CN1104989C - 焊接管子的方法 - Google Patents

Abstract

把管段(10，12)焊成长管道的装置。焊接小车(16)装在绕管的外圆周的导轨(14)上，焊接小车设有供丝器、驱动供丝器的电动机(24)，和驱动小车绕导轨运动的驱动电动机(18)。当焊接小车受驱动绕导轨运动时，操作者可改变焊接小车及供丝器的速度。焊接小车上的焊接头由表面张力转移电源(31)供电。起始焊道或根焊在管的外面进行焊接。

Description

焊接管子的方法

本发明涉及把管段焊成连续的长管道的领域。更具体地涉及用焊机焊接的系统。

用来传送油、气、水等的一个主要的系统是用管道。这些管道通常置于地下，穿越美国及许多其它国家。通常用挖土机沿着预定的埋管道的路上挖出沟。

例如长30-60英尺的管段运到要用管道的地方。通过焊接把相邻的管段的端部焊接起来。这些焊缝必须很精密。不允许焊缝有即使很小的针孔。管端通常削出斜角以改善焊接。管段夹起来使得两管段的对准尽可能好。在焊接接头处管的里面，靠近管的内壁焊接材料要形成相当光滑的表面。在任何情形下，管内部的焊缝只能有很小的突起。当把装置(如用来探测管中可能发展的裂纹的装置)放到管中，过分的突起会引起各种问题。另外，在管道中有管道隔块，其把管道中输送的一个产品与另一个分开。应该明白有时汽油要通过管道输送。可放入一个衬套就可分开两种产品，随后原油可通过同样的管道泵送。两种材料要求保持稳定的分离。

为了防止已焊接的熔融的焊缝材料的突块进入管的里面，现对最常用的方法是从管的内部进行第一焊道或根焊的焊接。为了这一目的有商业出售的昂贵的专门的精巧机器。这种机器在3英尺直径的管的内部工作的成本高达每焊缝为1200美元，或每月约两百万美元。这是很费时及高成本的。这就要求更好的但比较便宜的把管段焊起来的方法。

在现代的管道焊接中，有时把焊接小车(welding bug)用作半自动焊机。与焊接小车相结合的是一条导轨，其固定在管子的圆周上，在要求焊接小车绕管转动的位置处。小车具有一驱动电动机，借助于滚轮，驱动小车绕着轨道运动。滚轮夹住焊接小车沿着导轨，即使焊接小车几乎倒置仍是如此。设有专门的夹紧装置把小车固定到导轨上。还设有适应不同尺寸的管子的装置。焊接小车具有一振荡器使焊丝头摆动穿过焊接熔池。

小车具有一供丝器，它有一电动机驱动焊丝穿过焊接头，以把两管段焊在一起。

在工作中，驱动电动机驱动焊接小车以选定的稳定的速度绕着导轨运动。当焊接小车移动经过如时钟12点的位置，也就是管子的最高点，及约9点的位置，也就是管子的中腰，速度都是稳定的。但是，对于焊接小车向下运动到时钟的6点这一位置的平衡，因为重力以更快的速度拉熔池，小车的运动必然加速。为了与此相应，在现代实践中，此时使小车的驱动电动机制动。随后操作者调整驱动电动机的速度使其加速。随后起动驱动电动机，继续焊接过程。当作这一速度调整时，焊接小车总是制动着。

制动驱动电动机使完成焊接的时间有损失。还必须考虑其它相关的问题，如保持焊缝的连续性。但是，即使有这些问题，上述方法还是广泛地使用着，主要因为它比现有的其它方法好。

本发明的目的是提供一种焊接装置及系统，可以在管外进行第一焊道或根焊的焊接，使焊缝没有向内的突起。

本发明提供了一种把第一管段的一端与第二管端的一端焊接起来的方法，它使用改进的焊接小车。焊接小车设有供丝器，驱动供丝器的装置，及用来驱动焊接小车绕设在管的周边外面的导轨上运动的驱动装置。还有在焊接小车绕轨道连续运动时改变小车速度的装置。当焊接管时，管位于水平位置，也就是说管的轴线通常是水平的。在靠近第一和第二管的端部处从第一管和第二管的外面进行起始焊道或根焊的焊接。这个方法中不用或不需要带有底垫的内调节夹具。

通常使用两个焊接小车，一个绕着导轨的一半运动，而另一个绕着导轨的近似另一半运动。从时针12点钟至9点钟的位置，一个焊接小车从接近垂直位置转动到接近水平位置。这时焊接小车的速度必须改变以保持带着焊丝的电极刚好位于焊接熔池的前面。而另一个焊接小车从12点的位置转动通过3点到6点钟的位置。这两个小车同时转动或运动。但是，一个小车将略先于另一个小车起动，而且一个小车比另一个小车早停止并从焊接区域移走以便两个小车的焊道相遇处仍是连续的焊缝。在结束焊道使用一个表面-张力-传送(STT)电源。在系统中这一点是新的。通过使用这一系统及合适的小车驱动速度及焊丝供给速度，在斜边的各边只有稍些烧化。焊接模式的表面张力使它混合在一起，拉紧斜面的各边使得管的内部只留下平的焊缝。因此，不再需要在管的里面进行起始焊道或根焊的焊接及不需要在管中用专门的设备。在本发明以前，使用包括焊接小车的系统焊接管段时，总是要在管内进行起始焊道或根焊的焊接，或要把夹具、底垫等专门设备放在管内。本发明不需要这些设备。

还设有改变供丝器的供丝速度的装置使得可把要求量的焊丝供入焊接熔池中。在另一个实施例中，通过改变小车的驱动电动机的速度来控制及改变供丝器的供丝速度使得达到要求的供丝速度。

在操作中，操作者连续地观察焊接熔池与电极或供应的焊丝的端部的关系。操作者要保持焊丝的端刚好位于熔池的前面。因此操作者将改变小车的速度以保持焊接头的合适的位置。这可以在小车及焊接程序不停顿的情形下完成。在小车的实际运动中，可改变焊丝供应速度来把要求的焊丝量供给电极。另外，如果要求，可进行控制使供丝器的供丝速度根据焊接小车的速度而变化。

图1是示出本发明主要部件的示意图；

图2示出装在导轨上的一个焊接小车，示出了要与另一管段焊接的一管段；

图3是图2的焊接小车的正视图；

图4是图3的焊接小车的后视图；

图5是图4的焊接小车的部分的左侧视图；

图6示出可松开地把导向辊的夹紧装置和焊接小车的运动驱动辊夹紧到导轨上的夹紧装置；

图7是类似图6的视图，但夹具处在松开的位置；

图8和9一起示出焊接头的摆动；

图10示出焊接小车的底视图；

图11示出驱动供丝器的电位计和驱动电动机的电位计连接使得驱动供丝器按照焊接小车的运动速度的改变调节；

图12是控制焊接小车上的驱动电动机的速度的系统的示意图；

图13示出图12的控制系统的脉冲。

首先参见图1，图1是示出了使用改型的焊接小车的焊接系统的主要部分的示意图。其中示出了第一管段10及要与第一管段10焊起来的第二管段12。导轨14设置并固定在焊接的管段外面，靠近要焊接的管端处。焊接小车16沿着该导轨运动。通常设两个焊接小车，但图中只示出一个。定位或导向支承或辊20使焊接小车16运动时保持在导轨上。焊接小车中的运动电动机18驱动滚花的运动辊21绕导轨14运动。运动电动机的速度由电位器控制器22控制。

焊接小车16支承着焊接头30，而焊接头30支承着焊丝28，其作为电极29穿过焊接头30。导轨14设在管段12上，使得焊丝28的端部正好置于相对管段10和12的端部。从焊接小车16上支承着一个CO₂电磁阀32，其提供CO₂或其它要求的气体在焊接头30的下端在焊接线电极29的端部释放。

在图1装置的操作中，首先打开CO₂电磁阀使得在电极29供电前把所有其它的气体从电极29的周围冲走。从表面张力转移电源(Surfacetension transfer power source)31通过电线84给焊接头30供电。电源31在下面要说明是一种用焊接小车的自动焊接系统的电源。现在起动表面张力转移电源。

随后同时起动供丝电动机24和焊接小车运动电动机18。这使焊接小车16开始沿着导轨14运动。操作者监视操作，特别是焊接的熔池部位。焊接小车的速度应该使得电极29恰好保持在熔池部位的前面。随着焊接小车绕管段的运动，重力使熔池部分的运动改变。操作者通过在焊接进行中操作电位计控制器改变驱动速度22来对此作补偿。如果供丝电动机没有足够快地供给焊丝，那么对于控制焊丝的驱动速度的电位计控制器26可增加供电，或者如果要求也可减小。当焊接小车16沿着导轨14运动，也可这样调整(现有技术中当焊接进行时，焊接小车沿导轨的运动速度没有改变)。

代替与供丝电动机24的速度无关地控制运动电动机18的驱动速度，可以把供丝电动机的速度作为运动电动机速度的一个函数。在图11示出可如此作用的一个装置。在该装置中，焊接小车的操作者可旋转旋钮38来调节焊接小车的运动速度。这种改变是改变电位计的设定来控制电动机的速度的通常方式。在这种情形下，在驱动供丝器26的电位计的轴或转子34和运动电动机28的电位计的转子36之间连接着传动链或带40，因此，当轮38转动时，传动链40驱动电动机34以调整驱动供丝器26的电位计。因此，随着焊接小车的速度改变，驱动供丝器的速度可相应地改变。

管道牵引器42具有一发电机，其对表面张力转移(STT)电源32供电。原则上说，STT电源是具有以微秒级(例如约750微秒已实行)传送或改变电流的能力的电源。STT电源可从Lincoln电器公司(美国，Ohio 44117-1199，Cleveland市)购得。

下面参见图2，图2示出安排在包着管44上的导轨14上的改型焊接小车16。导轨14可以是对绕着管运动的焊接小车导向的普通导轨。焊接小车16的主要元件包括一个焊丝头或电极31，其设在焊接头30中，焊接头30有一个气体锥50，可把焊接气体(典型地如CO₂)导到电极31的周围。管线84把STT电源32与焊接头30连接起来。作为电极的焊丝绕在焊丝盘58上，穿过保护管60，62，在两根保护管60，62之间设有供丝器64。供丝器是通常的，并具有张紧调节器65。供丝器64用于驱动焊丝以预定的速度穿过焊接头30。CO₂供应管82以普通的方式与焊接头30连接。设有一摆动电动机66驱动摆动机构68，该机构68通过连接器70连接而摆动焊接头30，使得电极前后运动穿过要焊接的管端之间的开口。连接器70可用来调节焊接头30的位置。旋扭85用来调节焊接头的高度。

下面参见图3，图3示出放大的焊接小车16。图中示出摆动器调节机构74，用来调节摆动弧的高度，也就是摆动的宽度(摆动系统可以是用于普通焊接小车中的那样的)。

下面参见图8，其示出焊丝端在摆动弧的一边，而图9中示出焊丝端摆动弧的另一边。焊丝端52由焊接头30支承。该摆动系统用在普通的焊接小车中，这里示出只是为了便于明白整个系统。

图3也示出一个调节旋钮85，用来相对焊接小车调节焊接头的高度，事实上该高度与焊接的管有关。

重要的是把引入气体(最好是二氧化碳)供至焊接头。这由如图4所示从与电磁阀80连接的气源软管78提供，该电磁阀80有一出口软管82，它进入焊接头中。当电磁阀打开时，气体通过电磁阀提供。从STT电源32伸出的电源管线84供给焊接头30以工作电流。

一个可变的旋转调节器86提供了需要时调节焊接头角度的装置。

下面说明运动电动机18及运动及驱动辊20，它们与停在导轨14上及沿导轨14运动有关。运动及驱动辊可以是普通的，这里示出是为了完成整个新的组合。下面参见图6，7，10。图10是焊接小车16的底视图。图中示出用于辊的壳体座88A，88B，88C及88D。在壳体座88A，88C中有侧辊90，在壳体座88B及88D中有滚花轮92A及92B，它们由驱动电动机18驱动。侧辊使焊接小车卡在导轨上。滚花轮使焊接小车沿着导轨运动。图6和7示出用来把辊夹紧就位的夹紧杆。图7示出夹紧杆是脱开的使得辊可以放置在合适位置。辊应该贴对着导轨条。因此设有一弹簧及调节螺母104。

如图5所示，在导轨14顶部的支承轴承141，143及在导轨14底部的轴承145，147使焊接小车16保持与导轨14接触。

图10中还示出：焊接头30、摆动器驱动电动机66及摆动调节器74的底视图。

焊丝导向机构是从以前的普通的焊接小车上的焊丝驱动系统中的焊丝导向机构改型而成。普通的焊接小车要求在改变小车的供丝电动机或驱动电动机的速度前使小车制动。而本发明中，改型成为不要制动焊接小车的运动而改变焊丝的供应速度。驱动焊接小车沿导轨14运动的驱动机构已从普通的焊接小车改型成不用制动焊接过程而可以改变运动电动机的速度。

下面参照图12，13讨论控制小车运动电动机的速度及焊丝驱动电动机的速度的控制机构。

下面参见图12，图中示出用于控制运动电动机18的速度的控制装置的示意图(所示的系统也可以用来控制供丝电动机24的速度)。该装置包括一个脉冲宽度摆动器120，它具有一电源输入122。脉冲宽度摆动器120有一个参考电压(典型地为2.5伏)电源电路132与电动机18连接。电动机18的速度作为电路132的电流的电压的函数而改变。电动机的输出通过电线134及可变电阻器128送回到摆动器120。从电线134到摆动器120有一反馈线130。该反馈线130有电阻126和把瞬间反馈提供给摆动器120。电阻器128可以调节以改变电动机18的速度(只要转动电位计22上的旋钮)。当电阻器128的电阻改变时，在电路132上的输出电压改变。在电路130上的电压与摆动器参考电压124比较。图13所示的脉冲140、142的宽度改变直到电路130的瞬间反馈等于参考电压。随后这样控制电动机18的速度。本专业的技术人员通过上述示意图及说明可方便地实施该速度控制系统的操作。也可用其它的装置来使电动机控制速度。

图4，5示出装在控制箱27上的电位计焊接小车运动速度控制旋钮22A及焊丝速度控制旋钮26。这些旋钮可用来与图2的控制系统配合来调节小车运动电动机的速度和/或供丝速度。控制管线147，149分别把控制箱27与运动电动机18及供丝电动机24连接起来。

上面已说明本发明的主要部件，下面来说明它们的工作。在工作中，管段10，12的端部放成相互邻近，如图1所示。一个导轨14连接成绕在管段12的外面。STT电源32与管线牵引器发电机33连接以对焊接操作提供电源。导轨14设成使得焊丝头29合适地相对于管段10，12之间的间隙定位。对焊接头的高度及摆动作通常的调节。

随后致动二氧化碳电磁阀80以打开CO₂供应源使得CO₂可传送到焊接头30。现在在焊丝头29处于正确的位置后同时起动运动电动机18及供丝电动机24。

焊接操作的起始焊道或根焊在管的外面焊接，在图1所示的位置进行。使用表面张力转移(STT)电源32是最重要的。STT电源不是在稳定电流(CC)或稳定电压(CV)模式下工作。相反的，它是一种高频(宽-带-宽度)电流控制机其中供给电弧的电源基于瞬时电弧要求，不是基于“平均直流电压”。它是有以微秒级传送及改变电极电流能力的电源。

当运动电动机引起焊接小车16绕导轨14前进时，操作者密切监视焊接小车以保持焊丝头29刚好位于小车的前面。当焊接小车16向下运动时，重力使焊接小车更快地移动。随后操作者将只转动旋钮22A(如图4所示)以便按照要求调节速度。操作者也可以转动旋钮26A(如图4所示)来调供丝电动机24的速度。这一操作可以在不停止运动电动机18或供丝电动机24的情形下完成。与图1见到的管段一侧相对的另一侧还有一个焊接头(未示出)。第二操作者也以上述的同样方式操作焊接小车。其中一个小车将比另一个小车稍微更早一些起动使得焊缝开始的顶部不留有间隙。并且一个小车比另一个小车更早制动使得只留一个小车继续焊缝直到继续到底部。这些操作都在管的外面进行。因为使用了上述新的系统，因此没有液滴突块之类进入管中。不需要在管内进行第一焊道。这使很费时的程序去掉了。在根焊已完成后，可以使用普通的焊接技术完成附加的焊道。

虽然本发明参照一些具体的细节作了说明，但是应明白对于这些结构的细节可作出很多改变及改型而不背离本发明的精神和范围。应该明白本发明不限于用来说明的实施例，而只是由所附的权利要求书来限定，还包括各元件的等同物。

Claims (16)

1.一种把第一管的一端与第二管的一端焊接起来的方法，使用焊接小车，它具有一焊丝供给器及驱动小车沿着管的外周壁上的导轨运动的装置，所述的方法包括：

a.在所述的焊接中，使所述的小车沿着所述的导轨连续运动；

b.在第一管和第二管的外面对所述的第一管和第二管的相邻端进行起始焊道的焊接，并使用焊丝在管端之间形成焊接熔池；

c.在所述的起始焊道中，在焊接小车绕所述的管上的导轨连续运动时，不制动焊接小车而改变所述的焊接小车的速度来保持焊丝端在焊接熔池的前面。

2.按照权利要求1的方法，其特征在于在起始焊道后再焊上另外的焊道。

3.按照权利要求1的方法，其特征在于通过在所述的起始焊道中使用一个表面张力转移电源来完成起始焊道的焊接。

4.按照权利要求3的方法，其特征在于所述的电源具有以微秒级传送及改变电极电流的能力。

5.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于包括观察焊丝端相对于所述的焊接熔池的关系。

6.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于根据随焊接小车绕管的周边运动时观察焊接熔池改变所述的焊接小车的速度使焊丝刚好位于焊接熔池的前面。

7.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于所述的供丝器的供丝速度是可变化的。

8.按照权利要求7的方法，其特征在于所述的供丝器的供丝速度是驱动焊接小车绕导轨运动的速度的函数。

9.按照权利要求6的装置，其特征在于所述的焊接小车的速度是遥控改变的。

10.按照权利要求1至4中任一项的装置，其特征在于所述的起始焊道的焊接不用带底垫的内调节夹具进行。

11.按照权利要求1至4中任一项的装置，其特征在于所述的焊接头可在所述的第一管和第二管的管端之间摆动。

12.按照权利要求11的方法，其特征在于所述的摆动幅度是可调节的。

13.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于所述的焊接头离开所述的第一管和第二管的管端的高度是可调节的。

14.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于在形成所述的焊接熔池时，惰性气体供到所述的焊接头。

15.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于所述的焊接头相对所述的第一管和第二管的管端的角度是可调的。

16.按照权利要求1至4中任一项的方法，其特征在于用多个焊接小车一起焊接所述的第一管和第二管的管端。

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