NO329186B1 - Anordning og fremgansmate for smi- og diffusjonssveising - Google Patents

Abstract

En anordning for å smisveise sammen langstrakte artikler slik som rør. I tillegg til elektrodesammenstillingerfor å varme opp artikkelendene med høyfrekvent resistiv oppvarming, inkluderer anordningen en spole for induksjonsoppvarming av artiklene før eller etter sveising, så vel som midler for å avkjøle sveisesømmen.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører sveising av artikler generelt, og særlig sveising av hele og hule seksjoner slik som oljerør og vannrør.

Teknisk bakgrunn

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for smisveising eller diffusjonssveising av to eller flere metalldeler, hvor minst en skjøt etableres mellom motstående flater på delene som skal skjøtes. En slik fremgangsmåte kalt skjermet aktiv gass smisveising (SAG-FW for Shielded Active Gas Forge Welding) som er kjent fra, og i stor utstrekning definer ved, US-patentene 4 669 650 og 4 736 084 inkluderer de følgende trekk:

1. Smiprosessen består av fire hovedtrinn hvor metalldelene blir:

a. oppvarmet elektromagnetisk til høye lokale temperaturer,

b. brakt hurtig i nær kontakt,

c. smidd sammen inntil det er etablert en metallisk forbindelse, og

d. avkjølt ved konveksjon, stråling og konduksjon.

2. Metalldelene har blitt nøyaktig formet slik at det vil være et fordelaktig triak-sialt stressforhold så vel som et høyt optimalt kontakttrykk i volumet nær sveisen under smiing. 3. Delen oppvarmes, fortrinnsvis ved direkte høyfrekvens resistiv oppvarming, slik at overflatetemperaturen er optimal for materialet som skal sveises og slik at temperaturgradienten fremmer en ønsket modus av plastisk deformasjon. 4. En reduserende gass føres mellom overflatene av delene som skal sveises slik at oksyder som er skadelige for kvaliteten av sveisen blir fjernet før sveising/fusjon.

Fordelene med fremgangsmåten for smi- eller diffusjonssveising beskrevet i de ovenfor nevnte patenter er den høye hastigheten som sveisingen kan utføres med. Hele sveisesyklusen kan vare mindre enn et minutt for lett sveisbare ståltyper. Vi-dere er det ikke behov for kostbar maskinering eller annen type trimming av dele-nes form etter sveising siden de ytre overflater av de sammenknyttede delene kan være fullstendig flat inntil sveisen. Det er også et potensial for en høy grad av pro-sesskontroll og dokumentasjon siden temperaturen blir mye bedre kontrollert enn for konvensjonelle sveisemetoder.

For å etablere en sveis av jevn kvalitet og form er det imidlertid viktig å kontrollere den viskoplastiske deformasjonen av materialet nøyaktig. Den viskoplastiske deformasjonen er i stor utstrekning kontrollert av temperaturfordelingen, som kan avvike fra det som er ønskelig i retningene normalt på og langs de skrå overflatene. Materialegenskapene kan også påvirke viskoplastisk deformasjon og være en årsak til variabilitet, som må oppdages og kompenseres for.

For å sikre den høyest mulige sveisekvalitet er det viktig å sikre at temperaturen av de skrå overflatene er innen et visst område. En for høy temperatur kan forårsake uønsket smelting eller for stor kornvekst mens en for lav temperatur uvergelig vil føre til utilstrekkelig reduksjon av overflateoksyder og dårlig binding. Uønskede materiaIfaseforskyvninger og sprøhet kan også være resultatet av dårlig tempera-turkontroll under oppvarming og avkjøling.

Varmetilførselen og kjøletiden etter sveising er direkte relatert til en gitt delgeometri og materiale hvis ingen spesielle inngrep blir implementert. En stor tilførsel av varme under oppvarmingstrinnet av prosessen vil frembringe en oppvarmet sone av stor utstrekning og forårsake sake avkjøling av materialet etter sveising. Dette kan være et problem, særlig når det sveises materialer som må bråkjøles og herdes for å etablere tilstrekkelig duktilitet for en gitt styrke.

Et annet problem oppstår under sveising av legeringer som krever kunstig sakte avkjøling etter spleising. Etter at sveisen har blitt etablert er det ikke gjennomfør-bart med eksisterende høyfrekvent resistiv oppvarmingsteknologi å påføre en strøm direkte for å hindre et skarpt temperaturfall. Dette vil bare forårsake kortslutning med strømmen løpende fra en av elektrodene til den annen elektroden på samme side av delen.

Med konvensjonelle metoder for smisveising og standardmetoden for høyfrekvent resistiv oppvarming, er det derfor vanskelig å kontrollere temperaturen og etablere optimale termiske forhold for plastisk deformasjon, fusjon og metallurgisk proses-sering på alle trinn og for ethvert gitt materiale og delgeometri. Det er derfor ønskelig med et system for overvåkning og kontroll av både temperatur og materialde-formasjon som effektivt avkobler oppvarming, sveising og avkjølingsfaser og gir prosessingeniøren større frihet.

Fra WO 99/12694 er det kjent en fremgangsmåte og anordning for diffusjonssveising ved hjelp av friksjon. Arbeidsstykkene kan forvarmes ved induksjon eller direkte elektrisk resistansoppvarming.

WO 03/055635 beskriver en fremgangsmåte og en anordning for sammenkobling av rør ved smisveising som omfatter oppvarming av rør som skal sveises med høy-frekvent elektrisk oppvarming, der det brukes minst tre elektroder som blir plassert ved perifert adskilte intervall mot veggene på rørene.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å frembringe en anordning og en fremgangsmåte for smisveising som tilfredsstiller de ovenfor nevnte behov.

Nærmere bestemt er det en hensikt med oppfinnelsen å tilveieringe en anordning som er enkel og hurtig å operere.

Omfanget av oppfinnelsen er definert i de vedføyde krav.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj ved henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er et perspektivbilde av en første utførelse av oppfinnelsen under induksjonsoppvarming av to rør,

Fig. 2 viser utførelsen i Fig. 1 under resistiv oppvarming av rørene,

Fig. 3 illustrerer etterfølgende kjøling av sveisen,

Fig. 4 illustrerer enda en utførelse av oppfinnelsen,

Fig. 5a og b er et skjematisk diagram av en mulig elektrisk krets for å drive den oppfinneriske sveiseanordningen.

Detaljert beskrivelse

Arrangementet for induksjonsoppvarming kan realiseres i minst to forskjellige utfø-relser: 1. En to-delt spole deler transformatoren som forsyner kontaktsammenstillingene. Dette illustreres i Fig. 3. Her er spoledelen 3b utstyrt med kontaktputer 13a, 13b. Under induksjonsoppvarming blir kontaktsammenstillingen 9 trykket mot kontaktputene 13a, 13b. Den annen kontaktsammenstillingen 8 trykkes mot tilsvaren-de kontaktputer på den annen spolehalvdelen 3a. Det er av stor fordel å unngå en dedikert transformator for å forsyne spolen, ettersom denne komponenten er stor og tar opp mye plass. Den er også kostbar. 2. En to-delt spole forsynt med strøm fra transformatoren(e) som forsyner kontaktsammenstillingene, hvor spolesegmentene er festet til tuppene av kontaktene. I dette tilfelle er det arrangert kontaktgap i spolen. Kontaktgapene lukkes før det tilføres strøm. Denne utførelsen er illustrert i Fig. 4.

Fig. 1-3 illustrerer en sveisesekvens som viser en utførelse av den oppfinneriske sveiseanordning i detalj. I den illustrerte utførelse blir det benyttet en to-delt spole, så vel som en separat kjølering. Kjøleringen 18 inkluderer et sentralt kammer 19 med et antall åpninger eller dyser 20 i den indre veggen. Pakninger 21, 22 er til-veiebrakt respektivt på den øvre og nedre delen av kjøleringen for å begrense området påvirket av kjølefluidet som avgis gjennom åpningene 20. kjøleringen 18 er montert sammen med induksjonsspolen, og ringen og spolen beveges som en en-het. Spolen forsynes med kraft fra transformatoren som mater kontaktsammenstillingene.

I Fig. 1 har en to-delt spole 3a, b blitt posisjonert utenfor spalten mellom de to rør-seksjonene 1, 2. Figuren viser at kontakter 17a, 17b i kontaktsammenstillingen 9 trykkes mot kontaktputene 13a, 13b. Slik sluttes spolekretsen gjennom kontaktsammenstillingene. Kraft tilføres gjennom kontaktene, og rørseksjonene varmes induktivt.

I Fig. 2 har kraft blitt fjernet og spoleseksjonene trukket tilbake i en radial retning av posisjoneringsinnretninger (ikke vist). Deretter har kontaktene i kontaktsammenstillingene blitt trykket mot rørseksjonene. Kraft har igjen blitt tilført. Denne gangen frembringes en lokalisert oppvarming av rørendene ved resistansoppvarming. En dor 23 på innsiden av rørene leverer et spylefluid gjennom spalten mellom rørendene. Spylefluidet virker særlig til å hindre dannelse av oksyder og for å redusere oksyder på rørendene.

I Fig. 3 har kontaktsammenstillingene 8, 9 blitt trukket tilbake og de varme rørene tvunget mot hverandre. Selve sveisingen er da fullført. Aktuatorer har posisjonert kjøleringen 18 utenfor sveisesømmen, og et kjølefluid leveres gjennom åpningene 20 for bråkjøling av området rundt sveisesømmen. Doren 23 har blitt omplassert inne i røret for å bringe åpninger 24 nær sveisesømmen. Åpningene 24 leverer et kjølefluid fra en kanal inne i doren, og er innrettet til å kjøle røret fra innsiden. Det er også mulig å ikke bevege doren før kjøling og bare bruke åpningene for den reduserende gassen å påføre kjølegassen internt.

I et etterfølgende trinn kan induksjonsspolen 3 bli posisjonert utenfor sveisesøm-men før en etter-sveise-behandling av røret. Doren 23 flyttes for å posisjonere en induksjonsspole 25 nær sveisesømmen. Sveisesømmen og det tilliggende området blir derfor varmet både fra innsiden og utsiden av røret. Tykkelsen av røret og ka-rakteristikkene til materialet bestemmer om det er nødvendig å bruke en intern spole i tillegg til en ekstern.

Legg merke til at før-sveise-trinnet, illustrert i Fig. 1, kan være nødvendig eller ikke avhengig av egenskapene til metallet benyttet i røret, som forklart tidligere. Av samme årsak er oppvarmingstrinnet etter sveising, så vel som kjøletrinnet illustrert i Fig. 3, opsjoner som kan utføres i enhver rekkefølge avhengig av effekten som ønskes av operatøren.

Oppfinnelsen tillater varmebehandling av metallet umiddelbart etter sveising som en integrert del av prosessen. Varmebehandlingen kan inkludere redusert avkjø-lingshastighet for å normalisere metallet, eller anløpning etter sveising og bråkjø-ling.

For noen materia kvaliteter vil forvarming med induksjonsspoler gi en temperatur-fordeling (mer vidt fordelt) som er bedre egnet for sakte plastisk deformasjon og etablering av mikrostruktur med små korn. Den forbedrede temperaturfordelingen inkluderer en mer jevn fordeling langs periferien av rørene.

I utførelser av den oppfinneriske anordning som inkluderer en dor posisjonert på innsiden av rørene, kan det oppnås en temperaturgradient mellom innsiden og utsiden av rørene som er gunstig for sveising av bi-metallrør.

Induksjonsspolen kan også brukes for å tørke artiklene før sveising.

Den kombinerte bruk av induksjon og resistiv oppvarming har en synergietisk effekt. Resistiv oppvarming tillater hurtig oppvarming og smiing med et smalt tempe-raturområde, dvs. tem peratu rom råde med en bratt temperaturgradient. Induktiv oppvarming oppnår et mer vidt fordelt tem peratu rom råde og er egnet for forvarming og varmebehandling. Ved å bruke en anordning som hurtig (0,5 - 2 sekun-der) skifter mellom induktiv og resistiv oppvarming, er det mulig å sveise og var-mebehandle rør suksessivt, og spleise rør som tidligere ikke kunne sveises på kort tid. Det er da nødvendig at anordningen inkluderer kjølemidler for bråkjøling. tidligere prosesser var meget tidsforbrukende, og var ikke egnet for å anvendes i en enkelt sveiseanordning.

I tillegg til trinnene med forvarming, normalisering og anløpning nevnt tidligere, kan rørene induksjonsoppvarmes under smitrinnet når rørene bringes sammen. Denne oppvarmingen kan utføres med spoler både på innsiden og utsiden av røre-ne. Deretter kan rørene avkjøles på en måte som er optimal for det aktuelle metall. Avkjølingstrinnet kan inkludere avkjøling i luft, hurtig bråkjøling ved å påføre gass eller væske gjennom en rekke dyser, eller redusert avkjølingshastighet ved samti-dig induktiv avkjøling med redusert effekt. I tilfelle det kreves anløpning, utføres dette ved induksjonsoppvarming til den passende temperatur (for eksempel 680 - 700 °C). Hvis det kreves en full syklus med varmebehandling, blir rørene induk-sjonsoppvarmet før materialet bråkjøles og anløpes. Fig. 4 viser en annen utførelse av oppfinnelsen. Her er spolen delt i fire segmenter, 71a-d. Hvert segment er montert på tuppen av en respektiv elektrode 72a-d. En liten stift stikker ut på innsiden av hvert spolesegment, og under resitiv oppvarming blir disse stiftene presset mot rørene 73, 74. For induktiv oppvarming blir spolesegmentene trukket tilbake en kort avstand for å bryte kontakten mellom stiftene og rørveggene. Deretter blir kortslutningsinnretninger (ikke vist) benyttet til å kort-slutte spolesegmentene ved utragende deler 75a-d. Kortslutningsinnretningene kan være solenoider som presser de utragende delene mot hverandre, eller solenoid-opererte kortslutningsstykker innrettet til å lukke gapet mellom de utragende delene 75a-d. Fig. 5a-b illustrerer en mulig krets for å drive de oppfinneriske anordningene, og særlig utførelsen av oppfinnelsen illustrert i Fig. 1-3. En høyfrekvensgenerator 81 mater to felttransformatorer 83a-b. Hver felttransformator 83a-b inkluderer to pri-mærviklinger, som er koblet i serie gjennom kondensatorene 82a-d. Fig. 5a viser kretsen under resistiv oppvarming, når kontakter eller elektroder 84a-d presses mot rørveggene. Kontaktene er tilknyttet transformatorenes sekundærviklinger, og fører strøm gjennom rørveggene.

I Fig. 5b har kontaktene blitt trukket tilbake fra rørveggene og i stedet koblet til to spolesegmenter 87, 88 for å slutte kretsen. Rørsegment 87 er på den synlige siden av rørene, mens segmentet 88 (vist som stiplet linje) er på den annen side av røre-ne. Oppsettet kan selvfølgelig tilpasses de andre utførelsene av oppfinnelsen disku-tert ovenfor. Flere ytterligere kontakter og spolesegmenter kan også brukes til sek-vensiell oppvarming av rørene i segmenter rundt deres omkretser.