CN1376099A - 用于焊接双相不锈钢的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

双相不锈钢管的电弧焊接是采用一非脉冲电弧和一高耐熔焊剂完成的。即使该双相管的壁厚度超过2mm在其整个长度上是均匀的和具有一个双相结构和希望的外形的焊接道是通过一单道次轨道焊接制成的。

Description

用于焊接双相不锈钢的装置和方法
本发明的技术领域
本发明涉及用于双相不锈钢的焊接方法。更具体地，本发明涉及应用一焊剂(和可选择地应用一焊环)同时使用例如一轨道焊机以焊接双相不锈钢。
本发明的技术背景
双相不锈钢正变得被更加广泛地应用在要求高强度和抗腐蚀的使用场合。一个典型的例子是在石油和天然气工业中的深海应用。特别是对于高压运作，可能需要厚壁的或重型的双相管结构。关于其中可被互换应用时“厚壁的”或“重型的”管结构是指大于2mm壁厚的双相管件。对于大多数应用场合，双相管既可被焊接到双相管的附加部分上或也可被焊接到接头上，阀门上等等，所有这些都可由双相钢制成。
双相钢的特征是：一种在钢晶体结构中奥氏体和铁素体之间的相平衡。一般说，双(相)不锈钢包含约30至70％(体积)铁素体；更典型地约35-60％(体积)铁素体；特别典型地约40-45％(体积)铁素体同时具有与奥氏体间的平衡。维持这种奥氏体/铁素体的相平衡是很重要的，因为其中该奥氏体相贡献于该钢的抗点腐蚀的能力同时该铁素体相则有助于更高的强度和抵抗氯化物应力腐蚀裂纹的能力。
对双相钢的焊接提出了特别的挑战，因为一个适当的相平衡和氮含量必须被保持在该焊接的金属中以及环绕的热作用区(HAZ)中。这是由于焊接使得材料为形成焊道要承受附加的高加热作用，熔化，冷却和而后凝固。而与焊接工艺有关的许多因素可能影响这种在焊接金属中的相平衡。这些因素包括焊接温度，冷却率和在焊接操作期间使用的吹扫气体类型和该焊接熔池的化学性能。如果该最终的焊接结构凝固了过多的奥氏体，该焊接结构的强度则可能受到危害。如果该焊接结构凝固了过多的铁素体则该焊接结构和HAZ可能呈现出较低的抗腐蚀能力。
钢管的焊接是由手工和机械两者完成的。在两个操作中应该避免通过焊接熔池的凹陷或下降，以使该焊道沿其整个长度上外形是均匀的。另外，该焊道在外形上不应该过宽，因为一个过度缓慢凝固的焊道可能在化学性能和相结构两方面中呈现不正常的冶金特性。而且还应该避免通过该管壁的不完全的穿透性。
钢管的机器焊接在商业性生产中通常使用轨道焊接机来完成，其中焊接的热量来自一个通过脉冲电流产生的电弧。该电弧源自于一电极，其被安置在管件外部并邻近于该要被形成时焊接缝(熔合线)，同时该电极可被机器围绕着管件沿其整个圆周作轨道(周围)地移动。作为优选，轨道焊接是在一单个道次(在某些情况下为平滑地完成该焊接结构要增加一附加的30°至120°)中实现的，由于这一方式可将一先前形成的焊接道被重新熔化时发生的问题最小化。
厚壁的双相管要被焊接是特别困难的，因为导致不良焊接外形的因素和不适合的相平衡将随着管件壁厚度之增加而扩大。因此，当以机器焊接重型壁厚度的双相钢管时实现可接受的焊接质量是不可能的。虽然手工焊接可能达到能接受的焊接质量，但却需要一个高度熟练的焊接工。此外，还要求多个焊接道次，这只能增加焊接工艺的复杂性和成本。
依此，本发明的一目的是提供这样的焊接装置和方法，它能通过形成可接受的焊接外形和形成具有一正确的双相平衡及氮保持量的焊接道有效地改善双相不锈钢的焊接性能。
本发明的另一目的是提供一焊接方法和装置，它能有助于以机器为基础的焊接工作，特别是双相不锈钢管尤其是厚壁的双相不锈钢管之焊接的单道次轨道焊接。
本发明之概述
按照本发明，已经发现，双相钢管和其它构件通过机器为基础的电弧焊接就可以容易地被结合在一起，条件是：一高耐熔的焊剂被提供在HAZ(热作用区)中并另外，该用于焊接而产生的电弧是非脉冲方式的。特别是已经发现，当将双相钢构件焊接一起时产生的焊道‘在一高耐熔焊剂被提供在HAZ中并使供给焊接热的电弧通过一非脉冲的电流产生时’将可靠地和一贯地实现所述希望的双相平衡，氮含量水平和焊道的外形。
因此本发明在其更广泛的方面提供了一用于焊接双相钢构件的新方法，其中形成一具有双相不锈钢结构的焊接道是通过在设置了一高耐熔焊剂情况下实施该焊接操作而被容易地实现了。另外，本发明还提供了一用于电弧焊接双相钢管的新方法，其中一具有双相不锈钢结构的焊道，一希望的氮含量水平和一均匀的外形是通过在设置了一高耐熔焊剂情况下实施该焊接并且该用于焊接的热量是源自于一通过非脉冲电流产生的电弧条件下被实现的。
附图的简述
本发明可以采取在某些构件和构件之组合配置中的实体形状，其优选的实施例及其一方法将被详细地描述在这个说明书中并被描绘在构成其一部分的附图中以及其中描绘了一用于焊接双相钢厚壁管的装置。
优选实施例的详细说明
本发明可以被用于将很多各种各样的由双相不锈钢制成的构件焊接到一起，特别是但不是必需的厚壁的或重型的双相管和管端部。具体地，本发明是针对将两个或多个‘其中至少一个是由双相钢制造的’构件焊接到一起，并且另外在其中该通过焊接操作形成的焊接道也具有双相结构。
正如上面所述，双相不锈钢包含约30至70％(体积)铁素体；更典型地约35-60％(体积)铁素体；特别典型地约40至45％(体积)铁素体，并具有与奥氏体间的平衡。通过本发明方法形成的焊道就具有一个双相不锈钢结构，意思是：它们也包含这些数量的奥氏体和铁素体，因为这个相平衡对于实现双相钢之高强度和抗腐蚀特性是需要的。
按照本发明，已经发现，一个具有上述希望的相平衡和氮含量水平的以及一适当外形的焊道当焊接双相钢时是可以形成的，条件是：一高耐熔的焊剂被提供在HAZ中并且该用于提供焊接加热的电弧是非脉冲方式的。
焊接助焊剂是公知的在焊接工业中被广泛商业应用的产品。基本上说，它们被用作表面活化剂以使熔化的焊接熔池按希望的方式流动亦即沿着被加热的表面联合成凝固成一致密的材质。一种焊接助焊剂在促进一焊接熔池凝固方面的有效性是依照该焊接结构的穿透特性测得的，该穿透特性是该焊接深度相对于其‘在其最宽点处’宽度的比率。按照本发明，焊接结构可以按穿透系数为0.33或更大，最好为0.5或更大，特别优选为1.0或更大地来完成。
许多不同的材料已被用作焊接助焊剂。最典型是：氯化物和氟化物例如氯化镁，氯化铁，氯化锡和各种含硫的化合物。按照本发明，我们已经发现，这些典型的焊接助焊剂在实现一具有希望的相平衡和外形的双相焊道方面是无效的。具体地，我们已经确定，这种助焊剂用附加的材料例如氯化物，氟化物和/或硫原子污染了所述的焊接池，因此就有害地影响了该最终产生的焊道之相平衡和化学特性。因此在本发明中应用了一种不同类型的焊接助焊剂，在此被称之为“高耐熔”的焊剂。
按照本发明的一种高耐熔焊剂是任何那些能将表面活化特性给予该焊接池的材料，其以传统的焊接助剂之方式接触该焊池但是作为焊接操作之结果它不会以外来原子污染该被熔化的焊接池。可用于这一目的一些材料之例子是耐熔的氧化物例如二氧化硅，二氧化钛，氧化镁，氧化铬，TiO和类似物。一个特别优选的焊接焊剂是由一种包括Cr2O3，SiO2和一种钛氧化物之混合物组成的，最好是由一种约30-70％(重量)的氧化钛(TiO和/或TiO2)20-76％(重量)的Cr2O3和5-27％(重量)的SiO2之混合物组成，这已被描述在US专利No5804792中，其公开内容通过引证被结合于此。一种包括约50％钛氧化物，约40％的Cr2O3和约10％SiO2的焊剂是特别优选的。一般说，这种焊剂是以混合了一液体载体如水或有机材料如丙酮或丁酮的方式被提供的。这一类型的一种示范性焊剂是可从Liburdi DimetricsCompany of Dundas，Ontario，Canada买到的LFX-SS7焊剂。
按照本发明的这种焊剂是以和传统的焊接剂相同的方式应用的。因此，它们可以如传统的焊剂之相同的数量并在相同的时间被施加到相同的位置上。在使用一个焊接环的情况下，如下面描述的按照本发明的一个优选实施例，该焊接焊剂也可仅仅被施加到该焊接环上，在该焊接环被接合到该要被焊接的管件上之前或之后均可；或者其也可被施加到该管件本身上，或者该焊接环和管件两者上。
一旦该焊接剂被施加以后，这些要被连接的双相构件就以传统的方式被焊接。在焊接是由电弧焊完成的情况下，按照本发明可优选的是应用非脉冲焊接亦即非脉冲电弧焊，其中该用于产生电弧的电流是非脉冲式，最好是连续的。在一种典型的轨道焊接操作中，采用了脉冲式电极电流，因为它们容易被调节和使用以在焊接区控制加热。然而，我们已经发现，即使在焊接期间提供一种如上面所述的高耐熔焊接助剂，采用脉冲式电流产生的焊接道也是不可接受的多孔和不均匀的外形。虽然不希望被束缚在任何理论上，但我们相信，当脉冲电弧与高耐熔焊剂一起使用时产生不可接受的焊接结构是因为在焊接池中产生的过分紊流而造成的。非脉冲电弧使得被施加的热比率平均了，因此减小了或消除了在电周期中峰值期间过分的热产生和伴随的紊流。
在标准的电弧焊接中，电流脉冲出现在2-20Hz，通常是具有一般在峰值的100％和30％之间变化的幅值。此处使用的“非脉冲”则意味着：该脉冲的周期被拉长了和/或在最大和最小幅值之间的变化被减小了，使得猛烈的紊流和与其伴随的对焊接质量的不利影响就基本被消除了。作为优选，可以应用直(连续)流电，由于它完全消除了脉冲的不利影响。而且，按照本发明应用非脉冲电弧已经被发现，可减少焊接需要的电功率总量。
本发明的一个特别优点是，具有希望的奥氏体/铁素体平衡的，氮含量水平和焊道外形的高质量焊接结构可以在一单个电极道(次)中制成，即使被焊管的壁厚超过2mm也是如此。当管件的壁厚超过2mm时使用传统的技术对双相钢管的轨道焊接充其量也是困难的和作为一个实践方式则是不可能的。以手工方式焊接这一厚度的双相管是可能时，但是很困难，而且在任何情况下要求多个道次。然而按照本发明，这个厚度的管件可以用传统的轨道焊机被容易地焊接在一起，甚至该焊机以一单个道次方式被操作时也是如此。就此而论，应该理解的是，作为此处考虑的单个道次操作包括将该电极之道次延伸一个超过一单个完整转圈之附加的30°，45°，90°，120°或甚至180°之情况以便使焊接结构平滑地完成。当然，好的结果仍然可以用一单个360°的道次来完成。
按照本发明之另外的实施例，该焊接熔池使用由一焊接填充料提供的附加的合金元素来形成。使用焊接填充料向一焊接结构提供附加的合金元素是普通的焊接实践技术。因为，一焊接结构的冶金特性可能常常由于其下面的基础金属而不同，故可以应用通过一焊接填充料提供的附加合金元素以改变该焊接的化学特性从而实现一更加希望的化学及冶金特性。这一效果可以应用在本发明的焊接双相钢中以使形成之焊道的奥氏体/铁素体平衡更接近一希望值。
就此而论，由双相钢制成的焊接结构趋向于具有一个比从中熔化的基础金属较低的奥氏体比例。因此，这一影响可以通过使用一种其合金元素趋向于促进奥氏体生成的焊接填充料补偿并且保持(至少近似地保持)该希望的相平衡。镍有助于在凝固时稳定或增强奥氏体形成，而铬则助长铁素体生成。依此，使用一种与被焊接的基础金属比较以过量镍合金化的焊接填充料就是本发明的一个所希望的方案。例如一种可以Sandvik Corporation购买的由25.10.4.L填充料材料制成的焊接填充料可被有利地应用来焊接也可从Sandvik买到的2507双相不锈钢。
按照本发明这一方面的焊接填充料材料可以按任何传统的方式被提供。例如，它们可以按线材的形式被提供以应用在手工和机器为基础的焊接中；或者它们可以按焊接环的形式提供的插置在被焊接之管件的端部之间并附加到该端部上。最好是，该焊接填充料被以一个T形截面的焊接环之形式提供因为这就允许该管端部在焊接之前被物理地固定在一起。而且，如果希望，在本发明方法中应用的高耐熔助焊剂可以和被焊接的管端部无关地被施加到焊接环上，在该焊接环被附加到焊接环上，在该焊接环被附加到要被焊接的管件上之前或之后均可。实际上，该高耐熔助焊剂的成分甚至可以被组合进该焊接环中，此时如果需要这样制做的话。
轨道焊接可以使用一个开式系统来完成，它是这样的装置，其中，在焊接电极和要被焊接之管件间的空隙是开向大气环境的，或者也可使用一个闭式系统，其中这个空隙是被封闭的。在任何情况下，通常是用一屏蔽气体吹扫该空隙用于从焊接之附近基本上清除氧并去除由焊接工作产生的任何气体。
多种不同的气体已在传统的焊接工艺中被用作屏蔽气体。作为例子的是这些惰性气体，尤其是氩，氮和其它气体。氮当以浓度低到2％被用作防护气体时公知的是在多种不同钢中增强奥氏体的生成并因此是一个多种应用场合的优先选择。而且，氢也已被应用。然而按照本发明，已经发现，浓度为低到2％的氮和氢则会引起‘当一高耐熔助焊剂被提供时在本发明方法中建立的’焊接熔池的一种“爆炸”。因此，氢，氮和所有其他具有一相似作用的气体最好是被避免用于实施本发明。于是，在本发明之这个实施例中应用的屏蔽气体包括不活泼的气体例如惰性气体(氦，氩，氖和氙)以及任何其他在焊接时周围条件下不与焊接熔池或高耐熔焊剂发生反应的气体。
现在，本发明将通过一个被插绘在附图中的具体实施例作示范性说明：
一用于将双相钢管33和39之管端部28和30焊接一起的装置10在一优选实施例中包括一轨道焊接机装置12，一焊接环14和一助焊剂材料16。该轨道焊机可以是例如一个轨道焊接系统和动力源例如可从Swagelok Company of Solon，Ohio购买的样机M-100。然而，其他的对于本领域普通技术人员公知的焊接技术也可以应用，包括手工操作的焊接系统，但是不局限于此。在该示范性实施例中双相钢管33和39是由可从Sandvik Corporation of Sandviken Sweden购买的SAF 2507钢制造的。
一种焊接填充料材料例如合金25.10.4.L同样可从Sandvik买到，被制造成一个可自耗嵌块或焊接环14。焊接环14在焊接操作时被完全地消耗在焊接熔池中。合金25.10.4.L的一个重要特征是，它与被焊接的基础金属相比是以过量镍合金化的。这些附加的镍在凝固期间有助于稳定或增强在焊接结构中形成奥氏体。
合金25.10.4.L是可从Sandvik Corporation买到的商用丝材结构。按照本发明的一个方面，该填充料丝材被制成一个焊接环，其具有一个径向上里边的环件20和一个与之组合一体的在圆周上沿轴向延伸的环件22。该焊接环14被适当地确定尺寸为滑套到该要被焊接一起的管端部之每个端部上。该焊接环14的形状同样有助于在连接中的对准，这对于轨道焊接装置是特别有用的。焊接环14可以用任何方便的工艺例如烧结，冲压等制造。
焊剂16是可从Liburdi Dimetries买到的LFX-SS7焊剂。其他上述的焊剂也可以使用。最好是焊剂16被施加到该焊接环的一外表面14a上和相邻的管表面上。表面涂覆有助于焊剂之增强穿透的特性。该焊剂16通常可以粉末状形式购买到，但是在这种情况下要与一液状载体混合去形成一膏状物以用手工被刷涂在焊接环14上。该液状载体可蒸发掉然后该焊剂保持松散地粘附在焊接环14上。该焊剂最好是在焊接操作期间被完全地消耗掉。然而，焊剂残留物可以按需要被容易地从最终焊件上清除。最佳是，该焊剂被保持在焊接环14的外表面附近，正如图中所示。
焊剂16可促进在焊接时的热穿透，于是就减小了焊接宽度，进而降低了凹陷和其它焊接外形问题产生的可能性，而这些问题通常发生在企图对于厚壁的部件进行一单个道次焊接操作的情况。通过更有效地将热量向内集中导引以减小焊接熔池扩散，故该焊接操作可使用较低的电流以为了充分的穿透。而减小的电流就允许用较小的低功率焊头和较小的动力源进行焊接而且还有助于在焊接中维持奥氏体。
在操作中，该管分段33和39的管端部28和30通过其间的焊接环14被邻接在一起。轨道焊机12被用于执行一单道次焊接操作同时应用一氩气作为屏蔽气体。对于一典型的具有壁厚为0.095英寸和管直径为0.5英寸的双相管件，可接受的焊接是使用一焊接电流/电压为50安培/9伏特在每分钟2.1英寸的电极移行速度下实现的。按这一方式形成的焊道具有一个奥氏体/铁素体比率为58/42和一个沿其整个宽度上均匀的外形并具有一个穿透特性为0.5(焊接深度相对最大焊接宽度的比率)。
本发明已经参考优选的实施例被描述完了。明显的是，其他人在阅读和理解了这个说明书的基础上将想到多个改型和变型。但本发明将包括所有这些改型和变型，因为它们属于所附权利要求或其等同概念的保护范围。

Claims (34)

1.一种用于焊接双相不锈钢构件的方法，包括：在提供一种高耐熔焊剂情况下实施焊接，因此形成一具有双相不锈钢结构的焊道。
2.按权利要求1的方法，其特征在于：
该耐熔的焊剂包括，二氧化硅，二氧化钛，氧化镁，氧化铬和TiO的至少一种。
3.按权利要求2的方法，其特征在于：
该耐熔焊剂包括由Cr2O3，SiO2和一氧化钛组成的一种混合物。
4.按权利要求1的方法，其特征在于：
焊接是通过使用一非脉冲电弧的电弧焊完成的。
5.一种方法包括：在提供一种耐熔焊剂情况下使用由一种非脉冲电流产生的热量电弧焊接双相不锈钢管，以形成一个具有双相不锈钢结构和均匀外形的焊接道。
6.按权利要求5的方法，其特征在于：
该焊道具有一种0.33或更大的穿透特性。
7.按权利要求6的方法，其特征在于：
该电弧焊接方法是在一封闭的系统中实施的电弧焊，以便将位于该产生电弧的电极和该被焊接的管件之间的空隙与大气环境的氧屏蔽。
8.按权利要求7的方法，其特征在于：
该空隙是被一种与该焊熔池和该高耐熔焊剂不起反应的屏蔽气体吹扫的。
9.按权利要求8的方法，其特征在于：
该屏蔽气体是不活泼的气体：氦，氩，氖，氙或其混合物。
10.按权利要求9的方法，其特征在于：
通过一个与该制成要被焊接之双相钢的金属相比具有较高镍含量的焊接填充料将附加的合金元素提供到焊接期间形成的焊接熔池中。
11.按权利要求8的方法，其特征在于：
通过一个与该制成要被焊接之双相钢的金属相比具有较高镍含量的焊接填充料将附加的合金元素提供到焊接期间形成的焊接熔池中。
12.按权利要求11的方法，其特征在于：
该耐熔焊剂包括二氧化硅，二氧化钛，氧化镁，氧化铬和TiO的至少一种。
13.按权利要求12的方法，其特征在于：
该耐熔焊剂包括由Cr2O3、SiO2和一氧化钛组成的一种混合物。
14.按权利要求8的方法，其特征在于：
所述焊接步骤是在一单个道次的轨道焊接中完成的。
15.按权利要求14的方法，其特征在于：
将一个由一焊接填充料材料制成的焊接环安置于要被焊接的管端部之间。
16.按权利要求15的方法，其特征在于：
该焊接环是T形的横截面以便该环可被滑套到一管端部上。
17.按权利要求16的方法，其特征在于：
将该焊剂施加到该焊接环的一外表面上。
18.按权利要求5的方法，其特征在于：
该耐熔焊剂包括二氧化硅，二氧化钛，氧化镁，氧化铬和TiO的至少一种。
19.按权利要求14的方法，其特征在于：
该耐熔焊民括由Cr2O3，SiO2和一氧化钛组成的一种混合物。
20.按权利要求5的方法，其特征在于：
所述焊接步骤是在一单个道次轨道焊接中完成的。
21.按权利要求20的方法，其特征在于：
将一由焊接填充料材料制成的焊接环安置在要被焊接的管端部之间。
22.按权利要求21的方法，其特征在于：
将焊接环制成T形的横截面以便该环可被滑套在一管端部上。
23.按权利要求22的方法，其特征在于：
将焊剂施加到焊接环的一外表面上。
24.一用于焊接双相不锈钢管件的插入件，包括：
a，一个与要被焊接的双相不锈钢管相比含有更高的百分比重量的镍的焊接环；和
b，一在所述焊接环之一外表面上的改进穿透性的焊剂。
25.按权利要求24的插入件，其特征在于：
该焊剂是在该焊接环制成以后被施加到该环的一外表面上的。
26.按权利要求24的插入件，其特征在于：
所述焊剂是构成该焊接环金属基体的一部分。
27.按权利要求24的插入件，其特征在于：
所述填充料材料包括25.10.4.L材料。
28.按权利要求24的插入件，其特征在于：
所述焊剂包含一钛氧化物。
29.一种用于将两个重型壁的双相不锈钢管件之相邻端部相连接的轨道焊接方法，包括：
a，将一焊接填充料置于该要被焊接的相邻管件端部之间，该焊接填充料被如此选择，使得通过该焊接方法形成的该焊接道具有一双相结构；
b，将一高耐熔焊剂施加到该由焊接填充料和这要被焊接的相邻管件端部形成的热作用区上；和
c，在一使用非脉冲电弧的单个轨道道次中以电弧方式焊接该相邻的管件端部到一起。
30.按权利要求29的方法，其特征在于：
该焊接填充料是由一种与要被焊接一起的双相钢管相比含有更多奥氏体的钢材制成的。
31.按权利要求30的方法，其特征在于：
该填充料钢与该要被焊接一起的双相钢管之构成相比要有更多的镍。
32.按权利要求29的方法，其特征在于：
该焊剂包含一金属氧化物。
33.按权利要求29的方法，其特征在于：
该焊接填充料是一具有T形横截面的焊接环。
34.按权利要求29的方法，其特征在于：
该电弧是连续型的。
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