NO318871B1 - Fremgangsmate til sammensetning av konstruksjonsdeler, sa som ror, stenger og lignende halvfabrikata - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og en anordning til sammensetning av konstruksjonsdeler, så som rør, stenger og lignende halvfabrikata, ved friksjonssveising, særlig til sammensetning av rør ved boring av brønner og/eller til klargjøring av boringer, særlig underjordiske boringer.

Til sammensetning av rørseksjoner i vertikal utstrekning er det fra DE-OS 20 20 121 kjent en fremgangsmåte der i det minste én ende av de rørseksjoner som skal settes sammen er forsynt med en avskråning som tjener som sveisefuge. I sveisefugen som dannes på denne måte, blir det ved hjelp av en sveiseanordning lagt på flere sveisestrenger for å forbinde konstruksjonsdelene med hverandre. Sveiseanordningen består av en konsoll som festes koaksialt til en av de rørseksjoner som skal settes sammen med felles lengdeakse og består av et sveisehode som for å kunne innføre sveisemetall i sveisefugen, blir støttet og fastholdt på konsollen og er kjørbar på en sirkelbane på utsiden av rørseksjonene som skal settes sammen. Sveisehodet er videre utstyrt med innret-ninger for å kunne stille inn dens horisontale stilling i forhold til den utvendige diameter av rørseksjonene som skal settes sammen.

Løsningen ifølge DE-OS 20 20 121 som tilsynelatende kan benyttes under gitte forut-setninger på stedet for fremstilling av rør til brønnboringer er, når det gjelder nødvendig utstyr og foranstaltninger og når det gjelder fremgangsmåtens teknologi, meget omfattende, da det for sikker forbindelse mellom rørseksjonene alltid benyttes mange sveise-tilsetningsstoffer som skal gjøres smelteflytende, og flere sveisestrenger må innføres i sveisefugen. Innstilling og utretning av sveiseanordningen krever dessuten ytterligere tidsforbruk.

En fremgangsmåte til såkalt radial friksjonssveising som er forbedret i forhold til den tidligere nevnte løsning til sammensetning av rør og foringer, er kjent fra GB patentsøk-nad 8 910 118.2. Etter denne løsning blir de rør som skal forbindes med hverandre ved hjelp av sveiseanordningen, sentrert i vertikal utstrekning og en sveisering som på forhånd er anbrakt på det nedre rør i forbindelsesstedet, blir satt i en dreiebevegelse i forhold til de sentrerte rør under samtidig utøvelse av radiale trykkrefter. Med den friksjonsvarme som frembringes på denne måte, og som skaper en sveisbar plastifisert tilstand i materialene i konstruksjonselementene som tar del i sammenføyningsprosessen, fremkommer det en friksjonssveiseforbindelse mellom friksjonsringen og endestykkene av de rør som skal settes sammen der sveiseringen i området ved forbindelsesstedet praktisk talt er innvalset i rørendene og danner en materialmessig binding. Gjennomføringen av denne radiale friksjonssveisefremgangsmåte krever særlig omfattende foranstaltninger siden sveiseringen må være nøyaktig tilpasset de geometriske dimensjoner og materialer i rørene som skal settes sammen fordi sveiseringen etter avslutning av sveiseforløpet materialmessig også utgjør en geometrisk bestanddel av den forbindelse som er fremkommet.

i

Det forholdet at sveiseringen forblir som en bestanddel av forbindelsen, kan alt etter utgangsgeometrien for sveiseringen og det spesielle prosessforløp føre til en økning av den utvendige diameter i området ved forbindelsesstedet svarende til høyden av sveiseringen til forskjell fra sveisegrad og stukegrad.

For å få til på forhånd bestemt utvendig diameter fører denne massive økning av diame-teren til omfattende teknologiske foranstaltninger ved den videre bearbeiding sammenlignet med det å fjerne sveisegrad og stukegrad. Alt etter tilpasningen av sveiseringen til de aktuelle geometriske dimensjoner på rørene som skal settes sammen, er det i tillegg nødvendig med maskintekniske foranstaltninger for sikker oppspenning og bevegelse av sveiseringen.

En fremgangsmåte til buttsveising av rør eller lignende når de ligger horisontalt, ved oppvarming av kontaktflatene til sveisetemperaturen ved hjelp av friksjonsvarme ved innbyrdes omdreining av kontaktflatene med en samtidig innvirkende motsatt rettet trykkraft er allerede omhandlet i DE-OS 23 29 080.

Den for materialforbindelsen nødvendige sveisetemperatur frembringes ved hjelp av en drevet metallring av passende størrelse og tykkelse og som ligger i buttskjøtområdet mellom rørene som skal settes sammen. Etter oppnådd sveisetemperatur blir rotasjonen av ringen stanset og ved utøvelse av en avsluttende trykkraft mellom rørene, frembringes sveiseforbindelsen mellom disse og den innsatte ring.

Denne fremgangsmåte har i det vesentlige de samme ulemper som det som allerede er

omhandlet. Friksjonsringen som benyttes og drives til frembringelse av sveisetemperaturen ved hjelp av friksjonsvarme, må være tilpasset størrelsen og veggtykkelsen av de rør som skal settes sammen. Videre må det for sammensetning av to rør frembringes to sveisesømmer i stedet for en. Dermed kan på den ene side den parameterovervåkning som er nødvendig for kvalitetssikring for friksjons- og stuketrykket og friksjons- og stukeforkortningen for de to sveiseforløp som finner sted samtidig bare realiseres med

omfattende adskilt vurdering. For det annet er større teknologiske foranstaltninger nød-vendig for å fjerne friksjons- og stukegrad.

Ut over dette er det ved den sistnevnte fremgangsmåte en ulempe at dreiemomentet som er overført til friksjonsringen til frembringelse av friksjonsvarmen i det minste delvis må reduseres ved dannelse av sveiseforbindelsen før den forhøyede trykkraft til dannelse av sveiseforbindelsen kan utøves.

Til overføring til kontroll med friksjonen i sveiseforløpet (stukingen) ved friksjonssveising av forbindelser som i DE-OS 23 29 080 blir det som regel nødvendig med forskjellige prosessverdier som f.eks. lengdeforkortelse pr. tidsenhet, opprettholdelse av frik-sjonsmomentet over tiden og andre. I tillegg til bestemmelse av styrestørrelser er det nødvendig med en forholdsvis omfattende bearbeidelse av måleverdier, f.eks. sammen-ligningen med toleransebestemte forhåndsverdier som er avhengig av fugetverrsnittet og materialet som benyttes og som for det meste må frembringes ved sveiseforsøk før produksjonen begynner. Alt dette nødvendiggjør forhåndsarbeidet og forårsaker ytterligere foranstaltninger og omkostninger. Disse ovennevnte ulemper har hittil stått i veien for en bred anvendelse av sveising av rørstrenger på et boretårn slik at de fordeler som er forbundet med sveising av rørforbindelser, som forbedring av ringromklaring, reduksjon av arbeidet med legging av rør, spyling, overvåkning og lignende hittil ikke kunne utnyt-tes.

Til grunn for oppfinnelsen ligger oppgaven med å utvikle en fremgangsmåte til fremstilling av friksjonssveiseforbindelser av konstruksjonsdelen som kan gjennomføres uav-hengig av fugetverrsnitt og de materialer som tar del i friksjons- og sveiseprosessen ved utnyttelse av prosessverdier som er lette å fremskaffe og bestemme.

Ifølge oppfinnelsen blir oppgaven løst ved en fremgangsmåte ifølge trekkene i krav 1. Ytterligere fordelaktige utførelser av løsningene ifølge oppfinnelsen fremgår av under-kravene 2 til 5.

På i og for seg kjent måte blir sveisetemperaturen som er nødvendig for sveiseforbindel-se av to konstruksjonsdeler tilført som friksjonsvarme der denne frembringes ved rotasjon av et friksjonselement mellom de fast innspente konstruksjonsdeler som skal sam-menføyes, under utøvelse av et jevnt trykk mellom frontflatene på konstruksjonsdelene og friksjonselementene ved lengdereduksjon av konstruksjonsdelene og tykkelsesreduksjon av skiven.

Ifølge oppfinnelsen blir det i samsvar med vilkårene i krav 1 benyttet en enkel friksjonsskive og etter oppnåelse av et kvasistasjonært temperarurfelt i området ved forbindelsesstedet der den tilførte og den bortledende varmemengde er tilnærmet like stor ved endene av de konstruksjonsdeler som skal føyes sammen mens friksjonsprosessen fortsetter med et nesten konstant friksjonsmoment med proporsjonal lengdeforkortelse av konstruksjonsdelene som skal føyes sammen inntil materialet i friksjonsskiven er fullstendig fortrengt fra de kontaktflater som tar del i friksjonsprosessen og umiddelbart etter for-bruket av friksjonsskiven blir de motsatt rettede trykkrefter som virker på konstruksjonsdelene øket og ved stuking av den materialmessige forbindelse av de plastifiserte ender blir forbindelsen mellom konstruksjonsdelene dannet.

Med denne friksjonssveiseteknologi ifølge oppfinnelsen kan det samlede friksjons- og sveiseforløp forenkles vesentlig og utformes kostnadsgunstig da de tidligere nødvendige bestemmelser av styreverdier for prosessforløpet så vel som på forhånd angitte verdier som er avhengig av fUgetverrsnittet og materialene som hittil for det meste ble frembrakt ved sveiseforsøk før produksjonen begynner, ikke lenger er nødvendig.

Sammenlignet med de tidligere kjente fremgangsmåter muliggjør løsningen ifølge oppfinnelsen en sammensetning av konstruksjonsdeler ved friksjonssveising der konstruksjonsdelene som skal forbindes med hverandre ikke har tilsatsstoffer i fugesonen og får bare ett eneste forbindelsesområde.

Ved anvendelse av et friksjonselement i form av en friksjonsskive som under friksjonsprosessen fortrenges fullstendig i området ved kontaktflatene, er en nøyaktig tilpasning av friksjonselementet til dimensjonene og utgangsmaterialene i konstruksjonsdelene som skal settes sammen ikke lenger tvingende nødvendig.

Med en friksjonsskive som er enkel og kostnadsgunstig å fremstille, kan dermed konstruksjonsdeler, f.eks. rør med forskjellige konstruksjonsgeometrier når det gjelder diameter og veggtykkelse, settes sammen ved hjelp av en fremgangsmåte til friksjonssveising med store dimensjonstoleranser. Anvendelse av en friksjonsskive for forskjellige geometrier for konstruksjonsdelene fører videre til vesentlige besparelser når det gjelder de maskintekniske foranstaltninger for fastspenning og rotasjonen av friksjonselementet. De tekniske midler til fastspenning og bevegelse av friksjonselementet bestemmes såle-des bare i begrenset utstrekning av de fugetverrsnitt som kan virkeliggjøres ved bruk av oppfinnelsen og dennes anvendelse ved hyppig vekslende utvendige diametere og veggtykkelse for de konstruksjonsdeler som skal settes sammen.

Friksjonsskiven kan være utstyrt med et ringspor som kontinuerlig omdanner den friksjonsgrad som oppstår under friksjonsprosessen langs veggene for de konstruksjonsdeler som skal settes sammen.

Friksjonsskiven har fordelaktig to utsparinger som er anordnet radialt overfor hverandre hvori det er anbrakt skjæreverktøy f.eks. dreiestål som er forstillbare for å kunne skjære av friksjonsgraden og stukegraden under friksjonsprosessen etter avslutning av stukefor-løpet under anvendelse og utnyttelse av den rotasjonsenergi som overføres til friksjonsskiven.

Ifølge de tidligere kjente fremgangsmåter til friksjonssveising ved anvendelse av et roterende friksjonselement, må friksjonselementet før utøvelse av stuketrykket som regel avbremses til stillstand der bremsetiden ikke må overskride 0,5 sekunder for å forhindre for tidlig avkjøling av forbindelsesområdet for de konstruksjonsdeler som skal settes sammen. Alt etter massen for det roterende friksjonselement eller konstruksjonsdelen, er det for dette nødvendig med omfattende bremsesystemer som blir utsatt for stor slita-sje. Med den foreslåtte løsning ifølge oppfinnelsen kan man utelate slike bremseanord-ninger som skal oppheve den relative bevegelse mellom de deler som skal føyes sammen og friksjonselementet.

Samtidig oppnås at den grad som oppstår under friksjonsprosessen og stukeprosessen har liten eller uvesentlig innvirkning på flytebetingelsene for materialene ved sammen-føyning av de konstruksjonsdeler som skal settes sammen og denne innvirkning unngås på en enkel kostnadsgunstig måte. I tidligere nødvendige teknologiske foranstaltninger for å unngå friksjonsgraden og stukegraden i avhengighet av den utførelseskvalitet som kreves resp. de utvendige og/eller innvendige tverrmål som skal opprettholdes på rørene, kan dermed bortfalle.

Oppfinnelsen vil i det følgende bli nærmere forklart med et utførelseseksempel. I de tilhørende tegninger viser: Fig. 1 en skjematisk gjengivelse av anordningen av de elementer som tar del i sveise-forløpet ved begynnelsen av friksjonssveiseprosessen,

Fig. 2 snitt A - A på fig. 1,

Fig. 3 fortsettelsen av friksjonsprosessen inntil fullstendig fortrengning av materialer i

friksjonsskiven etter oppnåelse av et kvasistasjonært temperaturfelt,

Fig. 4 sammenføyning av de konstruksjonsdeler som skal sveises sammen ved stuking

med et forhøyet anleggstrykk,

Fig. 5 en skjematisk gjengivelse av friksjonsskiven ifølge oppfinnelsen,

Fig. 6 snitt B - B på fig. 5, og

Fig. 7 snitt C - C på fig. 5.

Som vist skjematisk på fig. 1 og 2 er de konstruksjonsdeler 2, 3, f.eks. rør som skal settes sammen med hverandre ved friksjonssveising anordnet stillbart overfor hverandre i aksialretningen og sikret mot rotasjon med spennkrefter Fspenn- Mellom frontflatene av konstruksjonsdelene 2,3 er det anordnet en friksjonsskive 1 som drives av en drivenhet - ikke vist - til frembringelse av sveisetemperatur ved friksjonsvarme. Den utvendige diameter av friksjonsskiven er fortrinnsvis valgt slik at fugediameteren D og drivdia-meteren d ikke er avhengig av hverandre.

Det mulige fugetverrsnitt blir dermed ikke begrenset av drivenheten. Dessuten kan geometrier for konstruksjonsdelene, som avviker fra hverandre settes sammen med en og samme friksjonsskivestørrelse og med en eneste maskinteknisk utrustning.

De varmemengder som er nødvendige for sveiseprosessen, blir frembrakt på i og for seg kjent måte ved friksjonsvarme, idet friksjonsskiven 1 drives med et dreiemoment M og ved hjelp av drivenheten dreies den om en rotasjonsaske som er felles for konstruksjonsdelene 2 og 3 og friksjonsskiven 1. Ved utøvelse av et jevnt anleggstrykk P friksjon mellom frontflatene på konstruksjonsdelene 2,3 og friksjonsskiven 1 ved en lengdeforkortelse av konstruksjonsdelene 2 og 3 og en tykkelsesreduksjon av friksjonsskiven 1 gjen-nomføres friksjonsprosessen inntil det er oppnådd et kvasistasjonært temperaturfelt i området ved endene av de konstruksjonsdeler 2, 3 som skal settes sammen - fig. 3. Etter oppnåelse av dette temperaturfelt blir friksjonsforløpet videreført inntil friksjonsskiven 1 er fullstendig forbrukt i området ved kontaktflatene mellom friksjonsskiven 1 og konstruksjonsdelene 2 og 3. Etter avslutning av friksjonsforløpet, dvs. etter at friksjons skiven 1 er fullstendig "gjennomslitt", blir anleggstrykket Pftiksjonøket og under stuking dannes det en materialmessig forbindelse mellom endene av konstruksjonsdelene 2 og 3 som er varmet opp av friksjonsvarme og er kommet i en plastifisert tilstand.

Til styring av denne prosess benyttes de sprangvis foranderlige prosessverdier som f.eks. dreiemomentet for driften av friksjonselementet som forandrer seg ved den fullstendige fortrengning av friksjonsskiven 1.

Under stukeforløpet blir de materialdeler av friksjonselementet 1 som måtte bli tilbake i forbindelsessonen, trykket ut av fugesonen med stukegraden 5 slik at den ferdige sveisesøm 6 i det vesentlige består av utgangsmaterialene i konstruksjonsdelene 2 og 3 som skal settes sammen - fig. 4. Ifølge fig. 5 til 7 blir den friksjonsgrad som dannes under friksjonsprosessen, kontinuerlig omformet ved de ringspor 7 som er anordnet i, resp. dannet i friksjonsskiven 1 under friksjonsprosessen.

Etter avslutning av friksjons- og fugeprosessen blir friksjonsgraden og stukegraden 5 fjernet ved hjelp av skjæreverktøy 10, 11 som er anordnet i utsparinger 8, 9 på friksjonsskiven 1 og ved hjelp av fjærer 12, 13 blir forspent i radial retning mot konstruksjonsdelene 2, 3 som skal settes sammen. For å fjerne friksjonsgraden og stukegraden S, blir den rotasjonsenergi som er tilbake i bitene I og II etter gjennomrivning av friksjonsskiven 1 benyttet inntil fullstendig avbremsing av bitene I og II.

Oppstilling av henvisningstall

Claims (5)

1. Fremgangsmåte til sammensetning av konstruksjonsdeler, så som rør, stenger og lignende halvfabrikata, ved friksjonssveising under anvendelse av et friksjonselement som er anordnet i et lag mellom endene av de konstruksjonsdeler som skal settes sammen, og som til frembringelse av sveisetemperatur ved friksjonsvarme under samtidig innvirkende trykkrefter på kontaktflatene mellom friksjonselementet og endene av konstruksjonsdelene, settes i rotasjon om en akse som er felles for konstruksjonsdelene, idet etter oppnåelse av sveisetemperaturen og avslutning av dreiebevegelsen av konstruksjonsdelene som skal settes sammen, påtrykkes høyere motsatt rettede trykkrefter og graden som oppstår under friksjons- og fugeprosessen, fjernes under mekanisk bearbeiding,karakterisert vedat etter oppnåelse av sveisetemperaturen og dannelse av et kvasistasjonært temperaturfelt ved enden av konstruksjonsdelene (2,3) som skal settes sammen, fortsettes friksjonsforløpet inntil fullstendig fortrengning av friksjonselementets materiale og innbyrdes kontakt ved endene av konstruksjonsdelene som skal settes sammen, hvoretter konstruksjonsdelene (2, 3) på i og for seg kjent måte påføres et høyere anleggstrykk (Pfnksjem) og sveises sammen under stuking, slik at graden (5) som oppstår under friksjons- og stukeprosessen, kontinuerlig omfor-mes og fjernes.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1,karakterisertv e d at ved oppnåelse av sveisetemperaturen og dannelse av det kvasistasjonære temperaturfelt i området ved sammensetningsstedet fortsettes friksjonsforløpet med nesten konstant friksjonsmoment med proporsjonal lengdeforkortelse av konstruksjonsdelene (2,3) som skal settes sammen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav log2,karakterisertv e d at for styring av friksjonssveiseprosessen benyttes den sprangvise endring som forbindes med den fullstendige fortrengning av materialet i friksjonselementet.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav log2,karakterisertv e d at for styring av friksjonssveiseprosessen anvendes den sprangvise endring av rotasjonstallet av friksjonselementdriften som forbindes med den fullstendige fortrengning av materialet i friksjonselementet.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 og 3,karakterisertv e d at den plastifiserte friksjons- og stukegrad (5) under avkjølingsfasen for konstruksjonsdelene (2, 3) som er satt sammen med hverandre, fjernes under forbruk av den rotasjonsenergi som er overført til friksjonselementet.