NO320236B1 - Forbedret fremgangsmate ved faststoffsveising - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en forbedret fremgangsmåte for faststoffsveising av metalldeler, spesielt, men ikke utelukkende, jern og titanmetalldeler omfattende rør eller ledninger som er forbundet for å danne rørledninger, samt oljebrønner, gassbrønner og geotermiske brønner og lignende, idet de forbedrede funksjonssveisede deler har forbedrede egenskaper og redusert utflytning som følge av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Den raske friksjonssveisefremgangs-måten ifølge oppfinnelsen bruker høyfrekvent induksjon for å forvarme delene som skal sveises til varmebearbeidingstemperaturen i en ikke-oksiderende atmosfære som resulterer i

forbedret effektivitet og forbedrede sveiseprodukter.

Konstruksjon av for eksempel rørledninger har i de siste 80 år nesten utelukkende basert seg på buesveisingsprosesser. Disse prosessene har tilveiebrakt sveisinger av høy kvalitet, men til en betydelig kostnad. De direkte og indirekte kostnadene ved sveising representerer generelt en stor andel av kostnaden for å bygge rørledninger. I tilfelle av off-shorerørledninger, der den betydelige kostnaden av leggeut-styret kommer i tillegg, er det av avgjørende betydning at sveisingen skjer så raskt som mulig. Jo større røret er, desto raskere går sveisingen. Dette har ført til bruken av flere sveisestasjoner, slik at opptil et halvt dusin sveisinger utføres samtidig. For dypvannsoffshorerørledninger finnes det enda et problem. Bøyespenningene av det ferdige røret som henger ned bak leggefartøyet blir uakseptabelt høyt for en gitt kombinasjon av rørdiameter, veggtykkelse og vanndybde. I disse tilfellene er det derfor nødvendig å sveise røret i en nesten vertikal orientering på leggefar-tøyet, noe som i sin tur fører til at bare en eller kanskje to sveisestasjoner kan anvendes og at produktiviteten reduseres med en faktor på tre eller mer. Det har derfor vært et langvarig behov for en pålitelig, rask sveiseprosess av høy kvalitet for gjentagende sveisinger ved rørleg-gingskonstruksjon. Dette bør ideélt sett være en "one-shot"-prosess der hele omkretsen sveises i en. operasjon.

Den tradisjonelle sveiseprosessen med smisveising omfatter oppvarming av jern- eller stålelementer til en varmebearbeidingstemperatur (eller plastisk tilstand), det å føre de to elementene tett sammen og så påføre et bindetrykk på de to elementene ved hamring, pressing eller valsing for derved å danne en sveis.

Buesveising er en gammel sveiseprosess fra over 100 år tilbake. Den originale prosessen har ikke forandret seg mye siden introduksjonen av klebeelektroder i 1907. Skjermet me-tallbuesveising (Shielded Metal Arch Welding - SMAW) er den mest anvendte sveisemetoden i dag, men den er bare en av flere metoder i den generelle buesveisingskategori som omfatter i hvert fall et dusin forskjellige prosesser. Alle disse prosessene deler den karakteristikken at en kontinuerlig tilførsel av et fyllmetall varmes opp ved en elektrisk bueutladning slik at det blir flytende i umiddelbar nærhet av pasningsflåtene og at det smelter inn i grunnmetallet og så størkner.

Utflytningssveising og de forskjellige former for motstandssveising danner sveiser med meget liten avsmelting. Store elektriske strømmer brukes for å resissivt varme opp pas-ningsflatene opp til varmebearbeidingstemperaturen der metallet innehar plastiske egenskaper og kan så smis sammen ved et trykk som er mye lavere enn den normale strekkgrensen av metallet.

Induksjonssveising er en type smisveising der pasningsflåtene varmes til varmebearbeidingstemperaturen ved induksjonsoppvarming og så raskt presses sammen for å danne sveisen. I motsetning til utflytnings- og motstandssveisingsprosessen er induksjonssveising mye mindre utsatt for blæredannelser og innebærer derfor ingen uønskede avsmeltinger.

Friksjonssveising finnes i mange variasjoner, men grunner alle i samme prinsipp og det er at forskyvningsfriksjon brukes for å overføre kinetisk energi (vanligvis rotasjonsbeve-geise) til varme for å heve temperaturen av de to pasnings-flatene til varmebearbeidingstemperaturen, hvoretter de sammenpassende arbeidsstykkene tvinges sammen for å danne sveisen. Ved ikke noe tidspunkt under prosessen smeltes noe av metallet og denne prosessen faller derfor inn under katego-rien kjent som faststoffsveising, som også omfatter flere uvanlige prosesser så som diffusjonssveising, eksplosjons-sveising og ultralydsveising. Da det ikke skjer noe avsmelting, er disse sveiseprosessene immune mot fusjonssveiseef-fektene som er nevnt i listen nedenfor. Kontinuerlig friksjonssveising er sannsynligvis den første kjente type friksjonssveising og synes å ha oppstått i midten av 1950-årene. Inertifriksjonssveising er en oppfinnelse der den tidligere vanlige fremgangsmåte å bruke en stor motor for å tilveiebringe kontinuerlig kinetisk energi gjennom sveisesyklusen, ble forbedret ved bruken av et direktekoplet svinghjul for å lagre kinetisk energi som har mye mindre drivmotor og å fri-gjøre den i et konsentrert støt i en kort, selvstoppende sveisesyklus.

Radial friksjonssveising er en nyere oppfinnelse med spesi-ell betydning når begge arbeidsstykkene er store eller uhåndterlige elementer så som rørledninger der det er vanskelig eller umulig å rotere noen av pasningsoverflåtene ved de høye hastighetene som kreves for konvensjonell friksjonssveising. I denne fremgangsmåten introduseres et tredje element. I stedet for å rotere en av de to arbeidsstykkene, roteres en midtstilt ring rundt anleggsflåtene av arbeidsstykkene og utsettes samtidig for kraftige aksielle krefter for å redusere diameteren og øke den aksielle lengden. Når tilstrekkelig friksjonsoppvarming er generert for å varme opp pasningsflaten til varmebearbeidingstemperaturen, stoppes rotasjonen og det radielle trykket økes.

Dreiekompresjonssveising er en nylig angitt utvikling innen-for den tilgrensende sveiseteknologi. Den ble utviklet som en videreutvikling av konvensjonell diffusjonssveising av aluminium for å overkomme sveisekvalitetsproblemer som re-sulterte fra oksidfilmer, ved å introdusere en liten for-skyvningsbevegelse for å fysisk forstyrre og dispergere alu-miniumsoksidfilmen som normalt er til stede på alle alumini-umsoverflater. Geometrien av forbindelsen som den kjente teknikken vedrører er av pluggforbindelsestypen der et sylindrisk sveisegrensesnitt oppnås ved å føre enden av et rør inn i en forstørret og induksjonsoppvarmet ende av et sammenpassende rør og samtidig roterer dem i forhold til hverandre med omtrent 12n radianer (6 omdreininger).

I 1993 ble Ferte og Pierquin meddelt US patent 5 240 167 med tittelen "Friction Welding Method With Induction Heat Treat-ing". Prosessen angitt i Ferte-patentet hevdes å forbedre friksjonssveisingen ved induksjonsvarmebehandling for å forhindre sprekkdannelser i presipitatherdede nikkelsuperlege-ringer for flymotordeler.

Smisveising avhenger vanligvis av oppvarming av arbeidsstykkene i ovn eller over en flamme, idet den langsomme prosessen uavlatelig resulterer i oksidasjon av de eksponerte overflater. Disse metalloksidene har alle ikke-metalliske, mekaniske egenskaper og er dermed iboende sprøe ved romtem-peratur. Når de oppvarmede arbeidsstykkene så bringes sammen og smis, ekstruderes disse oksidene langs sveisegrensesnittet og danner en sprø laminering mellom arbeidsstykkene. Ved nedkjølning under varmebearbeidingstemperaturen er sveise-forbindelsene utsatt for sprekkdannelser langs dette lamine-ringsplanet. Denne typen sveising er meget avhengig av ope-ratørferdighetene og har derfor varierende kvalitet.

Fusjonssveiseprosesser (som innbefatter alle typer buesveising) avhenger alle av avsmelting av en del av basismetal-let. Derfor er alle fusjonsveiseprosessene utsatt for en type defekter som ikke påtreffes i ovennevnte smisveising. Såkalte fusjonsveisedefekter omfatter porøsitet, slag-ginklusjoner, ufullstendig fusjon, utilstrekkelig filtre-ring, svekkelser, gjennomsmelting, forskjellige sveiseme-tallsprekker og mange andre uregelmessigheter. Selv om auto-matiseringen av bestemte buesveiseprosesser forbedrer svei-sereproduserbarheten, kan mulighetene for slike defekter aldri elimineres helt. Selv om den er automatisert, er buesveising fremdelses en relativt langsom prosess fordi sammenføyningen av en søm oppnås inkrementalt, vanligvis ved avsetningen av strenglignende kuler av fyllsveisemetall, ofte i flere etterfølgende omganger eller lag. To elementer som skal sveises sammen, for eksempel enden av rørseksjoner i en rørledning, krever nøyaktig bearbeidede, sveisbare overflater som er avfaset for å danne et V-formet, ytre spor når de bringes sammen, idet dette tilveiebringer den best egnede forbindelsesgeometri for å danne de beste fusjons-sveisen. Rørseksjonene som er tilgjengelig for slikt bruk varierer ofte i tykkelse og ovalitet, noe som gir forbindel-sesvariasjoner som resulterer i skadelige variasjoner i fu-sjonssveiseforbindelsen. Fusjonssveising utføres også av sveisere som kan utføre valg som introduserer andre variab-ler til fusjonssveiseprosessen. De ferdige forbindelsene må derfor testes ved radiografisk eller ultralydsinspeksjon og må enten godkjennes eller forkastes, idet sveisingen ved sistnevnte tilfelle må skjæres ut eller separeres, noe som resulterer i meget kostbare forbindelser fordi kravene til operatørferdigheter er så høye og fordi det kreves så mye tid for å oppnå tilfredsstillende forbindelser.

Utflytningssveising og motstandssveising er raske metoder, men møter pålitelighetsproblemer når de oppskaleres for å forbinde store områder i en enkel operasjon. Ved slike applikasjoner er det vanskelig å sikre at overflateoksidene er fullstendig fjernet fra sveisegrensesnittet. Det er også funnet blæredannelser i grensesnittområdet. Tilvirkningen av den langsgående søm i et elektrisk, motstandssveiset rør unngår disse problemene ved å sammenføye de lange metall-strimmelkantene i en trinnvis prosess, ikke ulik lukkevirk-ningen av en glidelås, og bevirker til en utklemming av overflateoksidene fra sveisgrensesnittet. Mange arbeidsstykker er imidlertid dimensjonsmessig stive og derfor ikke egnet for den trinnvise sammenføyningsprosessen. Et annet problem er at disse prosessene resulterer i en stor, uregel-messig kant av ekskludert metall langs pedimeteret av sveisegrensesnittet som må beskjæres etter at sveisen er ferdig. Induksjonssveising er en type smisveising der pasningsflåtene varmes opp til varmebearbeidingstemperaturen ved hjelp av induksjonsvarme og så raskt presses sammen for å danne sveisen. Den er renere og raskere enn oppvarming i ovn da den er mer konsentrert til sveisegrensesnittet. Den letter også bruken av skjermgasser for å forhindre oksidering av pas-ningsf låtene. Induksjonssveising brukes faktisk med hell for tilvirkning av store antall elektrisk motstandssveisede rør ved hjelp av ovennevnte glidelåslignende teknikk. Suksessen til disse teknikker er imidlertid fremdeles begrenset av vanskeligheten med å homogenisere metallet i smisonene og ved å utelate oksider.

Friksjonssveising unngår problemene ved utflytningssveising og motstandssveising ved alltid å holde seg under smeltetemperaturen og ved å kontinuerlig skrape et lag av sveisegren-sesnittmetallet under de kombinerte virkninger av skyvebeve-gelse og et stort aksielt trykk. Hovedproblemet er at en av de to arbeidsstykkene må roteres med høy hastighet for å danne den påkrevde energimengden, noe som derved ekskluderer denne prosessen fra mange sveiseapplikasjoner. Det er også en størrelsesbegrensning som følge av de praktiske begrens-ninger av hvor mye lagret kinetisk energi som kan forsynes av mekaniske systemer. Utviklingen i teknikken har vist at kontinuerlig friksjonssveising, som avhenger av en direktedrevet motor for å tilføre den kinetiske energien, er begrenset til små sveisinger, idet det er nødvendig å bruke store svinghjul, så som ved inertisveising, for å dekke de store, umiddelbare energikravene for store sveiser. Et annet problem er at disse prosessene resulterer i en stor, grov, dobbel ring av ekstrudert metall rundt sveisegrensnittetts perimeter som ofte må beskjæres etter at sveisen er ferdig. Et annet problem med begge prosessene er at de ikke-metalliske innleiringene som normalt er til stede i stålvo-lumet som konsumeres av prosessen (i industrien kjent som "lengdetap"), har en tendens til å bli konsentrert i et plant område i midten av sveisen, noe som resulterer i en svekkelse av den sveisede sammenføyningen, spesielt støt-styrken ved lave temperaturer.

Radial friksjonssveising (Radial Friction Welding - RFW) lø-ser problemet med å rotere en av arbeidsstykkene ved å introdusere et mindre tredje element, den roterende ringen som tilveiebringer et sylindrisk sveisegrensesnitt i motsetning til det skiveformede grensesnitt ved konvensjonell friksjonssveising. Det finnes imidlertid en ulempe, og det er at to sveisinger utføres samtidig for hver sammenføyning. Dette dobler de instantane energikravene som allerede er ganske store. Gjennomførbarheten av RFW for arbeidsstykker med store sveisetverrsnitt er derfor mindre enn for konvensjonell inertisveising.

Fertes US patent nr. 5 240 167 bedyrer at induksjonsoppvarming kan tilveiebringes før, under og etter at friksjonssveisingen er ferdig for å tilveiebringe en varmebehandling av sveisesonen. Fertes patent angir videre at bruken av induksjonsoppvarmeren for å tilveiebringe ytterligere varme representerer en industrielt betydelig og mer økonomisk måte å øke kapasiteten av sveiseapparatet på ved å redusere iner-timassen i inertifriksjonssveisere eller ved å redusere drivmotoren i kontinuerlige friksjonssveisere. Det forstås fra figurene i Fertes patent at der induksjonsforvarming anvendes er de motstående overflater som skal sveises ikke ved varmebearbeidingstemperaturen under sveising, fordi den resulterende sveisen omfatter den karakteristiske, doble, forhøyede tverrsnittsformen av en konvensjonell friksjonssveising og, som angitt nedenfor, resulterer i den forbedrede faststoffsveiseprosessen ifølge denne oppfinnelsen i et mye mindre volum av overflødig metall vanligvis kjent som "utflytning" eller "stuking" som følge av den direkte ener-gitilførsel ved induksjonsoppvarming av overflatene som skal sveises som konvensjonelt må generers ved friksjonsoppvarming av gniflåtene. Friksjonsoppvarming konsumerer et me-tallvolum som er grovt sett proposjonalt med mengden av varme som genereres. I faststoffsveisprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse dannes den overveldende majoritet av energi ved induksjonvarming. Der delene som skal sveises induksjonsoppvarmes til varmebearbeidingstemperaturen, er det ytterligere mulig å i stor grad redusere rotasjonshastighe-ten av arbeidsstykket, noe som har betydelig praktisk betydning ved stukesveising av lange rørseksjoner så som ved rør-ledningskonstruksjoner. Avslutningsvis lærer Fertes patent bruken av induksjonsoppvarming i friluft, noe som resulterer i alvorlig degradering av sveisekvaliteten som følge av høy-temperaturoksidasjon av pasningsflåtene før de kontakter hverandre. Den forbedrede faststoffssveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse kombinerer fordelaktig induksjons-sveise- og friksjonssveiseprosessen for å danne en ny fast-stoff sveiseprosess som er overlegen hver av disse prosessene. Friksjonssveising er en bemerkelsesverdig sveiseprosess fordi den er relativt rask og danner høyintegrerte, reproduserbare kvalitetssveisinger selv med forskjellige metaller. Friksjonssveising krever imidlertid at et arbeidsstykke dreies ved høy hastighet, og når prosessen oppskaleres for å utføre store tverrsnittssveisinger, vil prosessen kreve en massiv maskin for å tilveiebringe den påkrevde, lagrede mekaniske energi. Induksjonstrykksveising er en tilsvarende rask sveiseprosess som ikke krever dreining av arbeidsstykkene, men som taper pålitelighet ved bruk på store tverr-snittsområder som følge av den økte sjansen for slagginnlei-ringer og utilstrekkelig koalesens.

Faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse kan brukes for å sammenføye metalldeler, spesielt, men ikke utelukkende, jern-, titan- og metalldeler omfattende rør eller ledninger der metalldelene som skal sveises har motstående, generelt plane og parallelle overflater. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter det å raskt varme opp de motstående overflater av metalldeler med en høyfrek-vent induksjonsoppvarmer til varmebearbeidingstemperaturen av metalldelene i en ikke-oksiderende atmosfære. Fremgangsmåten omfatter videre det å kontinuerlig bevege i hvert fall en av delene i forhold til den andre delen generelt parallelt med de motsatt, plane overflater, så som ved å rotere en av delene eller bevege delen med en sirkelevegelse. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter avslutningsvis det å raskt bringe de motstående overflater av delene sammen med en aksiell kraft som er tilnærmet lik den konvensjonelle, friksjonssveisesmikraften mens man fortsetter å bevege en del i forhold til den andre delen til den absorberte kinetiske energi er omtrent lik 10% av energitil-førselen som kreves ved konvensjonelle friksjonssveising for å faststoffsveise de motstående overflater av metalldelene sammen. I den foretrukne utførelse av faststoffsveising ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter fremgangsmåten det å varme opp de motstående overflatene av delene som skal sveises til varmebearbeidingstemperaturen med en induksjonsoppvarmer i mindre enn omtrent 30 sekunder for å begrenser oppvarmingen av metalldelen til de ytterste 0,13 milimetrene eller mindre av de motstående overflatene av metalldelene som skal sveises. Frekvensen av induksjonsoppvarmingen er fortrinnsvis 3 kHz eller høyere eller mer foretrukket omtrent 25 kHz eller høyere. I en foretrukket utførelse av faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter fremgangsmåten det å rotere i hvert fall en av delene i forhold til den andre delen ved en initiell perime-terhastighet på omtrent 1,2 m/sek ved kontakttidspunktet mellom de motstående, plane overflatene. I faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan delen beveges eller roteres med en sirkelbevegelse som generelt er parallell med de plane og parallelle overflatene av delene som skal sveises før eller under induksjonen oppvarmingstrinnet. I den foretrukne faststoffsveisefremgangsmåten i-følge foreliggende oppfinnelse kan delene sveises sammen i omtrent ett sekund etter oppvarmingen, idet den aksielle kraften opprettholdes i ytterligere fem sekunder. Faststoffsveisingen ifølge foreliggende oppfinnelse er dermed raskere og langt mer effektiv enn både friksjonssveising og induksjonssveising og danner reproduserbare, høyintegrerte sveisinger ved meget lave rotasjonshastigheter. I den mest foretrukne fremgangsmåte ifølge foreliggende oppfinnelse utføres oppvarmings- og sveisetrinnene i en ikke-oksiderende atmosfære ved å overstrømme metalldelene med en ikke-oksiderende gass, så som nitrogen, noe som betydelig forbedrer den resulterende sveisen.

Som angitt ovenfor, tilveiebringer den forbedrede fast-stoff sveisef remgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse en forbedret sveis med en betydelig reduksjon i overflødig utflytning. På de stedene der rørformede deler eller rør er sveiset sammen ved konvensjonell friksjonssveising, kan den store indre utflytning som dannes ved konvensjonell friksjonssveising også forstyrre fluidstrømmen gjennom rørene eller ledningene. Faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan for eksempel brukes for å sammen-stille brønnforinger eller rørstrenger i oljebrønner, gass-brønner og geotermiske varmesystemer, der en stor indre utflytning vil forstyrre strømmen av væsker eller gass gjennom rørene eller ledningen. Foreliggende oppfinnelse omfatter derfor en metalldel, så som en stang, et rør eller lignende, som har motstående, plane overflater som er sveiset sammen og som har en relativt liten, generell plan utflytning som strekker seg radielt fra krysningspunktet av de motstående, plane, sveisede overflatene. Utflytningsvolumet tilsvarer et kombinert lengdetap på mindre enn 0,2 aksielle centimeter per centimeter veggtykkelse. Prosessen ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter oppvarming av de motstående, plane overflatene av de delene som skal sveises med en høyfrekvent induksjonsoppvarmer til varmebearbeidingstemperaturen av metalldelene. Delene er fortrinnsvis oppvarmet i en ikke-oksiderende atmosfære, idet i hvert fall en av delene beveges kontinuerlig i forhold til den andre delen som generelt er parallell med de motstående plane overflatene. En av delene roteres eller dreier fortrinnsvis mens de motstående overflatene raskt bringes sammen med en aksiell kraft. Beve-gelsen av delen fortsetter inntil den absorberte, kinetiske energi er omtrent lik 10% av energitilførselen ved konvensjonell friksjonssveising. Faststoffsveisingen av de motstående overflatene omfatter ytterligere den reduserte utflytningen beskrevet ovenfor.

Faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse eliminerer den store, doble, ruglede tverrsnittsform av en konvensjonell friksjonssveis. Det er ytterligere mulig å redusere utflytning til omtrent en tiendedel av veggtykkelsen ved å optimalisere operasjonsparametrene. Et ytterligere fortrinn ved faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse og den resulterende, sveisede del, er at siden lengdetapen hovedsakelig elimineres, så vil også de-graderingen av sveisestyrken som følge av en konsentrasjon av ikke-metalliske innleiringer fra volumet av lengdetapet i sveisegrensesnittet også reduseres.

Faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse tilsvarer friksjonssveising bortsett fra at den erstatter det meste av den kinetiske energien med høyfrekvent induksjonsoppvarming. Konvensjonell friksjonsoppvarming av vanlige karbonstålrør (karbonekvivalenten mindre enn 0,4%) krever en tilførsel av kinetisk energi i området fra 1300 til 7000 bar for arbeidsstykker med middels til store dimensjoner og med en diameter lik eller større enn 10 centimeter idet faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse bare krever omtrent 1/10 av den kinetiske energien for ethvert gitt arbeidsstykke av samme størrelse. Den høyfrek-vente induksjonsoppvarmingen utføres mens ett av arbeidsstykkene aksellereres opp til smihastigheten (omtrent 60 m/min for stål) som er mye lavere enn den normale, minste friksjonssveiseoverflatehastigheten på 150 til 900 m/min for stål. Når varmebearbeidingstemperaturen er oppnådd, presses de to arbeidsstykkene sammen av smitrykket, noe som bevirker til at det roterende arbeidsstykket deaksellererer nesten instantant, innen noen omdreininger, og dermed fullføres sveisen. Eksperimenter har bekreftet at denne prosessen fungerer med stål ved overflatehastigheter som er mye mindre enn smihastigheten, idet det dannes sveiser av høy kvalitet med nesten ingen utflytning og med en syklustid på mindre enn 15 sekunder for et rør med diameter på 11,4 cm. Disse eksperimentene ble arbeidsstykker med en veggtykkelse på 0,4 cm sammenføyet ved faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse ved hjelp av en kinetisk energitil-førsel og 130 bar. For konvensjonell friksjonssveising av rørformede arbeidsstykker er det en tommelfingerregel at lengdetapet omtrent tilsvarer veggtykkelsen ved veggtykkel-ser mindre enn 1,5 cm for å estimere lengdetapet som følge av utflytning av arbeidsstykket. Ved mange applikasjoner må denne utflytningsmassen skjæres av arbeidsstykket. Sveiser tilveiebrakt ved faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse har et lengdetap på omtrent 0,10 til 0,20 ganger veggtykkelsen, noe som fører til en tilsvarende reduksjon av utflytningsvolumet. Utflytningen produsert ved faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse har også et tynnere tverrsnitt, noe som gjøre det lettere å skjære av om nødvendig.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse omfatter det å innelukke sveiseområdet og å introdusere en skjermgass rundt de sammenstøtende endene av arbeidsstykkene. Som angitt ovenfor utføres oppvarmings- og sveisetrinnene fortrinnsvis i en ikke-reaktiv atmosfære for å forhindre kjemis-ke reaksjoner mellom de oppvarmede pasningsflåtene og gasse-ne som normalt er til stede i jordens atmosfære: oksygen, nitrogen, karbondioksid, vanndamp etc. For eksempel kombine-res stål med høyere temperaturer raskt med oksygen slik at det dannes oksider som fører til defekter i sveisesammenføy-ningen. I motsetning til dette reagerer ikke nitrogen raskt med stål ved varmebearbeidingstemperaturene og er derfor en meget anvendelig skjermgass for denne applikasjonen av oppfinnelsen. Dersom oppfinnelsen imidlertid brukes for å sveise titan, reagerer både oksygen og nitrogen raskt med det varme metallet og derfor må begge fortrenges, for eksempel ved å bruke en inertgass, så som argon eller helium. Alternativt kan skadelige gasser i atmosfæren fortrenges for alle typer metaller ved å utføre denne faststoffsveiseoperasjonen i et vakuum. For bestemte metaller kan skadelige gasser kanskje holdes borte ved å forhåndsdekke de motstående flatene med et meget tynt lag av et metallurgisk kompatibelt, fast barrieremateriale som også ikke reagerer med de normale be-standdeler i jordens atmosfære. For eksempel kan stålover-flater fordelaktig forhåndsdekkes med et tynt aluminiumslag på ikke mer enn 0,0025 cm, da aluminium i slike små mengder er metallurgisk kompatibelt med stål og likevel danner et meget stabilt, men tynt og temperaturmostandsdyktig overfla-teoksid som forhindrer ytterligere penetrering av oksygen inn i stålet, idet dette aluminiumsoksid lett brytes opp og fortrenges under smifasen av denne faststoffsveiseprosessen. I en annen utførelse, dersom denne prosessen ble utført under vann, som for eksempel ved havbunnskonstruksjoner av ol-jerørledninger, vil et skjermfluid, så som rent vann, være fordelaktig for å fortrenge sjøvann som inneholder mange skadelige, oppløste salter som kan forurense de oppvarmede, motstående overflatene. Skjermfluidet av rent vann introduseres som en væske, men i den umiddelbare nærhet av de oppvarmede overflatene vil det fordampe til en gass. Ved store dybder vil kombinasjonen av trykk og temperatur overstige det kritiske punktet, noe som resulterer i verken en dis-tinkt gass eller væskefase, men i stedet et udefinerbart fluid. Med hensyn til foreliggende oppfinnelse har benevnel-sen "fluid" en bestemt ingeniørdefinisjon som omfatter både gass og væskefaser av et gitt materiale under dets kritiske punkt, i tillegg til den tvetydige "fluidtilstanden" over det kritiske punktet.

Selv om det mest logiske valget av en skjermgass er argon, har eksperimenter vist at argon fører til buedannelser nær enden av oppvarmingssyklusen, sannsynligvis på grunn av de kombinerte virkninger av det elektriske feltet fra spolen og den infrarøde strålingen fra pasningsflåtene. Man har oppda-get at nitrogen som en skjermgass eliminerer buedannelser. Buedannelser kan også forhindres ved å belegge induksjonsspolen med en elektrisk isolasjon med stor dielektrisk styrke. Det er kritisk at induksjonsspolen er nøye utformet for å utvikel en ensartet, indusert strømtetthet over pasningsflåtene. Instrumenter har vist at geometrien av utflytningen og sveiseprofiloverflaten påvirkes sterkt av spoledimensjo-nene i forhold til rørdimensjonene som angitt nærmere nedenfor. Som nevnt ovenfor er typen av utflytning imidlertid fullstendig forskjellig fra det som dannes ved konvensjonell friksjonssveising og utflytningen reduseres betydelig ved faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Når faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes i forbindelse med en bestemt klasse av metaller kjent som ferromagnetiske metaller, er det en bestemt fysisk egenskap, kjent som "Curie-temperaturen", som har en betydelig virkning på induksjonoppvarmingsoperasjonen. Som det imidlertid forstås, eksisterer Curie-temperaturene bare for ferromagnetiske elementer, som alle er metaller, og for sammensetninger, de fleste av hvilke er metaller. Det er ba-re fire kjente ferromagnetiske elementer, nemlig jern, ko-bolt, nikkel og gadolinium, av hvilke bare de første tre har ingeniørbetydning. Disse få ferromagnetiske elementene danner basisen av hundrevis av kjente ferromagnetiske legeringer, med noen få unntak så som Mn-Cr, Mn-Bi og Ag-Mn-Al. Da hoveddelene av de metalliske, kunstige strukturene er tilvirket av ferromagnetiske legeringer, er Curie-temperaturen viktig med hensyn til faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Under Curie-temperaturen er det ganske effektivt å tilveiebringe en lokalisert oppvarming av ferromagnetiske materialer ved hjelp av induksjonsfrekvenser i området fra 3 kHz til 25 kHz. Over Curie-temperaturen opp-fører ferromagnetiske materialer seg akkurat som ikke-ferromagnetiske materialer, så som aluminium, titan, sink, kopper, messing, ved at de blir ikke-ferromagnetiske og trenger høyere induksjonsfrekvenser, generelt minst 30 kHz eller høyere for lokalisert oppvarming. I induksjonsoppvar-mingsteknikken har dette mange praktiske konsekvenser. Først og fremst det faktum at overføring av store kraftutgangsver-dier (for eksempel høyere enn 50 kHz) fra vekselretteren til utgangspolen ved høyere frekvenser er proposjonalt vanskeli-gere ettersom frekvensene øker. Opptil 25 kHz er det ganske greit å bruke enkle, vannkjølte flerkabelbunter og/eller ko-aksiable kabler, som i seg selv danner fleksible ledere slik at posisjonering av utgangsspolen lett kan justeres. Over 25 kHz kan det bli vanskelig å bruke store, stive, koplanare, samleskinnelaminater eller kostbare, spesielt utviklede kabler, så som listvaiere, som ufordelaktig øker spolimipedan-sen. Over 25 kHz er disse delene i seg selv utsatt for en økende grad av parasittisk induksjonsoppvarming, noe som reduserer de totale ytelsen av apparatet. Når man derfor ar-beider med ferromagnetiske arbeidsstykker, opereres foreliggende oppfinnelse mest effektivt ved temperaturer som ikke overstiger Curie-temperaturen. En ytterligere årsak for å utføre induksjonsoppvarmingen under Curie-temperaturen er at det skjer en plutselig volumforandring ved faseforandringen for de fleste ferritiske materialer, noe som kan resultere i bøying eller oppsprekking dersom oppvarmingen skjer raskt.

Faststoffsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan brukes med ferromagnetiske og ikke-ferromagnetiske materialer, så som titan og titanlegeringer innbefattet stenger, rør og ledninger. Oppvarmingstemperaturen av de motstående overflatene av delene som skal sveises sammen er derfor bestemt av varmebearbeidingstemperaturen i stedet for Curie-temperaturen. Som det imidlertid forstås, bør delene som skal sveises induksjonsoppvarmes til en temperatur som ikke overstiger Curie-temperaturen dersom delene er ferromagnetiske. Når temperaturen av de fleste metaller heves, blir de gradvis mindre eleastiske (og sprø) og mer plastiske (og seige) i sine mekaniske egenskaper inntil man når smel-tepunktet der all mekanisk styrke tapes. Flytegrensen faller også med økende temperaturer. Det meste av det kommersielle metallsmiarbeidet utføres derfor i det øvre temperaturområ-det for det bestemte metallet for å redusere spenningene og belastningene på smimaskinene. Denne materialbestemte temperaturen kalles vanligvis varmebearbeidingstemperaturen, Thw som vanligvis defineres som "en temperatur over rekrystalli-seringspunktet eller en temperatur som er høy nok til å forhindre deformasjonsherding". Det er generelt akseptert at Thw for et gitt metall er enhver temperatur mellom omtrent 50% og 90% av den absolutte smeltetemperaturen (dvs Kelvin eller Rankine). Konvensjonell friksjonssveising bruker mekanisk friksjon for å heve temperaturen til to sammenstøtende arbeidsstykker til Thw / hvoretter forskyvningsvirkningen kan tilveiebringe en styrt mengde koalisens mellom de to arbeidsstykkene og resulterer i en sterk sveis. Faststoffsveiseprosessen ifølge forliggende oppfinnelse bruker induksjonsoppvarming for å heve pasningsflåtene av arbeidsstykkene opptil arbeidsstemperaturen. Begrensede mengder publisert data er tilgjengelig for arbeidsstemperaturen til utvalgte metaller og elementer. En alternativ kilde for å bestemme varmebearbeidingstemperaturen er å regne ut smeltetemperaturen. Generelt stemmer det godt at den utregnede nedre grense av varmebearbeidingstemperaturen er høyere enn den publiserte verdien for rekrystalliseringstemperaturen. Det er også en relativ god korrelasjon mellom de publiserte verdier for minimum og maksimum varmebearbeidingstemperatur og de utregnede verdier, noe som bekrefter at det er akseptabelt å an-vende den utregnede varmebearbeidingstemperatur i de tilfeller der publiserte data ikke er tilgjengelig for et bestemt metall.

Faststoffsveisfremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan baseres på enhver kjent type friksjonssveising, innbefattet inerti-, kontinuerlig-, radial-, sirkel-, og resi-prokfriksjonssveising, idet minst en av delene kontinuerlig beveges i forhold til den andre delen som generelt er parallell med de motstående, plane og parallelle overflatene av delene som skal sveises. Bare de første av de to, dvs inerti og kontinuerlig friksjonssveising, er imidlertid i dag i vanlig kommersiell bruk og vil derfor få størst industriak-sept. For å tilvirke sveiser i stor skala, kan fast-stof fsveisefremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse gjerne baseres på enten inertifriksjonssveising eller kontinuerlig friksjonssveising fordi induksjonsoppvarmingen eliminerer over 90% av de kinetiske energikravene nevnt ovenfor. Faststoffsveieapparatet kan dermed bruke et mye mindre drivsystem, enten i form av et mindre svinghjul eller en mindre, kontinuerlig drivmotor. I tilfeller av kontinuerlig drivfriksjonssveising, kan en relativt liten drivmotor som er koplet til et hastighetsreduksjonssystem anvendes i foreliggende faststoffsveiseapparat. For feltapplikasjoner, så som rørledningssveising, kan den kontinuerlige drivmotor drives av en fjerntliggende generatorenhet med et ekstra stort svinghjul for å tilveiebringe en støtkapasitet tilsvarende et direktekoplet svinghjul. Under oppvarmingstrinnet vil det meste av generatorkapasiteten forsynes til induk-sjonsoppvarmingssystemet, men når induksjonsoppvarmingssys-temet skrus av vil hele kapasiteten til generatoren være tilgjengelig for den direktedrevne motor. Fordelen med denne anordningen er at den fjerntliggende generatoroperasjonska-pasiteten ved høyere hastigeter (for eksempel 1800 rpm) fungerer som et fjerntliggende, effektivt høyhastighets-svinghjul.

Fig.IA viser et sideriss, delvis i snitt, av et rør sveiset ved hjelp av konvensjonelle friksjonssveisemetoder,

fig. IB er et sideriss, delvis i snitt, av et rør sveiset ved hjelp av faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse,

fig. 1C er et sideriss, delvis i snitt, av en andre utførel-se av et rør sveiset ved hjelp av faststoffsveisemetoden i-følge foreliggende oppfinnelse,

fig. 2 er et plott med en ikke-lineær akse av nøkkelparamet-rene av friksjonssveising som sammenligner faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse med den typiske yt-else ved friksjonssveising,

fig. 3A er et sidesnitt av et parti av apparatet for fast-stof f sveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse,

fig. 3B er et enderiss av induksjonsspolen vist på fig. 3A,

fig. 4 er et sidesnitt av en utførelse av et apparat for å utføre faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse, og

fig. 5 viser skjematisk en utførelse av apparatet samt ut-styr som kan brukes for å utføre faststoffsveisemetoden i-følge foreliggende oppfinnelse.

Figur IA viser et sveiserør eller en sveiset ledning dannet ved hjelp av konvensjonelle friksjonssveiseteknikker, så som konvensjonell inertsveising eller friksjonssveising. Rørpar-tiene eller arbeidsstykkene Tl er sveiset som beskrevet

ovenfor ved å rotere et av arbeidsstykkene i forhold til det andre arbeidsstykket, deretter drive de motstående, generelt plane, parallelle overflatene av arbeidsstykkene sammen for derved å danne gnifriksjon, hvorved de motstående overflatene varmes opp til varmebearbeidingstemperaturen og overflatene sveises sammen. Det mest utpregede trekket ved sveisen er formen og størrelsen av det overflødige utflytningsmaterialet på både det indre og ytre overflater av sveisen som fremstår som en dobbel ring. Et tverrsnittsriss av utflytningsmaterialet viser at det faktisk er dannet doble "kusper" som henger sammen som vist på fig. IA. Ved mange applikasjoner bør utflytningen Fl fjernes, men det er imidlertid ikke alltid mulig å fjerne utflytningen på innsiden av røret eller ledningen, avhengig av rørets eller ledning-ens diameter. Som nevnt ovenfor resulterer det store utflytningsvolumet i degradering av sveisstyrken som følge av en konsentrasjon av ikke-metalliske innleiringer fra lengdetapet i sveisegrensesnittet. Den forbedrede faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse reduserer derfor ikke bare materialtapet og lengden under sveisesyklusen, men forbedrer også den strukturelle integritet.

Figurene IB og 1C viser forskjellene mellom de karakteristiske profiler av rørsveiser tilvirket ved faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse og en sveis tilvirket ved konvensjonell friksjonssveising som vist på fig. IA. På fig. IB er røret T2 sveiset ved hjelp av faststoffsveisemetoden ifølge foreliggende oppfinnelse, der induksjonsspolen ikke er riktig størrelsestilpasset diameteren av Tl. Dvs at induksjonsspolen brukt for å varme overflatene som skal sveises, er mindre enn optimal, noe som resulterer i en ujevn varmefordeling, noe som i sin tur kan føre til et ut-preget spor langs senterlinjen. Man legger likevel merke til at sveisen har betydelig mindre utflytning enn utflytningen Fl på fig. IA. På fig. 1C er induksjonssporene riktig stør-relsestilpasset, noe som resulterer i en mer fullstendig yt-re utflytning F4. En eliminasjon av senterlinjesporet gir en mer effektiv utnyttelse av sveiseenergien, som i sin tur reduserer den totale mengden av utflytningsmaterialet F4 og

F5. I begge utførelser vist på fig. IB og 1C er utflytningsvolumet og lengdetapet betydelig redusert og integriteten av sveisesammenføyningen er også forbedret.

På fig. 2 er det mest utpregede trekk at faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse konsumerer en liten andel av arbeidsstykkelengden, noe som genererer et mye mindre sveiseutflytningsvolum ved omtrent 1/3 av de normale rotasjonshastighetene og ved hjelp av omtrent 1/12 av den normale kinetiske energi. I motsetning til den tidligere friksjonssveiseprosessen, starter faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse før de to sammenpassende arbeidsstykkene kontakter hverandre. Induksjonsvarmefasen 1 som tilveiebringer hoveddelen av den påkrevde sveiseenergien skjer samtidig med aksellerasjonen av det roterende arbeidsstykket og er ferdig et par tiendedels sekunder før kontakten 2 mellom de to arbeidsstykkene skjer. Dette er nødvendig for å gi induksjonsspolen tid til å trekke seg tilbake fra rommet mellom arbeidsstykkene og etterfølgende lukking av det aksielle gap i kontaktpunktet 2. Kurven 3 representerer hastighetsprofilen i faststoffsveiseprosessen ifølge oppfinnelsen sammenlignet med den konvensjonelle friksjonssveiseprosessen 4. Både topphastigheten og den totale rotasjonsbe-vegelsestiden reduseres vesentlig med faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse. Kurvene 5 og 6 representerer aksialsmikraftprofilene for henholdsvis fast-stof f sveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse og den tidligere kjente teknikk. Selv om fig. 2 viser en noe høyere smikraft for faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse, er dette nødvendigvis ikke påkrevet og er angitt for klarhets skyld. Kurvene 7 og 8 representerer lengdetapet når arbeidsstykkene gnis mot hverandre, og fortrenger materialet radielt som respons til elastisiteten av materialet under aksielt trykk. Faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse fortrenger et mye mindre volum av materialet enn den tidligere kjente teknikk, og dette resulterer i både fysiske og metallurgiske fordeler som angitt i dette skrift. I eksempelet på å sammenføye to sylindriske, hule arbeidsstykker som har jevne, renskårede, parallelle ender, kan det sees på fig. 3A at induksjonsspolen 9 befinner seg mellom de sammenstøtende ender av de to arbeidsstykkene 10 og 11, noe som resulterer i en liten klaring 12 og 13 på hver side. Normalt er induksjonsspolen 9 en en-keltviklet induktor dannet av et hult, firkantet eller rek-tangulært kopperrør som tillater at kjølevann sirkuleres igjennom det under induksjonsoppvarmingssyklusen. Induksjonsspolen er forbundet med den høyfrekvente krafttilførse-len 40 ved hjelp av enten fleksible kraftledninger 35 eller alternativt ved dreiende eller forskyvbare samleskinner. Størrelsen av klaringen 12 og 13 er normalt så liten som mulig før den fysiske kontakten og/eller buedannelsen mellom induksjonsspolen 9 og arbeidsstykkene 10 og 11, enten under oppvarmingsfasen eller under tilbaketrekningssyklusen. Dersom de to arbeidsstykkene 10 og 11 er av samme diameter, veggtykkelse og metallurgi, vil induksjonsspolen 9 posisjoneres med sammen avstand mellom de sammenrettede endene av arbeidsstykkene. I applikasjoner der en eller flere av disse tre parametrene er forskjellige for de to arbeidsstykkene, vil en balansering av varmetilførselen til de to arbeidsstykkene oppnås ved å bevege induksjonsspolen nærmere arbeidsstykket som krever ekstra varmetilførsel. Denne juste-ringen kan gjøres enten eksperimentelt eller ved beregning-er. Det primære formål ved klaringsjusteringen er å sikre at begge arbeidsstykkene når sine respektive varmebearbeidings-temperaturer samtidig. Klaringen kan enten bestemmes og fastsettes før start av induksjonsoppvarmingsfasen eller alternativt justeres kontinuerlig under induksjonsoppvarming ved hjelp av en ikke-berørende temperaturføler, så som en infrarød temperaturføler, som gir tilbakemelding gjennom en komparatorinnretning til en posisjonsstyringsinnretning så som en servoaktuator.

Klareringsgapene 12 og 13 har to hensikter. For det første forhindrer de fysisk kontakt mellom induksjonssporet 9 og arbeidsstykkene 10 og 11, noe som ville resultere i for-urensninger av arbeidsstykkeoverflaten og elektrisk kort-slutning av induksjonsspolen 9. For det andre tilveiebringer de bane for strømmen av skjermgass 14 som forhindrer oksidasjon av de oppvarmede endene av arbeidsstykkene 10 og 11. Selv om nitrogen foretrekkes i mange applikasjoner av de år-saker nevnt ovenfor, kan skjermgassen omfatte nitrogen, karbondioksid, argon eller andre ikke-oksiderende gasser eller blandinger av disse utvalgt på grunnlag av metallurgiske krav og tilgjengelighet ved arbeidsstedet. Gassen skjermes fra utsiden ved hjelp av en fleksibel gardin 15 som er tett anordnet rundt den ytre omkrets av arbeidsstykket 10 og 11, slik at gassen tvinges radielt innover og kontinuerlig fortrenger oksygen bort fra de eksponerte arbeidsstykkeendene. Den volumetriske strømningshastigheten av skjermgassen justeres slik at den er minst mulig for å minimalisere nedkjø-lingen av pasningsflåtene. Den fleksible gardinen 15 er av en flerstykket utførelse, for eksempel sammenstøtende halvskiver, slik at de kan føres rundt arbeidsstykket etter at de posisjonert for sveisesyklusen og tilbaketrekkes etter fullføring av sveisesammenføyningen. Det er også gitt mulig-het for tilbaketrekning av induksjonsspolen 9 mens den fleksible gardinen 15 er på plass.

Utvelgelsen av en egnet skjermgass avhenger primært av ar-beidsstykkenes metallurgi og gassens ioniseringskarakteris-tikker ved høye temperaturer. På grunn av ioniseringskarak-teristikkene er argongass generelt ikke egnet. For de fleste applikasjoner som involverer ferrolegeringer og nikkelbaser-te legeringer er nitrogen tilfredsstillende. En annen gass vil imidlertid være nødvendig for bestemte metallurgier, for eksempel med titanlegeringer, på grunn av den sterke kjemis-ke affinitet mellom titan og nitrogen over 425°C.

Selv om det er foretrukket å bruke en egnet skjermgass, forstås det at arbeidsstykker kan skjermes fra skadelige gasser ved alternative og ytterligere metoder så som forhåndsbeleg-gingen. De motstående overflatene av metalldelene forhånds-belegges direkte med en beskyttende barrieresubstans så som en klorbasert fluks eller lignende som fortrinnsvis ekslude-rer hydrogen. Forhåndsbelegget bevirker til at sveisingen skjer i en ikke-oksiderende atmosfære ved å direkte beskytte de motstående overflatene av metalldelene for at den resulterende sveisen forbedres betydelig.

Induksjonsspolen 9 kan ha en enhetlig utførelse som vist på fig. 3B eller alternativt omfatte to eller flere bueformede seksjoner. En typisk todelt uførelse vil være den samme som på fig. 3B bortsett fra at den øvre halvdel over akselinjen 17 erstattes med et speilbilde av samleskinneforbindelsen 16 på den nedre halvdel. Ved slik todelt utførelse trenger ikke spolen tilbaketrekkes helt for å fristille rørendene. På tilsvarende måte vil en tredelt utførelse med spolen inndelt i tre like buer ytterligere redusere den radielle forskyv-ning som kreves for tilbaketrekning. Dette blir en viktig vurdering ved applikasjoner med store diametre. En ytterligere fordel ved delte spoler er at de tillater at aksielt innrettede opplagringer og aksler og/eller veggoppstivere posisjoneres på innsiden av arbeidsstykkene, noe som vil væ-re fordelaktig ved applikasjoner som involverer store diametre eller rør med tynne vegger.

Figur 4 viser et tverrsnitt av et typisk apparat 18 for faststoffsveiseprosessen ifølge foreliggende oppfinnelse for å tilveiebringe rørledningskonstruksjoner der arbeidsstykkene allerede er på plass for sveising. Det stasjonære arbeidsstykket 11 på høyre side er klemt fast i en selvkilende chuck 19 som trekkes inn i en stasjonær chuck 20 ved hjelp av en rekke indre hydrauliske stempler 21 som er bygd inn i chucken som i sin tur er fast anordnet i maskinrammen 22. Aksiell innretning av det stasjonære arbeidsstykket langs senterlinjen 23 skjer ved hjelp av sentrerende sadler 24 som drives av hydrauliske stempler 25, som glir i sylinderet 26 som er fast anordnet i maskinrammen 22. Det roterende arbeidsstykket 10 på venstre side klemmes i en selvkilende chuck 27, som trekkes inn i en roterende chuck 28 ved hjelp av en rekke indre hydrauliske stempler 29 som er bygd inn i chucken og som i sin tur en festet til et stort drivhjul 30. Chucksammenstillingen som roterer i opplagringene 31 drives ved hjelp av en eller flere girmotorer 32 som befinner seg rundt perimeteren av drivhjulet 30 via pinjonghjul 33. For å sikre den riktige aksielle innretning av det roterende arbeidsstykket, føres et sett av stabile opplagringer 34 i kontakt med den ytre flate av arbeidsstykket et stykke uten-bords fra den roterende chuck. Andre organer for mekanisk kraftoverføring, så som rullekjeder og tannhjul, kan alternativt brukes i stedet for girene 30 og 33. Et flertall små girmororer kan på samme måte erstattes med en enkel, høymo-ments, hulakslet, direktedrevet motor med stor diameter, koplet direkte til rotasjonschucken med den resulterende fordel at antall bevegende deler reduseres.

Samtidig med aksellerasjonen av det roterende arbeidsstykket 10, tilføres elektrisk kraft induksjonsspolen 9 via fleksible, koaksiale eller parallelle, høyfrekvente kraftkabler 35, noe som fører til at de nabobeliggende endene av arbeidsstykkene 10 og 11 varmes raskt opp til varmebearbeidingstemperaturen for den bestemte legeringen. Elektrisiteten tilfø-res normalt induksjonsspolen ved en frekvens i området fra 10 kHz og 100 kHz og ved et kraftnivå som er tilstrekkelig til å varme opp arbeidsstykkene til varmebearbeidingstempe-råturen på mindre enn 60 sekunder. Det er generelt ønsket å utføre oppvarmingen til varmebearbeidingstemperaturen innen 10 til 15 sekunder for å minimalisere varmetapet og maksima-lisere produktiviteten. Utvelgelsen av operasjonsfrekvensen bestemmes ved den nedre ende av en utilstrekkelig hudvirk-ning for å begrense oppvarmingen til pasningsflatesonene og/eller ueffektiv motstandsoppvarming dersom oppvarmings-dybden er for stor. Ved den øvre ende av dette frekvensområ-det er det to faktorer som virker begrensende. Den første er den økte vanskeligheten for effektiv overføring av høye kraftnivåer ved slike frekvenser. Den andre er at dette er den øvre grense for de fleste faststoffsveiseinvertere. Frekvenser over 100 kHz krever selv bruken av rørinvertorer, men disse er mindre effektive og upålitelige for de fleste kommersielle applikasjoner. En praktisk og for tiden foretrukket operasjonsfrekvens er derfor omtrent 25 kHz. Aksel-lerasjonshastigheten til det roterende arbeidsstykket 10 er utformet for å føre den til smihastighet innen den tidsperi-ode som ikke overstiger tiden -som kreves for induksjonsspolen og varme opp pasningsflaten til varmebearbeidingstemperaturen. Dette er den første av to faktorer som bestemmer størrelsen av drivmotoren(e) 32 som kreves.

Når smihastigheten og varmebearbeidingstemperaturen er oppnådd samtitid, tilbaketrekkes umiddelbart induksjonspolen 9 fra operasjonsposisjonen mellom arbeidsstykket, til standby-posisjonen rett utenfor den ytre diameter av arbeidsstykkene ved hjelp av et pneumatisk stempell 36. Så snart induksjonsspolen 9 er trukket ut fra rommet mellom de motstående endene av arbeidsstykkene, dytter hovedsmirambukken 37 rammen 38 på parallelle aksler 39 mot det stasjonære arbeidsstykket med den påkrevde kraft per enhet arbeidsstykketverrsnitts-areal. For vanlige ståltyper er det normale smitrykket omtrent 1240 bar og verdiene for andre metaller og legeringer er kjent av fagmannen. Dette får det roterende arbeidsstykket til å deaksellerere raskt og stoppe hvorpå smitrykket raskt kan økes for å forbedre den endelige sveisekvaliteten og sikre at sveisgrensesnittet kjøler ned til under varmebearbeidingstemperaturen før smitrykket frigjøres. Samtidig med at rotasjonen stopper, stenger kraften til drivmotoren (e) 32. Denne fasen av prosessen er den andre faktoren som bestemmer den minste størrelsen av drivmotoren. Såfremt ikke svinghjulene er festet til chucksammenstillingen 27, så må motoren(e) 32 ha tilstrekkelig kraft til å rotere arbeidsstykket mot friksjonsmotstanden som genereres av ho-vedsmirambukkene for opptil fire omdreininger.

For å klargjøre for neste sveisesyklus, reverseres de indre hydrauliske stempler 21 og 29 i chuckene slik at chuckene 19 og 27 drives fra arbeidsstykkene. Sentreringssadlene 24 og de stabile lagrene 34 trekkes tilbake slik at faststoffsveiseapparatet 18 kan beveges mot venstre inntil den venstre ende av det tidligere roterende arbeidsstykket 10 er innret-tet noe til høyre for induksjonsspolen 9.

Figur 5 viser skjematisk hvordan faststoffsveising på stedet ved feltaksellerasjoner så som rørledningskonstruksjon utfø-res. Faststoffsveiseapparatet 18, høyfrekvensinverteren 40, den variable frekvensdrivenheten 41 og den logiske styreen-het 42 er permanent anordnet på en skliramme eller et lek-terdekk. En sklirammeanordnet generatorpakke 43 tilveiebringer elektrisk kraft til faststoffsveisesystemet og er utstyrt med en generator 44 med tilstrekkelig størrelse til å gi nok rotorinverti for å tilføre induksjonskraftspissbe-lastningene og motormomentkravene. Alternativt kan en mindre generator brukes dersom den omfatter et overdimensjonert svinghjul 45. Generatoren drives av en hovedmotor 46, typisk en dieselmotor. Trefaset, 60 Hz kraft føres fra generatoren via den ordinære kraftkabelen 47 til variabelfrekvensdriven-heten 41, der den rettes opp og inverteres for å tilveiebringe trefaset kraft av variabel frekvens til drivmotoren (e) på innsiden av faststoffsveiseapparatet via kraftkab-lene 48. Den trefasede, 60 Hz kraften fra generatoren 43 fø-res også til inverteren 40 ved hjelp av den ordinære kraft-kablen 47. Den enkeltfasede, høyfrekvente kraften fra inverteren 40 overføres til induksjonsspolen 9 via koaksiale kabler 49. Den mikroprosessorbaserte, logiske styreenheten 42 mottar tilbakemeldingssignaler fra faststoffsveiseapparatet 18 via signalledninger 50, fra inverteren 40 via signalvaierene 51, fra varialbelfrekvensdrivenhet 41 via signalvaieren 52 og fra generatoren 44 via signalvaierene 53 og tilbakefø-rer kommandosignalet til de samme fire utstyrsenhetene for å synkronisere funksjonene som beskrevet under henvisning til fig. 4. Skjermgassen tilføres fra kompresjonsgassylindre 54 gjennom slange 55. I applikasjoner som krever store mengder nitrogen eller andre skjermgasser, kan alternative kilder så som ballonger med flytende nitrogen eller nitrogengenerato-rer av molekylsikttypen på stedet brukes.

Claims (21)

1. Fremgangsmåte ved faststoffsveising for sammenføyning av tilsvarende metalldeler (10, 11), der metalldelene har motstående, generelt plane og parallelle overflater, idet fremgangsmåten omfatter de følgende trinn: først å varme opp de motstående overflater av metalldelene (10, 11) med en høyfrekvent induksjonsoppvarmer (9) til en første temperatur generelt over rekrystallise-ringspunktet for metalldelene i en ikke-oksiderende atmosfære ved å plassere den høyfrekvente induksjonsoppvarmer (9) mellom de motstående overflater, å kontinuerlig bevege i hvert fall en av delene i forhold til de andre av delene generelt parallelt med de motstående plane og parallelle overflater, å føre de motstående overflater av delene (10, 11) sammen med et aksielt trykk mens i hvert fall en av delene fortsatt beveges for å faststoffsveise de motstående overflater av metalldelene (10, 11) sammen, hvor minst omtrent 90% av sveiseenergien tilføres av nevnte høyfrekvente in-duks jonsoppvarmer (9) og resten av sveiseenergien tilføres ved konvensjonell friksjonssveising, og hvor et kombinert lengdetap av metalldelene resulterende fra utflytning er mindre enn 0,5 aksiale mm per mm veggtykkelse (0,2 aksiale tommer per tomme) av metalldelene.

2. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å varme opp nevnte motstående overflater til varmebearbeidingstemperaturen innen omtrent 30 sekunder.

3. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å rotere minst én av delene (10, 11) ved en initiell pe-rimeterhastighet på omtrent 1,23 m/sek (4 ft/sek) ved et tidspunkt når de motstående metalldelene kontakter hverandre.

4. Fremgangsmåte ved fastsstoffsveising som angitt i krav 3, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å aksellerere minst én av delene (10, 11) til en rotasjonshastighet tilsvarende omtrent 1,23 m/sek (4 ft/sek) enten før eller under induksjonsoppvarmingstrinnet.

5. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å sveise de motstående overflater av metalldelene (10, 11) sammen i omtrent ett sekund, etterfulgt av oppvarming og det å opprettholde den aksielle kraft i ytterligere fem sekunder.

6. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å rotere i hvert fall en av delene og sveise de motstående overflatene av metalldelene (10, 11) sammen innen mindre enn omtrent fire omdreininger etterfulgt av oppvarming og det å opprettholde den aksielle kraft til temperaturen av sveisen faller under den første temperaturen.

7. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å induksjonsoppvarme de motstående overflater til den første temperaturen innen omtrent 10 sekunder.

8. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å varme opp de motstående overflater av metalldelene (10, 11) ved hjelp av en induksjonsoppvarmer (9) ved en frekvens omtrent 20 kilohertz eller høyere.

9. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å varme opp de motstående overflater av metalldelene (10, 11) ved hjelp av en induksjonsoppvarmer (9) ved en frekvens på omtrent 20 kilohertz eller høyere slik at induksjonsoppvarmingen begrenses til omtrent de første 1,27 mm (0,050 tommer) eller mindre av de motstående overflater av metalldelene (10, 11).

10. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det å overstrømme de motstående overflater av metalldelene (10, 11) med et ikke-reaktivt fluid (14) mens de motstående overflatene varmes opp med en induksjonsoppvarmer (9) til den første temperaturen.

11. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten ytterligere omfatter det trinn å overstrømme de motstående overflater av metalldelene (10, 11) med en ikke-oksiderende gass (14) som primært omfatter nitrogengass mens de motstående overflatene varmes opp ved hjelp av en induksjonsoppvarmer (9) til den første temperaturen.

12. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten ytterligere omfatter det trinn å forhåndsbelegge de motstående overflater av metalldelene (10, 11) med en beskyttende barrieresubstans.

13. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, ytterligere karakterisert ved at fremgangsmåten ytterligere omfatter det trinn å holde de motstående overflater i en hovedsakelig vakuumatmosfære.

14. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter det trinn å induksjonsoppvarme de motstående overflater til Curie-temperaturen på mindre enn omtrent 10 sekunder.

15. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å varme opp de motstående flater i et vakuum ved hjelp av en induksjonsoppvarmer (9) til den første temperaturen.

16. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å forhåndsbelegge de motstående overflater med et mindre enn 0,025 mm(0,001 tomme) tykt metallurgisk kompatibelt metall, for eksempel et rent aluminiumsbelegg for jernbaserte metalldeler, mens de motstående overflater til varmebearbeidingstemperaturen av metalldelene oppvarmes ved hjelp av en induksjonsoppvarmer (9) til den første temperaturen.

17. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å induksjonsoppvarme omtrent 1,27 mm (0,0500 tommer) eller mindre av de motstående overflater av metalldelene (10, 11) med den høyfrekvent induksjonsoppvarmer (9) med en frekvens på 8 kilohertz eller større mens de motstående overflater av metalldelene overstrømmes med en ikke-oksiderende gass (14).

18. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å fjerne den høyfrekvente induksjonsoppvarmeren (9) fra mellom de motstående overflater av nevnte metalldeler (10, 11) før de motstående overflater av delene føres sammen.

19. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at i hvert fall omtrent 90% av sveiseenergien tilføres ved hjelp av den høyfrekvente induksjonsoppvarmer (9) og resten av sveiseenergien tilføres ved hjelp av konvensjonell kinetisk energi.

20. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 1, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å kontinuerlig bevege den ene av delene (10, 11) med en sirkelbevegelse.

21. Fremgangsmåte ved faststoffsveising som angitt i krav 17, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter å bevege minst en av delene med en resiprok bevegelse.