NO151651B - Fremgangsmaate for buesveising av kupro-nikkeldeler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører fremgangsmåte for buesveising av kupro-nikkeldeler ved bruk av en flussmiddelbelagt stavelektrode, hvor det benyttes en "åpen V"-buttsveis og hvor sveisen utføres bare fra den åpne siden av Ven uten etterfølgende sveising på den motsatte flaten.

Metallrørender blir vanligvis sveiset sammen ved hjelp av en åpen V-formet buttsveis. En buttsveis er vist på figur 1 på tegningen, som viser et langsgående tverrsnitt gjennom to sylindriske rør 10,10'. Enden på hvert rør er utformet med en kjeglestumpformet flate 12,12', som gir en sentral ring-formet rotflate 11,11'. Det dannes således en V-formet kanal som utstrekker seg rundt' rørforbindelsen og tillater tilgang av sveisemateriale til hele endeflaten på hvert rør. Vinkelen 9 til V-sporet er vanligvis i størrelsesorden 60°-70°. Åpningen mellom rotflåtene 11,11' er vanligvis 2-3 mm.

Åpen V-buttsveising gjennomføres vanligvis i flere trinn,

som vist i den øvre del av figur 1. Først dannes en sveis I mellom rotflåtene. Dette er den vanskeligste del av sveise-operasjonen, særlig med rør hvor sveising i alle stillinger er nødvendig. Når rotflatesveisen er utført, er bunnen til det V-formede spor avtettet, slik at det er relativt enkelt å tilsette fyllingssveiser II og dekksveiser for eksempel ved III og IV.

Frem til utviklingen av sveiseteknikker med inert gassbeskyttelse var det vanlig å benytte en stavelektrode ved buesveising. En forbedring i denne teknikk besto i belegging av elektroden med et flussmiddel som dannet en inert gass rundt det område som ble sveiset for å beskytte metalldelene og smeltet metall for oksydasjon. Ikke perfekt beskyttelse resulterer vanligvis i dannelsen av en porøs sveis som ikke bare gjør forbindelsen svak, men gjør den utsatt for korrosjon, særlig av sjøvann. Ved gjennomføring av en slik prosess på platematerialet, ble en porøs sveis vanligvis oppnådd på motsatt side hvor det var utilstrekkelig beskyttelse.

Det var derfor nødvendig å skjære ut forbindelsen til rent metall ved den motsatte flate og sveise ut igjen fra denne side som ikke lenger var åpen for atmosfæren, slik at en egnet gassbeskyttelse var tilstede.

Dette var selvfølgelig ikke mulig ved sveising av deler hvor den bakre side var utilgjengelig, som ved smale rør, og en teknikk ble utviklet i slike tilfeller hvor en bakgrunnsplate ble festet over åpningen ved den motsatte flate og sveiset fast. Dette resulterte naturligvis i en ødeleggelse i røret,noe som var en alvorlig ulempe. Det var noen ganger mulig, hvor situa-sjonen tillot det, å beskytte den bakre flate med et lag av oksyderende materiale, såsom karbon.

Bruken av bakgrunnsplater og lignende ble stort sett avbrutt ved utviklingen av sveising med inert gassbeskyttelse, som nå er vanlig. Ved denne metode blir det vanligvis benyttet en udekket trådelektrode som mates fra en pistol som også tilfører en strøm av inert gass, vanligvis argon, rundt sveiseområdet. Inert gassveising er vanligvis tungvint ved sveising av rør, og særlig den bakre flate er ikke beskyttet av den inerte gass fra pistolen.

For sveising av rør blir derfor innsiden av hver rørseksjon avstengt over en kort avstand fra forbindelsen, og det mellom-liggende rom fylles med inert gass. Argonbueprosessen krever komplisert og dyr apparatur og er vanskelig å gjennomføre, 'særlig når den siste seksjon av rørledningen skal sveises på plass. Når røret er blitt innrettet, er det ikke lenger mulig å gi tilgang til innsidene av rørene, slik at duker av for eksempel rispapir må benyttes for å holde argonatmosfæren rundt sveisen. Disse duker blir så oppløst ved den etterfølgende utskylling av rørledningen. Hvis imidlertid duken skulle utvikle en lekkasje, vil en stor lengde av røret, for eksempel mellom to ventiler, måtte fylles med argon, eller hele forbindelsen går opp og må fornyes. Dette er selvfølgelig meget dyrt og tidkrevende.

En god oversikt foreligger ved gassbeskyttet buesveising av kobber og kobberlegerirger er gitt i artikkelen "The Gas-Shielded Are Welding of Copper and Copper Alloys" av P.G.F. du Pré, Philips Welding Reporter 1972, Vol.8, side 14. Artikkelen omfatter en diskusjon av problemene med porøsitet særlig på baksiden og nødvendigheten for å bruke en bakgrunnsplate eller en avtetning på baksiden. Den diskuterer også problemene med korrosjon, særlig av sjøvann, og nødvendigheten av forvarming. Beskyttet metallbuesveising generelt er beskrevet i volum 6 av "Metals Handbook" (8.utgave) av "the American Society for Metals" (ASM) og i en artikkel av D.E.Jordan i "Welding and Metal Fabrication", september 1972, side 323. Sistnevnte beskriver sveising av kupro-nikkel metallplater såvel ved bruk av en stavelektrode, som beskrevet ovenfor, (vanligvis kalt beskyttet manuell metallbuesveising) som bruken av en spesiell inert gassbeskyttet teknikk (MIG-prosessen). I hvert tilfelle ble prøvestykkene kilsveiset til en stålblokk for å gi den vanlige bakgrunnsplate. De. forskjellig tilgjengelige teknikker for forbindelse av kobberbaserte legeringer er diskutert i en artikkel "Joining Copper Based Alloys" av R.J.C. Daeson i "Welding and Metal Fabrication", desember 1976, side 703.

Wegrzyn, Vgi Zeitschrift, volum 118, nr.8, april 1976 beskriver sveising av kobber og kobberlegeringer ved bruk av spesielt fremstilt belagte elektroder av ulegerte kobber. Platene blir sveiset horisontalt på vanlig måte på et lag av grafitt, og verti-kal sveising er bare mulig med plater med opp til 5 mm tykkelse. Buttsveising av rør er ikke beskrevet. Artikkelen diskuterer problemer i forbindelse med den strømførende kapasitet for elektroden og fordelingen av varme i sveisesonen som fører til nødvendigheten av forvarming i tilfelle av plater med større tykkelse enn 2 mm.

US-patent nr. 2745771 beskriver også konstruksjonen av en spesiell stavelektrode for buesveising av kupro-nikkel.

Patentet angir at porøsitetsfrie forbindelser kan oppnås, men angir ikke at disse kan oppnås ved ensidig sveising uten bruk av en bakgrunnsplate. Sveisebetingelsene som er beskrevet med-fører bruken av sveiser på begge flater ved bruk av en dobbelt V- eller X-forbindelse.

En meget fullstendig angivelse av problemer og teknikker ved sveising av kobber-nikkellegeringer finnes i International Nickel Co. "Welding Copper-Nickel Alloys" (nr.2742b). Denne

bok gir også ytterligere detaljer med hensyn til elektrodene som nevnes i det følgende. Denne bok betegnes i det følgende

"INCO".

Forskjellige publikasjoner beskriver buesveising av ståldeler ved bruk av stavelektroder og åpne V-buttforbindelser, noen ganger visende til sveising av rør. Det skal imidlertid be-merkes at temperaturen ved sveisen og også ledningsevnen for elektrodene er meget forskjellige, slik at det ikke kan finnes noe hjelp ut fra teknikken med sveising av stål. Anbefalinger med hensyn til prepareringen av delene som skal sveises i tilfelle av kupro-nikkel er ekstremt forskjellige. De illustrer-es for eksempel i "du Pré" (se ovenfor) som angir 12 forskjellige figurer, som ingen svarer til de anbefalte,forbindelser i forhold til prosessen ifølge oppfinnelsen.

Sammenfattende kan det sies at ingen av de tidligere kjente artikler og bøker angir en prosess for ensidig sveising av kupro-nikkel uten bruk av bakgrunnsmateriale for å tilveiebringe forbindelser som tilfredsstiller de strenge betingelser som er satt i olje- og skipsbyggingsindustrien. Som det vil fremgå

av følgende oppfinnelse og ved å følge anbefalingen i eksem-plene, tilfredsstille betingelsene som er gitt av ASME IX, og de er også funnet å tilfredsstille de strengeste betingelser

som er gitt i reglene for prøving, særlig ASMR IX, ANSI

B 31.3 og AWS Structural Code.

Selv om det er blitt gjort flere forsøk i den senere tid for

å utvikle en.metode med hvilken rørender kan sveises til hver-andre uten bruk av en argonatmosfære, har ingen av disse metoder overvunnet den vanskeligste del av sveisingen, nemlig sveisingen av rotflåtene. På grunn av vanskelighetene med å styre temperaturen rundt sveisen, vil enten sveisematerialet eller rørendene selv synke, slik at istedenfor å oppnå en sveiseflate som er konveks på hver side, som vist for rotflatesveisen på figur 1, vil disse flater være konkave eller vise utstrakt inntrengning.

Flere faktorer påvirker muligheten for sveisematerialet til

å holde seg på plass, særlig typen av metall som benyttes i metalldelene som skal sveises og i selve sveisestangen, bredden til rotflaten, rotåpningen (dvs. gapet mellom motsatte rotflater mellom hvilke sveisen skal tilbringes) og sveisetem-peraturen.

Ved vanlige sveiseprosesser er rotflatens bredde vanligvis ikke mer enn 1,5 mm, da det vanligvis har vært antatt at over denne verdi vil den ønskede inntrengning ikke oppnås, slik at rotflatene ikke helt dekkes, og den ønskede sveisflate, som ligger i hvertfall jevnt med innsiden av røret og fortrinnsvis står ut i forholdet til denne, oppnås ikke.

Spesielt INCO anbefaler for manuell metallbuesveising en rotflate på 0,8-1,5 mm og en rotåpning på 1,5 mm og gjør det klart at selv om forbedringer, spesielt i porøsitet, er blitt oppnådd ved å erstatte "Monel 137"-elektroden med en 187-elektrode, må det fremdeles regnes med feil, og en argonbeskyt-tet prosess anbefales i hvertfall for skråstilte rør. Den minste anbefalte elektrodetykkelse er 2,4 mm, og litteraturen omfatter ikke flussmiddelbelagte stavelektroder med mindre tykkelse, og slike er heller ikke tilgjengelige på markedet.

Ifølge oppfinnelsen er fremgangsmåten for buesveising av kupro-nikkeldeler tilveiebragt ved at stussveisens rotflater har en midlere bredde større enn 1,6 mm og ikke større enn 3,2 mm og bredden av rotåpningen ligger mellom 2 og 3 mm, og at sveisingen utføres uten benyttelse av ekstra inert gassbeskyttelse eller bakgrunnsmateriale.

Ved bruk av spesielle materialer og dimensjoner ifølge oppfinnelsen er det funnet at temperaturen til sveiseområdet og strømmen av varme bort fra dette kan styres slik at det oppnås en tilfredsstillende sveis.

Framgangsmåten ifølge oppfinnelsen adskiller seg spesielt fra tidligere kjente metoder ved at det benyttes en større bredde for rotflaten. Hvis bredden (vanligvis gjennomsnittsbredde)

er l,5mm eller mindre, er det funnet at sveisematerialet synker og holder seg ikke på plass eller den del av rotflaten i seg selv begynner å synke eller smelte. Mer fordelaktig bør rotflatens bredde være 2 mm, særlig hvis en elektrode større enn 2 mm benyttes. På den annen side må rotflaten ikke være større enn 3,2 mm bredde, da i dette tilfelle den ønskede inntrenging ikke ville bli oppnådd, det vil si at sveisematerialet ikke ville fylle hele rotåpningen. Bredden til rotflaten er fortrinnsvis ca. 2,5 mm eller 2 mm, hvor en 2 mm elektrode benyttes, noe som er omtrent en halv gang til så bred som den bredeste rotflate som benyttes ved vanlige prosesser. De beste resultater er oppnådd med en 2 mm elektrode, eller med en elektrodetykkelse på 1,6 - 2,2 mm.

De deler som skal sveises er av en kupro-nikkellegering (ASME kode nr. P34). Den foretrukne legering består i det vesentlige av 85 - 95 vekt-% nikkel. En særlig foretrukket legering har ca. 90 vekt-% kobber og 10 vekt-% nikkel. Særlig ønskelig til dette formål er en legering som er kjent under betegnelsen "Kunifer 10".

Sveisestavene er også av en kupro-nikkellegering, og en særlig egnet markedsføres under betegnelsen "Monel 187" som har AWS kode A5.6, klasse ECuNi, eller ASME SFA-5.6, klasse ECuNi.

Ved bruk av metoden ifølge oppfinnelsen er det funnet at

(hvis ikke veggtykkelsen er eksepsjonelt stor) det vanligvis ikke er nødvendig å forvarme sveiseflaten før sveising gjen-nomføres og at sveising kan gjennomføres ved omgivelsestemperatur. I de fleste konvensjonelle prosesser blir sveiseflåtene forvarmet i overensstemmelse med veggtykkelsen. Temperaturene blir anbefalt av "du Pré" (se ovenfor) for gassbeskyttet (Mig eller Tig) sveising med tilhørende vanskeligheter med å opprett-holde og regulere temperaturen.

Rotåpningen er fortrinnsvis 2 - 3 mm (gjennomsnittsbredde), og vinkelen til V-sporet ( på figur 1) er fortrinnsvis 60 - 70° C.

Sveising av rotflatene utføres ved bruk av en likespennings-kilde forbundet med sveisestaven. En negativ elektrode (figur 1) er bare foretrukket ved bruk av en elektrode med over 2,2 mm tykkelse. Det er derved imidlertid ønskelig å reversere denne polaritet for tildekningssveisene ved bruk av. sveisestaven som en positiv elektrode. I hvertfall ved elektroder mindre enn 2,2 mm fremkommer ingen vanskeligheter ved bruk av en positiv elektrode, noe som er foretrukket da det er mulig med større kontroll. Fortrinnsvis benyttes en strøm på 50 - 75 ampere for rotsveisen.

En sveiseprosess i henhold til oppfinnelsen er vist skjematisk på figur 2. Under dannelsen av rotflatesveisene I viser figur-en en flussmiddelbelagt stavelektrode som er forbundet med en vanlig krets til en negativ pol på en likestrøm, idet den positive pol er forbundet til røret 10. En omvendt forbindelse er blitt diskutert. Det fremgår hvordan avfasingen av flatene 12, 12' til en vinkel på 60° gir lett tilgang for sveisestaven 15 til rotåpningen. Den positive pol er forbundet med elektroden ved gjennomføring av fyllings- og tildekningssveisene II, III og IV.

De følgende eksempler gir resultater av prøver som er serti-fisert av "Lloyd's Register of Shipping" i samsvar med ASME IX.

Eksempel 1.

To rørseksjoner av "Kunifer 10"-legering ble sveiset med en beskyttet manuell metallbueprosess i samsvar med figur 2 ved bruk av en 2,5 mm flussbelagt sveisestav av type "Monel 187" AWS kode ECuNi A5.6 (70 : 30 CuNi). Elektrodene ble oppvarmet i 2 timer ved 250°C i samsvar med fremstillingsanbefålingene før bruk. Dimensjonene før røret var følgende:

Fire gjennomganger ble utført i en oppoverretning (posisjon 6G), noe som ga et sveisemønster som vist på figur 1. For hver gjennomgang ble det benyttet en likestrøm på 50 - 75 ampere. Ved den første gjennomgang, i hvilken rotåpningen ble sveiset, var sveisestaven den negative elektrode. Denne polaritet ble snudd for de tre etterfølgende gjennomganger. Sveising ble gjennomført ved omgivelsestemperatur uten forvarming. Diameter-en for sveisestaven som ble benyttet var 2,5 mm.

1. Radiografisk undersøkelse 100% røntgen Filmtype AGFA D7 Skjerm: bly 0,05 mm foran og bak Inntrengningsmåler: CU 9-15 kV: 200 mAMIN: 4

Følsomhet %: 2 Tetthet: 2,5

2. Strekkprøver: , Spesifisert tøyningsgrense min: NA Strekkfasthet min: 2,7 tonn/cm<J>

3. Bøyeprøver: Spesifisert 180° tidligere avstand 4 x veggtykkelse

Eksempel 2, 3 og 4

Fremgangsmåten ifølge eksempel 1 ble fulgt, idet rør- og elek-trodematerialene var tilsvarende. Betingelsene er angitt neden-for :

I hvert tilfelle ble det benyttet en spesielt fremstilt flussbelagt 2 mm elektrode av typen "Monel 187" for rotveggen, for bundet positivt ved bruk av en strøm på 55 - 65 ampere. For tildekningssveisene ble det benyttet en standard "Monel 187" elektrode på 2,5 mm som var positivt forbundet med en strøm som varierte mellom 55 ampere og 80 ampere.-

Røntgendetaljer var for Eksempel 1 med unntak av at det ble benyttet en Kodak-film av type C og inntrengningsmåleren var av typen DIN 10 - 16.

Resultatene av hårdhetsprøvene (HV10) og makroprøven var alle tilfredsstillende på samme måte som røntgenundersøkelsen, rot-bøyen og flatebøyen i <i>alle eksemple. Hårdhetsmålingene ved forskjellige punkter i sveisen varierte fra et minimum på 92 til et maksimum på 166.

Mens prosessen ifølge oppfinnelsen er beregnet primært for sveising av rørender, er det klart at prosessen også kan benyttes for åpen V-buttsveising av andre metalldeler, for eksempel plater. Gløding av de sveisede deler bør gjennomføres hvis materialet i metalldelene krever en slik behandling, noe som • er velkjent.

De foretrukne elektroder er beskrevet i britisk patent nr. 937063 hvorav "Monel 187" er et eksempel.

Den foretrukne elektrode omfatter således en kjernetråd som inneholder 25 - 35 vekt-% nikkel, fra 0-1 vektprosent jern, mindre enn 0,15 vekt-% karbon, fra 0-1 vekt-% silikon, fra 0-3 vekt-% mangan og fra 0-1 vekt-% titan, idet balan-sen med unntak av urenheter er kobber, og et flussmiddeldannen-de belegg bestående av 5 - 70 vekt-% mangankarbonat, 0,40 vekt-% av minst ett alkalisk jordmetallkarbonat, idet den totale mengde av mangankarbonat og alkalisk jordmetallkarbonat i be-legget er fra 15 - 70 vekt-%, fra 10 - 35 vekt-% titandioksyd, fra 5-40 vekt-% kryolitt og et bindemiddel med eller uten mindre mengder av andre bestanddeler.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for buesveising av kupro-nikkeldeler ved bruk av en flussmiddelbelagt stavelektrode, hvor det benyttes en "åpen V"-buttsveis, og hvor sveisen utføres bare fra den åpne siden av V-en uten etterfølgende sveising på den motsatte flaten, karakterisert ved at buttsveisens rotflater har en midlere bredde større enn 1,6 mm og ikke større enn 3,2 mm og bredden av rotåpningen ligger mellom 2 og 3 mm, og at sveisingen utføres uten benyttelse av ekstra inert gassbeskyttelse eller bakgrunnsmateriale.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at delene har en veggtykkelse ikke større enn 6 mm, og at det benyttes en staveleektrode med en tykkelse på 1,6 - 2,2 mm for rotsveisen og forbundet positivt eller negativt.

3. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foran-stående krav, karakterisert ved at sveisingen av minst rotflaten gjennomføres ved omgivelsestemperatur uten forvarming i deler opp til minst 10 mm veggtykkelse.

4. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foran-stående krav, karakterisert ved at bredden til rotflaten som blir sveiset er ca. 2 mm.

5. Fremgangsmåte ifølge ett eller flere av de foran-stående krav, karakterisert ved at metalldelene er rørender.