Безгазовый способ и система для сварки кольцевым швом для высокопрочных применений

Безгазовый способ и система для сварки кольцевым швом для высокопрочных применений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Данная заявка представляет собой частичное продолжение заявки США №10/834141, зарегистрированной 29 апреля 2004; частичное продолжение заявки США №10/959587, зарегистрированной 6 октября 2004; частичное продолжение заявки США №11/263064, зарегистрированной 31 октября 2005; и частичное продолжение заявки США №11/336506, зарегистрированной 20 января 2006, вся полнота описаний которых включена здесь посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к дуговой электросварке и, особенно, к улучшенной системе сварки короткой дугой, способам сварки самозащитными электродами с флюсовой сердцевиной для дуговой сварки (ФСДС-С), и композиции этих электродов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время отсутствуют коммерчески пригодные решения или способы полуавтоматической кольцевой сварки высокопрочных труб и трубопроводов с помощью безгазового или самозащитного способов сварки. Это происходит из-за того, что традиционные технологии, используемые для применений безгазовой или самозащищающей сварки, имеют присущие им ограничения в применениях при сварке высокопрочных изделий.

При использовании электродов для безгазовой или самозащитной сварки в электроде предусмотрены различные химические агенты для реакции с кислородом и азотом атмосферы и для удержания этих компонентов вне сварного шва. Эти химические агенты используют в таком количестве, чтобы в достаточной степени удерживать кислород и азот, не допуская ухудшения качества сварки. Однако хотя эти химические агенты, такие как титан и алюминий, делают сварные швы прочнее, они также имеют вредные эффекты охрупчивания сварных швов. Эта хрупкость препятствует использованию способов безгазовой или самозащитной сварки во многих применениях высокопрочной сварки, таких как сварка трубопроводов, в которой часто требуется, чтобы прочность сварного шва была достаточной, чтобы удовлетворять требованиям для сварки труб согласно Американскому нефтяному институту (API) класса Х-80 или выше.

Кроме того, хотя существуют способы удовлетворить этим требованиям сварки, используя способы сварки в защитных газах, эти способы также имеют недостатки, которые делают их нежелательными. А именно, современные способы и системы для сварки высокопрочных труб и трубопроводов (наряду с другими применениями) с использованием способов сварки в защитных газах требуют дорогого и медленно функционирующего оборудования для защиты области сварки от атмосферы и ее компонентов. Это особенно проявляется в случае трубопроводных применений, где сварка часто протекает снаружи в сложных окружающих условиях.

Настоящее изобретение включает в себя использование способа сварки короткой дугой с применением самозащитных электродов, снабженных сердцевиной, которые могут удовлетворять требованиям Американского нефтяного института (API) по сварке труб класса Х-80 или выше. Существует синергическое соотношение при объединении способа сварки и электрода с флюсовой сердцевиной согласно настоящему изобретению. Таким образом, настоящее изобретение объединяет регулирование подачи энергии вместе с контролем микроструктуры наплавляемого металла шва для достижения высокой прочности и вязкости. Более конкретно, в варианте осуществления настоящего изобретения возможно достижение предела текучести свыше 550 МПа и прочности на разрыв 690 МПа, и вязкости по Шарпи с V-образным надрезом (CVN) свыше 60 джоулей при -20°С.

Системы сварки короткой дугой, технологии и соответствующие концепции, так же как и способы, и аппараты для сварки труб, в целом изложены в следующих патентах США, содержания которых включены здесь посредством ссылки в качестве предшествующего уровня техники: Parks 4717807; Parks 4954691; Parker 5676857; Stava 5742029; Stava 5961863; Parker 5981906; Nicholson 6093906; Stava 6160241; Stava 6172333; Nicholson 6204478; Stava 6215100; Houston 6472634; и Stava 6501049.

В области дуговой электросварки используют множество способов сварки между концом расходуемого продвигающегося электрода и изделием, причем изделие может включать в себя два или больше компонентов, свариваемых вместе. Вариант осуществления настоящего изобретения касается способа сварки с короткой дугой, когда продвигающийся электрод плавится под действием тепла дуги во время действия импульса тока и затем, после того, как расплавленный металл сформируется в шар под действием поверхностного натяжения, шар расплавленного металла переносится на изделие под действием короткого замыкания. Короткое замыкание происходит, когда продвигающаяся проволока приводит этот шар в контакт с лужей расплавленного металла на изделии, причем короткое замыкание отмечается прыжком сварочного напряжения. После этого короткое замыкание прерывается, и процесс дуговой электросварки с короткой дугой повторяется. Настоящее изобретение представляет собой усовершенствование сварки с короткой дугой и осуществляется путем использования источника питания, где профиль формы сигнала сварки регулируется генератором формы сигнала, управляющим модулятором ширины импульса в высокоскоростном переключающем инверторе, как описано в нескольких патентах, в частности в Parks 4866247; Blankenship 5278390; и Houston 6472634, каждый из которых включен посредством ссылки. Эти три патента иллюстрируют тип источника питания с высокоскоростным переключением, применяемого для выполнения типичного варианта осуществления настоящего изобретения и включенного здесь как известная технология. Форма сигнала для генератора формы сигнала хранится в памяти в виде постоянной таблицы, причем эту таблицу выбирают и передают в генератор формы сигнала в соответствии со стандартной технологией, предложенной The Lincoln Electric Company of Cleveland, Ohio. Такой выбор таблицы для создания профиля формы сигнала в генераторе сигнала описан в нескольких патентах в предшествующем уровне техники, таких как ранее упоминавшийся Blankenship 5278390. Поэтому источник питания, используемый при осуществлении настоящего изобретения, сейчас хорошо известен и составляет предшествующую технологию, используемую в настоящем изобретении. Один аспект системы сварки с короткой дугой согласно настоящему изобретению использует схему для определения полной энергии плавящего импульса, образующего расплавленный металлический шар при продвижении электрода, как описано в Parks 4866247. Полная энергия плавящего импульса фиксируется ваттметром, имеющим интегральный выход, по прошествии времени действия плавящего импульса. Эта технология включена здесь посредством ссылки, так как она применяется в одном аспекте настоящего изобретения. После возникновения короткого замыкания в системе сварки с короткой дугой это замыкание становится более отчетливым посредством последующего увеличения тока сварки. Такая процедура хорошо известна в системах сварки с короткой дугой и описана в целом в Ihde 6617549 и в Parks 4866247. Поэтому технология, описанная в Ihde 6617549, также включена здесь как предшествующая технология. Типичный вариант осуществления настоящего изобретения представляет собой модификацию стандартной системы сварки импульсом переменного тока, известной в сварочной промышленности. Предшествующая незаконченная заявка правообладателя описывает стандартную импульсную сварку, как при постоянном, так и при переменном токе со схемой или программой измерения энергии для высокочастотного импульсного источника питания типа, используемого в реализации типичного осуществления замкнутой цепи переменного тока согласно настоящему изобретению. Хотя это не является необходимым для понимания настоящего изобретения или реализации настоящего изобретения, предыдущая заявка, которая имеет порядковый номер № 11/103040, зарегистрированная 11 апреля 2005, включена здесь посредством ссылки.

Настоящее изобретение касается электрода с сердцевиной и системы сварки с короткой дугой, и способа регулирования плавящего импульса системы для отложения специального фитильного электрода таким образом, что не требуется защитный газ, которая способна удовлетворить требованиям Американского нефтяного института (API) по сварке труб класса Х-80 или выше. Эта система и способ поддерживают требуемое время между импульсом и реальным коротким замыканием. Это время регулируется контуром обратной связи, включая требуемую синхронизацию короткого замыкания и импульса, так что размер шара от этого импульса меняется при сохранении постоянной синхронизации короткого замыкания. Этот способ представляет собой существенное улучшение других установок регулирования короткой дуги, таких как описанные в Pijls 4020320, и использующие два источника питания. Первый источник поддерживает постоянный размер плавящего импульса, и наличие фиксированного времени между коротким замыканием и последующим отключающим импульсом. Нет обратной связи между синхронизацией импульса и параметром плавящего импульса, как предусмотрено в настоящем изобретении. Поддерживается требуемое время между концом плавящего импульса и коротким замыканием. Путем фиксирования требуемого времени, используя концепцию контура обратной связи, улучшается стабильность дуги. Это изобретение применимо к способу сварки с постоянным током, описанному в Pijls 4020320, но в первую очередь является выгодным, когда используется система сварки с короткой дугой переменного тока. Поэтому документ Pijls 4020320 включен здесь посредством ссылки, как предшествующая технология, показывающая регулирующую цепь для системы сварки с короткой дугой переменного тока, в которой две несвязанных синхронизации поддерживаются постоянными без регулирования по замкнутому циклу плавящего импульса.

Настоящее изобретение дополнительно включает в себя способ сварки, применяющий электрод или электродную проволоку с флюсовой сердцевиной, то есть самозащитные. Детали электродов или электродной проволоки дуговой сварки и, особенно, фитильных электродов для сварки описаны в патентах США 5369244; 5365036; 5233160; 5225661; 5132514; 5120931; 5091628; 5055655; 5015823; 5003155; 4833296; 4723061; 4717536; 4551610; и 4186293; которые включены здесь посредством ссылки.

Также предыдущие заявки, зарегистрированная 8 сентября 2003 с порядковым № 10/655685; зарегистрированная 29 апреля 2004 с порядковым № 10/834141; зарегистрированная 6 октября 2004 с порядковым № 10/959587; и зарегистрированная 31 октября 2005 с порядковым № 11/263064, включены посредством ссылки как существующая, но не предшествующая технология в данной области техники.

СУЩНОСТЬ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на систему и способ, решения указанных выше проблем, и обеспечивает систему и способ, которые позволяют создавать сварочный шов, который удовлетворяет требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80 или выше. В частности, типичный вариант осуществления настоящего изобретения обеспечивает достижение предела текучести свыше 550 МПа и прочности на разрыв 690 МПа, и вязкости по Шарпи с V-образным надрезом (CVN) свыше 60 джоулей при -20°С.

Система и способ согласно настоящему изобретению регулируют дугу сварки посредством специального источника питания, минимизируя длину дуги, связанную с использованием самозащитного электрода с сердцевиной для достижения требуемых показателей сварки. Использование короткой дуги минимизирует загрязнение из атмосферы в сварочной ванне, таким образом улучшая вязкость, и в то же время увеличивает сопротивляемость возникновению пористости во время сварки. Кроме того, использование короткой длины дуги предусматривает использование самозащитного электрода согласно одному варианту настоящего изобретения, который содержит композицию согласно одному аспекту настоящего изобретения, дополнительно обсуждаемую ниже. Кроме того, в соответствии с настоящим изобретением нет необходимости использовать дополнительный защищающий газ для достижения сварного шва, который удовлетворяет требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80 или выше и/или предела текучести свыше 550 МПа и прочности на разрыв 690 МПа, и вязкости по Шарпи с V-образным надрезом (CVN) свыше 60 джоулей при -20°С.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, в отношении способа, плавящий импульс в форме сигнала короткой дуги регулируется интерактивно контуром обратной связи, а не путем фиксирования постоянных значений плавящего импульса. Время между концом плавящего импульса и коротким замыканием поддерживается реактивно изменяющимися параметрами плавящего импульса в системе сварки с короткой дугой. В одном типичном варианте осуществления данного изобретения эта система представляет собой систему переменного тока, но может быть использована в системе постоянного тока типа, описанного в целом в Pijls 4020320. Управление формой сигнала облегчается путем использования источника питания, дающего форму сигнала, регулируемую генератором формы сигнала, управляющим модулятором ширины импульса в высокоскоростном переключающем инверторе, как описано в Houston 6472634. Одно преимущество, реализуемое путем осуществления настоящего изобретения, представляет собой улучшение сварки с короткой дугой посредством использования двух отдельных источников питания, известной из предшествующего уровня техники.

В соответствии с другим вариантом осуществления первого аспекта настоящего изобретения система сварки с короткой дугой представляет собой систему переменного тока, в которой плавящий импульс имеет отрицательную полярность. Чтобы поддерживать постоянный расплавленный металлический шарик, есть переключатель джоулевого предела для смены подачи энергии на низкоуровневый положительный ток, так что расплавленный металл на конце продвигающегося электрода формируется в шар и затем замыкается со сварочной ванной изделия. В одном варианте осуществления эта форма сигнала переменного тока регулируется генератором формы сигнала, регулирующим профиль отдельных участков тока в общей форме сигнала и определяющим полярность участков формы сигнала. В предшествующем уровне техники переключатель джоулевого предела использовали, чтобы обеспечивать постоянную энергию плавящему импульсу. В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения имеется таймер, чтобы измерять время для замыкания электрода после плавящего импульса. Контур обратной связи применяют, чтобы поддерживать согласованное время между плавящим импульсом и коротким замыканием. Это регулирование времени стабилизирует дугу и цикл короткого замыкания. В одном варианте осуществления настоящего изобретения время между плавящим импульсом и коротким замыканием составляет около 1,0 мс. В зависимости от размера электрода и скорости наплавления время между плавящим импульсом и коротким замыканием можно подгонять к заданной величине в общем диапазоне от 0,5 мс до 2,0 мс. Регулирование хронометража обычно применимо к сварке короткой дугой переменного тока; однако та же концепция применима при прямой положительной полярности постоянного тока. В обоих примерах продвигающаяся проволока с расплавленным металлом, образованным плавящим импульсом, поддерживается при низком неизменном положительном токе, облегчая формирование подготовки шара к короткому замыканию. В любом исполнении данного изобретения джоулевый или другой параметр плавящего импульса регулируется посредством контура обратной связи, приспособленного для поддержания предварительно заданного времени до короткого замыкания.

Вариант осуществления первого аспекта настоящего изобретения с переменным током применим для трубчатых электродов с флюсовой сердцевиной, и один вариант осуществления выполняют с электродами с флюсовой сердцевиной, и с ингредиентами сплава в сердцевине согласно одному аспекту настоящего изобретения, дополнительно обсуждаемому ниже. Регулирование плавящего цикла электрода с флюсовой сердцевиной, основанное на обратной связи от времени короткого замыкания, представляет собой очень точную процедуру, поддерживающую стабильность процесса сварки короткой дугой с переменным током. Ввиду вышеупомянутого, один вариант осуществления настоящего изобретения можно использовать для сварки труб с фитильным, то есть самозащитным электродом с сердцевиной согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Ток сварки для такого электрода при использовании способа согласно настоящему изобретению ниже порогового тока для сварки распылением. Таким образом, перенос металла к соединению труб должен включать в себя некоторый тип короткого замыкания, и один вариант осуществления настоящего изобретения будет включать в себя шаровидный короткозамыкающий перенос типа, на который направлено настоящее изобретение. Улучшение стабильности сварки посредством использования сварки короткой дугой переменного тока тем не менее может приводить к нестабильности дуги. Эта нестабильность преодолевается посредством применения настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение особенно применимо к сварке короткой дугой переменного тока для соединения труб с использованием самозащитного электрода с сердцевиной, так что прочность сварного шва удовлетворяет требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80 или выше.

В соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения обеспечивается сварочная система для выполнения процесса сварки с короткой дугой между продвигающимся проволочным электродом и изделием, при этом система содержит источник питания с регулятором для создания импульса тока, подающего энергию в электрод, расплавляющего конец электрода, и участка переноса металла с низким неизменным током, позволяющим расплавленному металлу на конце электрода переходить в сварочную ванну изделия. Для осуществления участка переноса металла с низким неизменным током расплавленный металл замыкается с лужей расплавленного металла. Таймер измеряет реальное время между концом плавящего импульса и коротким замыканием. Специальное устройство используется для установления требуемого времени между импульсом и коротким замыканием, и специальная схема используется для создания корректирующего сигнала, основанного на разности между действительным временем и требуемым временем. Этот корректирующий сигнал используется для регулирования заданного параметра плавящего импульса, такого как полная энергия, подаваемая в проволоку во время плавящего импульса.

В соответствии с типичным вариантом осуществления первого аспекта настоящего изобретения процесс сварки короткой дугой представляет собой процесс сварки с переменным током, в котором плавящий импульс выполняется с отрицательной полярностью, а участок формы сигнала переноса металла с неизменным низким током выполняется при положительной полярности. Вариант настоящего изобретения с переменным током применим для сварки с электродом с флюсовой сердцевиной в нескольких применениях, таких как проход при заварке корня шва при сварном соединении труб.

В соответствии с другим аспектом источника питания настоящего изобретения регулятор системы сварки короткой дугой включает в себя схему для создания отключающего замыкание импульса после короткого замыкания. В этом варианте осуществления источника питания генератор формы импульса определяет полярность и профиль формы импульса тока сварки при любом заданном времени. Сваривающая система согласно настоящему изобретению используется для поддержания времени между плавящим импульсом и коротким замыканием в фиксированном значении, причем это фиксированное значение лежит в общем диапазоне от 0,5 до 2,0 мс и в другом варианте осуществления приблизительно составляет 1,0 мс.

В соответствии с другим вариантом выполнения источника питания или способа с использованием источника питания, короткозамкнутая дуговая система формируется при положительном постоянном токе для плавящего импульса и неизменной части, являющейся положительной, за которой следует положительный отключающий замыкание импульс. Это осуществление настоящего изобретения не включает в себя изменение полярности посредством генератора формы сигнала во время формирования формы сигнала для процесса сварки с короткой дугой. Эта система сварки с короткой дугой является системой переменного тока и имеется схема, регулирующая импульс тока, для создания действительного времени между плавящим импульсом и коротким замыканием, чтобы оно было таким, как заданное время. Этот вариант осуществления настоящего изобретения поддерживает постоянное время, как предусмотрено и в других вариантах осуществления настоящего изобретения.

В одном варианте осуществления настоящего изобретения регулируют энергию плавящего импульса, чтобы регулировать время между плавящим импульсом и окончательным коротким замыканием.

Еще один вариант первого аспекта изобретения обеспечивает способ регулирования плавящего импульса для процесса сварки с короткой дугой так, что в процессе обеспечивается заданное время между плавящим импульсом и коротким замыканием. Параметр, регулируемый этим способом, представляет собой полную энергию плавящего импульса. Этот вариант осуществления настоящего изобретения можно использовать в проходе при заварке корня шва основания круглого отверстия трубного соединения с использованием электрода с флюсовой сердцевиной.

Второй аспект данного изобретения касается, по меньшей мере частично, использования относительно короткой длины дуги во время сварки переменным током, что обеспечивается посредством описанного способа с короткой дугой, который приводит к существенному снижению загрязнения сварочного шва из атмосферы. Этот вариант осуществления изобретения также использует особую систему флюсового сплава, которая, при использовании в электроде согласно данному изобретению, может давать полезные результаты. Эта система флюс/сплав для электрода с сердцевиной делает возможной короткую длину дуги. Объединение этих аспектов в одном варианте осуществления настоящего изобретения обеспечивает синергетическое действие, которое обеспечивает плотный и вязкий металл шва с прочностью от 60 до 70 ksi, и в другом варианте осуществления имеет предел текучести, по меньшей мере, 80 ksi, обеспечивая сварной шов, который удовлетворяет требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80 или выше. Кроме того, в типичном варианте осуществления настоящего изобретения возможно достижение предела текучести свыше 550 МПа и прочности на разрыв 690 МПа, и вязкости по Шарпи с V-образным надрезом (CVN) свыше 60 джоулей при -20°С. Более того, сплавы, используемые в вариантах осуществления настоящего изобретения, позволяют использовать более тонкие трубы и нет необходимости для защитного газа в области сварки труб.

Метод создания формы сигнала, предложенный The Lincoln Electric Company of Cleveland, Ohio, был модифицирован для применения в сварке с переменным током и с электродами с флюсовой сердцевиной. Применение электродов с сердцевиной позволяет более точно регулировать выполнение сварки, причем сплав наплавленного валика шва соответствует требуемым механическим характеристикам для валика шва и положение осуществления сварки наименее ограничено. Однако реальное регулирование формы сигнала для процесса с переменным током, обеспечивающее стабильность дуги и соответствующие температуры и скорости, довольно затруднено. Загрязнение металла шва во время дуговой сварки представляет собой еще одну проблему использования сварки переменным током для электродов с сердцевиной. Загрязнения в металле шва после выполнения сварки могут вызывать пористость, образование трещин и другие типы дефектов в металле шва. Поэтому основной проблемой, противостоящей разработчикам способов дуговой сварки, является необходимость развития технологий для исключения элементов, таких как загрязнители из атмосферы, из окружения дуги или для нейтрализации потенциально вредных эффектов от поступления таких примесей. Потенциальные источники загрязнений включают в себя материалы, которые содержатся в сварочном электроде, примеси в самом изделии и окружающую атмосферу. Электроды с сердцевиной могут содержать "раскисляющие" агенты, такие как алюминий, магний, цирконий и титан, которые химически соединяются с потенциальными загрязнителями, предотвращая образование пористости и вредных включений в металле сварного шва. Настоящее изобретение включает в себя применение электродной композиции, которая снижает тенденцию электрода с сердцевиной к образованию включений загрязнителей в металле шва. Этот способ также снижает количество материала, требуемого в качестве "раскисляющего" агента.

В особенности, настоящее изобретение обеспечивает самозащитный электрод с флюсовой сердцевиной для дуговой сварки, специально приспособленный для получения швов, имеющих пониженные уровни загрязнителей при использовании особой формы сигнала переменного тока. Этот электрод включает систему сплав/флюс, содержащую от около 35 до около 55% фторида бария, от около 2 до около 12% фторида лития, от около 0 до около 15% оксида лития, от около 0 до около 15% оксида бария, от около 5 до около 20% оксида железа и до приблизительно 25% раскисляющего и деазотирующего агента. Этот агент может быть выбран из алюминия, магния, титана, циркония и их комбинаций.

Настоящее изобретение включает в себя способ дуговой сварки с применением самозащитного электрода с флюсовой сердцевиной, который использует особую систему сплав/флюс. Этот способ предусматривает приложение первого отрицательного напряжения между электродом и субстратом, чтобы вызывать, по меньшей мере, частичное плавление электрода возле субстрата. Данный способ также содержит приложение положительного напряжения между электродом и субстратом для облегчения образования текучей массы материала из электрода. Данный способ дополнительно содержит контроль осуществления электрического короткого замыкания между электродом и субстратом через эту текучую массу. Данный способ дополнительно содержит детектирование электрического короткого замыкания, приложение второго положительного напряжения между электродом и субстратом. И данный способ содержит увеличение интенсивности второго отрицательного напряжения, чтобы таким образом прервать электрическое короткое замыкание и образовать сварной шов на субстрате из текучей массы. Самозащитный электрод с флюсовой сердцевиной может содержать от около 35 до около 55% фторида бария, от около 2 до около 12% фторида лития, от около 2 до около 15% оксида лития, от около 5 до около 20% оксида железа и до приблизительно 25% раскисляющего и деазотирующего агента, выбранного из группы, состоящей из алюминия, магния, титана, циркония и их комбинаций.

Задача настоящего изобретения представляет собой обеспечение системы сварки с короткой дугой, которая регулирует распределение коротких замыканий во время осуществления данного способа, особенно когда способ выполняют с переменным током, чтобы обеспечить сварной шов, который удовлетворяет, по меньшей мере, требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80.

Другая задача настоящего изобретения представляет собой обеспечение способа сварки короткой дугой, в котором регулируют плавящий импульс, основываясь на времени между плавящим импульсом и коротким замыканием таким образом, что это время остается фиксированным при заданном значении.

Еще одна задача настоящего изобретения представляет собой обеспечение улучшенной электродной композиции и, особенно, композиции для заполнения электрода, которая специально приспособлена для использования в комбинации с новой системой и способом сварки короткой дугой.

Дополнительная задача настоящего изобретения представляет собой обеспечение синергической системы, содержащей способ сварки короткой дугой и электрод с флюсовой сердцевиной, в которой стабилизируется дуга при наиболее короткой возможной длине дуги. Таким образом минимизируется загрязнение из атмосферы. Комбинация системы сплава и способа сварки обеспечивает стабильную дугу при коротких длинах и формирование плотного и вязкого сварочного шва. Один вариант осуществления данного изобретения обеспечивает формирование сварочного шва без использования газовой защиты, имеющего предел текучести, по меньшей мере, 80 ksi, таким образом обеспечивая сварной шов, который удовлетворяет требованиям Американского нефтяного института (API) для сварки труб класса Х-80 или выше. Кроме того, в типичном варианте осуществления данного изобретения можно достигнуть предела текучести свыше 550 МПа и прочности на разрыв 690 МПа, и вязкости по Шарпи с V-образным надрезом (CVN) свыше 60 джоулей при -20°С.

Эти и другие задачи и преимущества станут очевидны из последующего описания, приведенного со ссылкой на прилагающиеся чертежи.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Преимущества, суть и различные дополнительные признаки данного изобретения проявятся полнее при рассмотрении иллюстрированного варианта осуществления данного изобретения, который схематично представлен в данных чертежах, на которых:

Фиг. 1 представляет собой блок-схему системы сварки с короткой дугой, используемую в типичном варианте осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 1А представляет собой увеличенный вид в разрезе вдоль линии 1А-1А фиг. 1;

Фиг. 2 представляет собой последовательность видов сбоку, показывающих стадии от I до IV в способе сварки короткой дугой;

Фиг. 3 представляет собой объединенную диаграмму формы сигнала тока и напряжения, показывающую форму сигнала, обеспечивающую выполнение варианта осуществления настоящего изобретения, как приведено на фиг. 4 для разных стадий, как показано на фиг. 2;

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую модификацию системы на фиг. 1, для выполнения варианта осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 5 и 6 представляют собой блок-схемы части сварочной системы, показанной на фиг. 1, для выполнения двух дополнительных вариантов осуществления настоящего изобретения;

Фиг. 7 и 8 представляют собой блок-схемы части сварочной системы, показанной на фиг. 1, объединяющей вариант осуществления настоящего изобретения, показанный на фиг. 4, с объединенным регулированием формы сигнала из вариантов осуществления данного изобретения, показанных на фиг. 5 и 6 соответственно;

Фиг. 9 представляет собой форму сигнала тока для осуществления положительного постоянного тока настоящего изобретения;

Фиг. 10 представляет собой схематичную вертикальную проекцию, показывающую данное изобретение, примененное при проходе при заварке корня шва или при прихваточном проходе при сварном соединении труб;

Фиг. 11 представляет собой вид сбоку с блок-схемой, иллюстрирующий применение типичной сварочной системы и электрода;

Фиг. 12 представляет собой увеличенный наглядный вид в разрезе вдоль линии 12-12 фиг. 11, изображающий электрод более подробно;

Фиг. 13 представляет собой увеличенный схематичный вид электрода с сердцевиной, где оболочка и сердцевина плавятся с разными скоростями;

Фиг. 14 представляет собой вид, подобный фиг. 13, иллюстрирующий проблему, делающую необходимым применение настроенной формы сигнала для сварки электродами с сердцевиной;

Фиг. 15 представляет собой вид, подобный фиг. 13 и 14;

Фиг. 16 представляет собой частичный вид сбоку, иллюстрирующий электрод с сердцевиной в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения и показывающий длину дуги, которая минимизирована посредством использования настоящего изобретения;

Фиг. 17 показывает влияние баланса сигнала и сдвига постоянного тока на усвоение азота сварным швом в примере реализации настоящего изобретения; и

Фиг. 18 изображает вид соединения сварного шва в примере, выполненном в соответствии с типичным вариантом осуществления настоящего изобретения.

ТИПИЧНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В промышленности электродуговая сварка с короткой дугой представляет собой обычную практику и включает в себя четыре стадии I, II, III и IV, схематически показанные на фиг. 2. Источником питания для выполнения сварки короткой дугой может быть источник питания на основе трансформатора; однако в соответствии с типичным вариантом осуществления настоящего изобретения система А, показанная на фиг. 1, использует источник питания В на основе высокоскоростного инвертора с линиями 10, 14 подачи переменного тока или трехфазную подачу, направляемую в инвертор 14, создающий первый сигнал постоянного тока по линиям 14а, 14b. В соответствии со стандартной архитектурой в источнике питания В применяется промежуточный или вольтодобавочный преобразователь 20 для коррекции коэффициента входной мощности путем создания регулируемого второго сигнала постоянного тока через выходные линии 22, 24. Высокоскоростной инвертор 30 преобразует второй сигнал постоянного тока через линии 22, 24 в форму сигнала, создаваемую большим числом импульсов тока, через выводы 32, 34. В соответствии с типичным вариантом осуществления настоящего изобретения форма сигнала через выводы 32, 34 является положительным постоянным током или переменным током; поэтому инвертор 30 имеет выходной каскад, не показанный, который предписывает полярность профилированной форме сигнала через выводы 32, 34. Эти выводы соединены с электродом Е и изделием WP соответственно. В соответствии со стандартной технологией с короткой дугой электрод Е представляет собой продвигающийся конец проволоки W, подаваемый через контактный конец 42 от катушки или барабана 40 подачи. Таким образом, проволока W движется в направлении изделия WP при заданной скорости WFS, тогда как регулируемая форма сигнала, имеющая требуемую полярность, создается через зазор между электродом Е и изделием WP. В одном варианте осуществления данного изобретения проволока W представляет собой проволоку с флюсовой сердцевиной, схематично показанную на фиг. 1А и включающую в себя внешнюю оболочку 50 из низкоуглеродистой стали, окружающую внутреннюю флюсовую сердцевину 52, содержащую флюс и обычно включающую в себя частички сплава, также известную как самозащитная проволока или электрод. Один вариант осуществления электрода описан более подробно ниже.

Шунт 60 запускает устройство обратного тока 62 таким образом, что сигнал напряжения на линии 61 представляет собой образец мгновенного тока дуги процесса сварки. Таким же образом, устройство 70 создает сигнал на выходящей линии 72, образец мгновенного напряжения процесса сварки. Регулятор С инвертора 30 представляет собой цифровое устройство, такое как ЦСП или микропроцессор, который выполняет функции, схематично иллюстрированные в аналоговой в целом архитектуре. В качестве центрального компонента регулятора С, генератор 100 формы сигнала вырабатывает особую форму сигнала с учетом постоянной таблицы, хранящейся в ячейке 102 памяти и выбранной согласно требуемому способу сварки устройством или схемой 104. После выбора требуемого способа сварки короткой дугой сигнал 104а выбора направляется в ячейку 102 памяти таким образом, что постоянная таблица, определяющая свойства и параметры требуемой формы сигнала сварки короткой дугой, загружается в генератор 100 формы сигнала, как показывается линией 102а. Генератор 100 выводит профиль формы сигнала при любом заданном времени на выходящую линию 100а с требуемой полярностью, показываемой логическим состоянием на линии 100b. Показанный источник питания В, регулируемый цифровым регулятором С, имеет тип управляемой по току обратной связи, в котором напряжение образца тока на линии 64 комбинируется с сигналом профиля формы сигнала на линии 100а посредством усилителя сигнала ошибки 110, имеющего выходной сигнал на линии 110а, чтобы регулировать модулятор ширины импульса 112 в соответствии со стандартной технологией регулирования формы сигнала. Выходной сигнал на линии 112а регулирует вид формы сигнала на выходах 32, 34, а полярность профиля особой формы создаваемого сигнала устанавливается логическим состоянием на линии 100b. Таким образом, генератор 100 формы сигнала заставляет модулятор ширины импульса 112 создавать импульсы в линии 112а, регулируя высокочастотную работу инверт