[19]中华人民共和国国家知识产权局
[12]发明专利申请公布说明书
[21]申请号2009103037.4
[51]Int.CI.
F16L 9/02 (2006.01)F16L 13/02 (2006.01)B23K 33/00 (2006.01)B23K 9/16 (2006.01)
[43]公开日2009年11月25日[22]申请日2009.06.30[21]申请号2009103037.4
[71]申请人四川科新机电股份有限公司
地址618407四川省什邡市马祖镇[72]发明人王晓明 李新 李修道
[11]公开号CN 101586699A
[74]专利代理机构成都九鼎天元知识产权代理有限公
司
代理人熊晓果 吴彦峰
权利要求书 2 页 说明书 6 页 附图 2 页
[54]发明名称
带有焊接坡口型式的不锈钢管及焊接方法和氩气保护装置[57]摘要
本发明公开了一种带有焊接坡口型式的不锈钢管，所述不锈钢管的一端管壁上有弧形坡口，相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口。同时本发明也公开了不锈钢管的焊接方法以及焊接方法中使用到的氩气保护装置。本发明焊缝成型效果好，焊缝余高均匀。本发明主要用于石油、化工、冶金、机械、造船等领域的奥氏体不锈钢焊接。
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权 利 要 求 书
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1.一种带有焊接坡口型式的不锈钢管，其特征在于：所述不锈钢管的一端管壁上有弧形坡口，相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口。 2.根据权利要求1所述的不锈钢管焊接坡口，其特征在于：所述弧形坡口的坡口角度为20°。
3.根据权利要求1所述的不锈钢管焊接坡口，其特征在于：所述弧形坡口钝边厚度为2mm，所述弧形坡口钝边宽度为1mm。
4.根据权利要求1所述的不锈钢管焊接坡口，其特征在于：所述弧形坡口处的钢管内壁呈凹面。
5.根据权利要求4所述的不锈钢管焊接坡口，其特征在于：所述凹面的轴向长度为10mm，凹面的过渡圆弧的圆弧半径为8mm，凹面与非凹面的过渡斜度为1∶3。 6.一种不锈钢管的焊接方法，其特征在于包括以下步骤： (1)、清除不锈钢管焊接坡口及坡口两侧的赃物；
(1)、将氩气保护装置中的两块堵板分别装入相邻不锈钢管内；
(2)、将相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口，组对焊接坡口时，确保相邻不锈钢管的内壁错边为零，相邻钝边组对为零间隙；
(3)、使氩气进入氩气保护装置的两堵板之间，检查两堵板之间的含氧量，在两堵板之间的含氧量达到合格要求后，继续灌入氩气，并保持一定的氩气流量； (4)、按照传统工艺进行打底施焊，确保打底时焊透，以母材金属自熔来填充打底焊缝；
(5)、打底施焊完成后，拉出氩气保护装置，用纯净水冷却焊道，降到室温后对打底焊缝进行100％PT检测、I级合格；
(6)、按照传统工艺填充焊道及盖面，每层焊接完成后均采用纯净水冷却焊道，最后完成整个不锈钢管的焊接；
(7)、焊接完成后，对焊缝进行检测。
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7.根据权利要求6所述的不锈钢管的焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中，两堵板之间的含氧量的合格要求为体积比小于或等于1％，含氧量达到要求后，继续灌入氩气，并保持氩气流量为6-8L/min。
8.根据权利要求6所述的不锈钢管的焊接方法，其特征在于：步骤(7)中，对焊缝进行检测过程中，首先、对焊缝进行目视，其钢管内表面焊缝采用内窥镜进行检查，要求不锈钢管的内壁焊缝余高控制在0-0.6mm范围内，焊道表面银白色，无氧化现象。
9.一种实现权利要求6所述焊接方法中的氩气保护装置，其特征在于：所述保护装置为两块堵板构成，所述两块堵板分别位于相邻的不锈钢管内，两堵板之间经金属丝连接，一堵板上开有进气孔，另一堵板上开有出气孔。
10.根据权利要求6或9所述的氩气保护装置，其特征在于：所述堵板采用纸板或聚乙烯板制作。
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说 明 书
带有焊接坡口型式的不锈钢管及焊接方法和氩气保护装置
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技术领域
本发明涉及到不锈钢管-管焊接工程领域，特别是涉及一种厚壁管环缝接头的焊接方法及技术，例如燃气轮机的燃气管道等动力管道系统，发明主要是涉及一种带有焊接坡口型式的不锈钢管及该管焊接方法和该焊接方法中使用到的氩气保护装置。背景技术
不锈钢管的焊接通常采用单面焊双面成形技术，常由打底、填充焊和盖面三部份组成，其背面打底焊是不锈钢管焊接中最关健的一环，因其背面焊缝易被氧化，其背面的成型质量直接影响焊缝探伤的合格率，其焊缝余高也影响管道使用时的流体性能。目前常用的焊接方法主要有手工氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(MAW)两种。1、手工氩弧焊(TIG)是最常见、应用最广泛的一种不锈钢管焊接技术，钨极氩弧焊时常被称为TIG焊，是一种在非消耗性电极和工作物之间产生热量的电弧焊接方式；电极棒、熔池、电弧和工作物临近受热区域都是由气体状态的保护隔绝大气混入，此保护是由氩气流供应，必须是能提供全保护，因为甚至很微量的空气混入也会污染焊道，因此通常采用背压保护装置，以保护背面的焊缝不被氧化。但由于焊接坡口形式及背压保护装置的设计存在缺陷，其背部焊缝成型效果差，存在未熔合、夹渣、气孔、下凹、焊瘤、咬边等缺陷，同时焊缝余高不均匀。2、熔化极气体保护焊(MAW)，药芯焊接气体保护焊方法最早在日本应用，其原理是利用药芯焊丝中药渣在焊接时熔化后流到熔池外面，且均匀覆盖在焊缝表面，而保护焊缝不被氧化。这种方法的优点是效率高因为它电流密度大，热量集中，熔敷率高，焊接速度快。但由于药芯焊丝的固有物性，其背面成型效果差，焊缝余高不均匀，影响流体性能，同时焊缝背面产生的药渣不易清除，影响清洁度。发明内容
本发明的目的之一是提供一种使不锈钢管内壁焊缝成型效果好的带有焊接坡口型式的不锈钢管。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种不锈钢管焊接坡口型式，所述不锈钢管的一端管壁上有弧形坡口，相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口。 所述弧形坡口的坡口角度为20°。
所述弧形坡口钝边厚度为2mm，所述弧形坡口钝边宽度为1mm。
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所述弧形坡口处的钢管内壁呈凹面。
所述凹面的轴向长度为10mm，凹面的过渡圆弧的圆弧半径为8mm，凹面与非凹面的过渡斜度为1∶3。
本发明的目的之二是提供一种使不锈钢管内壁焊缝成型效果好、内壁焊缝余高均匀、内壁清洁度好的不锈钢管焊接方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种不锈钢管焊接方法，包括以下步骤：
(1)、清除不锈钢坡口及坡口两侧的赃物；
(1)、将氩气保护装置中的两块堵板分别装入相邻不锈钢管内；
(2)、将相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口，组对焊接坡口时，确保相邻不锈钢管的内壁错边为零，相邻钝边组对为零间隙，相邻不锈钢管形成的U型坡口位于两堵板之间；
(3)、使氩气进入氩气保护装置的两堵板之间，检查两堵板之间的含氧量，在两堵板之间的含氧量达到合格要求后，继续灌入氩气，并保持一定的氩气流量； (4)、按照传统工艺进行打底施焊，确保打底时焊透，以母材金属自熔来填充打底焊缝；
(5)、打底施焊完成后，拉出氩气保护装置，用纯净水冷却焊道，降到室温后对打底焊缝进行100％PT检测、I级合格；
(6)、按照传统工艺填充焊道及盖面，每层焊接完成后均采用纯净水冷却焊道，最后完成整个不锈钢管的焊接；
(7)、焊接完成后，对焊缝进行检测。
所述步骤(3)中，两堵板之间的含氧量的合格要求为体积比小于或等于1％，含氧量达到要求后，继续灌入氩气，并保持氩气流量为6-8L/min。
步骤(7)中，对焊缝进行检测过程中，首先、对焊缝进行目视，其钢管内表面焊缝采用内窥镜进行检查，要求不锈钢管的内壁焊缝余高控制在0-0.6mm范围内，焊道表面银白色，无氧化现象。
本发明的目的之三是提供一种对不锈钢管焊道有保护及良好冷却效果的氩气保护装置。 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种氩气保护装置，所述保护装置为两块堵板构成，所述两块堵板分别位于相邻的不锈钢管内，两堵板之间经金属丝连接，一堵板上开有进气孔，另一堵板上开有出气孔。
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所述堵板采用纸板或聚乙烯板制作。
本发明有新型的不锈钢管的焊接坡口型式和焊接方法，本发明以不锈钢管(母材)自熔的方法来保证焊缝背面(不锈钢管内壁)的成型质量、背面焊缝余高及其均匀度，确保整体焊缝的熔合质量及最终通过RT的检测，在焊接完成后焊缝内表面不会有未熔合、夹渣、气孔、下凹、焊瘤、咬边等表面缺陷存在(内窥镜检查)，其内表面焊缝余高0-0.6mm；焊缝要求100％PT、I级合格、100％RT、II级以上合格。
本发明中的不锈钢管的焊接坡口型式采用深U型坡口，其钢管内表面采用机加工焊口部份，组对时保证错边量为零(即相邻不锈钢管的坡口拼在一起时，相邻不锈钢管内壁处于同一水平面上)，其坡口钝边加大，确保焊接时以母材(不锈钢管)自熔的金属来填充打底焊缝，保证背面(不锈钢管内壁)焊缝的成型质量。
本发明中氩气保护装置：保护装置用堵板采用纸板或聚乙烯板等材料制作，两板之间采用金属丝联接，堵板上分别开有进气孔、出气孔，充氩后使用氧气探测器检查含氧量，在保护气体合格后继续保持氩气流量，以保证保护气体质量及对焊道进行冷却，焊缝及热影响区不被氧化，同时降低焊接温度的作用。
本发明焊接方法中采用纯净水冷却：在焊接过程中采用纯净水来冷却焊道，以控制层间温度，减小焊接热影响区。
本发明的有益效果是：由于本发明采用新型焊接坡口型式来保证不锈钢管内壁的焊缝成型质量；以母材自熔的焊接方法来保证不锈钢管内壁的焊缝成型质量、焊缝余高及均匀度，同时保证内壁的清洁度，也能保证整体焊缝的熔合质量；氩气保护装置对内壁焊缝进行保护，同时对焊道进行及时良好的冷却。因此本发明不锈钢管内壁的焊缝成型效果好，内壁焊缝余高均匀，内壁清洁。附图说明
图1为本发明不锈钢管的焊接坡口型式示意图； 图2为本发明中氩气保护装置示意图； 图3为本发明焊接后接头成形效果示意图。
附图标记中，1为不锈钢管，2为弧形坡口，3为U型坡口，a为弧形坡口的坡口角度，b为弧形坡口的钝边厚度，c为弧形坡口的钝边宽度，d为弧形坡口处的钢管内壁凹面，e为凹面的轴向长度，f为凹面的过渡圆弧的圆弧半径，g为凹面与非凹面的过渡斜度，4为氩气保护装置中的堵板，5为探测器，6为氩气瓶的通气管，7为金属丝。 具体实施方式
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如图1、图2、图3所示，一种带有焊接坡口型式的不锈钢管，所述不锈钢管1的一端管壁上有弧形坡口2，相邻不锈钢管的弧形坡口2拼在一起形成U型坡口3，所述弧形坡口2的坡口角度a为20°，所述弧形坡口钝边厚度为2mm，所述弧形坡口钝边宽度为1mm，上述尺弧形坡口的各项尺寸能保证不锈钢管在自熔焊接中钢管管壁的焊缝的成型质量，特别是弧形坡口钝边的尺寸加大为2mm，确保焊接时以不锈钢管母材自熔的金属来填充打底焊缝，保证不锈钢管内壁焊缝的成型质量。所述弧形坡口处的钢管内壁呈凹面，因为在钢管焊接时内壁焊缝会形成余高，凹面的目的是阻止余高减少钢管的内径尺寸，保证钢管内的流体的流动性能。所述凹面的轴向长度为10mm，凹面的过渡圆弧的圆弧半径为8mm，凹面与非凹面的过渡斜度为1∶3，上述凹面的各项尺寸刚好与钢管内壁形成的余高0-0.6mm相匹配，避免钢管内的焊缝余高影响管内流体的流动性能，同时也能保证钢管内壁焊缝的成型质量。
如图1、图2、图3所示，一种实现不锈钢管焊接的焊接方法，包括以下步骤： (1)、清除不锈钢坡口及坡口两侧的赃物；不得有游离的气体及氧化皮、铁锈、油脂、灰尘等；
(1)、将氩气保护装置中的两块堵板分别装入相邻不锈钢管内；
(2)、将相邻不锈钢管的弧形坡口拼在一起形成U型坡口，组对焊接坡口时，确保相邻不锈钢管的内壁错边为零(即相邻的两个不锈钢管将弧形坡口拼在一起时，相邻不锈钢管的内壁应处于同一水平线上)，相邻钝边组对为零间隙(即相邻的两个不锈钢管将弧形坡口拼在一起时，相邻不锈钢管的两钝边的间隙为零间隙)，相邻不锈钢管形成的U型坡口位于两堵板之间；
(3)、使氩气进入氩气保护装置的两堵板之间，检查两堵板之间的含氧量，在两堵板之间的含氧量达到合格要求后，继续灌入氩气，并保持一定的氩气流量；所述两堵板之间的含氧量的合格要求为：含氧量体积比小于或等于1％，含氧量达到要求后，继续灌入氩气，并保持氩气流量为6-8L/min。
(4)、按照传统工艺进行打底施焊，确保焊接时以不锈钢管母材金属自熔来填充打底焊缝，即在打底施焊过程中，相邻不锈钢管之间的焊缝是以不锈钢管的钝边以自熔的方式来填充焊缝，这样可以保证焊缝中无杂质，保证了清洁度，而且也保证了整体焊缝的熔合质量；
(5)、打底施焊完成后，拉出氩气保护装置，用纯净水冷却焊道，降到室温后对打底焊缝进行100％PT检测、I级合格；
(6)、按照传统工艺填充焊道及盖面，每层焊接完成后均采用纯净水冷却焊道，以降
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低焊接层间温度，减少焊接热影响区，最后完成整个不锈钢管的焊接； (7)、焊接完成后，对焊缝进行检测，对焊缝进行检测过程中，首先、对焊缝进行目视，其钢管内表面焊缝采用内窥镜进行检查，要求不锈钢管的内壁焊缝余高控制在0-0.6mm范围内，焊道表面银白色，无氧化现象。不锈钢管外壁上的焊缝余高应该小于1.5mm。 如图2所示，一种实现不锈钢管焊接中使用的氩气保护装置，所述保护装置为两块堵板构成，所述两块堵板分别位于相邻的不锈钢管内，两堵板之间经金属丝连接，一堵板上开有进气孔，另一堵板上开有出气孔。在两个不锈钢管焊接中，氩气保护装置就由两块堵板构成，如果多个条焊缝同时焊接时，就可以采用多个堵板构成氩气保护装置。所述堵板采用纸板或聚乙烯板制作。
本发明的实施过程以燃气轮机的主燃气环管焊接为实例来表述。如图1、图2、图3所示：
其主体材料采用奥氏体不锈钢管Φ219.1×12.7/A304，氩气采用99.9％以上纯度(包括焊接用氩气及保护装置用氩气)，钨极选用纯钨极，直径2.0mm，焊机选用唐山松下YC-500WX，焊接工艺参数：焊接电流：95-105A、焊接电压：11-12V、气体流量：8-15L/min、保护气体流量：6-8L/min。
其焊接坡口按图1加工，与图1的示意图一致。但必须确保加工精度，以保证对零组对。
焊前用钢丝刷、丙酮等清除坡口及坡口两侧20mm范围内母材(不锈钢管)上的脏物，不得有游离的气体及氧化皮、铁锈、油脂、灰尘等。
分别在钢管内侧装入氩气保护装置，确保稳定，密封，然后组对焊接坡口，确保对零组对，保证两钝边组对间零间隙，钢管内壁错边为零。
开通氩气保护装置的进行阀，使氩气进入保护装置内，在一段时间后通过氧气探测器检查含氧量(含氧量的体积比小于或等于1％)，在保护气体合格后继续保持氩气流量6-8L/min。
以上工作完成后，由合格焊工按照合格的焊接工艺规程(WPS)进行打底施焊，打底施焊完成后，拉住金属丝取出氩气保护装置，用纯净水冷却焊道，降到室温后对打底焊缝进行100％PT、I级合格。
填充焊道及盖面按相应的焊接工艺规程(WPS)进行操作，每层焊接完成后均采用纯净水冷却焊道，以控制层间温度，减小焊接热影响区。
用上述工艺进行了整个环管的焊接工作，焊接完成后首先对焊缝进行目视检测，其钢管
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内表面焊缝采用内窥镜进行检查，其成型均匀，无未熔合、夹渣、气孔、下凹、焊瘤、咬边等表面缺陷，且焊缝余高均控制在0-0.6mm范围，焊道表面银白色，无氧化现象。随后对焊缝进行NDE检测，100％RT后，全部合格，总片数25张，其中I级片20张，II级片5张。 本发明属于材料加工焊接工程领域，主要用于石油、化工、冶金、机械、造船等领域的奥氏体不锈钢焊接，本发明主要在于：采用新型焊接坡口型式、氩气保护装置及焊接方法中的纯净水冷却工艺，按照常规焊接工艺规程对不锈钢管进行焊接，确保其背面焊缝的成型质量，焊缝要求100％PT、I级合格、100％RT、II级以上合格。本发明适合于高压、特种介质的动力管道施焊，在特殊的动力管道中，由于其压力高、介质特殊、工况条件恶劣，故对其制造提出了很高要求，最主要的焊接过程要求严格。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
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说 明 书 附 图
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