DE69920770T2

DE69920770T2 - Verbessertes Verfahren zum Festkörperschweißen und geschweißte Werkstücke

Info

Publication number: DE69920770T2
Application number: DE69920770T
Authority: DE
Inventors: David Lingnau
Original assignee: Spinduction Weld Inc
Current assignee: Spinduction Weld Inc
Priority date: 1998-11-02
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2019-11-02
Also published as: DE69920770D1; CA2349339A1; NO20012177L; AU764537B2; CA2349339C; ATE277716T1; EP1178867A1; AU2020700A; NO20012177D0; EP1178867A4; EP1178867B1; WO2000025973A1; NO320236B1; US6637642B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Festkörperschweißen von Metallteilen, und zwar insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, von eisenhaltigen oder Titanmetallteilen einschließlich Leitungen oder Rohre, welche verbunden sind, um Rohrleitungen für Öl-, Gas- und geothermische Quellen und dergleichen zu bilden, wobei die reibgeschweißten Teile durch das Verfahren dieser Erfindung erzielte verbesserte Eigenschaften und reduzierten Schmiedegrat aufweisen. Das schnelle Reibschweißverfahren dieser Erfindung benutzt Hochfrequenzinduktions-Vorheizen auf die Heiß-Arbeitstemperatur der zu verschweißenden Teile in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, was in verbesserter Effifienz und einem verbesserten geschweißten Produkt resultiert.
Hintergrund der Erfindung
Die Konstruktion von Rohrleitungen z.B. war in den vergangenen achtzig Jahren fast ausschließlich von Lichtbogenschweißverfahren abhängig. Diese Verfahren haben qualitativ hochwertige Schweißverbindungen ergeben, jedoch zu einem beträchtlichen Preis. Die direkten und indirekten Kosten des Schweißens repräsentieren im Allgemeinen einen großen Anteil der Herstellungskosten von Rohrleitungen. Im Fall von Hochsee-Rohrleitungen, wo die beträchtlichen Kosten der Lege-Barkasse ins Spiel kommen, ist es wichtig, dass das Schweißen so schnell wie möglich erfolgt, wobei das Schweißen umso langsamer ist, je größer die Leitung ist. Dies regt den Gebrauch von mehreren Schweißstationen an, so dass bis zu einem halben Dutzend Schweißverbindungen simultan ausgeführt werden. Für Hochsee-Rohrleitungen in tiefem Gewässer gibt es noch ein weiteres Problem: die Biegeverspannungen der vervollständigten Leitung, welche Achtern von der Lege-Barkasse herabhängt, wird für eine gegebene Kombination von Leitungsdurchmesser, Wanddicke und Wassertiefe unakzeptabel. Daher ist es in diesen Fällen notwendig, die Leitung in einer fast vertikalen Ausrichtung auf der Lege-Barkasse zu schweißen, was wiederum vorschreibt, dass nur eine oder vielleicht zwei Schweißstationen eingerichtet werden können, wodurch die Produktivität um einen Faktor von drei oder mehr reduziert wird.
Lange bestehendes Bedürfnis für die Erfindung:
Es gab daher ein lange bestehendes Bedürfnis für ein zuverlässiges, hochqualitatives schnelles Schweißverfahren für Schweißverbindungen in gleichen Abständen, welche für die Herstellung einer Pipeline erforderlich sind. Idealerweise sollte dies ein „auf Anhieb"-Verfahren sein, wo der gesamte Umfang in einem schnellen Vorgang gleichzeitig geschweißt wird.
Bekannte Schweißverfahren
Das antike Hufschmied-Verfahren des Feuerschweißens umfasst das Erhitzen von Eisen- oder Stahlstücken auf ihre Heiß-Arbeitstemperatur (oder in ihren plastischen Zustand), Zusammenbringen der zwei Stücke in innigen Kontakt und dann Anwenden von Verbindungsdruck auf die zwei Stücke, wie z.B. durch Hämmern, Pressen oder Rollen, um die Schweißverbindung zu erzeugen.
Lichtbogenschweißen ist ein über hundert Jahre altes Schweißverfahren. Das Originalverfahren ist seit der Einführung von Stabelektroden 1907 nicht sehr viel verändert worden. Abschirmungs-Metall-Lichtbogenschweißen (SMAW) ist das gebräuchlichste Schweißverfahren heutzutage, ist jedoch nur ein Verfahren in der allgemeinen Kategorie, Lichtbogenschweißen, wobei es mindestens ein Dutzend unterschiedlicher Verfahren umfasst. Alle diese Verfahren haben die Eigenschaft gemeinsam, dass ein kontinuierlicher Nachschub von Füllmetall durch elektrische Bogenentladung bis zur Verflüssigung in der unmittelbaren Nähe der Stoßflächen erhitzt wird, so dass es mit dem Ausgangsmetall verschmelzen und sich dann verfestigen kann.
Widerstandsabschmelzschweißen und die verschiedenen Formen des Widerstandsschweißens produzieren Schweißverbindungen mit sehr geringer Verflüssigung. Große elektrische Ströme werden benutzt, um die Stoßflächen bis zu der Heiß-Arbeitstemperatur mit Widerstandsheizen aufzuheizen, wo das Metall plastische Eigenschaften annimmt und dann unter Drücken geschmiedet werden kann, welche geringer sind als die normale Dehngrenze des Metalls.
Induktionsschweißen ist eine Art des Schmiedeschweißens, wo die Stoßflächen durch Induktionsheizen auf die Heiß-Arbeitstemperatur erhitzt werden und dann schnell zusammengedrückt werden, um die Schweißverbindung zu erzeugen. Im Gegensatz zu Widerstandsabschmelz- und Widerstandsschweiß- Vorgängen, neigt das Induktionsschweißen viel weniger dazu, lokale heiße Spots zu erzeugen und daher weist es keine unerwünschten Verflüssigungs-Effekte auf.
Reibschweißen gibt es in mehreren Variationen, jedoch beruhen alle auf dem gleichen Prinzip, nämlich daß Gleitreibung benutzt wird, um kinetische Energie (gewöhnlicherweise Rotationsbewegung) in Hitze umzuwandeln, um die Temperatur der zwei Stoßflächen auf die Heiß-Arbeitstemperatur zu erhöhen, wobei die zusammenpassenden Arbeitsstücke an diesem Punkt mit Gewalt zusammengedrückt werden, um die Schweißverbindung zu vervollständigen. Zu keiner Zeit während des Verfahrens wird irgendeines der Metalle geschmolzen, und daher fällt dieser Vorgang in die als Festkörperschweißen bekannte Kategorie, welche auch mehrere ungewöhnliche Verfahren umfasst, wie z.B. DifSchmelzschweißen, Explosionsschweißen und Ultraschallschweißen. Da keine Verflüssigung auftritt, sind diese Schweißvorgänge immun gegen die unten aufgeführte Liste von Schmelzschweißungsdefekten. Kontinuierliches Reibschweißen ist vermutlich die erste bekannte Art des Reibschweißens und scheint seinen Ursprung Mitte der Fünfzigerjahre gehabt zu haben. Schwungradreibschweißen ist eine Innovation, wo das vorherrschende bekannte Verfahren einen großen Motor benutzt, um kontinuierliche kinetische Energie während des ganzen Schweißzyklusses zu liefern, was durch die Benutzung eines direkt gekoppelten Schwungrades verbessert wurde, um kinetische Energie von einem viel kleineren Antriebsmotor zu speichern und dann in einem konzentrierten Impuls in einem verkürzten, selbst-beschränkenden Schweißzyklus freizusetzen.
Radialreibschweißen ist eine eher jüngere Innovation mit besonderer Bedeutung, wenn beide Arbeitsstücke große oder unhandliche Elemente wie z.B. Rohrleitungen oder Pipelines sind, wo es schwierig oder unmöglich ist, beide Stoßflächen bei der erforderlichen hohen Geschwindigkeit durch herkömmliches Reibschweißen zu rotieren. In diesem Verfahren ist ein drittes Element eingeführt. Anstelle des Rotierens eines der zwei Arbeitsstücke wird ein zentraler Ring um die anstoßenden Enden der Arbeitsstücke rotiert und gleichzeitig den kräftigen axialen Kräften ausgesetzt, um den Durchmesser zu reduzieren und die axiale Länge zu erhöhen. Wenn ausreichendes Reibungsheizen erzeugt worden ist, um die Stoßflächen auf die Heiß-Arbeitstemperatur zu erhitzen, wird die Rotation gestoppt und der radiale Druck erhöht.
Dreh-Kompressionsschweißen ist eine kürzlich veröffentlichte Entwicklung in verwandter Schweißtechnologie. Es wurde als Modifikation des herkömmlichen DifSchmelzschweißen von Aluminium entwickelt, um Schweißqualitätsprobleme zu beheben, welche von Oxidfilmen resultieren, und zwar durch Einführen einer kleinen Gleitbewegung, um den Aluminiumoxidfilm, welcher normalerweise auf allen Aluminiumoberflächen gegenwärtig ist, physisch zu durchbrechen und zu verteilen. Die Geometrie der Verbindungen, welche im Stand der Technik angesprochen wird, sind vom Buchse-und-Stecker-Typ, wo eine zylindrische Schweiß-Schnittstelle durch Einfügen des einen Rohrendes in das vergrößerte und induktions-vorgeheizte Ende eines dazu passenden Rohres und gleichzeitiges Rotieren des einen Endes bezüglich des anderen um etwa 12π Radianten (6 Umdrehungen) erzielt wird.
1993 wurde Ferte und Pierquin das US-Patent 5,240,167 für „Friction Welding Method With Induction Heat Treating" („Reibschweißverfahren mit Induktionsheizbehandlung") zuerkannt. Das in dem Ferte-Patent offenbarte Verfahren erfordert die Verstärkung des Reibschweißens mit Induktionsheizbehandlung, um das Brechen in ausgehärteten Nickelsuperlegierungen für Flugmotorenteile zu vermeiden.
Probleme mit früheren Schweißverfahren
Schmiedeschweißen hängt gewöhnlich von dem Heizen der Arbeitsstücke in einem Ofen oder Feuer ab, in welchem Fall es ein langsames Verfahren ist, was immer in Oxidation der exponierten Oberflächen resultiert. Diese Metalloxide sind in ihren mechanischen Eigenschaften alle nicht-metallisch und daher bei Zimmertemperatur von Natur aus spröde. Wenn die erhitzten Arbeitsstücke dann zusammengebracht und geschmiedet werden, weiten sich diese Oxide entlang der Schweißverbindungschnittstelle aus, wobei sie eine spröde Schicht zwischen den Arbeitsstücken produzieren. Nach Abkühlen unterhalb der Heiß-Arbeitstemperatur neigt die Schweißverbindung zu Brüchen entlang der Ebene dieser Schicht. Diese Art von Schweißen hängt sehr vom Können des Anwenders ab und schwankt deshalb in der Qualität.
Schmelzschweißverfahren (welche alle Arten von Lichtbogenschweißen umfassen) hängen alle von der Verflüssigung eines Teils des Basismetalls ab. Daher sind Schmelzschweißverfahren sämtlich für eine Klasse von Defekten anfällig, welche in dem zuvor genannten Schmiedeschweißen nicht anzutreffen sind. Sogenannte Schmelzschweiß-Defekte umfassen: Porösität, Schlacke-Einschlüsse, unvollständiges Verschmelzen, unzureichende Durchdringung, Einbrandkerben, Durchschmelzen, verschiedene Schweißverbindung-Metallsprünge und viele weitere Irregularitäten. Obwohl die Automation gewisser Lichtbogenschweißverfahren die Konsistenz des Schweißens verbessert, kann die Wahrscheinlichkeit solcher Defekte nie vollständig eliminiert werden. Selbst bei Automation ist Lichtbogenschweißen immer noch ein relativ langsames Verfahren, da das Zusammenfügen einer Naht in Schritten erreicht wird, gewöhnlicherweise durch das Ablagern von strichartigen Strängen von Schweiß-Füllmetall, oft in mehreren aufeinanderfolgenden Durchgängen oder Schichten. Zwei zusammenzuschweißende Glieder, z.B. die Enden von Rohrabschnitten einer Pipeline, erfordern akkurat bearbeitete schweißbare Oberflächen, welche abgeschrägt sind, um eine V-förmige äußere Nut zu bilden, wenn sie zusammengebracht werden, was die am meisten erwünschte Zusammenfügungsgeometrie zum Herstellen der besten Schmelzschweißverbindungen ist. Die für solchen Gebrauch erhältlichen Rohrabschnitte variieren häufig in Dicke und Ovalität, wodurch Verbindungsvariationen erzeugt werden, welche in nachteiligen Variationen in der Schmelzschweißverbindung resultieren. Außerdem wird Schmelzschweißen unter der eigenverantwortlichen Kontrolle der Schweißer ausgeführt, welche zusätzliche Variablen in den Schmelzschweißvorgang einführen. Daher müssen die vervollständigten Verbindungen durch Radiographie oder Ultraschallinspektion getestet und müssen entweder zugelassen oder als unakzeptierbar bezeichnet werden, in welchem Fall die Schweißverbindung herausgeschnitten oder repariert werden muss, was somit in sehr teuren Verbindungen resultiert, da hohes Fachkönnen und Zeit erforderlich ist, um zufriedenstellende Verbindungen zu erzielen.
Widerstandsabschmelzschweißen und Widerstandsschweißen sind für ihre Geschwindigkeit geschätzt, jedoch stoßen sie auf Zuverlässigkeitsprobleme, wenn sie in großem Maßstab große Bereiche in einem einzigen Vorgang zusammenfügen. In solchen Anwendungen ist es schwierig sicherzustellen, dass die Oberflächenoxide vollständig von der Schweißschnittstelle abgestoßen sind. Außerdem gibt es lokale heiße Spots in dem Schnittstellenbereich, welche bis zur Verflüssigung erhitzt sind, und welche daher die Bildung von Hohlräumen in der endgültigen Schweißverbindung zulassen. Die Herstellung der länglichen Naht bei einem mit elektrischem Widerstand geschweißten (ERW – electric resistance welded) Rohr vermeidet diese Probleme durch Zusammenfügen der langen Metallstreifenkanten in einem schrittweisen Vorgang, etwa so wie das Schließen eines Reißverschlusses, was die gewaltsame Entfernung von Oberflächenoxiden von der Schweißschnittstelle fördert. Jedoch sind viele Werkstücke recht groß dimensioniert und daher nicht für den schrittweisen Zusammenfügungsvorgang geeignet. Ein anderes Problem ist, dass diese Vorgänge eine große irreguläre Kante von ausgefranstem Metall entlang des Umfangs der Schweißschnittstelle hinterlassen, welche nach Vollendung des Schweißens zurechtgetrimmt werden muß.
Induktionsschweißen ist eine Art von Schmiede-Schweißen, wo die Stoßflächen auf die Heiß-Arbeitstemperatur durch Induktionsheizen erhitzt und dann schnell zusammengepresst werden, um die Schweißverbindung zu erzeugen. Dies ist sauberer und schneller als das Erhitzen im Ofen, da es in effizienter Weise mehr auf die Schweißschnittstelle lokalisiert ist. Es ermöglicht außerdem den Gebrauch von Schutzgasen, um Oxidation der Stoßflächen zu vermeiden. Tatsächlich ist Induktionsschweißen erfolgreich für die Herstellung von bedeutsamen Mengen von ERW-Rohren durch die zuvor genannte reißverschlußartige Technik verwendet. Jedoch ist der Erfolg mit Anwendungen, welche das gleichzeitige Zusammenfügen von großen Schweißbereichen erfordern, immer noch begrenzt durch die Schwierigkeit des Einheitlichmachens des Metalls in der Schmiedezone und des Abstoßens von Oxiden.
Reibschweißen vermeidet die Probleme des Widerstandsabschmelzschweißens und Widerstandsschweißens durch stetiges Aufrechterhalten unterhalb der Schmelztemperatur und durch kontinuierliches Abstoßen eines Bereiches des Schweißschnittstellenmetalls unter den kombinierten Effekten der Gleitbewegung und des axialen Drucks. Das Hauptproblem ist, dass eines von zwei Arbeitsstücken bei hoher Geschwindigkeit rotiert werden muß, um die erforderliche Energie bereitzustellen, wodurch dieses Verfahren für viele Schweißanwendungen nicht in Betracht kommt. Außerdem gibt es aufgrund der praktischen Begrenzungen eine Größenbeschränkung, wie viel gespeicherte kinetische Energie durch mechanische Systeme zur Verfügung gestellt werden kann. Die Entwicklung der Industrie hat gezeigt, dass kontinuierliches Reibschweißen, welches von einem Direktantriebsmotor abhängt, um die kinetische Energie zur Verfügung zu stellen, begrenzt ist auf kleine Schweißverbindungen, wohingegen es für große Schweißverbindungen notwendig ist, große Schwungräder wie beim Schwungradreibschweißen zu benutzen, um die hohen instantanen Energieerfordernisse zu erfüllen. Ein anderes Problem ist, dass diese Verfahren einen großen und unebenen doppelten Torus aufgeweiteten Metalls um den Umfang der Schweißschnittstelle hinterlassen, welcher nach Vollendung des Schweißens oft zurechtgetrimmt werden muß. Ein weiteres Problem mit beiden Verfahren ist, dass die nicht-metallischen Einschlüsse, welche normalerweise in dem Volumen des Stahls, welcher durch das Verfahren verbraucht wird (in der Industrie bekannt als ein „Verlust an Länge"), dazu tendieren in einer ebenen Zone in der Mitte der Schweißverbindung konzentriert zu sein, was in einer Verschlechterung der Stärke in der Schweißverbindung resultiert, insbesondere der Stärke bei einem Aufprall bei tiefer Temperatur.
Radial-Reibschweißen (RFW) löst das Problem, eines der Arbeitsstücke rotieren zu müssen, durch Einführen eines kleineren dritten Elements, des Rotierrings, welcher eine zylindrische Schweißschnittstelle bildet, im Gegensatz zu der scheibenförmigen Schnittstelle des herkömmlichen Reibschweißens. Jedoch gibt es einen Kompromiss: Tatsächlich werden zwei Schweißverbindungen simultan für jede Verbindung ausgeführt. Dies verdoppelt die instantanen Energieerfordernisse, welche ohnehin schon recht hoch sind. Daher ist die Realisierbarkeit für RFW für Arbeitsstücke mit großen Schweißverbindungquerschnitten geringer als die des herkömmlichen Schwungradreibschweißens.
Das US-Patent Nr. 5,240,167 zu Ferte stellt fest, dass Induktionsheizen durchgeführt werden kann, und zwar vor, während und nachdem das Reibschweißen vollendet ist, um eine Hitzebehandlung des Schweißbereiches bereitzustellen. Das Patent zu Ferte stellt fest, dass der Gebrauch des Induktionsheizers, um zusätzliche Hitze bereitzustellen, einen industriell signifikanten und ökonomischeren Weg repräsentiert, um die Kapazität des Schweißapparates durch Reduzieren der Trägheitsmasse bei Schwungradreibschweißgeräten oder durch Reduzieren des Antriebsmotors bei kontinuierlichen Reibschweißgeräten zu erhöhen. Es ist aus den Figuren des Patentes zu Ferte offensichtlich, dass, wo Induktions-Vorheizen benutzt wird, die gegenüberliegenden zu schweißenden Flächen nicht auf der Heiß-Arbeitstemperatur sind, wenn sie geschweißt werden, da die resultierende Schweißverbindung die charakteristische Doppel-Scheitelpunkt-Querschnittsform einer herkömmlichen Reibschweißverbindung umfasst. Wie weiter unten festgestellt ist, resultiert das verbesserte Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung in einem viel kleineren Volumen abgestoßenen Metalls, gemeinhin bekannt als „flash" oder „upset", aufgrund der direkten Energiezufuhr des Induktionsheizens der zu schweißenden Oberflächen, was herkömmlicherweise durch Reibungsheizen der gegeneinander reibenden Oberflächen erzeugt werden muß. Reibungsheizen verbraucht ein Metallvolumen, welches in etwa proportional zu der Menge an erzeugter Hitze ist. Bei dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung wird der überwiegende Teil der Energie durch Induktionsheizen erzeugt. Weiterhin, wo die zu schweißenden Teile auf die Heiß-Arbeitstemperatur induktions erhitzt sind, ist es möglich, die Rotationsgeschwindigkeit des Arbeitsstückes in großem Maße zu reduzieren, welches große praktische Bedeutung für das Stoß-Schweißen langer Rohrabschnitte hat, wie in der Anwendung von Pipeline-Herstellung. Schließlich lehrt das Patent zu Ferte den Gebrauch von Induktionsheizen bei offener Atmosphäre, was in ernsthafter Verschlechterung der Schweißverbindungqualität aufgrund Hochtemperatur-Oxidation der Stoßflächen vor dem Kontakt resultiert.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 05131280 offenbart ein Reibschweiß-Verfahren, worin ein Induktionsheizer um den äußeren Umfang der zu schweißenden Teile positioniert ist, um die Metallteile in einer Schutzgasatmosphäre zu erhitzen. Die Metallteile werden, wenn sie anfänglich durch die Induktionsspule erhitzt sind, gegeneinander unter Druck rotiert, um sie miteinander reibzuverschweißen.
Japanische Patentveröffentlichung Nr. 1020273, welche als nächstkommender Stand der Technik betrachtet wird, offenbart ein Reibungsdruck-Schweißverfahren zum Reibschweißen von aneinander angrenzenden Materialien unterschiedlicher Schmelzpunkte. Die Endfläche des angrenzenden Materials mit dem höheren Schmelzpunkt wird durch einen Induktionsheizer auf eine Temperatur nahe dem Schmelzpunkt des angrenzenden Materials mit dem niedrigeren Schmelzpunkt erhitzt. Sowie sie erhitzt sind, werden die Endflächen der angrenzenden Materialien in Kontakt gebracht und unter Druck rotiert, um die angrenzenden Materialien miteinander zu verschweißen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem unabhängigen Anspruch 1 dargelegt. Bevorzugte, jedoch nicht wesentliche Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Das verbesserte Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung kombiniert in vorteilhafter Weise die Verfahren des Induktionsschweißens und Reibschweißens, um ein neues Festkörperschweißverfahren zu erzeugen, welches beiden Verfahren überlegen ist. Reibschweißen ist ein bemerkenswertes Schweißverfahren, da es relativ schnell ist und Schweißverbindungen mit hoher Integrität und konsistenter Qualität produziert, selbst mit unähnlichen Metallen. Jedoch erfordert Reibschweißen, dass ein Werkstück bei hoher Geschwindigkeit gedreht wird, wobei bei großem Maßstab, um Schweißverbindungen mit großem Querschnitt zu erzeugen, dieses Verfahren eine große Maschine benötigt, um die benötigte gespeicherte mechanische Energie zu liefern. Induktionsdruckschweißen ist ein ähnlich schnelles Schweißverfahren, welches kein Drehen der Arbeitsstücke erfordert, jedoch an Zuverlässigkeit verliert, wenn es auf große Querschnittsbereiche angewendet wird, und zwar aufgrund der erhöhten Wahrscheinlichkeit von Schlacken-Einschluß und ungleichmäßigem Verwachsen.
Das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung kann zum Zusammenfügen von Metallteilen angewendet werden, und zwar insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, von eisenhaltigen und Titanmetallteilen einschließlich Rohren und Rohrleitungen, wobei die zu schweißenden Metallteile im Allgemeinen sich ergänzende planare und parallele Oberflächen aufweisen. Das Verfahren dieser Erfindung umfasst sodann schnelles Aufheizen der sich gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile mit einem Hochfrequenzinduktionsheizer auf die Heiß-Arbeitstemperatur der Metallteile in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre. Das Verfahren umfasst sodann kontinuierliches Bewegen wenigstens eines der Teile relativ zu dem anderen Teil im Allgemeinen parallel zu den sich gegenüberliegenden planaren Oberflächen, wie z.B. durch Rotieren eines der Teile oder Bewegen des Teiles in einer räumlichen Bewegung. Schließlich umfasst das Verfahren dieser Erfindung schnelles Zusammenbringen der entgegengesetz ten Teiloberflächen mit einer axialen Kraft in etwa gleich der herkömmlichen Reibschweiß-Schmiedekraft, während das eine Teil relativ zu dem anderen Teil weiterhin bewegt wird bis die absorbierte kinetische Energie etwa gleich 10 % der Energiezufuhr ist, welche bei dem herkömmlichen Reibschweißen vorgeschrieben ist, um die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile festkörperzuver-schweißen. In dem bevorzugten Verfahren des Festkörperschweißens dieser Erfindung umfasst das Verfahren Heizen der gegenüberliegenden Oberflächen der zu schweißenden Teile auf die Heiß-Arbeitstemperatur mit einem Induktionsheizer in weniger als etwa 30 Sekunden, um das Heizen des Metallteiles auf die ersten 1,27 mm (0,050 inch) oder weniger der sich gegenüberliegenden Oberflächen der zu verschweißenden Metallteile zu begrenzen. Die Frequenz des Induktionsheizens ist vorzugsweise 3 kHz oder mehr und weiter bevorzugt etwa 25 kHz oder mehr. In einer bevorzugten Ausführungsform des Festkörperschweißverfahrens dieser Erfindung umfasst das Verfahren Rotieren wenigstens eines der Teile relativ zu dem anderen Teil bei einer anfänglichen Umfangsgeschwindigkeit von etwa 9,2 m/s (vier Fuß pro Sekunde) zur Zeit des Kontakts zwischen den sich gegenüberliegenden planaren Oberflächen. In dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung kann das Teil in einer räumlichen Bewegung parallel zu den planaren und parallelen Oberflächen der zu verschweißenden Teile vor oder während des Induktions-Heizschrittes bewegt oder rotiert werden. In dem bevorzugten Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung können die Teile in etwa 1 Sekunde zusammengeschweißt werden, dem Heizen folgend, wobei die axiale Kraft für zusätzliche 5 Sekunden aufrechterhalten wird. Daher ist das Festkörperschweißen dieser Erfindung schneller und bei weitem effi zienter als Reibschweißen oder Induktionsheizen und produziert wiederholbare Schweißverbindungen mit hoher Integrität bei sehr geringen Rotationsgeschwindigkeiten. In dem am meisten bevorzugten Verfahren dieser Erfindung werden die Heiz- und Schweiß-Schritte in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durch Fluten der Metallteile mit einem nicht-oxidierenden Gas wie z.B. Stickstoff ausgeführt, was die resultierende Schweißverbindung in bedeutsamer Weise verbessert.
Wie oben dargelegt ist, produziert das verbesserte Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung eine verbesserte Schweißverbindung mit bedeutender Verringerung von Verlust-Schmiedegrat. Wo röhrenartige Teile oder Rohre durch herkömmliches Reibschweißen zusammen verschweißt werden, kann der große innere Schmiedegrat, welcher durch herkömmliches Reibschweißen produziert wird, auch die Strömung von Fluiden durch die Röhren oder Rohre beeinträchtigen. Z.B. kann das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung benutzt werden, um Bohrloch-Verschalungen oder Rohrstücke in Ölbohrlöchern, Gasbohrlöchern und geothermischen Heizsystemen zusammenzusetzen, wo ein großer innerer Schmiedegrat die Strömung von Flüssigkeiten oder Gas durch die Rohre oder Rohrleitungen beeinträchtigen würde. Daher umfasst diese Erfindung ein Metallteil, wie z.B. einen Stab, Rohrleitung oder Rohr, mit gegenüberliegenden planaren Oberflächen, welche zusammengeschweißt werden, mit einem relativ kleinen im Allgemeinen planaren Schmiedegrat, welcher sich radial von dem Schnitt der sich gegenüberliegenden planaren verschweißten Oberflächen erstreckt. Das Schmiedegrat-Volumen entspricht einem kombinierten Längenverlust von weniger als 0,2 axialen Millimetern (Inch) pro mm (Inch) an Wanddicke. Das Verfahren dieser Erfindung umfasst Heizen der sich gegenüberliegenden planaren Oberflächen der zu verschweißenden Teile mit einem Hochfrequenzinduktionsheizer auf die Heiß-Arbeitstemperatur der Metallteile. Die Teile werden vorzugsweise in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre erhitzt, wobei wenigstens eines der Teile relativ zu dem anderen im Allgemeinen parallel zu den sich gegenüberliegenden planaren Oberflächen kontinuierlich bewegt wird. Eines der Teile wird vorzugsweise rotiert oder im Raum bewegt, während die gegenüberliegenden Flächen schnell mit axialer Kraft zusammengebracht werden. Die Bewegung des Teiles wird fortgesetzt bis die absorbierte kinetische Energie etwa gleich 10 % der Energiezufuhr bei dem herkömmlichen Reibschweißen beträgt. Das Festkörperschweißen der sich gegenüberliegenden Oberflächen umfasst weiterhin den oben beschriebenen reduzierten Schmiedegrat.
Daher eliminiert das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung die große Doppelspitzen-Querschnittsform einer herkömmlichen Reibschweißverbindung. Weiterhin ist es durch Optimieren der Betriebsparameter möglich, den Schmiedegrat auf etwa 1/10 der Wanddicke zu reduzieren. Ein weiterer Vorteil des Festkörperschweißverfahrens dieser Erfindung und des resultierenden geschweißten Teiles ist, dass, da der Längenverlust im wesentlichen eliminiert ist, auch die Verschlechterung der Schweißverbindung stark aufgrund des Phänomens der Konzentration nicht-metallischer Einschlüsse von dem Volumen der verlorenen Länge in die Schweißverbindungsschnittstelle eliminiert ist.
Daher weist das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung Ähnlichkeiten mit dem Reibschweißen auf, außer dass es die meiste kinetische Energie durch Hochfrequenz-Induktionsheizen ersetzt. Herkömmliches Reibschweißen von allgemeinen Kohlenstoffstahlröhren (Kohlenstoffgehalt geringer als 0,4 %) erfordert eine Zufuhr von kinetischer Energie im Bereich von 42 bis 210 MJ/m² (20.000 bis 100.000 ft-lb/inch²) für mittlere bis großformatige Arbeitsstücke mit einem Durchmesser gleich oder größer als 0,1 m (4 Inch), wobei das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung nur etwa 1/10 der kinetischen Energiezufuhr für jedes Arbeitsstück der selben Größe benötigt. Das Hochfrequenzinduktionsheizen wird ausgeführt, während eines der Arbeitsstücke nur auf die Schmiedegeschwindigkeit (etwa 1,02 m/s (200 ft/min) für Stahl) beschleunigt wird, was viel geringer als die normale Minimal-Oberflächengeschwindigkeit beim Reibschweißen von 2,54 bis 15,24 m/s (500 bis 3000 ft/min) für Stahl ist. Sobald die Heiß-Arbeitstemperatur erreicht ist, werden die zwei Arbeitsstücke bei dem Schmiededruck zusammengedrückt, wodurch das rotierende Werkstück fast instantan, d.h. innerhalb einiger Umdrehungen, abgebremst wird, wodurch das Schweißen vollendet wird. Experimente haben bestätigt, dass dieser Vorgang für Stahl bei einer Oberflächengeschwindigkeit viel geringer als die Schmiedegeschwindigkeit funktioniert, was Schweißverbindungen von hoher Qualität mit fast keinem Schmiedegrat und in einer Zykluszeit von weniger als 15 s für ein Rohr von 0,11 m (4,5 Inch) Durchmesser ergibt. In diesen Experimenten wurden Arbeitsstücke mit einer Wanddicke von 4 mm (0,157 Inch) durch das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung unter Benutzung einer kinetischen Energiezufuhr von 4, 2 MJ/m² (1,978 ft-lb/inch²) zusammengefügt. Herkömmliches Reibschweißen hätte eine kinetische Energiezufuhr von 54,6 MJ/m² (26.000 ft-lb/inch²) benötigt. Für herkömmliches Reibschweißen von röhrenförmigen Arbeits stücken ist eine geläufige grobe Regel zum Einschätzen des Längenverlustes aufgrund von Schwund des Arbeitsstückes wie z.B. Schmiedegratverlust, dass der Längenverlust etwa der Wanddicke für Wanddicken weniger als 15,2 mm (0,6 Inch) gleicht. In vielen Anwendungen muß diese Schmiedegratmasse von dem Arbeitsstück abgetragen werden. Durch das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung produzierte Schweißverbindungen erfahren einen Längenverlust von etwa dem 0,10- bis 0,20-fachen der Wanddicke, begleitet von einer entsprechenden Reduktion im Volumen des Schmiedegrats. Auch hat der durch das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung produzierte Schmiedegrat einen dünneren Querschnitt, was es leichter macht, ihn bei Bedarf abzutragen.
Das Verfahren dieser Erfindung umfasst das Umschließen des Schweißbereiches und Einführen eines Schutzgases um die anstoßenden Enden der Werkstücke herum. Wie oben dargelegt ist, werden die Heiz- und Schweiß-Schritte vorzugsweise in einer nicht-reaktiven Atmosphäre ausgeführt, um chemische Reaktion der erhitzten Stoßflächen mit irgendeinem der normalerweise in der Erdatmosphäre vorhandenen Gase zu vermeiden: Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf usw. Z.B. verbindet sich Stahl bei erhöhten Temperaturen schnell mit Sauerstoff, wodurch Oxide erzeugt werden, welche Defekte in der Schweißverbindung erzeugen. Umgekehrt reagiert Stickstoff nicht schnell mit Stahl bei seinen Heiß-Arbeitstemperaturen und ist daher ein sehr nützliches Schutzgas für diese Anwendung der Erfindung. Falls jedoch diese Erfindung benutzt wird, um Titan zu schweißen, reagieren sowohl Sauerstoff als auch Stickstoff schnell mit dem heißen Metall und daher müssen beide ausgeschlossen werden, z.B. durch Benutzen eines Edelgases wie z.B. Argon oder Helium.
Alternativ können schädliche Gase in der Atmosphäre für alle Arten von Metallen durch Ausführen dieses Festkörperschweißverfahrens in einem Vakuum ausgeschlossen werden. Für besondere Metalle können schädliche Gase durch Vorbeschichten der gegenüberliegenden Flächen mit einer sehr dünnen Schicht einer metallurgisch kompatiblen Festbarrierensubstanz ausgeschlossen werden, welche auch nicht mit den normalen Bestandteilen der Erdatmosphäre reagieren wird. Z.B. können Stahloberflächen in vorteilhafter Weise mit nicht mehr als etwa 0,025 mm (0,001 Inch) dickem reinen Aluminium vorbeschichtet werden, da Aluminium in solch geringen Mengen metallurgisch kompatibel mit dem Stahl ist und das Aluminium noch ein sehr stabiles aber dünnes und temperaturresistentes Oberflächenoxid bildet, welches weiteres Eindringen des Sauerstoffs in den Stahl vermeidet, wobei dieses Aluminiumoxid leicht während der Schmiedephase dieses Festkörperschweißverfahrens durchbrochen und abgestoßen wird. In einer weiteren Ausführungsform, falls das verfahren unter Wasser ausgeführt werden soll, z.B. bei Konstruktion von Öl-Pipelines am Meeresboden, wäre ein Schutzfluid wie z.B. reines Wasser vorteilhaft, um Seewasser zu ersetzen, welches viele schädliche gelöste Salze enthält, welche die erhitzten sich gegenüberliegenden Oberflächen kontaminieren würden. Das Schutzfluid von reinem Wasser würde als eine Flüssigkeit eingeführt werden, würde jedoch in der unmittelbaren Nähe der erhitzten Oberflächen zu einem Gas verdampfen. In großen Tiefen jedoch könnte die Kombination von Druck und Temperatur den kritischen Punkt überschreiten, was weder in einer ausgeprägte Gas- oder Flüssigkeits-Phase resultieren würde, sondern eher in einem unbestimmten Fluid. Im Kontext dieser Erfindung besitzt „Fluid" eine bestimmte technische Bedeutung, welche sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsphasen einer gegebenen Substanz unterhalb seines kritischen Punktes als auch seinen nicht bestimmten „Fluid"-Zustand oberhalb des kritischen Punktes umfasst.
Obwohl die logischste Wahl eines Schutzgases Argon ist, hat Experimentieren gezeigt, dass Argon Überschläge in der Nähe des Endes des Heizzyklusses verursacht, wahrscheinlich aufgrund der kombinierten Effekte des elektrischen Feldes der Spule und der Infrarotstrahlung von den Stoßflächen. Es wurde herausgefunden, dass Stickstoff als ein Schutzgas Überschläge eliminiert. Überschläge können auch durch Beschichten der Induktionsspule mit einem elektrischen Isolator mit hoher dielektrischer Stärke vermieden werden. Es ist wichtig, dass die Induktionsspule sorgfältig konstruiert ist, um eine gleichförmige induzierte Stromdichte über die Stoßflächen zu entwickeln. Experimentieren hat gezeigt, dass die Geometrie des Schmiedegrats und des Profils der fertigen Schweißverbindung stark durch die Dimensionen der Spule relativ zu den Rohrdimensionen beeinflusst ist, wie im folgenden mehr untersucht wird. Wie oben dargelegt ist, ist die Gesamtform des Schmiedegrats vollständig verschieden von dem durch herkömmliches Reibschweißen erzeugten Schmiedegrat, wobei der Schmiedegrat im wesentlichen durch das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung reduziert wird.
Wenn das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung auf eine bestimmte Klasse von Metallen, bekannt als ferromagne tische Metalle, angewendet wird, gibt es eine spezifische physikalische Eigenschaft bekannt als die „Curie-Temperatur", welche eine bedeutende Auswirkung auf die Leistung des Induktionsheizvorgangs hat. Es wird jedoch angenommen, dass Curie-Temperaturen nur für ferromagnetische Elemente existieren, von denen alle Metalle sind, und für Verbunde, von denen die meisten Metalle sind. Es gibt nur vier bekannte ferromagnetische Elemente, nämlich Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium, von denen nur die ersten drei technische Bedeutungen haben. Diese wenigen ferromagnetischen Elemente formen die Basis von Hunderten von bekannten ferromagnetischen Legierungen, mit einigen wenigen Ausnahmen, wie z.B. Mangan-Chrom, Mangan-Wismut und Silber-Mangan-Aluminium. Da die Mehrzahl metallischer von Menschen geschaffener Strukturen aus ferromagnetischen Legierungen hergestellt sind, ist die Curie-Temperatur hinsichtlich des Festkörperschweißverfahrens dieser Erfindung wichtig. Unterhalb der Curie-Temperatur ist es sehr effizient, lokalisiertes Heizen der ferromagnetischen Materialien unter Benutzung von Induktionsfrequenzen innerhalb des Bereiches von 3 kHz bis 25 kHz zu erzeugen. Oberhalb der Curie-Temperatur verhalten sich ferromagnetische Materialien genau wie nicht-ferromagnetische Materialien, wie z.B. Aluminium, Titan, Zink, Kupfer, Messing, und zwar dahingehend, dass sie nicht-ferromagnetisch werden und höhere Induktionsfrequenzen benutzt werden müssen, im Allgemeinen wenigstens 30 kHz oder höher für lokalisiertes Erhitzen. Für die Kunst des Induktionsheizens hat dies mehrere praktische Konsequenzen. Die allererste unter diesen ist die Tatsache, dass Übertragen von größeren Leistungsabgaben (z.B. mehr als 50 kHz) vom Umwandler zu der Abgabespule bei höheren Frequenzen proportional schwieriger ist, wenn die Frequenz ansteigt. Bis zu 25 kHz ist es recht praktisch, einfache wassergekühlte mehradrige Kabelbündel und/oder Koaxialkabel zu benutzen, welche von Natur aus flexible Leiter bereitstellen, so dass Positionieren der Ausgabespule leicht durchgeführt werden kann. Oberhalb 25 kHz kann es schwierig werden, sperrige, feste Flachkabel oder teure speziell hergestellte Kabel wie z.B. Litz^TM, welche in ungünstiger Weise die Spulenimpedanz erhöhen können, zu verwenden. Oberhalb 25 kHz sind diese Teile selbst in anwachsendem Maße parasitärem Induktionsheizen ausgesetzt, wodurch die Gesamteffizienz des Geräts reduziert wird. Daher wird, wenn mit ferromagnetischen Arbeitsstücken gearbeitet wird, die vorliegende Erfindung in effektivster Weise bei Temperaturen betrieben, welche die Curie-Temperatur nicht übersteigen. Ein weiterer Grund zum Ausführen von Induktionsheizen unterhalb der Curie-Temperatur ist, dass für die meisten ferritischen Materialien eine plötzliche Volumenänderung mit der Phasenänderung verbunden ist, welche in Verbiegen oder Brechen resultieren kann, falls das Heizen schnell ist.
Das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung kann mit ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Materialien, wie z.B. Titan, und Titanverbindungen einschließlich Stäben, Röhren und Rohren benutzt werden. Die Temperatur, auf welche die sich gegenüberliegenden Oberflächen der zu verschweißenden Teile erhitzt werden, wird daher hinsichtlich der Heiß-Arbeitstemperatur definiert, und nicht hinsichtlich der Curie-Temperatur. Wie jedoch ersichtlich ist, wo die zu verschweißenden Teile ferromagnetisch sind, sollten die zu verschweißenden Teile auf eine die Curie-Temperatur nicht überschreitende Temperatur induktionserhitzt werden.
Wenn die Temperatur der meisten Metalle erhöht wird, werden sie in ihren mechanischen Eigenschaften graduell weniger elastisch (und spröde) und mehr plastisch (und hart), bis der Schmelzpunkt erreicht ist, bei welchem jede mechanische Stärke verloren gegangen ist. Auch die Formänderungsfestigkeit nimmt mit zunehmenden Temperaturen ab. Die meiste kommerzielle Metallschmiedearbeit ist daher im oberen Temperaturbereich für das spezifische Metall getan, um die Spannungen und Belastungen auf Schmiedemaschinen zu reduzieren. Diese material-spezifische Temperatur ist gemeinhin als die Heiß-Arbeitstemperatur bezeichnet, T_HW, welche im Allgemeinen als „eine Temperatur oberhalb des Rekristallisationspunktes oder einer Temperatur hoch genug, um Kalthärtung zu vermeiden" bezeichnet ist. Es ist im Allgemeinen angenommen, dass T_HW für ein gegebenes Metall jede Temperatur zwischen etwa 50 % und 90 % der Schmelztemperatur ausgedrückt in absoluten Begriffen (d.h. Grad Kelvin oder Rankin) beträgt. Herkömmliches Reibschweißen benutzt mechanische Reibung, um die Temperatur zweier angrenzender Arbeitsstücke auf T_HW zu erhöhen, wobei die Gleitbewegung ein kontrolliertes Mass an Verbindung zwischen den zwei Arbeitsstücken hervorrufen kann, was in einer kräftigen Schweißverbindung resultiert. Das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung benutzt Induktionsheizen, um die Stoßflächen der Arbeitsstücke auf die Heiß-Arbeitstemperatur zu erhöhen. Beschränkte veröffentlichte Daten sind für die Heiß-Arbeitstemperatur ausgewählter Metalle und Elemente erhältlich. Eine alternative Quelle der Heiß-Arbeitstemperatur wird durch Berechnung der Schmelztemperatur bestimmt. Im Allgemeinen gibt es eine gute Übereinstimmung, dass das berechnete untere Limit der Heiß-Arbeitstemperatur höher ist als der veröffentlichte Wert für die Rekristallisa tionstemperatur. Es gibt außerdem eine verhältnismäßig gute Übereinstimmung zwischen den veröffentlichten Werten für die minimale und maximale Heiß-Arbeitstemperatur und die berechneten Werte, was bestätigt, dass es akzeptierbar wäre, die berechnete Heiß-Arbeitstemperatur zu benutzen, wo veröffentlichte Daten nicht für ein bestimmtes Metall erhältlich sind.
Das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung kann auf jede Art von Reibschweißen einschließlich Schwungrad-, kontinuierlichem, Orbital- und Kolben-Reibschweißen basiert werden, wobei wenigstens eines der Teile kontinuierlich relativ zu dem anderen Teil im Allgemeinen parallel zu den sich gegenüberliegenden planaren und parallelen Oberflächen der zu verschweißenden Teile bewegt wird. Jedoch sind nur die ersten zwei, Schwungrad- und kontinuierliches Reibschweißen, gegenwärtig in allgemeiner kommerzieller Anwendung und daher werden solche Verfahren die größte industrielle Akzeptanz bekommen. Zum Herstellen großer Schweißverbindungen kann das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung leicht entweder auf Schwungrad- oder kontinuierlichem Reibschweißen basiert werden, da das Induktionsheizen über 90 % der wie oben dargelegten kinetischen Energieerfordernisse eliminiert. Daher kann das Festkörperschweißgerät ein viel kleineres Antriebssystem entweder in der Form eines kleineren Schwungrades oder eines kleineren kontinuierlichen Antriebsmotors benutzen. Im Falle des Reibschweißen mit kontinuierlichem Antrieb kann ein relativ kleiner Motor, welcher an ein Geschwindigkeitsreduktionssystem angepasst ist, mit dem hier offenbarten Festkörperschweißapparat benutzt werden. Für Feldanwendungen, wie z.B. Pipeline-Schweißen, kann der kontinuierliche Antriebs motor durch eine entfernte Generatoreinheit mit einem extra großen Schwungrad angetrieben werden, um Überschusskapazität ähnlich einem direkt gekoppelten Schwungrad zu erzeugen.
Während des Heizbetriebs wird die meiste Generatorkapazität durch das Induktionsheizsystem benötigt, wenn jedoch das Induktionsheizsystem abgeschaltet ist, ist die gesamte Kapazität des Generators für den Direktantriebsmotor verfügbar. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass, da Schwungräder mit geringer Geschwindigkeit ineffizient sind, die durch einen entfernten Generator betriebene Kapazität bei höherer Geschwindigkeit (z.B. 1800 U/min) als ein entferntes, effizientes, Hochgeschwindigkeits-Schwungrad funktioniert.
Kurze Beschreibuagen der Zeichnungen
1A ist eine partielle Seitenquerschnittsansicht eines nach herkömmlichem Reibschweißverfahren geschweißtes Rohr;
1B ist eine partielle Seitenquerschnittsansicht eines nach dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung geschweißten Rohres;
1C ist eine partielle Seitenquerschnittsansicht einer zweiten Ausführung eines nach dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung geschweißten Rohres;
2 ist eine Darstellung auf einer nicht-linearen Zeitskala der Hauptparameter des Reibschweißens, wobei das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung mit der typischen Leistung des Reibschweißen verglichen wird;
3A ist eine Seitenquerschnittsansicht eines Bereiches des Geräts für das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung;
3B ist eine Endansicht der in 3A dargestellten Induktionsspule;
4 ist eine Seitenquerschnittsansicht einer Ausführungsform eines Gerätes zur Ausführung des Festkörperschweißverfahrens dieser Erfindung; und
5 ist eine schematische Zeichnung, welche eine Ausführungsform des Gerätes und Ausrüstung darstellt, welche benutzt werden kann, um das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung durchzuführen.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1A illustriert ein geschweißtes Rohr oder Rohrleitung, welche nach herkömmlichen Reibschweißtechniken gebildet ist, wie z.B. herkömmliches Schwungrad- oder Reibschweißen. Die Rohrabschnitte oder Arbeitsstücke T1 sind wie oben beschrieben durch Rotieren eines der Arbeitsstücke relativ zu dem anderen Werkstück geschweißt worden, dann Bewegen der sich gegenüberliegenden im Allgemeinen planaren paral lelen Oberflächen der Arbeitsstücke zusammen, was Gleitreibung erzeugt, wodurch die sich gegenüberliegenden Oberflächen auf die Heiß-Arbeitstemperatur erhitzt und die Oberflächen zusammen verschweißt werden. Das am meisten unterscheidende Merkmal der Schweißverbindung ist die Form und Größe des Überschuß-Schweißgratmaterials sowohl auf den Innen- als auch Außenseiten der Schweißverbindung, welche die Erscheinungsform eines doppelten Torus hat. Eine Querschnittsansicht des Schweißgrats zeigt, dass es tatsächlich Doppelspitzen sind, Rücken an Rücken, wie in 1A dargestellt. In vielen Anwendungen sollte dieses Schweißgrat-Detail F1 entfernt werden; jedoch ist es nicht immer möglich, den Schweißgrat auf der Innenseite des Rohres oder der Rohrleitung zu entfernen, abhängig von dem Durchmesser des Rohrs oder der Rohrleitung. Weiterhin resultiert, wie oben dargelegt ist, das große Schweißgratvolumen in Verschlechterung der Schweißverbindungstärke aufgrund von Konzentration von nicht-metallischen Einschlüssen vom Längenverlust in der Schweißschnittstelle. Das verbesserte Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung reduziert daher nicht nur den Materialverlust und die Länge während des Schweißzyklusses, sondern verbessert auch die strukturelle Integrität.
1B und 1C stellen die charakteristischen Profile von röhrenförmigen Schweißverbindungen dar, welche nach dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung (1B und 1C) mit einer Schweißverbindung nach herkömmlichem Reibschweißen, wie in 1A dargestellt, hergestellt sind. In 1B wurde das Rohr T2 unter Benutzung des Festkörperschweißverfahrens dieser Erfindung geschweißt, wobei die Induktionsspule nicht angemessen dimensioniert ist, um dem Durchmesser von T2 zu entsprechen. D.h., die für die zu schweißenden Oberflächen verwendete Induktionsspule ist kleiner als im Optimalfall, was in einer ungleichmäßigen Hitzeverteilung resultiert, was wiederum eine markante Nut entlang der Mittellinie erzeugen kann. Jedoch wird festgestellt, dass die Schweißverbindung bedeutend weniger Schweißgrat aufweist als der Schweißgrat F1 in 1A. In 1C ist die Induktionsspule angemessen dimensioniert, was in einem vollständiger verbundenen äußeren Schweißgrat F4 resultiert. Elimination der Mittenlinien-Nut lässt eine effizientere Nutzung der Schweißenergie zu, was wiederum die Gesamtmenge an Schweißgratmaterial, F4 und F5, reduziert. In beiden in 1B und 1C dargestellten Ausführungsformen wurde das Schweißgratvolumen und Längenverlust signifikant reduziert und die Integrität der geschweißten Verbindung wurde auch verbessert.
Mit Bezug auf 2 ist das am meisten bemerkbare Merkmal, nämlich dass das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung ein Bruchteil der Arbeitsstücklänge verbraucht, wodurch ein viel kleineres Volumen an Schweißverbindungsgrat erzeugt wird, wobei dies bei etwa der dreifachen normalen Rotationsgeschwindigkeiten unter Benutzung von etwa 1/12 der normalen kinetischen Energie erzielt wird. Im Gegensatz zu dem vorherigen Reibschweißverfahren startet das Schweißverfahren mit dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung tatsächlich bevor die zwei zusammenpassenden Arbeitsstücke in Kontakt treten. Die Induktionsheizphase 1, welche den Großteil der Schweißenergie-Erfordernisse bereitstellt, läuft zusammen mit der Beschleunigung des rotierten Arbeitsstückes und ist ein paar Zehntelsekunden, bevor Kontakt der zwei Arbeitsstücke 2 auftritt, voll endet. Dies ist notwendig, um Zeit zum Zurückziehen der Induktionsspule zwischen den Arbeitsstücken zu gewähren und nachfolgendes Schließen der axialen Lücke zu dem Kontakt 2. Kurve 3 repräsentiert das Geschwindigkeitsprofil im Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung im Vergleich zu dem vorigen Reibschweißverfahren 4. Sowohl die Spitzengeschwindigkeit als auch Gesamtdauer der Rotationsbewegung sind im wesentlichen in dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung reduziert. Kurven 5 und 6 repräsentieren die axialen Schmiedekraftprofile jeweils für das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung und den Stand der Technik.
Obwohl 2 eine leicht erhöhte Schmiedekraft für das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung darstellt, ist dies nicht notwendigerweise erforderlich und ist mehr zur Verdeutlichung dargestellt. Kurven 7 und 8 repräsentieren den Längenverlust, wenn die Arbeitsstücke sich ineinander verreiben und Material radial in Antwort auf die Plastizität des Materials unter axialem Druck abstoßen. Das Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung stößt ein viel kleineres Materialvolumen ab als im Stand der Technik, wobei dies sowohl in physikalischen als auch metallurgischen Vorteilen, welche woanders diskutiert sind, resultiert.
In dem Beispiel des Zusammenfügens zweier zylindrischer hohler Arbeitsstücke, welche mit sauberen, glatten, grade geschnittenen parallelen Enden ausgebildet sind, kann in 3A gesehen werden, dass die Induktionsspule 9 zwischen den sich gegenüberstehenden Enden der zwei Werkstücke 10 und 11 angeordnet ist, was eine kleine Lücke 12 und 13 auf jeder Seite lässt. Normalerweise ist die Induktionsspule 9 eine einfach-gewickelte Spule, welche aus hohlem rechteckigen oder rechtwinkligen Kupferrohr gebildet ist, um Kühlwasser während des Induktions-Heizzyklusses hindurch zirkulieren zu lassen. Die Induktionsspule ist mit der Hochfrequenz-Energieversorgung 40 entweder durch flexible Energieversorgungskabel 35 oder alternativ durch Dreh- oder Gleit-Verbindungen verbunden. Die Größe der Lücke 12 und 13 ist normalerweise auf den möglichen Minimalwert vor dem Beginn des physischen Kontaktes und/oder vor dem Überschlag zwischen der Induktionsspule 9 und eines der Arbeitsstücke 10 und 11 eingestellt, entweder während der Heizphase oder während des Rückzugszyklusses. Falls die zwei Arbeitsstücke 10 und 11 gleichen Durchmesser, Wanddicke und Metallurgie aufweisen, dann wird die Induktionsspule 9 in gleichem Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Enden der Werkstücke angeordnet. In Anwendungen, wo ein oder mehrere dieser drei Parameter zwischen den zwei Arbeitsstücken verschieden sind, wird das Ausgleichen der Hitzezufuhr zu den zwei Arbeitsstücken durch Bewegen der Induktionsspule näher an das die Extra-Hitzezufuhr erfordernde Arbeitsstück erzielt. Diese Einstellung kann entweder experimentell oder durch Rechnung gemacht werden. Das primäre Ziel der Lückeneinstellung ist es, sicherzustellen, dass beide Werkstücke ihre jeweilige Heiß-Arbeitstemperatur zur selben Zeit erreichen. Die Lücke kann entweder vor dem Start der Induktionsheizphase bestimmt und eingestellt werden oder alternativ kontinuierlich während des Induktionsheizens mittels eines Nicht-Kontakttemperatursensors, wie z.B. ein Infrarottemperatursensor, welcher Rückkopplung durch ein Komparator-Gerät zu einem Positions-Steuerungsgerät, wie z.B. einem Servo-Actuator, bereitstellt.
Die Lücken 12 und 13 dienen zwei Zwecken. Zunächst vermeiden sie physischen Kontakt zwischen den Induktionsspulen 9 und einem der Arbeitsstücke 10 und 11, was in Kontamination der Arbeitsstückoberfläche und elektrischem Kurzschluß der Induktionsspule 9 resultieren würde. Dann stellen sie einen Pfad für die Strömung des Schutzgases 14 dar, welcher Oxidation der erhitzten Enden der Werkstücke 10 und 11 vermeidet. Obwohl Stickstoff in vielen Anwendungen aus dem oben dargelegten Grund bevorzugt wird, kann das Schutzgas Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Argon oder andere nichtoxidierende Gase oder Mischungen davon sein, ausgewählt entsprechend den metallurgischen Erfordernissen und Erhältlichkeit an der Arbeitsstätte. Das Gas wird auf der Außenseite von einem flexiblen Vorhang 15 umgeben, welcher eng um den äußeren Umfang jedes Arbeitsstückes 10 und 11 herum paßt, wodurch das Gas gezwungen wird, radial nach innen zu strömen, und so kontinuierlich jeglichen Sauerstoff weg von den freigesetzten Arbeitsstückenden verdrängt. Die volumetrische Strömungsrate des Schutzgases ist auf die minimale mögliche Rate eingestellt, um ein Abkühlen der Stoßflächen zu minimieren. Der flexible Vorhang 15 besteht aus mehreren Stücken, z.B. aneinander anstoßende Schürzen, so dass er um die Arbeitsstücke herumgelegt werden kann, nachdem sie für den Schweißzyklus positioniert sind, und von der fertigen Schweißverbindung abgenommen werden kann. Es ist außerdem vorgesehen, ein Zurückziehen der Induktionsspule 9 zuzulassen, während der flexible Vorhang 15 in Position gehalten wird.
Die Auswahl eines geeigneten Schutzgases hängt primär von der Metallurgie der Arbeitsstücke und der Hochtemperatur ionisationseigenschaften des Gases ab. Wegen seiner Ionisationseigenschaften ist Argongas im Allgemeinen nicht geeignet. Für die meisten Anwendungen, welche eisenhaltige Verbindungen und Legierungen auf Nickelbasis betreffen, ist Stickstoff ausreichend. Jedoch würde für gewisse Metallurgien ein anderes Gas notwendig sein, z.B. bei Titanverbindungen, und zwar aufgrund der starken chemischen Affinität des Titans für Stickstoff oberhalb 700 K (800° F).
Obwohl bevorzugt wird, ein geeignetes Schutzgas zu benutzen, sollte erkannt werden, dass die Arbeitsstücke von schädlichen Gasen durch alternative und zusätzliche Verfahren, wie z.B. Vorbeschichten, geschützt werden können. Die sich gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile werden direkt mit einer schützenden Barrierensubstanz vorbeschichtet, wie z.B. ein Flussmittel auf Chloridbasis oder dergleichen, das vorzugsweise Wasserstoff ausschließt. Das Vorbeschichten lässt zu, dass die Schweißverbindung in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durch direktes Schützen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile ausgeführt wird, um wiederum die resultierende Schweißverbindung in bedeutender Weise zu verbessern.
Die Induktionsspule 9 kann, wie in 3B dargestellt ist, ein einstückiges Design aufweisen oder alternativ aus zwei oder mehr bogenförmigen Sektionen zusammengesetzt sein. Ein typisches Zwei-Stück-Design würde das selbe wie in 3B sein, ausgenommen, dass die obere Hälfte oberhalb der Achsenlinie 17 durch ein Spiegelbild der Verbindung 16 auf der unteren Hälfte ersetzt wäre. In einem solchen Zwei-Stück-Design muß die Spule nicht den gesamten Durchmesser zurückgezogen werden, um die Rohrenden freizumachen. Gleicher maßen würde ein Drei-Stück-Design, wobei die Spule in drei Bögen gleicher Länge geteilt ist, die für das Zurückziehen erforderliche radiale Verschiebung reduzieren. Dies wird zu einer wichtigen Überlegung für Anwendungen, welche große Durchmesser betreffen. Ein weiterer Vorteil gesplitteter Spulen ist der, dass sie axiale Ausrichtungslager und Wellen und/oder Wandversteifungen zulassen, welche auf der Innenseite der Arbeitsstücke einzurichten sind, was in Anwendungen wünschenswert wäre, welche große Durchmesser oder dünnwandige Rohre betreffen.
4 ist eine Querschnittsansicht eines typischen Gerätes 18 nach dem Festkörperschweißverfahren dieser Erfindung zum Ausführen einer Pipeline-Konstruktion, wobei die Arbeitsstücke schon zum Schweißen in Position gebracht sind. Das stationäre Arbeitsstück 11 auf der rechten Seite ist in einer selbstklemmenden Spannzangenhülse 19 geklemmt, welche in ein stationäres Spannzangenhülsenfutter 20 durch eine Reihe von internen hydraulischen Kolben 21 gezogen ist, welche in das Futter eingebaut sind, welches wiederum in fester Weise in dem Maschinenrahmen 22 befestigt ist. Axiale Ausrichtung des stationären Arbeitsstückes entlang der Mittellinie 23 ist durch Zentriersättel 24 vorgesehen, welche durch hydraulische Kolben 25 angetrieben werden, welche in Zylindern 26 gleiten, welche in fester Weise an dem Maschinenrahmen 22 befestigt sind. Das rotierende Arbeitsstück 10 ist in einer selbstklemmenden Spannzangenhülse 27 geklemmt, welche in ein rotierendes Spannzangenhülsenfutter 28 durch eine Reihe von internen hydraulischen Kolben 29 gezogen ist, welche in das Futter eingebaut sind, welches wiederum an einem großen Zentralrad 30 angebracht ist. Die Futter-Anordnung, welche in Lagern 31 rotiert, wird durch einen oder mehrere Getriebemotoren 32 angetrieben, welche um den Umfang des Zentralrades 30 angeordnet sind, und zwar mittels Antriebsgetriebe(n) 33. Um angemessene axiale Ausrichtung des rotierenden Arbeitsstückes sicherzustellen, wird ein Satz von gleichförmigen Lagern 34 in Kontakt mit der Außenfläche des Arbeitsstückes in einigem Abstand von dem rotierenden Futter gebracht.
Alternativ können andere Mittel mechanischer Leistungsübertragung wie z.B. Rollenketten und Kettenräder anstelle der Getriebe 30 und 33 benutzt werden. Gleichsam kann eine Vielzahl von kleinen Getriebemotoren 32 durch einen Direktantriebsmotor mit großem Durchmesser, hohem Drehmoment, und Hohlwelle gekoppelt direkt mit dem rotierenden Futter ersetzt werden, mit dem resultierenden Vorteil einer Reduktion der Anzahl an sich bewegenden Teilen.
Simultan mit der Beschleunigung des rotierenden Arbeitsstückes 10 wird elektrische Energie zu der Induktionsspule 9 über flexible koaxial oder Parallelachse-Hochfrequenz-Energieversorgungskabel 35 zugeführt, was die angrenzenden Enden der Arbeitsstücke 10 und 11 schnell auf die Heiß-Arbeitstemperatur der jeweiligen Legierung aufheizen lässt. Die Elektrizität wird normalerweise bei einer Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 100 kHz der Induktionsspule zugeführt und bei einem Energieniveau, welches ausreichend ist, um die Arbeitsstücke auf die Heiß-Arbeitstemperatur in weniger als 60 Sekunden aufzuheizen. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, auf die Heiß-Arbeitstemperatur in 10 bis 15 Sekunden aufzuheizen, um Wärmemigration zu minimieren und Produktivität zu maximieren. Die Wahl der Betriebsfrequenz wird am unteren Ende durch unzureichenden Skin-Effekt bestimmt, um Heizen auf die Stoßflächenzone zu beschränken, und/oder ineffizientes Widerstandsheizen, falls die Heiztiefe zu groß ist. Am oberen Ende dieses Frequenzbereiches wird die Beschränkung bestimmt durch zwei Faktoren. Der erste Faktor ist die zunehmende Schwierigkeit des wirksamen Übertragens von Energie auf hohen Niveaus bei solch hohen Frequenzen. Der zweite Faktor ist, dass dies das obere Limit der meisten Festkörperschweiß-Wechselrichter ist. Frequenzen oberhalb 100 kHz waren im Allgemeinen die Domäne von Wechselrichtern vom Vakuumröhrentyp, jedoch sind diese weniger effizient und zu schwach für die meisten kommerziellen Anwendungen. Daher ist eine praktische und gegenwärtig bevorzugte Betriebsfrequenz etwa 25 kHz. Die Beschleunigungsrate des rotierenden Arbeitsstückes 10 ist ausgelegt, um es auf die Schmiedegeschwindigkeit in einer Zeitdauer zu bringen, welche die Zeit nicht überschreitet, welche für die Induktionsspule erforderlich ist, die Stoßflächen auf die Heiß-Arbeitstemperatur zu erhitzen. Dies ist der erste der zwei Faktoren, welche die Größe der erforderlichen Antriebsmotoren bzw. Motor 32 bestimmt.
Bei gleichzeitigem Erzielen der Schmiedegeschwindigkeit und Heiß-Arbeitstemperatur wird die Induktionsspule 9 sofort und schnell von seiner Betriebsposition zwischen den Arbeitsstücken zu der Standby-Position gerade unterhalb des Außendurchmessers der Arbeitsstücke mittels eines pneumatischen Kolbens 36 zurückgezogen. Sobald die Induktionsspule 9 vollständig von den sich gegenüberliegenden Enden der Werkstücke zurückgezogen ist, drücken die Hauptschmiedestößel 37 den Hilfsrahmen 38 auf parallelen Wellen 39 hin zu dem stationären Arbeitsstück mit der vorgeschriebenen Kraft pro Einheit der Arbeitsstück-Querschnittsfläche. Für allgemeinen Stahl beträgt der normale Schmiededruck etwa 1241 bar (18.000 psi), wobei die werte für andere Metalle und Legierungen den Fachleuten bekannt sind. Dies lässt das rotierende Arbeitsstück schnell bis zu einem Stopp abbremsen, an welchem die Schmiedekraft kurz erhöht werden kann, um die abschließende Schweißqualität zu verbessern und sicherzustellen, dass die Schweißverbindungsschnittstelle unterhalb der Heiß-Arbeitstemperatur abkühlt, bevor der Schmiededruck abgebaut wird. Gleichzeitig mit dem Halten der Rotation wird Energie zum Antriebsmotor (Motoren) 32 abgeschaltet. Diese Phase des Vorgangs ist der zweite Faktor, welcher die minimale Größe des Antriebsmotors bestimmt. Wenn ein Schwungrad an der Spannzangenhülsen-Anordnung 27 angebracht ist, müssen die Motoren (der Motor) 32 ausreichende Leistungsabgabe aufweisen, um das rotierende Arbeitsstück gegen den Reibwiderstand am Drehen zu halten, welcher durch die Hauptschmiedestößel für bis zu etwa vier Umdrehungen erzeugt wird.
Um den nächsten Schweißzyklus vorzubereiten, werden die internen hydraulischen Kolben 21 und 29 in den Futtern umgedreht, so dass die Spannzangenhülsen 19 und 27 von den Arbeitsstücken freigegeben werden. Außerdem werden die Zentriersättel 24 und Führungslager 34 zurückgezogen, wodurch sich das Festkörperschweißgerät 18 nach links bewegen, bis das linke Ende des zuvor rotierenden Arbeitsstückes 10 leicht zur rechten Seite der Induktionsspule 9 ausgerichtet ist.
5 ist ein allgemeines Layoutdiagramm zum Ausführen von lokalem Festkörperschweißen bei Feldanwendungen wie z.B. Pipeline-Konstruktion. Das Festkörperschweißgerät 18, Hoch frequenzinverter 40, Antrieb 41 mit variabler Frequenz und Logik-Steuerung 42 umfassen die Hauptkomponenten des Festkörperschweißsystems und wären semi-permanent auf einem Gestell oder Barkassendeck montiert. Elektrische Energie führt ein auf einem Gestell montiertes Generator-Paket 43 zu dem Festkörperschweißsystem zu, wobei das Paket mit einem Generator 44 ausgerüstet ist, welcher derart bemessen ist, daß er ausreichende Rotor-Trägheit aufweist, um die Spitzen-Energie-Anforderungen der Induktions-Leistungserfordernisse und der Motordrehmomenterfordernisse zu erfüllen. Alternativ kann ein kleinerer Generator benutzt werden, vorausgesetzt, dass er mit einem Übergrößen-Schwungrad 45 ausgestattet ist. Der Generator wird von einem ersten Antrieb 46, typischerweise ein Dieselmotor, angetrieben. Dreiphasenenergie mit 60 Hz wird von dem Generator über gewöhnliche Energieversorgungskabel 47 zu dem Antrieb 41 mit variabler Frequenz übertragen, wo sie gleichgerichtet und invertiert wird, um Energie mit variabler Frequenz und drei Phasen für den Antriebsmotor (die Antriebsmotoren) innerhalb des Festkörperschweißgeräts 18 über Energieversorgungskabel 48 bereitzustellen. Dreiphasige 60 Hz Energie vom Generator 43 wird zum Invertierer 40 auch über gewöhnliche Energieversorgungskabel 47 geführt. Die einphasige Abgabe mit hoher Frequenz des Inverters 40 wird zu der Induktionsspule 9 über Koaxialkabel 49 übertragen. Die mikroprozessor-basierte Logiksteuerung 42 empfängt über Signaldrähte 50 Rückkopplungssignale von dem Festkörperschweißapparat 18, von dem Inverter 40 über Signaldrähte 51, von dem Antrieb 41 mit variabler Frequenz über Signaldrähte 52 und von dem Generator 44 über Signaldrähte 53 und liefert Steuersignale zu diesen selben vier Ausrüstungsgegenständen zurück, um die Funktionen, wie mit Bezug auf
4 beschrieben, zu synchronisieren. Schutzgas wird von Kompressionsgaszylindern 54 durch einen Schlauch 55 zugeführt. In Anwendungen, welche große Mengen an Stickstoff oder anderem Schutzgas erfordern, können alternative Quellen, wie z.B. Flüssigstickstoff-Korbflaschen oder vor Ort befindliche Molekularsiebtyp-Stickstoffgeneratoren, benutzt werden.

Claims

Verfahren zum Festkörperschweißen zum Verbinden ähnlicher Metallteile miteinander (10, 11), wobei die metallischen Teile gegenüberliegende ebene und parallele Oberflächen aufweisen, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: zuerst Erwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mittels einer Hochfrequenzinduktionsheizung (9) auf eine erste Temperatur, die allgemein über dem Rekristallisationspunkt der Metallteile in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre liegt, indem die Hochfrequenzinduktionsheizung (9) zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen angeordnet wird; kontinuierlich Bewegen wenigstens eines der Teile relativ zu dem anderen der Teile allgemein parallel zu den gegenüberliegenden ebenen und parallelen Oberflächen; Zusammenbringen der gegenüberliegenden Oberflächen der Teile (10, 11) mit einer axialen Kraft, während wenigstens eines der Teile weiter bewegt wird, um die gegen überliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) zusammen festkörperzuschweißen, wobei wenigstens etwa 90 % der Schweißenergie von der Hochfrequenzinduktionsheizung (9) beigetragen wird und die Ausgleichsschweißenergie von herkömmlichem Reibschweißen beigetragen wird, und wobei ein Gesamtlängenverlust der Metallteile infolge Abquetschens geringer als 0,2 axiale Millimeter pro Millimeter (0,2 axiale Zoll pro Zoll) der Wanddicke der Metallteile ist.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Erwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen auf die erste Temperatur in einer Zeit von weniger als etwa 30 Sekunden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Drehen des wenigstens einen der Teile (10, 11) mit einer anfänglichen Umfangsgeschwindigkeit von über 1,23 Meter/Sekunde (4 Fuß/Sekunde) zur Zeit der Berührung zwischen den gegenüberliegenden Metallteile.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 3, wobei das Verfahren beinhaltet: Beschleunigen wenigstens eines der Teile (10, 11) auf eine Drehgeschwindigkeit, die gleichwertig ist mit etwa 1,23 Meter/Sekunde (4 Fuß/Sekunde) entweder vor oder während des Induktionserwärmungsschritts.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Zusammenschweißen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) in etwa einer Sekunde, die auf das Erwärmen folgt, und Aufrechterhalten der Axialkraft für weitere fünf Sekunden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Drehen wenigstens eines der Teile (10, 11) und Zusammenschweißen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile in weniger als etwa vier Umdrehungen, die auf das Erwärmen folgen, und Aufrechterhalten der Axialkraft, bis die Temperatur der Schweißung auf unter die erste Temperatur absinkt.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Induktionserwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen auf die erste Temperatur in einer Zeit von weniger als etwa zehn Sekunden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Erwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mittels einer Induktionsheizung (9) bei einer Frequenz von etwa 20 Kilohertz oder größer.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Erwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mittels einer Induktionsheizung (9) bei einer Frequenz von etwa 20 Kilohertz oder mehr, so dass die Induktionserwärmung auf etwa die ersten 1,27 mm (0,050 Zoll) oder weniger der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) beschränkt ist.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Überströmen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mit einem nicht-reaktiven Fluid (14), während des Erwärmens der gegenüberliegenden Oberflächen mittels einer Induktionsheizung (9) auf die erste Temperatur.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Überströmen der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mit einem nicht-oxidierenden Gas (14), das in erster Linie Stickstoffgas umfasst, während die gegenüberliegenden Oberflächen mit einer Induktionsheizung (9) auf die erste Temperatur erwärmt werden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Vorbeschichten der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mit einer schützenden Barrieresubstanz.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner den Schritt umfasst: Halten der gegenüberliegenden Oberflächen in einer im wesentlichen Vakuumatmosphäre.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner beinhaltet: Induktionserwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen auf die Curie-Temperatur in einer Zeit von weniger als etwa 10 Sekunden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren ferner beinhaltet: Erwärmen der gegenüberliegenden Oberflächen in einem Vakuum mittels einer Induktionsheizung (9) auf die erste Temperatur.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Vorbeschichten der gegenüberliegenden Oberflächen mit weniger als 0,025 mm (0,001 Zoll) dickem metallurgisch kompatiblen Material, beispielsweise reiner Aluminiumbeschichtung, falls die Metallteile eisenbasiert sind, während die gegenüberliegenden Oberflächen mittels einer Induktionsheizung (9) auf die erste Temperatur erwärmt werden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Induktionserwärmen etwa der ersten 1,27 mm (0,050 Zoll) oder weniger der gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11) mit der Hochfrequenzinduktionsheizung (9) auf eine Frequenz von 8 Kilohertz oder größer, während zugleich die gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile mit einem nicht-oxidierenden Gas (14) überströmt werden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Entfernen der Hochfrequenzinduktionsheizung (9) aus dem Zwischenraum zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile (10, 11), bevor die gegenüberliegenden Oberflächen der Metallteile zusammengebracht werden.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei wenigstens etwa 90 % der Schweißenergie von der Hochfrequenzinduktionsheizung (9) beigetragen werden und der Ausgleich der Schweißenergie von herkömmlicher kinetischer Energie beigetragen wird.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: kontinuierliches Bewegen des wenigstens einen der Teile (10, 11) in einer Umlaufbewegung.
Verfahren zum Festkörperschweißen nach Anspruch 1, wobei das Verfahren beinhaltet: Bewegen des wenigstens einen der Teile (10, 11) in einer Hin- und Herbewegung.