DE112013004004T5

DE112013004004T5 - Verfahren zur Bildung einer Rohrschweißverbindung und Rohrschweißverbindung

Info

Publication number: DE112013004004T5
Application number: DE112013004004.2T
Authority: DE
Inventors: Michael Barrett
Original assignee: Lincoln Global Inc
Current assignee: Lincoln Global Inc
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2015-05-07
Also published as: US20140042740A1; BR112015002892A2; CN104540629A; WO2014024033A1

Abstract

Es werden ein System und ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken bereitgestellt, wobei eine Plattierungsschicht (122) zwischen den Komponenten (110, 112) abgeschieden wird und eine Schweißraupe (130) dergestalt gezogen wird, dass sie die Plattierungsschicht berührt. Das bereitgestellte System und Verfahren minimiert die Wärmezufuhr in die Komponenten, indem die Plattierungsschichten dafür verwendet werden, für die Verbindungsfestigkeit zwischen den Rohrkomponenten zu sorgen.

Description

PRIORITÄT
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/681,934, die hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zum Verbinden von Komponenten, einschließlich zylindrischer Komponenten. Genauer gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zum Verbinden von Komponenten, Werkstücken und Rohren mit einer Heißdrahtsystem und -prozess.
HINTERGRUND
In 1A ist eine veranschaulichende Ausführungsform einer bekannten und typischen Schweißfuge 10 zwischen einem ersten Rohr 12 und einem zweiten Rohr 14 gezeigt. Das zweite Rohr 14 ist in das erste Rohr 12 eingesetzt, und eine aufzehrbare Elektrode oder ein aufzehrbarer Draht wird aufgetragen, um eine Kehlschweißnaht 16 zu bilden, um das erste und das zweite Rohr 12, 14 zu verbinden. Die Kehlschweißnaht 16 kann durch jede bekannte Schweiß- oder Verbindungstechnik gebildet werden, einschließlich bekannter Lichtbogenschweiß- oder „Heißdraht”-Schweißtechniken. Der Verbindungsprozess und die Schweißmetallbildung führen Wärme in die Schweißfuge 10 und insbesondere in die Rohre 12, 14, wodurch eine Wärmeeinflusszone (WEZ) 18 in jedem der Rohre 12, 14 in der Nähe des Schweißmetalls entsteht. Wie im US-Patent 6,336,583 beschrieben, das am 8. Januar 2002 veröffentlicht wurde und hiermit durch Bezugnahme in seiner Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen wird, ist die WEZ der Abschnitt des Grundwerkstoffs in jedem der Rohre 12, 14, der nicht geschmolzen wurde, aber in dem die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften durch die Wärme, die durch den Verbindungsprozess angelegt wurde, verändert wurden. Um unerwünschte Änderungen zu korrigieren, können das Rohr und die Schweißfugen einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen werden.
Weitere Einschränkungen und Nachteile konventioneller, herkömmlicher und vorgeschlagener Lösungsansätze werden dem Fachmann anhand eines Vergleichs solcher Lösungsansätze mit Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die im übrigen Teil der vorliegenden Anmeldung mit Bezug auf die Zeichnungen dargelegt sind, besser verständlich.
KURZDARSTELLUNG
Um unerwünschte Auswirkungen in der Wärmeeinflusszone entlang einer Schweißraupe zu reduzieren, werden ein System nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7 vorgeschlagen. Bevorzugte oder zweckmäßige Ausführungsformen werden in den Unteransprüchen offenbart. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen Systeme und Verfahren zum Verbinden zweier Komponenten bereit, wobei eine Komponente in eine Ausnehmung einer anderen eingesetzt oder in einer ansonsten überlappenden Weise, wie zum Beispiel als Überlappnaht, positioniert.
Zunächst einmal ist anzumerken, dass zwar in der folgenden Besprechung das Verbinden von Rohren als eine beispielhafte Ausführungsform verwendet wird, dass aber Aspekte der vorliegenden Erfindung auch zum Verbinden von Werkstücken in vielen unterschiedlichen Konfigurationen angewendet werden können, einschließlich beispielsweise Überlappnähte, Stumpfstöße, Winkelschweißfugen usw. Darum ist die folgende beispielhafte Besprechung nicht nur auf Rohrschweißungen zu beschränken, da die im vorliegenden Text besprochenen Ausführungsformen und Aspekte gleichermaßen für viele Schweißfugenarten Anwendung finden können, ohne vom Geltungsbereich und Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das heißt, auch wenn die folgende Besprechung eine Rohrausführungsform verwendet, sind Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt.
Wir wenden uns nun einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zu, in der Systeme und Verfahren zum Verbinden einer ersten zylindrischen Komponente, die eine Ausnehmung aufweist, mit einer zweiten zylindrischen Komponente, die in der Ausnehmung angeordnet ist, bereitgestellt werden. Dementsprechend eignen sich die hier besprochenen Systeme und Verfahren zum Verbinden zweier Rohre. In einer Ausführungsform enthält eine erste Rohrkomponente eine Innenfläche, die einen Durchgang definiert, und eine zweite Rohrkomponente ist mindestens teilweise dergestalt in dem Durchgang angeordnet, dass ein Abschnitt der ersten Rohrkomponente die zweite Rohrkomponente überlappt. Zwischen den überlappenden Regionen der ersten und der zweiten Rohrkomponente ist ein Plattierungsmaterial angeordnet, das die Grenzschicht zwischen der ersten und der zweiten Rohrkomponente definiert. Eine Kehlschweißnaht verbindet die erste und die zweite Rohrkomponente, und ein Abschnitt der Kehlschweißnaht erstreckt sich entlang der Plattierungsgrenzschicht. In einem Aspekt des hier besprochen Systems und Verfahrens dient die Plattierungsgrenzschicht im Wesentlichen als eine Wärmesenke, um die Auswirkungen der WEZ in den Grundwerkstoffen der ersten und der zweiten Rohrkomponente zu minimieren oder zu beseitigen. Somit kann in einem bestimmten Aspekt des hier besprochen Systems und Verfahrens die Notwendigkeit einer auf das Schweißen folgenden Wärmebehandlung der verbundenen ersten und zweiten Rohre beseitigt werden.
Eine weitere konkrete Ausführungsform einer Rohrverbindungsbaugruppe enthält eine erste zylindrische Rohrkomponente mit einer Innenfläche, die einen ersten Rohrdurchgang definiert. Eine interne Plattierung wird entlang der Innenfläche der ersten Rohrkomponente ausgebildet. Eine zweite zylindrische Rohrkomponente mit einer Außenfläche, die mit einer externen Plattierung versehen ist, ist innerhalb der ersten Rohrkomponente angeordnet. Die interne und die externe Plattierung definieren eine Grenzschicht zwischen der ersten und der zweiten Rohrkomponente. Eine Kehlschweißnaht erstreckt sich zwischen den, und verbindet die, ersten und zweiten Rohrkomponenten. Mindestens ein Abschnitt der Kehlschweißnaht erstreckt sich entlang der internen und externen Plattierung.
Diese und weitere Merkmale der beanspruchten Erfindung sowie Details von veranschaulichten Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen besser verstanden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die oben beschriebenen und/oder weitere Aspekte der Erfindung werden anhand einer ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen besser verstanden. In den Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
1A–1B sind eine bekannte Rohrverbindungsbaugruppe;
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften Rohrverbindungsbaugruppe;
2A ist eine Querschnittsansicht der Rohrverbindungsbaugruppe von 2;
2B ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Rohrschweißfuge von 2A;
2C ist eine detaillierte Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Rohrverbindungsbaugruppe;
2D ist eine detaillierte Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Rohrverbindungsbaugruppe; und
3A–3B veranschaulichen schematisch ein Heißdrahtsystem zum Bilden der Schweißfuge von 2B.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sollen das Verstehen der Erfindung erleichtern und dienen in keiner Weise der Beschränkung des Geltungsbereichs der Erfindung. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen stets gleiche Elemente.
Zunächst einmal ist anzumerken, dass zwar in der folgenden Besprechung das Verbinden von Rohren als eine beispielhafte Ausführungsform verwendet wird, dass aber Aspekte der vorliegenden Erfindung auch zum Verbinden von Werkstücken in vielen unterschiedlichen Konfigurationen angewendet werden können, einschließlich beispielsweise Überlappnähte, Stumpfstöße, Winkelschweißfugen usw. Darum ist die folgende beispielhafte Besprechung nicht nur auf Rohrschweißungen zu beschränken, da die im vorliegenden Text besprochenen Ausführungsformen und Aspekte gleichermaßen für viele Schweißfugenarten Anwendung finden können, ohne vom Geltungsbereich und Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Das heißt, auch wenn die folgende Besprechung eine Rohrausführungsform verwendet, sind Aspekte der vorliegenden Erfindung nicht in dieser Hinsicht beschränkt.
Eine in 2 gezeigte beispielhafte Ausführungsform der Erfindung ist eine auseinandergezogene Ansicht einer beispielhaften Schweißfugenbaugruppe 100, die durch eine erste zylindrische Komponente 110 gebildet wird, die mit einer zweiten zylindrischen Komponente 112 verbunden wird. Die erste Komponente definiert einen Außendurchmesser und enthält eine Innenfläche 114, die einen zentralen Durchgang 116 der ersten Komponente definiert. In einer konkreten Ausführungsform ist die erste Komponente ein Rohr 110, das einen ersten Nenndurchmesser D₁ definiert. Im Sinne des vorliegenden Textes meint „Nenn-” einen genannten Wert, um den die Messung innerhalb einer zulässigen Varianz schwanken kann. Das erste Rohr 110 enthält eine Rohrinnenfläche 114, um den Rohrdurchgang 116 zu definieren, der einen Innendurchmesser ID₁ hat.
Die Baugruppe 100 enthält eine zweite Komponente 112, die eine Außenabmessung definiert, die dafür konfiguriert ist, in die erste Komponente 110 eingeschoben zu werden. In einer konkreten Ausführungsform der Baugruppe 100 ist die zweite Komponente eine zweite Rohrkomponente 112, die einen zweiten Nenndurchmesser D₂ definiert. Die zweite Rohrkomponente 112 enthält eine Innenfläche 118, die einen mittigen Durchgang 120 der zweiten Komponente definiert, der einen Innendurchmesser ID₂ hat. Für die beispielhafte Ausführungsform sind das erste und das zweite Rohr als lineare Rohrsegmente dargestellt. Jedoch umfasst der Begriff „Rohr” im Sinne des vorliegenden Textes lineare Rohre, geformte Rohrs, wie zum Beispiel gebogene Rohrs, oder Rohranschlussstücke, wie zum Beispiel T-Stücke oder Kniestücke.
Wie oben angemerkt und in 2A gezeigt, ist die zweite Rohrkomponente 112 innerhalb der ersten Rohrkomponente 110 dergestalt angeordnet, dass das Ende der ersten Rohrkomponente 110 das Ende der zweiten Rohrkomponente 112 überlappt, um die beispielhafte Schweißfuge 100 zu bilden. Zwischen der Überlappung des ersten Rohres 110 und des zweiten Rohres 112 ist ein Plattierungsmaterial 122 angeordnet, um eine Grenzschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Rohr 110, 112 zu definieren. In einer konkreten Ausführungsform wird eine erste Plattierungsschicht 122a entlang der Innenfläche 114 der ersten Rohrkomponente 110 ausgebildet. In einer konkreten Ausführungsform der ersten Plattierung 122a bildet die Plattierung eine innere Hülse innerhalb des Rohres 110 mit einer axialen Länge L₁ und einer Materialdicke t₁. Jede dieser Abmessungen kann auf der Grundlage der Anforderungen an Schweißfuge und Festigkeit variieren. Alternativ oder zusätzlich wird eine zweite Plattierungsschicht 122b um die Außenfläche am Ende der zweiten Rohrkomponente 112 angeordnet. In einer konkreten Ausführungsform der zweiten Plattierungsschicht 122b bildet die Plattierung eine äußere Hülse um das zweite Rohr 112 mit einer axialen Länge L₂ und einer Materialdicke t₂.
In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird jede der Plattierungsschichten 122a und 122b mittels einer Plattierungsoperation mit geringer Wärmezufuhr auf die Rohre aufgebracht. Zum Beispiel kann ein Laser-Heißdraht-Plattierungsprozess verwendet werden, wie er in den US-Patenten mit den Publikationsnummern 2011/0297658 , veröffentlicht am 8. Dezember 2011, und 2010/0176109 , veröffentlicht am 15. Juli 2010, beschrieben und offenbart ist, die jeweils durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Weil eine solche Plattierungsoperation weniger Wärme zuführt als ein Lichtbogenprozess, ist die WEZ bei einer solchen Operation kleiner und hat weniger Auswirkungen auf die Komponenten oder Rohre 110 und 112. Somit stellt praktisch jede der Plattierungsschichten 122a und 112b ein Substrat bereit, um Wärme aus der Verbindungsoperation aufzunehmen, wie unten beschrieben wird.
In 2A ist eine Querschnitts-Montageansicht der Schweißfuge 100 gezeigt, wobei das erste Rohr 110 die innere Plattierung 122a hat. Innerhalb des ersten Rohres 110 und seiner inneren Plattierung 122a ist das zweite Rohr 112 angeordnet, das die externe Außenseitenplattierung 122b aufweist. In der gezeigten Ausführungsform überlappen die erste und die zweite Plattierung 122a, 122b im Wesentlichen einander, und überlappen einander bevorzugt vollständig, wobei jede eine im Wesentlichen äquivalente lineare Länge L₁, L₂ definiert. In einem Aspekt des Bildens der Schweißfuge 100 bildet das extern plattierte zweite Rohr 112 eine Presspassung innerhalb der inneren Plattierung 122a der ersten Rohres 110. Es sind auch andere Passungen möglich, wie zum Beispiel eine Spielpassung, die zwischen der ersten und der zweiten Plattierung 122a, 122b gebildet wird. Das erste und das zweite Rohr 110, 112 definieren zusammen die Schweißfugenachse X-X.
Um das erste Rohr 110 an dem zweiten Rohr 112 zu befestigen und mit ihm zu verbinden, wird ein Schweißmetall 130 am axialen Ende des ersten Rohres 110, und insbesondere am axialen Ende der Plattierung 122, ausgebildet. Das Schweißmetall 130 verbindet das erste Rohr 110 und/oder die Plattierung 122 mit der benachbarten Außenfläche des zweiten Rohres 112. In einer konkreten Ausführungsform ist das Schweißmetall 130 eine Kehlschweißnaht, die durch eine beliebige geeignete Schweißtechnik gebildet wird, einschließlich einer elektrischen Lichtbogenschweiß- oder Heißdrahtschweißtechnik, wie zum Beispiel GTAW. Das Schweißmetall 130 erstreckt sich in einem Aspekt umfänglich und durchgängig um die Schweißfugenachse X-X.
In 2B ist eine detaillierte Ansicht eines konkreten Kehlnahtschweißmetalls 130 gezeigt. In einem Aspekt definiert das Schweißmetall 130 eine Höhe h, die sich radial über das Plattierungsmaterial 122 erstreckt. Darüber hinaus erstreckt sich das Schweißmetall 130 axial entlang der zweiten Rohroberfläche um eine axiale Distanz x. Durch Bilden mindestens eines Abschnitts des Schweißmetalls 130 entlang der Plattierung 122 kann die Plattierung als eine Wärmesenke wirken, um die Wärmezufuhr in die Grundwerkstoffe des ersten und des zweiten Rohres 110, 112 zu minimieren. In beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung haben die Plattierungsschichten eine gemeinsame Dicke, dergestalt, dass der größte Teil der Höhe h der Schweißraupe 130 (gezeigt) die Plattierungsschichten 122 und nicht das Rohr 110 berührt. Zum Beispiel haben in beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Plattierungsschichten 122a und 122b eine solche gemeinsame Dicke, dass mindestens 50% der Höhe der Schweißraupe 130 die Plattierung 122 berührt. In anderen beispielhaften Ausführungsformen ist die gemeinsame Dicke dergestalt, dass mindestens 75% der Höhe h der Schweißraupe 130 die Plattierung 122 und nicht das Rohr 110 berührt. In weiteren beispielhaften Ausführungsformen, wie in 2A gezeigt, ist die gemeinsame Dicke der Plattierung 122a und 122b dergestalt, dass 100% der Höhe h der Schweißraupe 130 die Plattierung berührt und das Rohr 110 an keiner Stelle berührt. Das oben Dargelegte ist nicht nur auf die Höhe h der Schweißraupe beschränkt, sondern kann auch für die Länge X der Schweißraupe gelten, wobei sich – wie weiter unten noch eingehender erklärt wird – die Plattierungsschicht 122b über erstrecken kann die Plattierungsschicht 122a auf dem Rohr 112 erstrecken kann erstrecken kann.
Wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen gezeigt, endet jede der Schichten 122a und 122b im Wesentlichen am selben Punkt, dergestalt, dass sich mindestens ein Teil der Schweißnaht 130 direkt auf dem Rohr 112 befindet. Jedoch erstreckt sich in anderen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mindestens die Plattierungsschicht 122b über den Rand des Rohres 110 und der Schicht 122a hinaus, dergestalt, dass die Schweißnahtablagerung 130 nahezu vollständig die Schichten 122a und 122b berührt. Dadurch kann jede der Schichten 122a und 122b die zusätzliche Wärme aus der Bildung der Schweißraupe 130 aufnehmen, ob es nun ein Lichtbogenprozess ist oder nicht; und weil die Bildung der Schichten 122a und 122b ein Prozess mit geringer Wärmeerzeugung ist, wird die Gesamtwärmezufuhr in die Rohre 110 und 112 deutlich verringert. Eine solche Ausführungsform ist in 2C gezeigt. Dementsprechend können sich die Plattierungsschichten 122a, 122b vollständig – oder alternativ teilweise – überlappen. In 2C ist eine alternative Ausführungsform einer Rohrverbindungsbaugruppe gezeigt, bei der die Länge x des Schweißmetalls 130 entlang dem externen Plattierungsmaterial 122b angeordnet ist und die Höhe h des Schweißmetalls 130 sich entlang dem inneren Plattierungsmaterial 122a erstreckt. Auch hier, in einer solchen Ausführungsform, wird – insofern der Schweißprozess Wärme erzeugt, die in den Schweißbereich eindringt – ein großer Teil der Wärme durch die Plattierungsschichten und nicht durch die darunterliegenden Rohrkomponenten 110 und 112 aufgenommen. Dadurch kann die Notwendigkeit reduziert werden, die Rohre 110 und 112 nach dem Verbindungsprozess wärmezubehandeln oder auf sonstige Weise zu verarbeiten.
Eine weitere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 2D gezeigt. In dieser Figur bedeckt die Plattierungsschicht 122a mindestens einen Teil des Endes oder der Vorderseite 110f des Rohres 110, dergestalt, dass die Schweißraupe 130 keines der Rohre 110 und 112 berührt. In solchen Ausführungsformen sind es die Plattierungsschichten 122a und 122b, die praktisch miteinander verbunden werden, dergestalt, dass jede dieser Schichten den größten Teil der Wärmezufuhr in den Schweißprozess aufnimmt, so dass die Notwendigkeit entfällt, die Rohre 110 oder 112 nach dem Schweißprozess behandeln zu müssen. Somit ist in diesen Ausführungsformen jede der Breite x und der Höhe y der Schweißraupe 130 dergestalt, dass sie keines der Rohre 112/110 berühren, nachdem die Schweißfuge vollendet ist.
Es ist anzumerken, dass zwar die im vorliegenden Text gezeigten Schweißfugen Standard-Rohrschweißfugen sind, wobei ein Rohr in ein anderes eingesetzt ist, dass aber Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht auf diese Konfiguration beschränkt sind; und wie oben besprochen, können auch andere Arten von Schweißfugen verwendet werden, ohne vom Wesen oder Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Zum Beispiel kann jede der 2B bis 2D gleichermaßen Überlappnähte zwischen zwei flachen Werkstücken zeigen, die keine Rohre sind, und die Aspekte der vorliegenden Erfindung würden gleichermaßen Anwendung finden. Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Erfindung gleichermaßen auf Stumpfstöße und Winkelschweißfugen angewendet werden, wo es besonders auf eine Reduzierung der Wärmeeinflusszone ankommt. Zum Beispiel kann bei einem Stumpfstoß mindestens eine (oder beide) der Verbindungsflächen mindestens teilweise oder vollständig mit einer Plattierungsschicht bedeckt sein, wie im vorliegenden Text beschrieben, dergestalt, dass die Plattierungsflächen mittels eines Schweißverfahrens, wie oben beschrieben, verbunden werden. Weil solche Schweißfugenarten dem Fachmann bestens vertraut sind, brauchen sie hier nicht ausführlich beschrieben zu werden. Somit kann in beispielhaften Ausführungsformen – ungeachtet des Schweißfugentyps – mindestens eine der Werkstückoberflächen eine Plattierungsschicht haben, wie im vorliegenden Text dargelegt, und die Schweißfuge oder Schweißraupe wird mit dieser Plattierungsoberfläche verbunden, wie oben beschrieben. Zum Beispiel kann in jeder der Überlappnähte, Stumpfstöße, Winkelschweißfugen usw. die Plattierungsschicht dergestalt sein, dass mindestens eine Seite der Schweißfuge nur mit der Plattierungsoberfläche gekoppelt ist, wie allgemein in den 2C und 2D gezeigt. Natürlich kann die Schweißfuge oder Schweißraupe auch teilweise mit der Plattierungsschicht gekoppelt sein, wie oben beschrieben.
Darüber hinaus erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch das Verbinden ungleicher Metalle durch die Verwendung einer Plattierungsschicht. Zum Beispiel kann es erwünscht sein, zwei Rohre (oder sonstige Werkstücke) mit ungleicher Zusammensetzung zu verbinden, was mittels der bekannten Verfahren nur schwer zu bewerkstelligen ist. Zu solchen ungleichen Metallen können Chrom-Molybdän-Stähle und Edelstähle gehören. In solchen Ausführungsformen kann die Plattierung aus einer Nickellegierung bestehen, die sich ausreichend mit dem Werkstück verbindet und sich gut mit einer Schweißfuge 130 verbindet, wenn sie gebildet wird. Somit können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung nicht nur Werkstücke mit einer reduzierten Wärmeeinflusszone verbinden, sondern sie können dies auch mit Werkstücken mit unterschiedlicher Zusammensetzung tun.
Die beispielhaften Ausführungsformen zeigen zwei Rohrelemente, die miteinander verbunden werden. Jedoch sind die im vorliegenden Text beschriebenen Systeme und Verfahren nicht auf die Bildung einer Rohrschweißfuge beschränkt. Die im vorliegenden Text besprochenen Techniken können auch auf das Verbinden zweier Komponenten durch Schweißen angewendet werden, wobei eine Komponente eine Innenfläche hat, die eine Ausnehmung zum Aufnehmen einer zweiten Komponente definiert, und wobei eine Plattierungsoberfläche intern oder extern um die Komponenten herum gebildet werden kann, um eine Plattierungsgrenzschicht dazwischen zu bilden. Dementsprechend können die Innenfläche der ersten Komponente und die Außenfläche der zweiten Komponente jede beliebige Geometrie definieren, zum Beispiel kreisrund, rechteckig, dreieckig usw., solange sie zueinander komplementär sind, um die Komponenten in einer im vorliegenden Text beschriebenen Weise zu verbinden.
In jeder der 3A und 3B ist schematisch ein Heißdrahtsystem 500 gezeigt, um die innere Plattierung 122a zu bilden, die entlang der Innenfläche des ersten Rohres 110 (3A) ausgebildet wird, und die externe Plattierung 122b zu bilden, die entlang der Außenfläche des zweiten Rohres 112 (3B) ausgebildet wird. Das System 500 zum Ausführen des beispielhaften Heißdrahtprozesses enthält einen aufzehrbaren oder Fülldraht 520, der durch eine Kontaktröhre 560 geführt wird, die eine Heizsignalspannung und/oder einen Heizsignalstrom von einer Heißdraht-Stromversorgung 570 anlegt, um den aufzehrbaren Draht 520 auf oder nahe seinen Schmelzpunkt zu erwärmen. Eine hoch-intensive Energiequelle 512 wird zu der Zweikomponenten- oder Rohrschweißfuge und dem aufzehrbaren Draht oder Fülldraht 520 geleitet, um eine Schweißpfütze innerhalb der Rohrschweißfuge zu erzeugen. Das gezeigte System arbeitet mit einem Laser 512 als eine Wärmequelle, aber die Ausführungsformen sind nicht auf die Verwendung eines Lasers beschränkt, und es können auch andere energiereiche Wärmequellen verwendet werden, die die im vorliegenden Text beschriebenen Aspekte erfüllen. Das Verbrauchsmaterial 520 wird nahe an die Rohre 110, 112 und in einem Abstand zu ihnen herangeführt. Die Rohrbaugruppe wird an einer drehbaren Montagevorrichtung montiert, um das Rohr 110, 112 mit Bezug auf den Laser 512 und den Fülldraht 520 um seine Achse zu drehen, um die Plattierung abzuscheiden. Zusätzliche Details des Systems 500, einschließlich seines Betriebes und seiner Anwendung, sind in der US-Patentpublikation Nr. 2011/0297658 , veröffentlicht am 8. Dezember 2011, und der US-Patentpublikation Nr. 2010/0176109 , veröffentlicht am 15. Juli 2010, gezeigt und beschrieben, die jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Weil die Verwendung von Lasern mit einer Heißdraht-Laserschweiß- oder Plattierungsoperation zu einem Prozess mit einer relativ geringen Wärmezufuhr führen kann, können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung herkömmliche Schweißverfahren zum Verbinden von Rohren verwenden, ohne dass die Rohre nach dem Verbindungsprozess wärmebehandelt oder verarbeitet werden müssen. Bekannte Schweißverbrauchsmaterialien können unterschiedliche Konfigurationen haben, einschließlich eines massiven Schweißdrahtes oder eines flussmittelbeschichteten oder flussmittelgefüllten Schweißdrahtes.
Obgleich die Erfindung mit Bezug auf konkrete Ausführungsformen beschrieben wurde, ist dem Fachmann klar, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente substituiert werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können viele Modifizierungen vorgenommen werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von ihrem Geltungsbereich abzuweichen. Darum ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken ist.
Bezugszeichenliste

10: Schweißverbindung
12: erstes Rohr
14: zweites Rohr
16: Kehlschweißnaht
100: Schweißfugenbaugruppe
110: erste Komponente oder Rohrkomponente
110f: Vorderseite
112: zweite Komponente oder Rohrkomponente
114: Oberfläche oder Innenfläche
116: Durchgang
118: Oberfläche oder Innenfläche
120: Durchgang
122: Plattierungsmaterial oder Grenzschicht
122a: erste Plattierungsschicht
122b: zweite Plattierungsschicht
130: Schweißmetall oder Schweißraupe
500: System oder Heißdrahtsystem
510: Laserstrahl
512: Energiequelle oder Laser
514: Laser-Stromversorgung
515: Fokussiersystem
520: aufzehrbarer oder Fülldraht
550: Drahtantrieb
560: Kontaktröhre
570: Stromversorgung
580: Steuereinheit
D₁: erster Nenndurchmesser
D₂: zweiter Nenndurchmesser
ID₁: Innendurchmesser
L₁: axiale Länge
L₂: axiale Länge
t₁: Materialdicke
t₂: Materialdicke
X-X: Schweißfugenachse

Claims

Zweikomponenten- oder Rohrschweißfugen/-verbindungssystem, das Folgendes umfasst: eine erste Komponente oder Rohrkomponente (110); eine Komponente oder zweite Rohrkomponente (112); wobei die erste und die zweite Komponente überlappende Regionen aufweisen, wobei insbesondere die zweite Komponente oder Rohrkomponente teilweise in der ersten Rohrkomponente angeordnet ist, um eine mittige Schweißfugenachse (X-X) zu definieren; eine Plattierungsgrenzschicht (122) zwischen der ersten und der zweiten Komponente oder Rohrkomponente; und eine Schweißraupe (130), welche die erste Komponente oder Rohrkomponente mit der zweiten Komponente oder Rohrkomponente verbindet, wobei sich die Schweißraupe (130) entlang eines Abschnitts der Plattierungsgrenzschicht erstreckt.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem nach Anspruch 1, wobei die Plattierungsgrenzschicht eine erste Plattierungsschicht (122a) umfasst, die mit einer Oberfläche (114) und insbesondere mit einer Innenfläche der ersten Komponente oder Rohrkomponente gekoppelt ist, und eine zweite Plattierungsschicht (122b) umfasst, die mit einer Fläche einer Außenfläche der zweiten Komponente oder Rohrkomponente gekoppelt ist.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem nach Anspruch 1, wobei die Plattierungsgrenzschicht eine solche Dicke hat, dass sich mindestens 50% oder bevorzugt mindestens 75% oder besonders bevorzugt 100% einer Höhe der Schweißraupe (130) entlang der Plattierungsgrenzschicht erstrecken.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem nach Anspruch 2 oder 3, wobei die axialen Längen der ersten und der zweiten Plattierungsschicht äquivalent sind, oder wobei die axiale Länge der zweiten Plattierungsschicht einen Verlängerungsabschnitt hat, der sich über einen Endpunkt der ersten Plattierungsschicht hinaus erstreckt, und mindestens ein Abschnitt einer Länge der Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist, oder wobei die axiale Länge der zweiten Plattierungsschicht einen Verlängerungsabschnitt hat, der sich über einen Endpunkt der ersten Plattierungsschicht hinaus erstreckt, und eine gesamte Länge der Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist.
Rohrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Plattierungsgrenzschicht einen Verlängerungsabschnitt hat, der sich entlang einer Endfläche von mindestens einer der ersten und der zweiten Rohrkomponente erstreckt, und die Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Plattierungsgrenzschicht (122) eine erste Plattierungsschicht (122a) umfasst, die mit einer Innenfläche der ersten Rohrkomponente gekoppelt ist, und eine zweite Plattierungsschicht (122b) umfasst, die mit einer Außenfläche der zweiten Rohreskomponente gekoppelt ist, und die Schweißraupe (130) sowohl die erste als auch die zweite Plattierungsschicht berührt und die erste Rohrkomponente oder die zweite Rohrkomponente an keiner Stelle berührt.
Verfahren zur Bildung einer Rohrschweißfuge/-verbindung, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bilden einer Plattierungskomponente, die zwischen einer Innenfläche einer ersten Rohrkomponente oder einer Außenfläche einer zweiten Rohrkomponente zu positionieren ist; Einschieben der zweiten Rohrkomponente in die erste Rohrkomponente, dergestalt, dass die erste Plattierungskomponente zwischen der ersten und der zweiten Rohrkomponente positioniert ist; und Verbinden der ersten Rohrkomponente mit der zweiten Rohrkomponente mittels einer Schweißraupe, wobei mindestens ein Abschnitt der Schweißraupe mit der ersten Plattierungskomponente gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Plattierungskomponente gebildet wird, indem eine erste Plattierungsschicht auf einer Innenfläche der ersten Rohrkomponente abgeschieden wird und eine zweite Plattierungsschicht auf einer Außenfläche der zweiten Rohreskomponente abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei eine Dicke der Plattierungskomponente dergestalt gewählt ist, dass sich mindestens 50% oder bevorzugt mindestens 75% oder besonders bevorzugt 100% einer Höhe der Schweißraupe entlang der Plattierungskomponente erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei axiale Längen der ersten und der zweiten Plattierungsschicht äquivalent sind, oder wobei die zweite Plattierungsschicht einen Verlängerungsabschnitt hat, der sich über einen Endpunkt der ersten Plattierungsschicht hinaus erstreckt, und mindestens ein Abschnitt einer Länge der Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist, oder wobei die zweite Plattierungsschicht einen Verlängerungsabschnitt hat, der sich über einen Endpunkt der ersten Plattierungsschicht hinaus erstreckt, und eine gesamte Länge der Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Plattierungskomponente mit einem Verlängerungsabschnitt ausgebildet wird, der sich entlang einer Endfläche der ersten und/oder der zweiten Rohrkomponente erstreckt, und die Schweißraupe mit dem Verlängerungsabschnitt gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Plattierungskomponente gebildet wird, indem eine erste Plattierungsschicht auf einer Innenfläche der ersten Rohrkomponente abgeschieden wird und eine zweite Plattierungsschicht auf einer Außenfläche der zweiten Rohreskomponente abgeschieden wird, und die Schweißraupe dergestalt ausgebildet wird, dass die Schweißraupe sowohl die erste als auch die zweite Plattierungsschicht berührt und die erste Rohrkomponente und die zweite Rohrkomponente an keiner Stelle berührt.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem, das Folgendes umfasst: eine erste Komponente (110) mit einer ersten Oberfläche (114); eine zweite Komponente (112) mit einer zweiten Oberfläche, die mit der ersten Oberfläche zu verbinden ist; eine Plattierungsgrenzschicht (112) zwischen der ersten und der zweiten Komponente und zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche; und eine Schweißraupe (130), welche die erste Komponente mit der zweiten Komponente verbindet, wobei sich die Schweißraupe entlang eines Abschnitts der Plattierungsgrenzschicht erstreckt.
Rohrschweißfugen/-verbindungssystem nach Anspruch 13, wobei die erste Komponente eine andere Materialzusammensetzung hat als die zweite Komponente.