CN1281766A - 管道焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在间隔的端口的开口根部,利用STT电弧焊机焊接两个管道端口的方法,其包括:选择具有重量百分比为0.06—0.15%的碳,0.90—1.40%的锰和0.45—0.75%的硅的焊条,该焊条还有磷、铜、不锈钢合金和硫;在所选择的焊条内维持硫在从0.015—0.35%重量百分比,把磷维持在小于0.015%重量百分比。

Description

管道焊接方法
本发明涉及一种管道焊接方法，尤其是涉及使用具有在管道焊接工业中称为STT电弧焊机的专门电源的一种特殊焊接方法，用来焊接管道端头的开口根部。
在过去的十年，在许多专门的焊接应用中将大平板焊接在一起的技术是采用一个短路电弧焊机。这种焊机由俄亥俄州克里夫兰市的林肯电气公司(Lincoln Electric Company)以STT作为商标出售，该焊机在Stava的5，742，029号专利被披露，被用在专门的墙纸应用中。在工地现场设置管道线时，这种独特的短路电弧焊机目前是管道段的间隔端口的电弧焊接所选择的电源。使用该独特的短路焊机的管道焊接方法的实施在Parker的5，676，857号专利中被公开。因为上述两个专利和所揭示的材料说明了林肯电气公司的STT焊机以及它在焊接厚板，例如管道中的应用，该专利在此作为背景信息供参考，因此，该已知技术不需要重复。涉及有芯焊条和使用STT焊机的反极性焊接的某些概念在Elliott K．Stava的序列号为200，594，于1998年11月27号申请的专利申请中得到披露。在此，将这个现有技术的专利申请作为背景信息参考，在理解本发明时该技术不需要重复。
在现场进行管道焊接时，管道节段端口之间的接口和两块厚板之间的接口大体上相同，不同的是需焊接的管道接口包括一个开口根部，在该处管道的端口稍微间隔开。这个开口根部是一个间隙，通常是先将两个管道节段处于对接关系，然后又撤回一个选定的量，以此在接口形成最小的开口根部，由此而产生的一个间隙。重要的是，为了将开口根部焊接起来，需要在管道接口的底部区域的整个厚度上进行高质量的焊接；然而，当在开口根部上布置第一焊道时，不使熔融金属挤进管道节段任何明显距离也是必要的。管道必需得到清理，使一个铸铁块和其他圆柱形装置能够通过管道节段而不会在管道内碰到在第一次对开口根部进行焊接时挤进来的焊接金属。作为另一个考虑，开口根部的焊接热量不能太高，避免造成金属收缩，这样在形成开口根部的间隙中产生缺陷。为了完成对管道开口根部高质量的焊接，同时不会产生明显的熔融金属突出物或金属缺陷，已经采用了利用STT电弧焊机获得的一种类型的短路电弧焊接方法。这种管道焊接方法控制管道焊接过程的初始焊接通道以填充开口根部。虽然这类焊接方法有显著的优点，但是仍需要做大量的研究工作来选择在短路焊接方法中使用的焊条。现已发现，使用STT电弧焊机焊接管道节段之间的接口时，使用带芯焊条有明显的优点；然而，在开口根部通道的焊道是一种独特的焊接挑战。现已发现，对根部通道的焊道使用具有ANST-AWS A5．1895实心焊条特性的一种实心焊条可以很好地完成。这种类型的焊条用在气体保护焊并具有以下规格：
       表1
    成份     百分比(％)
    碳     0．06～0．15
    锰     0．90～1．40
    硅     0．45～0．75
    磷     0～0．025
    硫     0～0．035
    铜     0～0．50
镍／铬／钼／钒     0～0．50
选择这种标准的气体保护焊条作为一种焊条在进行开口根部焊接通道作业时，可以提供一个好的外观而且能获得STT电弧焊机的优点。虽然，使用标准实心焊条的焊道外观通常可以接受，但是使用本发明，在焊道顶部和底部的焊道外观仍能获得明显的改进。
经过大量的实验和昂贵的调查后发现，在焊条中，将磷的含量保持在微量，硫的含量保持在重量上大于0．015％，小于0．035％的这样特定范围的水准上，因较好的流动性就可以得到具有良好外观和高焊接速度的稳定的高质量焊接。在焊条中，对磷和硫控制并保持在这些范围内，就可以完成具有一致良好外观的开口根部的焊接。因此，根据本发明提供一种对两个管道的间隔的端口之间形成的间隙或开口根部进行焊接的方法。该方法包括选择在重量上含碳0．06-0．15％，含锰0．90-1．40％，以及含硅0．45-0．75％的一种焊条。而且，该焊条包含磷、铜、不锈钢合金和硫。该方法包括将硫的重量保持在0．015-0．35％特定范围的所选择的焊条的给定百分比水平上，并且将磷的重量保持在少于大约0．015％的特定范围内的所选焊条的给定百分比水平上。实际上焊条中磷一般在重量为0．006-0．008％的微量或残量的水平。在本发明中，所选择的焊条以给定的焊条进给速度在间隔管道端口之间的开口根部推进，由填充在一个第一焊道的开口根部将管节段焊接在一起，由控制波形产生一个焊接电流，该波形包括：连续的焊接周期，每一个周期都有一个短路部分和一个等离子弧部分，等离子弧部分包括顺序的一个等离子上升段，一个下降段和一个基底电流段。焊条沿着开口根部移动，焊接电流通过焊条并熔化焊条，依靠表面张力输送至管子端口并填充开口根部。电流波形是由快速的连续电脉冲形成的，该电脉冲是由至少18千赫频率的振荡器产生并由脉冲宽度调节器进行宽度控制。使用本发明，在焊接第一通道时，在开口根部获得高质量的焊缝。随后，使用另一种焊条，例如一种助焊剂芯焊条可以用作填充接口的剩余部分。这样，根部焊道是由一个优化的焊接程序填充而接口剩余部分的填充是使用一种根据高沉积要求设计的程序完成。
本发明的主要目的是提供在管道焊接过程中填充开口根部的方法，该方法应用一个特定类型短路焊接过程以及使用一种磷和硫含量维持一定水平的实心焊条。
本发明的另一个目的是提供如上所述的方法，该方法可以在管道焊接过程中得到稳定地高质量的开口根部焊接。
本发明上述的和其他的目的和优点，从下面结合附图的描述中将变得更加明显。
图1是显示一个焊条通过沿两个管道节段之间的开口根部移动的焊枪的放大部分视图；
图2是与图1类似的视图，图中焊条处于短路金属转移的状态；
图3是用于本发明的STT焊机的简化的框图；
图4是应用于本发明的电流波形。
本发明是涉及使用一种特定的焊条并结合STT焊接过程在管道端口之间的开口根部对两节管道的端口进行焊接的方法。在图1和图2中，管道焊接操作10用来对管道节段12和14进行焊接，该管道节段12和14具有由带有锥度的端口16，18形成的间隙或开口根部20，该端口按标准的操作间隔开。本发明是关于当焊枪沿着在底部含有根部20通道的接口确定的通道移动时在开口根部20使焊枪30围绕管道节段12，14移动的第一焊道B的布置或沉积。按照本发明，焊条40按选定的速度通过焊枪30向根部20通道给进，同时，焊接电流通过焊条。焊接电流产生如图1所示的电弧50，将推进的焊条40的前端熔化。当焊条转化为熔融的球并向焊道B移动时，产生如图2所示的短路电流状态52。该状态使金属从焊条40向焊道B转移。由围绕开口根部20移动焊枪30，成弧状态和短路，金属转移状态不断的转换。焊条40具有特定的成份。按照本发明，它包括0．06-0．15％重量的碳，0．90-1．40％重量的锰，以及0．45-0．57％重量的硅。而且，焊条还包括有磷、铜、不锈钢合金，例如镍、铬、钼和钒，以及硫。按照本发明，焊条40含硫的百分比水平维持在特定的重量为0．015-0．35％的范围。类似地，焊条40中保持微量的磷。所谓微量通常在重量为0．006-0．008％范围内。根据本发明，总是保持在少于0．015％的水平。焊条40选择并维持这种组成，就可以实现前述揭示的优点。而且，所使用的STT焊接方式和该特另设计的电极或焊条相结合是至关重要的。按照本发明的焊接方式在图3和图4得到解释。
参照图3和图4，图4中显示的波形W是由STT焊机100产生的STT波形。该焊机可以使用一个下断路器也可使用一个图示的带有直流输出连线的高速切换反相器102，该直流输出连线具有一个正极输出端110和一个负极输出端112。在现场，STT焊机或电源通常是由内燃发电机驱动；然而，为了简化。输入部分图示为带有三相输入电源122的整流器120。STT焊机的输出130用来熔化并沉积由供应绞盘132向开口根部20推进的焊条40，该绞盘是由电动机124以选定的速度驱动以控制焊条移动速度。根据STT使用标准，一个相对小的电感器140提供给带有一个单向(freewheeling)二级管142的输出130，其目的在于，按照波形稳定输出焊接过程。如图4所示的波形W，是由反相器102的控制线150上的电压控制。该输入或控制线具有的电压是由脉冲宽度调节器152的输出决定，该调节器由振荡器160产生的超过18千赫的频率操作。控制线150上的脉冲频率最好大于20千赫。这样，反相器102以非常高的速度快速而连续地输出由振荡器160产生的电流脉冲。脉冲宽度调节器152决定了每一个由反相器120到输出130的电流脉冲宽度。按照STT的使用标准，波形W是由控制电路200决定的。这个标准大致在stava的5，742，029号专利的图10中得到披露。波形控制电路200具有一个输出，其电压和导线202上的电压相行比较。该反馈电压代表通过焊条40的成弧电流。表示为成弧电压的一个电压是由接收来自分支206的电流信息的电流感应器204产生的。应用于本发明的波形W是一个单焊接周期，随焊条40被熔化沉积在管道节段12，14之间，该周期不断重复。按照STT技术的波形W包括一个短路部分，该短路部分包括一个金属转换短路脉冲210，当被转换的金属在导电上缩小，并随后被断开时，此时电流是下降的。波形W断开或烧断(fuse)以后，转入电弧或等离子部分，包括等离子上升段220，具有控制的最大电流220a，下降段222，和基底段224。当焊条40上的熔化金属球接触管道节段12、14或接触到焊道B填充根部20通道时，基础电流将电弧一直维持到在点226的下一次短路。
按照本发明限定性的方面，焊条40的组成包括：铜的重量少于0．50％，不锈钢合金的重量少于0．50％。开口根部被焊道B封闭后，焊接方法转变为接口剩余部分的快速填充。可以用带气的实心焊条，或最好使用带有助焊剂的芯焊条，这样气体保护就不是必须的。在围绕管道做成数个高沉积通道时，STT焊机或电源最好也用在接口填充操作中。

Claims (27)

1．一种在两个金属件相隔开的端口之间的开口根部焊接其端口的焊接方法，该方法包括：
a．选择一种焊条，其包含磷，硫和碳；
b．在所述选择的焊条上维持所述的硫于给定的百分比水平；
c．在所述选择的焊条上维持所述的磷于给定的百分比水平；
d．以给定的焊条进给速度将所述的焊条向所述的开口根部推进，由在第一焊道至少部分填充所述的开口根部将所述的端口焊接在一起；
e．用一个控制波形产生一个焊接电流，所述的波形包括：连续的焊接周期，每一个周期有一个短路部分和一个等离子弧部分；
f．当所述的焊接电流通过所述的焊条时，沿着所述的开口根部移动所述的焊条，使焊条熔化并将熔融的焊条转移到所述的开口根部的所述端口。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．06％重量百分比的碳。
3．根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．06～0．15％重量百分比的碳。
4．根据权利要求1～3所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．9％重量百分比的锰。
5．根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．9～1．4％重量百分比的锰。
6．根据权利要求1～5所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．45％重量百分比的硅。
7．根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．45～0．75％重量百分比的硅。
8．根据权利要求1～7所述的方法，其特征在于所述的焊条包括铜。
9．根据权利要求8所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达约0．5％重量百分比的铜。
10．根据权利要求1～9所述的方法，其特征在于所述的焊条包括不锈钢合金。
11．根据权利要求10所述的方法，其特征在于所述的不锈钢合金包括由镍，钴，钼，钒及其混合物组成的一组中选择的金属。
12．根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达约0．5％重量百分比的不锈钢合金。
13．根据权利要求1～12所述的方法，其特征在于所述的焊条包括高达大约0．015％重量百分比的磷。
14．根据权利要求13所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．006～0．008％重量百分比的磷。
15．根据权利要求1～14所述的方法，其特征在于所述的焊条至少包括大约0．015％重量百分比的硫。
16．根据权利要求15所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．015～0．035％重量百分比的硫。
17．根据权利要求16所述的方法，其特征在于所述的焊条包括大约0．025～0．035％重量百分比的硫。
18．根据权利要求1～17所述的方法，其特征在于所述的焊条包括以下成份的重量百分比(％)：
碳            0．06～0．15
铜            0～0．5
锰            0．9～1．4
磷            0．006～0．25
硅            0．45～0．75
不锈钢合金    0～0．5
硫            0．01 5～0．035
19．根据权利要求1～18所述的方法，其特征在于所述的两个金属件是两个管道。
20．根据权利要求1～19所述的方法，其特征在于所述的推进选择的焊条的步骤填充所述第一焊道的所述的开口根部。
21．根据权利要求1～20所述方法，其特征在于所述的等离子弧部分顺序地包括一个等离子上升段，一个下降段和一个基础电流段。
22．根据权利要求1～21所述的方法，其特征在于所述的焊条被熔化，熔化的焊条利用其表面张力被传送到所述的开口根部。
23．根据权利要求1～22的方法，其特征在于包括利用快速连续的电流脉冲形成所述的电流波形步骤，该电流脉冲是由以至少大约18千赫的频率产生的，并且具有一个脉冲宽度调制器控制的脉冲宽度。
24．根据权利要求1～23所述的方法，其特征在于包括当所述的第一焊道完成以后，在所述的开口根部的金属上利用填充焊条填充接口。
25．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述的填充焊条不同于所述焊条。
26．根据权利要求24或25所述的方法，其特征在于所述的填充焊条是带芯焊条。
27．根据权利要求1～26所述的方法，其特征在于所述的焊条是带芯焊条。
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