RU2279955C1 - Method of forming butt welds on pipes - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; plastic metal working.

SUBSTANCE: invention relates to forming of butt welds on pipes, at production of pipe studs and U-shaped bundles using localized hot plastic deformation of weld and adjoining near-weld zones. Preparatory operations are carried out on pipes 1 to be connected. Pipes are assembled with provision of contact at end faces. Intermediate member 2 in form of bushing made of filler material is arranged on outer surface of assembled pipes symmetrically relative to butt. Radial compression force is applied to outer surface of bushing to form contact residual stresses between members to be connected. Bushing material and pipe material are welded to each other. Hot butt is subjected to radial upsetting in mandrel to finally form inner surface of butt joint by mandrelling.

EFFECT: provision of quality butt weld without defects and near-weld zone of required structure and mechanical properties.

7 dwg

Description

Изобретение относится к области обработки металлов давлением, и в частности, к процессам образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков с использованием эффекта локализованного горячего пластического деформирования сварного шва и прилегающих к нему околошовных зон.The invention relates to the field of metal forming, and in particular, to the processes of formation of butt welds when receiving pipe hairpins of U-shaped beams using the effect of localized hot plastic deformation of the weld and adjacent heat-affected zones.

Известен способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий отрезку мерных длин труб для прямолинейных участков шпильки, мерной длины трубы для изготовления гибкой на заданный радиус калача, зачистку внешней поверхности сопрягаемых концов соединяемых элементов, последующую их сварку с образованием двух сварных швов в получаемой шпильке (см. ГОСТ 14245-79. Теплообменники кожухотрубчатые с U-образными трубами).A known method of the formation of butt welds on pipes in the production of pipe rods, including the cut length of pipe lengths for straight sections of the studs, the measured length of the pipe for manufacturing flexible to a given radius of the thread, cleaning the outer surface of the mating ends of the elements to be joined, their subsequent welding with the formation of two welds in the obtained hairpin (see GOST 14245-79. Shell-and-tube heat exchangers with U-shaped pipes).

К главным недостаткам известного способа образования стыковых сварных швов следует отнести повышенную себестоимость их производства. Во-первых, большие отходы трубных заготовок из-за некратности используемых рабочих длин. И во-вторых, повышенная себестоимость, определяемая и большим процентом брака сварных швов из-за дефектов, определяемых присутствием в процессе сварки атмосферного газа (кислорода и азота). Качество неразъемных соединений при этом всецело определяется профессиональными навыками и умением сварщика интенсивно выполнять необходимые при сварке действия. Следует подчеркнуть и такие недостатки, как наличие околошовных зон с пониженными механическими характеристиками и внутреннего грата, уменьшающего поперечное сечение стыка относительно исходного поперечного сечения соединяемых труб.The main disadvantages of the known method of formation of butt welds should include the increased cost of their production. Firstly, large waste of pipe billets due to the multiple use of working lengths. And secondly, the increased cost, which is also determined by the large percentage of defective welds due to defects determined by the presence of atmospheric gas (oxygen and nitrogen) during the welding process. The quality of one-piece joints in this case is entirely determined by professional skills and the ability of the welder to intensively perform the necessary actions during welding. It should be emphasized and such disadvantages as the presence of heat-affected zones with reduced mechanical characteristics and internal burr, which reduces the cross section of the joint relative to the original cross section of the connected pipes.

Известен также способ образования стыковых сварных швов на трубах при получении трубных шпилек, включающий выполнение на соединяемых элементах подготовительных операций под сварку, их сборку, аргоно-дуговую сварку неплавящимся электродом, первоначально образуя внутренний сварной шов из присадочного материала и материала труб, и последующее формирование внешнего сварного шва с усилением (см. РД 153-34.1-003-01 Сварка, термообработка и контроль трубных систем котлов и трубопроводов при монтаже и ремонте энергетического оборудования, Москва, ПИО ОБТ 2001 - прототип).There is also known a method of forming butt welds on pipes when receiving pipe hairpins, including performing preparatory welding operations on the connected elements, assembling them, argon-arc welding with a non-consumable electrode, initially forming an internal weld of filler material and pipe material, and the subsequent formation of an external weld with reinforcement (see RD 153-34.1-003-01 Welding, heat treatment and control of pipe systems of boilers and pipelines during installation and repair of power equipment, Moscow, P IO MBT 2001 - prototype).

Недостатком известного способа является то, что сварной шов и околошовные зоны не подвергаются финишной пластической деформации, устраняющей возможные дефекты в сварных швах и упрочняющих материал в околошовных зонах. В результате возможны дефекты в сварных швах и подобные шпильки выбраковываются. При сварке контролю не поддается процесс образования внутреннего грата и каждый раз получаемый стык имеет свои геометрические размеры по внутреннему диаметру, что требует проведения контролирующей операции - обкатывание шпильки контрольным шариком с диаметром, составляющим 0,8D, где D - внутренний диаметр трубы.The disadvantage of this method is that the weld and heat-affected zones are not subjected to finishing plastic deformation, eliminating possible defects in the welds and hardening material in heat-affected zones. As a result, defects in welds are possible and similar studs are rejected. During welding, the process of formation of an internal burr does not lend itself to control and each time the resulting joint has its geometrical dimensions in terms of internal diameter, which requires a control operation — rolling the stud around with a control ball with a diameter of 0.8 D, where D is the inner diameter of the pipe.

Задачей изобретения является разработка такого способа образования стыковых сварных швов при получении трубных шпилек U-образных пучков, который бы позволял устранять дефекты в сварных швах их финишной горячей штамповкой. Другими словами, сварке, как технологической операции, отводится роль некоторой промежуточной операции, позволяющей формировать только предварительное соединение. Требуемые же кондиции сварного шва и околошовных зон достигаются операцией горячей штамповки.The objective of the invention is to develop such a method for the formation of butt welds when receiving pipe studs of U-shaped beams, which would allow to eliminate defects in the welds by their finish hot stamping. In other words, welding, as a technological operation, plays the role of some intermediate operation, which allows only the preliminary connection to be formed. The required conditions of the weld and heat-affected zones are achieved by hot stamping.

Технический результат достигается тем, что в способе образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающем подготовительные операции на соединяемых элементах к сварке, их сборку и аргоно-дуговую сварку неплавящимся электродом, согласно изобретению, сборку труб выполняют, достигая контакта по торцам, далее симметрично контактной поверхности на внешней поверхности сопрягаемых концов труб размещают промежуточный элемент в виде втулки из присадочного материала, после чего производят холодный обжим соединяемых элементов путем приложения радиального сжимающего усилия к внешней поверхности втулки, формируя контактное остаточное давление между соединяемыми элементами, далее выполняют сплавление материала втулки с материалом труб, затем горячий стык подвергают радиальному обжиму на оправке с окончательным формированием внутренней поверхности стыка операцией дорнования, для чего после сплавления в полость, образуемую трубами, вводят дорн.The technical result is achieved by the fact that in the method of forming butt welds on pipes in the production of pipe rods, including preparatory operations on the connected elements for welding, their assembly and argon-arc welding with a non-consumable electrode, according to the invention, the pipes are assembled, reaching contact at the ends, Then, symmetrically on the contact surface, on the outer surface of the mating ends of the pipes, an intermediate element is placed in the form of a sleeve of filler material, after which a cold crimp is made imennyh elements by applying a radial compressive force to the outer surface of the sleeve, forming a contact residual pressure between the connected elements, then the sleeve material is fused with the pipe material, then the hot joint is subjected to radial crimping on the mandrel with the final formation of the inner surface of the joint by annealing operation, for which after fusion the mandrel is introduced into the cavity formed by the pipes.

Осуществление предлагаемого способа образования стыковых сварных швов на трубах при получении шпилек U-образных трубных пучков позволяет устранять дефекты в сварных швах их финишной горячей пластической деформацией, изменять структуру и механические свойства в околошовных зонах, формировать внутреннюю поверхность стыка без грата.Implementation of the proposed method for the formation of butt welds on pipes upon receipt of U-shaped tube bundles studs allows eliminating defects in welds with their finish hot plastic deformation, changing the structure and mechanical properties in the heat-affected zones, and forming the inner joint surface without grata.

Это объясняется тем, что:This is explained by:

- осуществляют активацию пластической деформацией объемов сопрягаемых концов труб, свариваемых впоследствии;- carry out activation by plastic deformation of the volumes of the mating ends of the pipes, subsequently welded;

- используя промежуточный элемент в виде втулки из присадочного материала, достигают предварительного ее подогрева тепловыми потоками, реализуемыми при сварке;- using an intermediate element in the form of a sleeve of filler material, achieve its preliminary heating by heat fluxes realized during welding;

- расплавление материала труб достигается от жидкой фазы присадочного материала, что снижает выгорание углерода из объемов в трубах, подвергаемых сварке;- the melting of the pipe material is achieved from the liquid phase of the filler material, which reduces carbon burnout from the volumes in the pipes subjected to welding;

- остаточные контактные напряжения между соединяемыми элементами устраняют несплошности, что улучшает качество сварки;- residual contact stresses between the connected elements eliminate discontinuities, which improves the quality of welding;

- во внутренних слоях стыка формируются сжимающие осевые остаточные напряжения, что улучшает коррозионную стойкость сварного шва;- compressive axial residual stresses are formed in the inner layers of the joint, which improves the corrosion resistance of the weld;

- пластическое деформирование сварного шва и околошовных зон формирует в пределах толщины сварного шва осевые сжимающие остаточные напряжения.- plastic deformation of the weld and heat-affected zones forms axial compressive residual stresses within the thickness of the weld.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показаны сопрягаемые в сборке концы труб, прошедшие подготовительные операции к их сварке, с размещенным внешним промежуточным элементом в виде втулки из присадочного материала, нагруженной радиальным сжимающим усилием; на фиг.2 - окончание стадии радиального обжима соединяемых элементов; на фиг.3 - горячий стык труб после операции сплавления с размещенным дорном в полости; на фиг.4 - горячий стык с дорном в полости разъемной матрицы горизонтального гидравлического пресса; на фиг.5 - окончание стадии горячей штамповки сварного шва и околошовных зон; на фиг.6 - стадия формирования внутренней поверхности стыка операцией дорнования; на фиг.7 - высококачественное неразъемное соединение.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows the ends of the pipes mating in the assembly, which underwent preparatory operations for their welding, with an external intermediate element in the form of a sleeve of filler material loaded with a radial compressive force; figure 2 - the end of the stage of radial crimping of the connected elements; figure 3 - hot joint of the pipes after the fusion operation with the mandrel in the cavity; figure 4 - hot joint with a mandrel in the cavity of the detachable matrix of the horizontal hydraulic press; figure 5 - the end of the stage of hot stamping of the weld and heat-affected zones; figure 6 - stage of formation of the inner surface of the joint by the operation of burnishing; 7 is a high-quality one-piece connection.

Вариант осуществления изобретения состоит в следующем.An embodiment of the invention is as follows.

На прямолинейных теплообменных трубах 1 (фиг.1) выполняют операции с целью подготовки внешней поверхности каждого из концов к сварке: правку труб в косовалковой правильной машине, отрезку их мерных длин и зачистку внешних поверхностей до металлического блеска.On rectilinear heat exchange tubes 1 (Fig. 1), operations are performed to prepare the outer surface of each end for welding: straightening the tubes in a straight-line straightening machine, cutting their measured lengths and cleaning the outer surfaces to a metallic sheen.

Трубы располагают на ложементе, достигая контакта по торцам, и на внешнюю поверхность сопрягаемых концов, симметрично контактной поверхности, размещают стальную втулку 2 из присадочного материала, например, из стали 3. Для упрощения дальнейших операций допускается небольшой натяг между соединяемыми элементами.Pipes are placed on the lodgement, reaching contact at the ends, and on the outer surface of the mating ends, symmetrically to the contact surface, a steel sleeve 2 of filler material, for example, of steel 3, is placed. To simplify further operations, a slight tightness between the connected elements is allowed.

Холодный стык располагают в разъемной трехсекционной матрице горизонтального гидравлического пресса и производят холодный радиальный обжим, прикладывая сжимающее усилие к боковой поверхности втулки (фиг.2).The cold joint is placed in a detachable three-section matrix of a horizontal hydraulic press and cold radial crimping is performed by applying a compressive force to the side surface of the sleeve (Fig. 2).

После чего, вне рабочей зоны гидравлического пресса, осуществляют сплавление материала втулки и материала труб, образуя на конечной его стадии усиление (фиг.3). Однородность материала труб и присадочного материала не вызывает каких-либо негативных последствий, а наличие радиальных остаточных сжимающих напряжений, в то же время, существенно упрощает образование предварительного соединения. Отметим, что наличие у втулки калиброванного внешнего диаметра позволяет легко автоматизировать процедуру сплавления материалов соединяемых элементов. Качество сварного шва улучшается дополнительным подогревом материалов соединяемых элементов от теплового потока, реализуемого по месту расположения электрода.Then, outside the working area of the hydraulic press, the sleeve material and the pipe material are fused, forming a reinforcement at its final stage (Fig. 3). The homogeneity of the pipe material and the filler material does not cause any negative consequences, and the presence of radial residual compressive stresses, at the same time, significantly simplifies the formation of the preliminary connection. It should be noted that the presence of a calibrated external diameter in the sleeve makes it easy to automate the fusion procedure of the materials of the connected elements. The quality of the weld is improved by additional heating of the materials of the elements to be connected from the heat flux sold at the location of the electrode.

В полость, образованную сваренными трубами, вводят однозубый дорн 3, имеющий тягу и собственно рабочий зуб.In the cavity formed by the welded pipes, a single-tooth mandrel 3 is introduced, having a thrust and a working tooth proper.

Горячий стык вновь размещают в разъемной матрице горизонтального гидравлического пресса (фиг.4) и, прикладывая радиальное сжимающее усилие к секциям матрицы, выполняют горячую штамповку сварного шва на оправке - тяге (фиг.5). Этапность сжатия сварного шва и околошовных зон предполагает первоначально образование внешней зоны затрудненной деформации и последующее выдавливание горячего материала из центральных в периферийные объемы. В этом случае ограничение течения горячего материала (фиг.5) оправкой приводит к образованию внутренней зоны затрудненной деформации (из-за сил контактного трения).The hot joint is again placed in the detachable matrix of the horizontal hydraulic press (Fig. 4) and, applying a radial compressive force to the sections of the matrix, hot stamping of the weld on the mandrel is carried out (Fig. 5). The stage of compression of the weld and heat-affected zones involves the initial formation of an external zone of difficult deformation and the subsequent extrusion of hot material from central to peripheral volumes. In this case, the restriction of the flow of hot material (figure 5) by the mandrel leads to the formation of an internal zone of difficult deformation (due to contact friction forces).

Формирование внутренней поверхности стыка осуществляют операцией дорнования (фиг.6). Для чего горячий стык располагают в механических зажимах, например, в тисках и, прикладывая тянущее усилие к тяге, производят поперечное выдавливание материала грата в свободные объемы кольцевых гребешков на рабочей поверхности секции матрицы (поверхности поперечного сдвига условно показаны штриховыми линиями).The formation of the inner surface of the joint is carried out by the operation of burnishing (Fig.6). For this, the hot joint is placed in mechanical clamps, for example, in a vice and, applying a pulling force to the traction, transverse extrusion of the burr material into the free volumes of the annular scallops on the working surface of the matrix section (the transverse shear surfaces are conventionally shown by dashed lines).

Неразъемное соединение (фиг.7) отличается проработанностью структуры сварного шва и околошовных зон, осевыми сжимающими напряжениями, показанными стрелками, и отсутствием внутреннего грата.The one-piece connection (Fig. 7) is distinguished by the well-developed structure of the weld and heat-affected zones, axial compressive stresses indicated by arrows, and the absence of internal burr.

Опытно-промышленная проверка разработанного способа образования стыковых сварных швов прошла при изготовлении одношовных шпилек из труб, полученных из стали 10.A pilot test of the developed method for the formation of butt welds was carried out in the manufacture of single-seam studs from pipes obtained from steel 10.

Исходные геометрические размеры труб составляли: внешний диаметр - 25 мм, толщина стенки - 2,6 мм и длины 9 и 3,6 м.The initial geometric dimensions of the pipes were: outer diameter - 25 mm, wall thickness - 2.6 mm and lengths of 9 and 3.6 m.

Правку труб, резку в меру и зачистку поверхностей сопрягаемых труб производили на соответствующем оборудовании с достижением требуемых параметров.Pipe straightening, cutting in moderation and cleaning of the surfaces of the mating pipes were carried out on the appropriate equipment with the achievement of the required parameters.

Втулка с размерами 29×25,1×10 мм изготавливалась из материала труб путем их деформации на соответствующий диаметр и необходимых операций резания.A sleeve with dimensions of 29 × 25.1 × 10 mm was made of pipe material by deformation to the appropriate diameter and the necessary cutting operations.

Радиальный холодный обжим соединяемых элементов проводили на горизонтальном гидравлическом прессе двойного действия конструкции "Ремонтно-механического завода" НК ЮКОС при усилиях в пределах 50 кН.Radial cold crimping of the connected elements was carried out on a double-acting horizontal hydraulic press of the design of the Repair and Mechanical Plant of NK YUKOS with efforts within 50 kN.

Предварительное соединение образовывали сплавлением соединяемых элементов из стали 10 в защитной среде неплавящимся электродом.The preliminary connection was formed by fusion of the elements to be joined from steel 10 in a protective environment by a non-consumable electrode.

Горячий обжим стыка производили в диапазоне температур, характерных для стали 10, а именно, 1200-850°С.Hot crimping of the joint was performed in the temperature range characteristic of steel 10, namely, 1200-850 ° C.

Формирование внутренней поверхности стыка осуществляли операцией дорнования, выполняемой на дорнующем комплексе. Сваренные трубы горячим стыком размещали в механическом зажиме и, прикладывая тянущее усилие к тяге, перемещали дорн относительно стыка. Усилие дорнования не превышало 100 кН.The formation of the inner surface of the joint was carried out by the operation of burnishing performed on the mandrel complex. Hot-welded pipes were placed in a mechanical clamp and, applying a pulling force to the rod, the mandrel was moved relative to the joint. Burning force did not exceed 100 kN.

В дальнейшем выполняли гибку труб на заданный радиус.Subsequently, pipes were bent to a given radius.

Установлено, что технологический процесс формирования стыковых сварных швов упрочняет металл труб в околошовных зонах, позволяет более рационально выполнять раскрой трубных заготовок, уменьшает и численность рабочих из-за сокращения объема ручных работ.It has been established that the technological process of formation of butt welds strengthens the metal of pipes in the heat-affected zones, allows more efficient cutting of pipe billets, and reduces the number of workers due to the reduction in the volume of manual work.

Изобретение применимо при изготовлении трубных пучков теплообменных аппаратов нефтеперерабатывающей, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности.The invention is applicable in the manufacture of tube bundles of heat exchangers for oil refining, petrochemical, gas and other industries.

Claims (1)

Способ образования стыковых сварных швов на трубах при производстве трубных шпилек, включающий подготовительные операции на соединяемых трубах к сварке, их сборку и аргонодуговую сварку неплавящимся электродом, отличающийся тем, что сборку труб выполняют, достигая контакта по торцам, симметрично контактной поверхности на внешней поверхности сопрягаемых концов труб размещают промежуточный элемент в виде втулки из присадочного материала, производят холодный обжим соединяемых элементов путем приложения радиального сжимающего усилия к внешней поверхности втулки, формируя контактное остаточное напряжение между соединяемыми элементами, выполняют сплавление материала втулки с материалом труб, после чего горячий стык подвергают радиальному обжиму на оправке с окончательным формированием внутренней поверхности стыка операцией дорнования, для чего после сплавления в полость, образуемую трубами, вводят дорн.A method of forming butt welds on pipes in the production of pipe rods, including preparatory operations on the pipes to be joined for welding, their assembly and argon-arc welding with a non-consumable electrode, characterized in that the pipes are assembled by reaching the ends at the ends, symmetrically of the contact surface on the outer surface of the mating ends pipes place an intermediate element in the form of a sleeve of filler material, produce cold pressing of the connected elements by applying a radial compressive force the outer surface of the sleeve, forming contact residual voltage between the connected elements, the sleeve material is fused with the pipe material, after which the hot joint is subjected to radial crimping on the mandrel with the final formation of the inner surface of the joint by the burnishing operation, for which, after fusion, the mandrel is introduced into the cavity .

Images