SE446515B - Ett forfarande for diffusionssvetsning - Google Patents

Description

446 515 Trots detta är det ett ändamål med föreliggande uppfinning att anpassa ett förfarande av ovan nämnda typ för framställ- ning av en rörledning för havstransport av gas och olja. Fram- ställning av sådana rörledningar göres i dag genom samman- svetsning av rörsektioner manuellt eller med automatisk ut- rustning med C02 ombord på ett utläggningsfartyg. Vanligtvis sker svetsningen av rören samtidigt vid flera stationer för ökning av utläggningshastigheten. Av praktiska skäl är sta- tionerna placerade på en horisontell linje och flera svetsare kan svetsa samtidigt på varje station. Det färdiga röret släp- pes ut bakom utläggningsfartyget över en s.k. "gadd" (“stinger"), som hindrar röret från att brytas direkt bakom utläggningsfartyget och som löper i en S-formad kurva ned mot havsbottnen. En viss spänning upprätthålles i den utlagda rör- ledningen och för detta ändamål måste utläggningsfartyget ha ankaren, med hjälp av vilka det drages framåt under utlägg- ningen av rörledningen. Dessa ankare måste då och då föras framåt framför fartyget och för detta ändamål är det nödvän- I digt att använda hjälpfartyg.

Av olika skäl skulle det vara önskvärt att kunna föra rörled- ningen allmänt vertikalt nedåt från utläggningsfartyget så att rörledningen skulle löpa i en enda böj ned mot havsbott- nen. Detta skulle bl.a. medföra bättre kontroll över spän- ningarna i den utlagda rörledningen och man skulle undvika ankare och hjälpfartyg och i stället kunna nöja sig med dyna- misk lägesinställning av utläggningsfartyget. Med rörled- ningen vertikalt orienterad ombord pâ utläggningsfartyget skulle det emellertid vara mycket svårt att använda mer än en svetsningsstation. Med nuvarande långsamma svetsningsför- faranden skulle detta därför ej ge tillräcklig utläggnings- hastighet för att vara av praktiskt intresse.

Enligt föreliggande uppfinning âstadkommes ett förfarande, som gör det möjligt att förbinda tvâ rörsektioner så snabbt att tillräcklig utläggningshastíghet kan erhållas för använd- ning av vertikal orientering av rörledningen ombord på utlägg- ningsfartyget, varvid således uppnås de fördelar, som detta _. »xm- 40 446 515 medför.

Detta erhålles enligt uppfinningen genom ett förfarande av ovan nämnda typ, som kännetecknas av att fogen från början ges formen av ett hålrum eller kavitet, som har en allmänt ökande höjd från periferin mot mitten och förses med åtmins- tone en anslutande ledning, att fogens hålrum eller kavitet under upphettningen först förses med en inert eller reduce- rande spolgas, tills fogen är tätt sluten längs med sin pe- riferi, att fogens hålrum därefter eventuellt sättes under vakuum genom den anslutande ledningen och att fogen därefter pressas samman med en förbestämd hastighet för ytterligare diffusionssvetsning.

Med hjälp av den angivna formen på fogen erhålles högt yttryck längs med fogens periferi vid början av förfarandet. Diffu- sion kan därefter börja längs med periferin vid sådana låga temperaturer,'att oxidation av ytorna undvikes. Spolning med inert gas förhindrar tillträde av syre så att oxidation förhindras. Om en reducerande gas användes, kan man avlägsna oxider, som tidigare har bildats på fogens ytor. Efter till- slutande av fogen längs med periferin på detta sätt, som kom- mer att visa sig genom att spolgasen ej längre utströmmar, kan man ansluta den anslutande ledningen till en vakuumkälla så att fogen sättes under vakuum. Detta kommer att avlägsna återstående gaser och bringa oxider och andra föroreningar att dissociera till en viss grad vid ökning av temperaturen. Ge- nom att anpassa temperaturen och trycket slutes samtidigt fo- gen snabbt, varpå fullständig diffusionssvetsning kan äga rum på kort tid. Snabb sammanpressning är fördelaktigt då den ger högre tryck inom fogomrâdet, vilket beror på att materia- lets kryppåkänning ökas med deformationshastigheten.

Enligt ett fördelaktigt kännetecken på uppfinningen förses åtminstone en av bíndningsytorna i fogen med tandningar längs med perifierin. Dessa kommer att säkerställa tillräckligt ut- strömmande av spolgas under de tidigare faserna av samman- fogningen.

Vidare är det fördelaktigt att förse åtminstone en av bind- 446 515 ningsytorna i fogen med en konkav form. Därigenom erhålles en fördelaktig tryckfördelning under den slutliga sammanpress- ningen av delarna, varigenom erhålles ett säkerställande av att fullständig smältning erhålles längs med hela fogen.

En ytterligare fördelaktig form på fogen erhålles om åtminsto- ne den ena, företrädesvis båda bindningsytorna giveszkonisk form. Den koniska formen är lättare att maskinframställa på tillräckligt exakt sätt och om båda ytorna är koniska, den ena konvex och den andra konkav, kommer man att erhålla en effekt med automatisk inriktning mellan delarna då dessa pres- sas samman. En sådan form kommer även att ge god säkerhet för fullständig smältning.

För ökning av kontakttrycket inom fogområdet under sammanpress- ning föreslås enligt uppfinningen minskning av tvärsnittet på delarna inom fogområdet. Därigenom erhålles ett tryck inom fog- området, som är flera gånger högre än den enaxliga krypspän- ningen i materialet vid rådande temperatur, vilket resulterar i snabbare och bättre diffusion.

Flera inerta spolgaser kan användas, men helium föredrages då den under sin framställning nedkyles till en sådan tempe- ratur, att den är praktiskt taget garanterat fri från syre.

Vidare kan kommersiellt tillgängliga och tillförlitliga helium- detektorer användas för kontroll av att fogens periferi är helt sluten innan vakuum anbringas.

Om man i stället använder en reducerande gas för spolning, kommer väte att vara mycket fördelaktig. Den kommer ej endast att avlägsna varje oxidskikt, utan kommer även att möjliggöra visuell observering av om fogen är sluten, eftersom eventuellt läckande väte kommer att brinna på ytan. Väte har ej några skadliga effekter på stål med relativt mjuk struktur som skall sammanfogas enligt förfarandet.

Enligt uppfinningen föreslages även att man förser fogen med en aktiverande legering, bl.a. 60[40-palladium/nickel. Denna 446 515 legering kan införas såsom en tunn remsa eller möjligen an- bringas på den ena eller båda bindningsytorna med hjälp av elektroplätering. Detta kommer bl.a. att resultera i minskad diffusionstid.

Den anslutande ledningen för tillförsel av spolgas eller av- lägsnande av gas för âstadkommande av vakuum kan fördelaktigt anordnas i den ena delen, som skall sammanfogas, företrädes- vis nära dess periferi. Härigenom kan ledningen tilltäppas omedelbart efter diffusionssvetsningen med hjälp av en djup svetselektrod eller plasma-Tig-svetsning, medan temperaturen på delarna fortfarande är tillräckligt hög, t.ex. 400-600°C.

Uppfinningen kommer att ytterligare åskådliggöras med hänvis- ning till de exemplierande utföringsformerna, som visas på de åtföljande ritningarna.

Fig. 1 och 2 visar en första utföringsform av tvâ delar vid begynnande respektive avslutad diffusionssvetsning.

Fig. 3 och 4 visar en andra utföringsform av de tvâ delarna vid begynnande respektive avslutad diffusionssvetsning.

Fig. 5 och 6 visar en ytterligare exemplifierande utförings- form av tvâ delar vid begynnande och avslutad diffusionssvets- ning.

Fig. 7 visar delarna i fig. 6 efter ytterligare sammanpress- ning.

Motsvarande delar har givits samma hänvisningsbeteckningar på alla figurerna.

Fig. 1 visar ett snitt genom ett material av två delar 1 och såsom ST S2-3.

Fig. 1 kan även betraktas så att den visar ett axiellt snitt 2, som kan vara bultar av konstruktionsstål, genom ett tjockväggigt rör, varvid rörets axel är till vänster på figuren. Mellan delarna 1 och 2 bildas en fog, som avgrän- 446 515 sas av en konkavt böjd bindningsyta 4 på delen 1 och en plan bindningsyta 5 på delen 2. En anslutande ledning 6 är anord- nad i delen 1, varvid ledningen mynnar i hâlrummet 3 i fogen och med sin andra ände kan anslutas alternativt till en käl- la för spolgas och en vakuumkälla (visas ej). Pilarna F anger en variabel sammanpressningskraft, medan den klockformiga kurvan till vänster om delarna 1 och 2 anger den axiella tem- peraturfördelningen i delarna.

Dâ delarna skall sammanfogas bringas de först till den posi- tion, som visas pâ fig. 1, och utsättes för en lämplig samman- pressande kraft F. Denna kraft kan alstras med hjälp av en enkel pressanordning (visas ej), som exempelvis kan omfatta en spännring på vardera av delarna 1, 2, varvid spännringarna är sinsemellan sammanbundna med hjälp av hydrauliska cylind- rar. Andra former kan naturligtvis utnyttjas, beroende pâ form och tvärsnitt på delarna. Därpå börjas upphettningen, exempel- vis med hjälp av en induktionsslinga (visas ej). Samtidigt tillföres spolgas genom den anslutande ledningen 6. Spolgasen kommer först att läcka ut längs med periferin 7 för fogen be- roende pâ mindre oregelbundenheter eller tandning på bindnings- - ytorna i fogen. Ändamålet med spolningen är att hålla syre borta från fogytorna för.att förhindra oxidering av dessa under upphettning, möjligen även att avlägsna oxider, som redan kan finnas närvarande. Oberoende av hur väl bindnings- ytorna 4, 5 har rengjorts före svetsning kommer till och med en kort exponering för luftens syre att förorsaka ett oxid- skikt med en tjocklek av storleksordningen 350 - 1 000 Ang- ström, beroende på lufttemperatur och fuktichet.

Då materialets temperatur nära periferin 7 på fogen har nått 600 - 800°C, t.ex. med en temperaturfördelning såsom visas till vänster på fig. 1, kommer diffusion att äga rum mellan 'delarna 1, 2 under en lämplig sammanpressande kraft F så att fogen 3 slutes längs med periferin 7. Detta kan registreras på flera sätt, exempelvis genom att gas ej längre läcker ut från fogen eller genom att ett tryck lagt pâ hålrummet 3 i fogen ej längre minskar. 446 515 Då fogen således slutes längs med sin periferi 7 anslutes den anslutande ledningen 6 till en vakuumkälla, som därefter 4 torr. Samtidigt ökas minskar hålrummets 3 tryck till ca 10- temperaturen på delarna 1, 2 såsom schematiskt föreslås genom kurvan till vänster om fig. 2 till en maximitemperatur av ca 1350°C. Med en lämplig sammanpressande kraft kommer fogen 3 att slutas inom nâgra sekunder. Detta resultat visas schema- tiskt på fig. 2. Fullständig diffusionssvetsning kommer att äga rum under loppet av 15 ~ 30 minuter. (Emellertid har man erhållit fullständig svetsning på diffusionstider så korta som 8 minuter vid ca 1350°C.) Därefter kyles delarna i lugn luft ned till ca 600°C, vilket tar ca 4 minuter för en materialtjock- lek av 40 mm. Vid denna temperatur kan den anslutande led- ningen tilltäppas, bl.a. med hjälp av en djupsvetsningselektrod eller plasma-Tig-svetsning.

Fig. 3 visar tvâ delar 1 och 2 med samma allmänna yttre form som på fig. 1. Emellertid har svetsfogen 3 en annan form, varvid bindningsytorna 4 och 5 båda är koniska, den ena kon- kav och den andra konvex. Toppvinklarna är olika så att fogen kommer att ha ökande tjocklek mot mitten. Avståndet mellan spetsarna på fogytorna kan uppgå till ca 10 % av tjockleken _ på delarna 1, 2. Den koniska formen på bindningsytorna 4, 5 gör att delarna 1, 2 blir automatiskt inriktade då de pressas» samman. Den koniska formen hjälper även till att undvika otill- räcklig diffusion i mitten av fogen såsom lätt kan hända om den nedre bindningsytan 5 är plan och den övre bindningsytan 4 koniskt konkav.

I övrigt äger sammanfogningen av delarna 1, 2 rum på samma sätt som angivits med avseende på fig. 1 och 2. Slutresultatet visas schematiskt på fig. 4.

Trycket under diffusionssvetsningen utgör en mycket viktig parameter, som är svår att reglera. Enligt den tidigare nämnda Welding Handbook antages att trycket ej kan bringas högre än materialets enaxliga krypspänning vid rådande temperatur vid vilken som helst tidpunkt utan användning av formar för att 446 515 förhindra flytning. Användningen av sådana formar är skrym- mande och medför ökad kostnad och vid vissa tillämpningar kan sådana formar ej användas på grund av svårâtkomlighet. Då diffusionens hastighet i allmänhet ökar med kvadraten på trycket kan man genom ökning av trycket till dubbla eller tredubbla krypspänningen bringa diffusionstiden ner till ca 1/4 respektive 1/9 av motsvarande diffusionstid för det en- axliga trycket. Alternativt skulle man kunna tillåta avsevärt mycket mera oxider på fogytorna och därigenom möjligen ute- sluta spolning av fogen med reducerande gas.

För att erhålla sådana höga tryck försöker man enligt uppfin- ningen att âstadkomma en treaxlig tryckbetingelse inom fogom- rådet. Det är känt att vid draghâllfasthetsprovning av tjockare provstavar kommer en sammandragning att ske genom skjuvdefor- mation, varvid ett klyvningsbrott slutligen äger rum i mitt- zonen. Detta klyvningsbrott förorsakas av att den axiella spänningen i mitten är mycket högre än materialets sträck- gräns, varvid materialet pâ båda sidor om sammandragningen håller tillbaka med hjälp av radiella spänningar. Av denna anledning ökar den axiella spänningen, varvid flytningen av- tager då skillnaden mellan den axiella spänningen och den radiella spänningen blir mindre än flytspänningen (Trescas princip).

Enligt uppfinningen försöker man att använda det treaxliga fenomenet genom att förse delarna 1, 2 med en väsentlig sam- mandragning i fogomrâdet i jämförelse med det angränsande materialet. Ett exempel fiärpâ visas på fig. 5. I detta exem- pel användes väte såsom spolgas, vilket visar sig genom elds- lågor visade längsmed fogens periferi.

Då lågorna försvinner vet man att fogen är sluten, dvs. man behöver ej använda någon_form av detektionsutrustning i detta sammanhang. Då fogen har reducerats och slutits längsmed kan- ten kommer anbringande av den hela sammantryckande kraften att bringa fogen att slutas under en mycket komplicerad spän- ningsbild av dynamisk typ. Den treaxliga tryckbetingelsen ' 446 515 exakt vid tillslutningsmomentet kommer, beroende på samman- dragningen och det relativt kalla omgivande materialet, att ge tvärgâende påkänningar i fogen, som är 5 - 6 gånger kryp- spänningen för lika tjocka delar. Denna situation åskådlig- göres på fig. 6. Härefter pressas delarna samman med en rela- tivt måttlig kraft tills de har erhållit ungefär samma tvär- snitt över hela längden, såsom antydes på fig. 7.

Således har man erhållit korrekt form i de svetsade delarna utan användning av en yttre form, ett mycket högt kontakttryck i den avgörande fasen och en fördelning av eventuellt närva- rande oxider till dubbla området eller mer, med motsvarande uttunning av oxidskiktet och ökande sfärisk omvandling, omfat- tande accelererad omkristallisation.

Då den önskade tjockleken har uppnåtts kan den sammanpressande kraften avlägsnas och diffusionstiden och -temperaturen hållas tills de återstående porerna har slutits genom omkristallisa- tion. Om en mycket snabbare sammanfogning önskas kan denna erhållas genom elektroplätering av fogytorna eller genom in- förande i fogen av en remsa av aktiverande legering, t.ex. av typen Pd/Ni 60/40.

Beroende på de mycket höga spänningarna, som uppträder i fog-- området då detta är sammandraget, såsom visas på fig. 5, an- tager man att den ursprungliga formen på fogen och den före- gående bearbetningen av fogytorna är mindre kristiska.

Provningar utförda med förfarandet enligt uppfinningen genom användning av bultar av konstrukticnsstâl ST 52-3 med en dia- meter av 40 mm har givit utmärkta resultat med avseende på exempelvis duktilitet och draghållfasthet. Mer än 60 % töj- ning har uppmätts inom det svetspåverkade grundmaterialet för bultar, som har höjts till hârnålsform. Brottytan visade väsentligen skjuvbrott.

Det underförstâs att uppfinningen även fördelaktigt kan an- vändas för andra ändamål än framställning av stora rörled- 446 515 ningar. Exempelvis kan den användas vid svetsning av förbind- ningspunkter i balkförband för broar och havskonstruktioner.

Såsom omnämnes ovan kan tandning användas på en eller båda bindningsytorna i fogen längs med deras periferi för erhål- lande av en viss utströmning av spolgas under svetsningens första faser. I vissa fall kan det vara fördelaktigt att an- vända en lätt räffling på hela bindningsytan. Sådan räffling ger ett eko under senare ultraljudsprovning om förbandet ej är helt sammansmält.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 446 515 11 Patentkrav

1. Förfarandee för sammanfogning av delar (1. 2) av metall genom díffusionssvetsning. omfattande följande steg: (4. 5) på åstadkommande av en fog (3) mellan motsatta bíndníngsytor resp. delar (1. 2). som skall sammanfogas. upphettníng av delarna (1. 2) till en förbestämd temperatur åtminstone inom de områden, som gränsar till fogen (3), ÖeSSä. k ä n n e t e av ett hålrum förhíndning av delarna (1, 2) genom sammanpressning av och kylning av delarna. c k n a t av att fogen från början ges formen eller kavitet (3) med allmänt ökande höjd från periferin (7) mot mitten och förses med åtminstone en anslu- tande ledning (6). att hålrummet eller kaviteten (3) i fogen under upphettningen först förses med en ínert eller reduce- rande spolgas tills fogen är tätt sluten längs ned periferin (7), att hålrummet eller kaviteten (3) 1 fogen därefter even- tuellt sättes och att fogen under vakuum över den anslutande ledningen (5) därefter sammanpressas med en förbestämd hastig- het för ytterligare diffusionssvetsning.

2. Förfarande åtminstone en form.

3. Förfarande åtminstone en form.

4. Förfarande enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att av bíndníngsytorna (4) 1 fogen ges en konkav enligt krav 1. k ä n n e t e c k n a t av att av bíndníngsytorna (4) i fogen ges en konisk enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att 10 15 20' 446 515 12 båda bindníngsytorna (4. 5) i fogen ges en konisk form. den ena (4) konkav och den andra (5) konvex.

5. Förfarande enligt något av kraven 1 - 4, k ä n n e - t e c°k n a t av att nelíum användes såsom den ínerta gasen.

6. Förfarande enligt något av kraven 1 - S, k ä n n e - t e c k n a t av att väte användes såsom reducerande gas.

7. Förfarande enligt något av kraven 1 - 6. K ä n n e - t e c k n a t av att den anslutande ledningen (6) anordnas í en av delarna (1). företrädesvis nära dess periferi. k ä n n e - av att delarna (1, 2) i fogområdet ges minskat

8. Förfarande enligt något av kraven 1 - 7. t e_c k n a t tvärsnitt. k ä n n e - t e c k n a t av att fogen är försedd med en aktiverande

9. Förfarande enligt något av kraven l - 8, '1egeríng.

10. Förfarande enligt något av kraven l - 9. k ä n n e - t e c k n a t av att åtminstone en av bindníngsytorna (4. 5) i fogen âr räfflade eller tandade åtminstone vid periferín (7).