第二部件或管道部件，所述焊道(130)沿所述熔敷界面的一部分延伸。
2.如权利要求1所述的管道接头系统，其中所述熔敷界面包括第一熔敷层(122a)和第二熔敷层(122b)，所述第一熔敷层(122a)被耦合到表面(114)，并且特别地，被耦合到所述第一部件或管道部件的内表面，所述第二熔敷层(122b)被耦合到所述第二部件或管道部件的表面外表面。
3.如权利要求1所述的管道接头系统，其中所述熔敷界面具有这样的厚度，以使所述焊道(130)的高度的至少50％，或者更特别地，至少75％，或者甚至更特别地，100％沿所述熔敷界面延伸。
4.如权利要求2或3的管道接头系统，其中所述第一和第二熔敷层的轴向长度是相等的，或者其中所述第二熔敷层的轴向长度具有延伸超出所述第一熔敷层的端点的延伸部分，并且所述焊道的长度的至少一部分被耦合到所述延伸部分，或者其中所述第二熔敷层的轴向长度具有延伸超出所述第一熔敷层的端点的延伸部分，并且所述焊道的整个长度被耦合到所述延伸部分。
5.如权利要求1至3中的任一项所述的管道系统，其中所述熔敷界面具有沿至少一个所述第一和第二管道部件的端面延伸的延伸部分，并且所述焊道被耦合到所述延伸部分。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的管道接头系统，其中所述熔敷界面(122)包括第一熔敷层(122a)和第二熔敷层(122b)，所述第一熔敷层(122a)被耦合到所述第一管道部件的内表面，所述第二熔敷层(122b)被耦合到所述第二管道部件的外表面，并且所述焊道(130)接触所述第一和第二熔敷层中的每个而不接触所述第一管道部件或所述第二管道部件中的任一个。
7.一种形成管道接头的方法，所述方法包括：
形成熔敷部件，所述熔敷部件要被安置在第一管道部件的内表面或第二管道部件的外表面之间；
将所述第二管道部件插入到所述第一管道部件中，以使所述第一熔敷部件被安置在所述第一和第二管道部件中的每个之间；以及
以焊道将所述第一管道部件接合到所述第二管道部件，其中所述焊道的至少一部分被耦合到所述第一熔敷部件。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述熔敷部件通过在所述第一管道部件的内表面上沉积第一熔敷层并且在所述第二管道部件的外表面上沉积第二熔敷层来形成。
9.如权利要求7或8所述的方法，其中所述熔敷部件的厚度具有这样的厚度，以使所述焊道的高度的至少50％，或者更特别地，至少75％，或者甚至更特别地，100％沿所述熔敷部件延伸。
10.如权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中所述第一和第二熔敷层的轴向长度是相等的，或者其中所述第二熔敷层具有延伸超出所述第一熔敷层的端点的延伸部分，并且所述焊道的长度的至少一部分被耦合到所述延伸部分，或者其中所述第二熔敷层具有延伸超出所述第一熔敷层的端点的延伸部分，并且所述焊道的整个长度被耦合到所述延伸部分。
11.如权利要求7至9中的任一项所述的方法，其中所述熔敷部件被形成有延伸部分，所述延伸部分沿至少一个所述第一和第二管道部件的端面延伸，并且所述焊道被耦合到所述延伸部分。
12.如权利要求7至11中的任一项所述的方法，其中所述熔敷部件通过在所述第一管道部件的内表面上沉积第一熔敷层并且在所述第二管道部件的外表面上沉积第二熔敷层来形成，并且所述焊道被这样形成，以使所述焊道接触所述第一和第二熔敷层中的每个而不接触所述第一管道部件或所述第二管道部件中的任一个。
13.一种接头系统，所述接头系统包括：
第一部件(110)，所述第一部件(110)具有第一表面(114)的；
第二部件(112)，所述第二部件(112)具有要被接合到所述第一表面的第二表面；
熔敷界面(112)，所述熔敷界面(112)在所述第一和第二部件之间并且在所述第一和第二表面之间；以及
焊道(130)，所述焊道(130)将所述第一部件接合到所述第二部件，所述焊道沿所述熔敷界面的一部分延伸。
14.如权利要求13所述的接头系统，其中所述第一部件具有与所述第二部件不同的材料组成。
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