NO152590B - Fremgangsmaate for sammenfoeyning av deler av metall ved diffusjonssveising. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for sammen-føyning av deler av metall ved diffusjonssveising, omfattende følgende trinn: Etablering av en fuge mellom motstående begrensningsflater på de respektive deler som skal sammenføyes, oppvarming av delene til en forutbestemt temperatur i det minste i de områder som grenser til fugen, sammenføyning

av delene ved sammenpressing av delene, og avkjøling av delene.

Fordeler og ulemper ved diffusjonssveising er kjent bl.a.

fra Welding Handbook, 7. utgave, bind III, sidene 312 ff.

Av fordelene kan nevnes at det kan dannes skjøter med egen-skaper og mikrostrukturer som er meget lik grunnmaterialets, og skjøting er mulig hvor arbeidsstykkenes form gjør det vanskelig å benytte andre fremgangsmåter. Videre kan skjøter dannes med minimale deformasjoner og uten påfølgende maski-nering eller tilforming.

Av ulempene kan nevnes at omkostningene til utstyr "vanligvis er meget høye, noe som begrenser størrelsen av de deler som kan diffusjonssveises på en økonomisk måte. Videre vil nødvendigheten av å tilføre varme og en høy sammentrykkende kraft i et slikt restriktivt miljø som vakuum eller en be-skyttende atmosfære gi store problemer med det nødvendige utstyr og derved utgjøre en vesentlig begrensning i metodens anvendelighet. Videre har man antatt at metoden krever meget omhyggelig og nøyaktig overflatepreparering og at den dessuten krever lengre tid enn konvensjonelle metoder.

Til tross for dette er det et formål med den foreliggende oppfinnelse å tilpasse en fremgangsmåte av den ovenfor nevnte type til fremstilling av en rørledning for utenskjærs tran-sport av gass og olje. Fremstilling av slike rørledninger skjer idag ved at rørseksjoner sammensveises manuelt eller

med CC>2~automat ombord i et leggefartøy. Vanligvis vil sveising av rørene skje ved flere stasjoner samtidig for å øke leggehastigheten. Stasjonene er av praktiske årsaker lagt på en horisontal linje, og flere sveisere kan sveise på hver

stasjon samtidig. Det ferdigsveisede rør føres ut bak legge-fartøyet over en såkalt "stinger" som forhindrer at røret knekker umiddelbart bak rørlegningsfartøyet, og føres i en S-kurve ned mot havbunnen. Det må opprettholdes et visst strekk i den utlagte rørledning, og for dette formål må leg-gefartøyet ha ankre som det trekker seg fremover mot under utlegningen av rørledningen. Disse ankere må med mellomrom flyttes frem foran leggefartøyet, og for dette formål er det nødvendig med hjelpefartøyer.

Av forskjellige grunner ville det være ønskelig å kunne føre rørledningen stort sett vertikalt ned fra leggefartøyet, slik at rørledningen ville forløpe i en enkelt bøy ned mot havbunnen. Dette ville bl.a. medføre bedre kontroll med spen-ningene i den utlagte rørledning, og man ville kunne unngå ankre og hjelpefartøyer og i stedet klare seg med dynamisk posisjonering av leggefartøyet. Ved vertikal orientering av rørledningen ombord i leggefartøyet vil det imidlertid være meget vanskelig å benytte flere enn én sveisestasjon. Med dagens langsomme sveiseprosedyrer vil dette derfor ikke gi stor nok leggehastighet til å være av praktisk interesse.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt en fremgangsmåte som gjør det mulig å sammenføye to rørseksjon-er så raskt at tilstrekkelig leggehastighet vil kunne oppnås til å benytte vertikal orientering av rørledningen ombord i leggefartøyet, for således å dra nytte av de fordeler dette medfører.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte av den ovenfor nevnte type, hvor det karakteristiske er at fugen i utgangspunktet gis form av et hulrom med stort sett tiltagende høyde fra periferien mot midten og forsynes med minst én f orbindelseskanal, at fugens hulrom under oppvarmninge.n først tilføres en inert eller reduserende spylegass inntil fugen er tett lukket langs sin periferi, at fugens hulrom deretter eventuelt settes under vakuum via forbindelseskanalen, og at fugen deretter presses•sammen med en forutbestemt hastighet for den videre diffusjonssveising.

Ved den angitte utformning av fugen får man ved fremgangsmåt-ens begynnelse stort flatetrykk langs fugens periferi. Diffusjon vil derfor her kunne begynne selv ved så vidt lave temperaturer at oksydasjon av flatene unngås. Spylingen med inert gass hindrer tilgangen på oksygen slik at oksydering forhindres. Dersom en reduserende gass benyttes, kan man få fjernet oksyder som tidligere måtte ha dannet seg på fugens flater. Etter at fugen er lukket langs periferien på denne måte, hvilket vil gi seg utslag i at spylegass ikke lenger unnslipper, kan man koble forbindelseskanalen til en vakuumkilde slik at fugen settes under vakuum. Dette fjerner rest-gasser og får oksyder og andre forurensninger til å dissosi-ere til en viss grad ved økende temperatur. Ved tilpasning av temperatur og trykk lukkes deretter fugen raskt, hvoretter fullstendig diffusjonssveising kan skje i løpet av kort tid. Rask sammenpressing er fordelaktig fordi det gir høyere trykk i fugeområdet, hvilket skyldes at materialets sigespenning øker med deformasjonshastigheten.

Ifølge et fordelaktig trekk ved oppfinnelsen blir minst én

av fugens begrensningsflater forsynt med serratering langs periferien. Dette sikrer tilstrekkelig utstrømning av spylegass under de innledende faser av sammenføyningen.

Videre er det meget fordelaktig å gi minst én av fugens begrensningsflater en konkav form. Herved oppnås en gunstig spenningsfordeling under den endelige sammenpressing av delene, med derav følgende sikkerhet for fullstendig fusjon langs hele fugen.

En annen gunstig utformning for fugen er hvis i det minste én, helst begge begrensningsflater gis konisk form. Den koniske form er lettere å fremstille maskinelt på en tilstrekkelig nøyaktig måte, og dersom begge flater er koniske, den ene konveks og den andre konkav, vil man få en selvinrirettende effekt mellom delene når de presses sammen. En slik form gir dessuten også god sikkerhet for fullstendig fusjon.

For å øke kontakttrykket i fugeområdet under sammenpressingen, foreslås det ifølge oppfinnelsen å redusere delenes tverrsnitt i fugeområdet. Derved kan det oppnås et trykk i fugeområdet som er flere ganger høyere enn materialets uniaksiale sigespenning ved den aktuelle temperatur, med derav følgende raskere og bedre diffusjon.

Det kan benyttes flere forskjellige inert-spylegasser, men helium er å foretrekke fordi det ved fremstillingen blir kjølt ned til en slik temperatur at det så godt som er garan-tert å være oksygenfritt. Dessuten kan kommersielt tilgjenge-lige og pålitelige heliumdetektorer benyttes til å kontrollere at fugens periferi er absolutt tett før vakuumet settes pa.

Benytter man istedenfor en reduserende gass til spyling, vil hydrogen være meget fordelaktig. Ikke bare vil den fjerne eventuelle oksydlag, men den vil også gjøre det mulig å ob-servere visuelt om fugen er tett fordi eventuelt utlekkende hydrogen vil brenne på overflaten. Hydrogen vil ikke ha skadelig virkning på de relativt bløte konstruksjonsstål som fremgangsmåten tar sikte på å sammenføye.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det også å forsyne fugen med en aktiverende legering, f.eks. 60/4 0 Palladium/Nikkel. Denne legering kan legges inn som et tynt bånd eller om mulig på-føres én eller begge begrensningsflater ved elektroplettering. Herved oppnås bl.a. at diffusjonstiden reduseres.

Forbindelseskanalen for tilførsel av spylegass, resp. fjern-ing av gass for vakuumdannelsen kan med fordel anordnes i én av delene som skal sammenføyes, fortrinnsvis nær dennes periferi. Derved'vil kanalen kunne tettes umiddelbart- etter diffusjonssveisingen ved hjelp av en dypsveiselektrode eller Plasma-TIG mens delens temperatur fortsatt er.tilstrekkelig høy, f.eks. 400 - 600°C.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til de utførelseseksempler som er vist på vedføyede tegninger.

Fig. 1 og 2 viser en første utførelse av to deler ved hhv.

begynnende og avsluttet diffusjonssveising.

Fig. 3 og 4 viser en andre utførelse av to deler ved hhv. begynnende og avsluttet diffusjonssveising. Fig. 5 og 6 viser et ytterligere utførelseseksempel på to deler ved hhv. begynnende og avsluttet diffusjonssveising. Fig. 7 viser delene på fig. 6 etter ytterligere sammentryk-king.

Tilsvarende deler er gitt samme henvisningstall på alle figu-rer . Fig. 1 viser et snitt gjennom et parti av to deler 1 og 2, som kan være to bolter av konstruksjonsstål såsom ST 52-3. Fig. 1 kan også tenkes å fremstille et aksialt snitt gjennom et tykkvegget rør, idet rørets akse befinner seg til venstre for figuren. Mellom delene 1 og 2 er det dannet en fuge 3, som er begrenset av en konkavt krummet begrensningsflate 4

på delen 1 og en plan begrensningsflate 5 på delen 2. En forbindelseskanal 6 er anordnet i delen 1, hvilken kanal mun-ner ut i fugens hulrom 3 og er med sin andre ende vekselvis forbindbar med en kilde for spylegass og en vakuumkilde (ikke vist). Pilene F angir en variabel sammenpresningskraft,

mens den klokkeformede kurve til venstre for delene 1 og 2 angir den aksiale temperaturfordeling i delene.

Når delene skal sammenføyes, blir de først bragt i den stil-ling som vist på fig. 1 og utsatt for en passende sammenpres-ningskraf t F. Denne kraften kan tilveiebringes ved hjelp av et enkelt jekksystem (ikke vist), som f.eks. kan omfatte en klemring på hver av delene 1, 2 som er innbyrdes forbundet ved hjelp av hydraulsylindere. Andre utformninger kan natur-ligvis tenkes, avhengig av delenes form og tverrsnitt. Deretter begynner oppvarmingen, som kan skje ved hjelp av en induksjonsspole (ikke vist). Samtidig tilføres spylegass gjennom forbindelseskanalen 6. Spylegassen vil til å begynne med lekke ut langs fugens periferi 7 på grunn av mindre ujevn-heter eller serratering på fugens begrensningsflater. Spylingen har til hensikt å holde oksygen unna fugeflatene for å hindre oksydasjon av disse under oppvarmningen, eventuelt å fjerne oksyder som allerede er tilstede. Uansett hvor godt begrensningsflatene 4, 5 er rengjort før sveisingen,

vil selv kortere eksponering til luftens oksygen forårsake et oksydlag med tykkelse i størrelsesorden 350 - 1000 Å, noe avhengig av lufttemperatur og -fuktighet.

Når temperaturen i materialet nær fugens periferi 7 har nådd 600 - 800°C, f.eks. med en temperaturtordeling som vist skjematisk til venstre på fig. 1, vil diffusjon mellom delene 1, 2 inntre ved et passende sammenpresningstrykk F, slik at fugen 3 lukkes langs periferien 7. Dette vil kunne regi-streres på flere måter, f .eks. ved at det ikke lenger lekker gass ut av fugen, eller at et trykk satt på fugens hulrom 3 ikke synker.

Når fugen således er lukket langs periferien 7, kobles forbindelseskanalen 6 til en vakuumkilde, som deretter reduserer

-4

trykket i hulrommet 3 til ca. 10 torr. Samtidig økes temperaturen i delene 1, 2 som antydet skjematisk ved kurven til venstre på fig. 2, med en maksimal temperatur på ca. 1350°C. Ved passende sammenpresningstrykk F vil fugen 3 lukkes i løpet av sekunder. Dette resultat er skjematisk vist på

fig. 2. Fullstendig diffusjonssveising vil skje i løpet av 15-30 minutter. (Man har for øvrig oppnådd full sammen-sveising ved en så kort diffusjonstid som 8 minutter ved ca. 1350°C.) Deretter avkjøles delene rolig i luft ned til ca. 600°C, noe som vil ta ca. 4 minutter for en godstykkelse på 40 mm. Ved denne temperatur kan forbindelseskanalen igjen-sveises, f.eks. ved hjelp av en dypsveiselektrode eller Plasma-TIG-sveising.

Fig. 3 viser to deler 1 og 2 med stort sett samme ytre form som på fig. 1. Imidlertid har sveisefugen 3 her en annen form, idet dens begrensningsflater 4 og 5 begge er koniske, den ene konkav og den andre konveks. Toppvinklene er forskjellige, slik at fugen får tiltagende tykkelse mot midten. Avstanden mellom_fugeflåtenes toppunkter kan utgjøre omtrent 10% av delenes 1, 2 tykkelse. Den koniske form på begrensningsflatene 4, 5 gjør at delene 1, 2 vil være selvsentrer-ende når de presses sammen. Den koniske form bidrar også til at det midt i fugen ikke oppstår mangelfull diffusjon, slik.det lett vil kunne skje dersom den nedre begrensningsflate 5 var plan og den øvre begrensningsflate 4 konisk konkav .

Sammenføyningen av delene 1, 2 foregår for øvrig på samme måte som forklart i forbindelse med fig. 1 og 2. Det endelige resultat er skjematisk vist på fig. 4.

Trykket under diffusjonssveisingen er en meget viktig para-meter som det er svært vanskelig å kontrollere. Ifølge foran nevnte Welding Handbook antas det at trykket ikke kan bringes høyere enn den uniaksiale sigespenning for materialet til-sier ved den temperatur man til enhver tid har uten å benytte former for å hindre utflytning. Bruk av slike former er om-stendelig og medfører økede kostnader, og i enkelte tilfeller vil slike former ikke kunne benyttes på grunn av mang-lende adkomstmuligheter. Da diffusjonshastigheten stort sett øker med kvadratet av trykket, kunne man ved å bringe trykket opp til det dobbelte eller tredobbelte av sigespenningen bringe diffusjonstiden ned til ca. en fjerdepart,

hhv. niendepart av tilsvarende diffusjonstid for uniaksialt trykk. Eventuelt kunne man tillate en god del mer oksyder på fugeflatene og derved eventuelt utelate spyling av fugen med reduserende gass.

For å få til et slikt høyere trykk, tar oppfinnelsen sikte på å etablere en triaksial spenningstilstand i fugeområdet.

Det vil være kjent at ved strekkprøving av tykkere prøvesta-ver vil det oppstå en innsnøring ved skjærdeformasjon, hvor det i midtsonen skjer et kløvningsbrudd. Dette kløvnings-brudd skyldes at den aksiale spenning i midten er meget høy-ere enn materialets flytespenning, idet materialet på hver side av innsnøringen holder igjen med radiale spenninger.

Av denne grunn øker den aksiale spenning, idet flytning opp-hører når differansen mellom aksial spenning og radial spenning blir mindre enn flytespenningen (Trescas prinsipp).

Ifølge oppfinnelsen søkes triaksialitetsfenomenet utnyttet ved å gi delene 1, 2 en vesentlig innsnøring i fugeområdet i forhold til det nærliggende materiale. Et eksempel på dette er vist på fig. 5. I dette eksempel er hydrogen be-nyttet som spylegass, hvilket gir seg til kjenne ved de an-tydede flammer langs fugens periferi.

Når flammene forsvinner, vet man at fugen er lukket, dvs. man behøver ikke benytte noen form for deteksjonsutstyr i denne forbindelse. Etter at fugen er redusert og lukket langs kanten, vil påsetting av den fulle sammenpresningskraft få fugen til å lukke seg under et meget komplisert spennings-bilde av dynamisk karakter. Den triaksiale spenningstilstand akkurat i lukningsøyeblikket vil på grunn av innsnør-ingen og det relativt kalde omgivende materiale gi spenninger på tvers av fugen som er 5-6 ganger sigespenningen for jevntykke deler. Denne situasjon er illustrert på fig. 6. Deretter presses delene sammen med relativt beskjeden kraft til de har oppnådd stort sett samme tverrsnitt over det hele, slik det er antydet på fig. 7.

Således har man oppnådd korrekt fasong på de sammensveisede deler uten bruk av utvendig form, et meget høyt kontakttrykk i den avgjørende fase, og en spredning av det som måtte ha vært tilstede av oksyder til det dobbelte areal eller mer, med tilsvarende fortynnelse av oksydsjiktet og tiltagende globulær omdannelse, samt aksellerert rekrystallisasjon.

Når den forønskede tykkelse på delene er nådd, kan sammen-presningskraf ten fjernes og diffusjonstid og -temperatur holdes til restporene er lukket ved rekrystallisasjon. Øn-sker man mye raskere sammenføyning, kan dette' oppnås ved elektroplettering av fugeflatene eller innlegging i fugen av et bånd med aktiviserende legering, f.eks. av typen Pd/Ni 60/40.

På grunn av de meget høye spenninger som oppstår i fugeområdet når dette er innsnevret som vist på fig. 5, er det mulig at fugens opprinnelige form og fugeflatenes forbehandling er mindre kritisk.

Forsøk utført med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendt på bolter av konstruksjonsstål ST 52-3 med 40 mm diameter har gitt eksellente resultater når det gjelder f.eks. duk-tilitet og strekkfasthet. Over 60% forlengelse er målt i den varmepåvirkede sone for bolter bøyet sammen som en hår-nål. Bruddflaten viste hovedsakelig skjærbrudd.

Det vil forstås at oppfinnelsen også med fordel kan benyttes til annet enn fabrikasjon av store rørledninger. Eksempel-vis vil den kunne finne anvendelse ved sveising av knutepunk-ter i fagverk for broer bg offshore-konstruksjoner.

Det er ovenfor nevnt at serratering vil kunne benyttes på én

eller begge av fugens begrensningsflater langs disses periferi for å sikre utslipp av spylegass under de innledende faser av sammensveisingen. I enkelte tilfeller kan det være fordelaktig å benytte en svak serratering på hele begrens-ningsflaten. Slik serratering vil nemlig gi et ekko ved

senere prøving med ultralyd dersom fugen ikke er fullstendig fusjonert.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for sammenføyning av deler (1, 2) av metall ved diffusjonssveising, omfattende følgende trinn: - etablering av en fuge (3) mellom motstående begrensningsflater (4, 5) på de respektive deler (1, 2) som skal sam-menføyes , - oppvarming av delene (1, 2) til en forutbestemt temperatur i det minste i de områder som grenser til fugen (3), - sammenføyning av delene (1, 2) ved sammenpressing av disse, - og avkjøling av delene, karakterisert ved at fugen i utgangspunktet gis form av et hulrom (3) med stort sett tiltagende høyde fra periferien (7) mot midten og forsynes med minst én forbindelseskanal (6), at fugens hulrom (3) under oppvarmningen først tilføres en inert eller reduserende spylegass inntil fugen er tett lukket langs periferien (7), at fugens hulrom (3) deretter eventuelt settes under vakuum via forbindelseskanalen (6), og at fugen deretter presses sammen med en forutbestemt hastighet for den videre diffusjonssveising.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én av fugens begrensningsflater (4) gis konkav form.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at minst én av fugens begrensningsflater (4) gis konisk form.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at fugens begrensningsflater (4, 5) begge gis konisk form, den ene (4) konkav og den andre (5) konveks.

5. Fremgangsmåte ifølge et foregående krav, karakterisert ved at det som inert gass benyttes helium.

6. Fremgangsmåte ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at det som reduserende gass benyttes hydrogen.

7. Fremgangsmåte ifølge et foregående krav, karakterisert ved at forbindelseskanalen (6) anordnes i én av delene (1), fortrinnsvis nær dennes periferi.

8. Fremgangsmåte ifølge et foregående krav, karakterisert ved at delene (1, 2) i fugeområdet gis redusert tverrsnitt.

9. Fremgangsmåte ifølge et foregående krav, karakterisert ved at fugen på kjent måte forsynes med en aktiverende legering.

10. Fremgangsmåte ifølge et foregående krav, karakterisert ved at minst én av fugens begrensningsflater (4, 5) serrateres i det minste ved periferien (7).