ES2313017T3

ES2313017T3 - Procedimiento de formacion de una soldadu por introduccion con una etapa de desplazamiento por cizallado.

Info

Publication number: ES2313017T3
Application number: ES04737784T
Authority: ES
Inventors: Maurice William Slack; Daniel Mark Shute
Original assignee: Noetic Technologies Inc
Current assignee: Noetic Technologies Inc
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2009-03-01
Anticipated expiration: 2024-06-07
Also published as: ATE411867T1; US20060289480A1; AU2004245144A1; DK1631414T3; HK1094434A1; CA2526171C; CA2526171A1; CN1816412A; EP1631414A2; DE602004017305D1; WO2004108341A2; CN100519042C; NO20055504L; NO20055504D0; WO2004108341A3; AU2004245144B2; NO340168B1; WO2004108341B1; MXPA05013427A; US7348523B2

Abstract

Procedimiento de soldadura para unir piezas metálicas (1, 2), comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes: (a) disponer la primera y segunda piezas metálicas de trabajo (1, 2), presentando cada pieza de trabajo (1, 2) una superficie de contacto (12, 13) adaptada para realizar una unión de acoplamiento con la superficie de contacto (13, 12) de la otra pieza de trabajo (2, 1); (b) calentar las piezas de trabajo (1, 2) de modo que se eleve la temperatura en una capa caliente (5, 6) del metal adyacente a cada superficie de contacto (12, 13) hasta estar dentro del intervalo de trabajo en caliente del metal de base de las piezas de trabajo (1, 2); (c) desplazar las superficies de contacto (12, 13) para que entren en contacto de acoplamiento mientras se encuentran dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente; caracterizado porque (d) se aplica una fuerza axial de compresión a través de las superficies de contacto (12, 13), siendo suficiente dicha carga de compresión para impedir el deslizamiento relativo entre las superficies de contacto (12, 13) como respuesta a la imposición de una deformación transversal de cizallado suficiente para inducir una fluencia plástica en las capas calientes (5, 6); y (e) se impone un desplazamiento transversal de cizallado entre las piezas de trabajo (1, 2), siendo suficiente dicho desplazamiento de cizallado para provocar una deformación plástica de cizallado en el interior de las capas calientes (5, 6) para inducir la unión de las piezas de trabajo (1, 2) en la zona de contacto; de tal modo que se realiza una unión en estado sólido entre las piezas de trabajo (1, 2) sin un deslizamiento relativo significativo entre las superficies de contacto (12, 13).

Description

Procedimiento de formación de una soldadura por inducción con una etapa de desplazamiento por cizallado.

La presente invención se refiere a procedimientos de soldadura para unir piezas metálicas según el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 2 respectivamente, (véase por ejemplo, el documento WO 00/25973 A). En particular, la presente invención se refiere a un procedimiento para unir rápidamente piezas metálicas de trabajo que presentan unas superficies que se acoplan calentadas localmente, puestas en contacto en un entorno no oxidante o no pasivante, mediante la inducción de una unión mediante la introducción de una deformación por cizallado en el material adyacente a la interfaz de contacto.

Antecedentes de la invención

La tarea de unir o conectar segmentos de tubería es predominante en la construcción de pozos y tendidos de tuberías utilizados para la producción de petróleo y otros fluidos en depósitos. Los costes de fabricación y del control de calidad, y las propiedades técnicas de las uniones o conexiones creadas, proporcionan una motivación siempre actual para unas conexiones tanto más eficientes como más versátiles. Los requisitos medioambientales han servido para acentuar dichas exigencias ya que la mayor parte de las mismas son sistemas lineales con una escasa o nula redundancia para mitigar las consecuencias de un único fallo de una conexión.

En el caso de dichos productos tubulares, los procedimientos de unión empleados más corrientemente son la soldadura por arco en el caso de tendidos de tuberías y de conexiones roscadas para las envolturas para finalizar la perforación de los pozos. Ambos son procesos de fabricación de "punto único". En la soldadura por arco, el material del electrodo se deposita de un modo gradual, y las conexiones roscadas se forman mediante arranque gradual del material durante el mecanizado. Dichos procesos de punto único tienden a exigir inspecciones más detalladas y requieren unos tiempos de fabricación superiores a los de los procesos de unión "globales" tales como la soldadura por fricción. Además, la evolución reciente en la utilización de elementos tubulares expansionables para completar la perforación de los pozos, ha permitido que la demanda de las envolturas se satisfaga más fácilmente mediante conexiones soldadas más que con conexiones roscadas.

Estas y otras necesidades industriales, que se perciben desde hace tiempo, han motivado de este modo a los actuales inventores para trabajar en el descubrimiento de soldaduras cada vez más fiables, de alta calidad y rápidas.

Unos objetivos similares han motivado el desarrollo de otros procedimientos de soldadura tales como el "Method for Interconnecting Tubulars by Forge Welding" dado a conocer por Alford et al., en el documento WO 03/055635 A1 y el documento relacionado con el mismo: "Method for Joining Tubular Parts of Metal by Forge/Diffusion Welding" dado a conocer por Moe en la patente US nº 4.669.650. Dichos procedimientos pretenden extender los principios del forjado en estado sólido y de la soldadura por difusión para alcanzar unas uniones metalúrgicas con menores rebabas (es decir, material extrusionado) que las requeridas habitualmente en la soldadura por forjado y en menos tiempo que el requerido habitualmente para la soldadura por difusión, mediante la introducción de un fluido reductor de lavado. El fluido de lavado comprende un gas reductor tal como hidrógeno o monóxido de carbono, posiblemente mezclado con un gas no reactivo tal como nitrógeno, que se utiliza para recubrir los extremos acoplados de las piezas de trabajo, que se calientan localmente y a continuación se comprimen entre sí para formar una soldadura por forjado. El gas reductor en combinación con otros medios (por ejemplo, una baja concentración de vapor de agua) se entiende que reduce al mínimo la presencia de óxidos que en otro caso dificultarían la valoración y la calidad de la unión formada. Dichos procedimientos, aunque aparentemente permiten producir rápidamente soldaduras en estado sólido de alta resistencia, requieren sin embargo un cuidado máximo en el mantenimiento del grado de limpieza metalúrgica requerido para favorecer la unión, tanto por el corto periodo de tiempo en que la pieza de trabajo permanece caliente (algunos segundos) como sin una rebaba excesiva.

La unión por difusión (conocida asimismo como soldadura por difusión) se realiza habitualmente con tensiones inferiores a las que se requieren para producir una deformación macroscópica (es decir, por fluencia plástica) y en la mayor parte de materiales, comprendiendo los aceros al carbono, se requiere que las superficies en contacto se encuentren sustancialmente sin óxidos. La formación de la unión se produce a lo largo del tiempo (del orden de horas o minutos, y no de segundos) a una temperatura elevada (habitualmente superior a la mitad de la temperatura de fusión). Por el contrario, las soldaduras convencionales por forjado tales como las utilizadas corrientemente para producir productos tubulares ERW (soldados por resistencia eléctrica), no requieren el mismo grado de limpieza ni de tiempo para formar una unión, pero estas ventajas aparecen a expensas de requerir una fluencia plástica sustancial que genera un recalcado o una rebaba. A la temperatura de la soldadura por forjado, habitualmente dentro del intervalo de recristalización, esta fluencia plástica reduce la sensibilidad de la unión a la presencia de óxidos porque la gran deformación plástica asociada de los cristales del metal favorece la absorción y la ruptura de los óxidos, además de extrusionar una parte de los mismos en la rebaba que a menudo debe ser eliminada.

Visto en este contexto, resulta evidente que los procedimientos de soldadura explicados por Alford et al., y por Moe, aunque demuestran que las soldaduras rápidas de "calidad de difusión" pueden alcanzarse de un modo metalúrgico, son relativamente frágiles. Únicamente pueden presentar las ventajas de un tamaño de rebaba más pequeño en comparación con los requisitos de las formas habituales de la soldadura por forjado al proporcionar unas superficies de contacto extremadamente limpias, y únicamente pueden presentar la ventaja de un tiempo de unión más corto (comparado con los requisitos habituales de la soldadura por difusión) al introducir una deformación macroscópica plástica significativa; es decir, el tamaño de la rebaba.

Otro procedimiento de soldadura en estado sólido previsto para cumplir con las mismas necesidades de la industria es el "Procedimiento rápido de soldadura por fricción" dado a conocer por Lingnau en la solicitud de patente PCT/US99/25600, titulada "Improved Method of Solid State Welding and Welded Parts". Esta referencia da a conocer un procedimiento de soldadura por fricción modificado en el que la mayor parte de la energía suministrada para calentar las piezas de trabajo a la temperatura elevada de trabajo se suministra mediante un precalentamiento por inducción (en un entorno no oxidante), más que únicamente por la energía cinética como en el caso de la soldadura por fricción convencional. Dicho procedimiento, tal como está descrito por Lingnau, presenta diversas ventajas con respecto a la soldadura por fricción convencional, siendo algunas de ellas:

\bullet: no se requieren grandes dispositivos de almacenamiento de energía cinética, tales como volantes o accionamientos de potencia elevada, dando como resultado equipos mecánicos menos voluminosos y menos costosos;

\bullet: las soldaduras pueden realizarse con unas velocidades superficiales inferiores y por tanto con una menor frecuencia de rotación, que a menudo constituye una barrera práctica, en particular en la unión de elementos tubulares largos; y

\bullet: una rebaba reducida y más delgada tiene como resultado un desperdicio inferior de material y en algunas aplicaciones la rebaba puede ser tan pequeña que puede dejarse en su sitio, eliminando de este modo etapas de fabricación que en otro caso serían necesarias para la eliminación de la rebaba.

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Aunque el procedimiento Lingnau requiere únicamente una pequeña parte de la energía cinética de la soldadura convencional por fricción ("aproximadamente igual al 10%" , según la reivindicación 1 de Lingnau), la velocidad relativa entre las piezas de trabajo debe ser sin embargo ``una velocidad inicial periférica de unos 1,2 m/s (cuatro pies por segundo) (página 8, líneas 18 y 19) o "la velocidad de forjado de 1,026 m/s (alrededor de 200 pies/min) para acero, que es muy inferior a la velocidad superficial mínima de la soldadura por fricción de 2,54 a 15,24 m/seg (500 a 3.000 pies/min) en el caso de acero" (página 10, líneas 9 a 11). Por consiguiente, todavía es de esperar una rotación substancial o un desplazamiento relativo. Por ejemplo, al hacer referencia a la unión de un tubo de 114,3 mm (4,5 pulgadas) de diámetro, Lingnau explica que "una vez que se alcanza la temperatura elevada de funcionamiento, las dos piezas de trabajo están comprimidas entre sí a la presión de forjado, desacelerando la pieza de trabajo giratoria casi instantáneamente, en unas pocas revoluciones [.]". La rotación a la que se refiere es adicional a la requerida antes del contacto. En particular, cuando se unen piezas de trabajo tubulares largas, esta magnitud de la rotación inicial o "giro" introduce además una complejidad adicional y unas limitaciones técnicas en muchas aplicaciones, como por ejemplo, en las conexiones en tendidos de tuberías.

De un modo similar, el procedimiento, aunque reduce la magnitud de la rebaba generada en la producción de una soldadura en comparación con la soldadura por fricción convencional, conserva el concepto de fuerza de forjado, una fuerza de compresión unidireccional como una parte necesaria del proceso de soldadura por fricción. Resulta evidente que el material caliente en las superficies en contacto, se somete de este modo a unas tensiones axiales elevadas sufriendo simultáneamente un cizallado o esfuerzo cortante que procede del desplazamiento transversal relativo, impuesto habitualmente mediante la rotación. Dicho estado de tensión tiene necesariamente como resultado una extrusión de un volumen significativo de material caliente en forma de rebaba, durante el proceso de forjado.

En común con otras soldaduras por fricción, dicho procedimiento no controla explícitamente la magnitud del trabajo en caliente debido al cizallado. Según los conocimientos aceptados, la gran magnitud del cizallado habitualmente impuesta durante la soldadura por fricción del acero, puede provocar a veces inclusiones no metálicas alargadas de baja resistencia en la línea de unión o cerca de la misma, tales como de sulfuro de manganeso (MnS). Dichas inclusiones tienden a favorecer la iniciación de grietas que reducen la resistencia, la dureza y la resistencia a la fatiga de la soldadura.

Dicho procedimiento modificado de soldadura por fricción, aunque evita la fragilidad de la "soldadura por difusión modificada" explicada por Alford et al. y por Moe, conserva todavía gran parte de la complicación funcional o de la rugosidad de la soldadura por fricción, asociada a la necesidad de una rotación o un desplazamiento inicial continuos, además de una aportación substancial de energía cinética. En particular, resulta ventajoso si el desplazamiento relativo entre las piezas de trabajo puede realizarse con una velocidad superficial inferior y con un desplazamiento transversal relativo inferior para efectuar una soldadura, eliminando incluso totalmente la necesidad del "giro", mientras tiende simultáneamente a impedir el funcionamiento excesivo en caliente y los efectos metalúrgicos perjudiciales asociados, y en segundo lugar, a reducir todavía más la magnitud de la rebaba o a eliminarla completamente.

La patente US nº 2.919.335 (Shaughnessy) da a conocer un procedimiento para la soldadura por inducción de tuberías metálicas. Los extremos de las dos tuberías entran en contacto alineados axialmente y se someten a compresión axial, y los extremos de las tuberías que se encuentran en contacto se calientan hasta la temperatura de soldadura mediante una bobina de inducción dispuesta alrededor de la junta, teniendo como resultado la fusión entre los extremos de la tubería. Preferentemente, una de las dos tuberías se somete a vibraciones en una dirección normal a las caras extremas de la tubería, o transversal al eje de las tuberías durante la etapa de calentamiento de los extremos de la tubería hasta la temperatura de fusión, y asimismo durante el enfriamiento posterior a la fusión.

La patente US nº 5.234.154 (Kajiwara et al.) da a conocer un procedimiento para la unión de barras de metal calientes, con el objetivo de proporcionar continuidad a las barras durante las operaciones de laminación en caliente. Según dicho procedimiento, el extremo posterior de la barra anterior se dispone de un modo inclinado, con un ángulo \theta con respecto a la barra siguiente, de modo que el borde inferior de la cara frontal terminal de la barra siguiente esté desviado verticalmente del borde inferior de la cara posterior terminal de la barra anterior, estando la cara frontal terminal de la barra siguiente en contacto con la cara posterior terminal de la barra anterior. A continuación se desciende verticalmente la barra siguiente mediante la aplicación de una fuerza determinada. Dado que la cara posterior terminal está inclinada en un ángulo \theta con respecto a la cara terminal siguiente, el descenso provoca un deslizamiento relativo entre las superficies de ambas caras terminales y, al mismo tiempo, se produce asimismo una presión P mediante el efecto de cuña, produciendo la presión P una fuerza de compresión y una deformación plástica entre ambas caras terminales. Se arranca el recubrimiento de óxido de las superficies de contacto de ambas caras terminales debido a la deformación plástica y al deslizamiento relativo, de tal modo que las superficies metálicas del material quedan al descubierto para unir las barras simultáneamente en combinación con la fuerza de compresión y la deformación plástica producida por la presión P. De este modo, las barras quedan unidas entre sí en un corto espacio de tiempo para la realización de la laminación continua en caliente.

El documento WO 00/25973 da a conocer un procedimiento de soldadura en estado sólido para la unión de piezas metálicas que presentan unas superficies enfrentadas planas y paralelas, que comprende el calentamiento rápido de las superficies enfrentadas de las piezas metálicas con un dispositivo de calentamiento por inducción de alta frecuencia, hasta la elevada temperatura de trabajo de las piezas metálicas, en una atmósfera no oxidante, desplazándose de un modo continuo una de las piezas con respecto a la otra, generalmente paralelamente a las superficies paralelas de las piezas y uniendo rápidamente las superficies enfrentadas de las piezas con una fuerza axial aproximadamente igual a la fuerza convencional de forjado de la soldadura de fricción, mientras continúa el movimiento relativo de las piezas hasta que la energía cinética absorbida es aproximadamente igual al diez por ciento de la aportación de energía requerida para la soldadura convencional por fricción.

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Sumario de la invención

En las reivindicaciones adjuntas se definen los aspectos y las características particulares y preferidas de la presente invención.

Se ha inventado un procedimiento de soldadura en estado sólido, ayudado por cizallado, para la unión de piezas metálicas. Dicho procedimiento de soldadura aprovecha el comportamiento de la unión de piezas de contacto en caliente, preferentemente en un entorno sustancialmente inerte, para proporcionar un nuevo procedimiento de soldadura en estado sólido que introduce una deformación por cizallado en las capas calientes del material inmediatamente adyacente a la superficie de contacto o a las superficies enfrentadas, para formar rápidamente una unión del tipo de difusión. La deformación por cizallado impuesta, acelera en gran manera la velocidad a la que se forma la unión con respecto a la unión típica por difusión en unas condiciones de deformación estática, de una manera en cierto modo análoga al efecto que la agitación provoca en las velocidades de difusión de los líquidos. De un modo similar a la soldadura típica por forjado o por recalcado, dicha unión se forma muy rápidamente si el material está en la zona de trabajo a elevada temperatura. (Generalmente, en la presente descripción se entiende que la temperatura de trabajo en caliente significa una temperatura comprendida dentro de un intervalo inferior al punto de fusión, pero suficientemente elevada para que no cree una deformación por endurecimiento durante la deformación plástica, mientras que el límite inferior de temperatura para esta característica, generalmente se considera que es la temperatura de recristalización).

De un modo similar a dichos procedimientos existentes de soldadura, la presente invención proporciona de este modo un procedimiento para unir superficies acopladas de piezas metálicas a unas temperaturas elevadas sin fusión. Sin embargo, a diferencia de la soldadura por difusión, la unión según las formas de realización de la presente invención, puede crearse en un margen de segundos o incluso de fracciones de segundo. A diferencia de la soldadura por fricción, la unión no requiere un deslizamiento relativo significativo (o ninguno) entre las superficies, para disipar energía cinética, reduciendo de este modo al mínimo o eliminando la necesidad de la velocidad inicial relativa entre las superficies e implicando unas distancias de desplazamiento totales que son muy inferiores a las asociadas habitualmente a la soldadura por fricción asistida con inducción. A diferencia de la soldadura convencional por forjado, la deformación impuesta en las formas de realización del presente procedimiento, no tiende a producir un gran recalcado o una gran rebaba. Además, el procedimiento de las formas de realización de la presente invención facilita un control casi completo del tamaño de la rebaba, independiente de los requisitos de la "fuerza de forjado" para la soldadura por forjado o por fricción. Dicho procedimiento de soldadura en estado sólido, ayudado por cizallado, es apropiado para unir segmentos de tubería, y como tal resultaría útil en tendidos de tuberías, en perforación de pozos y en operaciones de recubrimiento, y en otras aplicaciones en las que resultan beneficiosas algunas o todas las ventajas de un reducido tiempo de soldadura, un deslizamiento mínimo con un mínimo desplazamiento transversal o de cizallado, un tamaño controlado de la rebaba y una microestructura mínimamente modificada.

De este modo, según un aspecto amplio de la presente invención, se da a conocer un procedimiento de soldadura en estado sólido para la unión de piezas metálicas de trabajo que presentan unas superficies enfrentadas que generalmente pueden ser acopladas, según las reivindicaciones 1 ó 2. En una forma de realización presentada a título de ejemplo, el procedimiento comprende las etapas siguientes:

\bullet: calentar las superficies a acoplar, preferentemente en un entorno no pasivante (es decir, no oxidante), a una temperatura comprendida en la zona de trabajo en caliente del metal, con una forma geométrica de la superficie de calentamiento y de acoplamiento adaptada para crear una "capa caliente" (es decir, un espesor controlado de material dentro del margen de trabajo en caliente) adyacente a cada una de las superficies, una o ambas de cuyas capas calientes tenderán preferentemente a localizar la deformación por cizallado al aplicar la tensión de cizallado en la superficie, y estando el espesor de la capa caliente controlado mediante la regulación del gradiente de temperatura, normal a las superficies de acoplamiento y/o ajustando selectivamente la zona de las superficies de acoplamiento;

\bullet: poner las superficies en contacto mientras se encuentran todavía a la temperatura de trabajo en caliente y aplicar una tensión de compresión suficiente pata provocar una resistencia a la fricción a la carga transversal o de cizallado a través de la zona de contacto, por lo menos igual a la resistencia al cizallado del material a su temperatura de trabajo en caliente;

\bullet: imponer un desplazamiento transversal de una de las piezas de trabajo con respecto a la otra, desplazamiento transversal que bajo dichas condiciones de contacto (es decir, el desplazamiento por cizallado) provoca una deformación plástica por cizallado en el material que constituye la capa caliente, deformación por cizallado que induce gradualmente la unión o la cohesión en la zona de contacto, en la que la magnitud y la velocidad de la deformación plástica provocada mediante el cizallado están controladas para permanecer dentro de unos límites controlados mediante las propiedades de los materiales que se están uniendo y por las condiciones térmicas simultáneas, límites que generalmente se entiende que comprenden:

\circ: activación de la deformación por cizallado de la unión: es la magnitud de la mínima deformación por cizallado suficiente para obtener la unión o la cohesión completa de la zona de contacto (la etapa correspondiente del proceso prevista para imponer por lo menos dicha magnitud de la activación de la deformación por cizallado de la unión, mediante desviación del cizallado se denomina, en la presente memoria, etapa de activación de la unión),

\circ: velocidad mínima de la tensión de cizallado: velocidad mínima media de la tensión de cizallado requerida para garantizar que se ha completado la etapa de activación de la unión antes de que el material que limita la zona de contacto se enfríe por debajo de la temperatura de trabajo en caliente,

\circ: velocidad máxima de la tensión de cizallado: velocidad de cizallado por encima de la cual pueden aparecer bandas adiabáticas de cizallado o pueden desarrollarse otros mecanismos de inestabilidad;

Además, en los procedimientos pueden introducirse etapas suplementarias:

\bullet: el modo de dicho desplazamiento del cizallado puede modificarse selectivamente (por ejemplo, orbital, oscilatorio, rotativo o en sentido contrario),

\bullet: simultáneamente a la introducción de dicho desplazamiento del cizallado, puede controlarse la posición axial relativa de las piezas, no únicamente para alcanzar dicha tensión inicial de compresión, sino también para mantener una tensión axial de compresión a través de la superficie de contacto durante la etapa de activación de la unión, suficiente para impedir el deslizamiento y para favorecer la unión, y

\bullet: opcionalmente puede imponerse posteriormente una deformación axial adicional en las capas calientes ahora unidas, para satisfacer las limitaciones pretendidas del volumen final de rebaba; pudiendo dicha deformación axial incluso invertirse (es decir, por tracción) y pudiendo dicha tensión imponerse coordinadamente con la deformación adicional por cizallado para reducir correlativamente la tensión axial controlada por las características asociativas de fluencia del metal.

El calentamiento de las superficies de acoplamiento enfrentadas puede alcanzarse mediante diversos sistemas, comprendiendo por resistencia eléctrica y con dispositivos de calentamiento por inducción a alta frecuencia. El calentamiento puede realizarse con las superficies en contacto o separadas.

El calentamiento por resistencia puede configurarse de diversos modos. Dicho procedimiento de calentamiento se utiliza habitualmente para la soldadura de costuras de elementos los tubulares denominados tubos ERW (soldados por resistencia eléctrica). No obstante, puede estar configurada asimismo para calentar superficies acoplables, generalmente simétricas con respecto al eje, tales como por ejemplo, en las patentes US nº 4.736.084 y nº 5.721.413 en las que se representan procedimientos en los que se emplea la resistencia eléctrica (electrodos de contacto) para calentar las partes extremas de dos tubos próximos.

El calentamiento por inducción presentan la ventaja de no requerir el contacto para provocar un flujo de corriente eléctrica en la pieza de trabajo, lo que tiene como consecuencia una pérdida de potencia resistiva y el calentamiento correspondiente. En la patente US nº 4.669.650 se utiliza un procedimiento utilizado corrientemente para el calentamiento por inducción de piezas de trabajo tubulares o similares, simétricas con respecto al eje, mediante la colocación coaxial de una bobina de inducción externa, en estrecha proximidad a la superficie de la pieza de trabajo, para calentar localmente el material que limita las superficies de acoplamiento de dos piezas de trabajo en contacto. Pueden emplearse unos medios para concentrar todavía más el campo magnético en la zona de contacto, tales como los descritos en la patente US nº 4.947.462 en la que la bobina de inducción se encuentra encerrada en una cubierta ferromagnética. Dicha colocación de la bobina de inducción al lado (es decir, en el plano) de las superficies a acoplar, aunque facilita el calentamiento de las superficies en contacto, únicamente resulta adecuada para el calentamiento de secciones de pared relativamente delgadas, que la temperatura disminuye con la distancia a la bobina; es decir, el gradiente de temperatura en el plano de las superficies que se acoplan.

En el documento PCT/US99/25600 se coloca una única bobina coaxial de inducción entre las superficies a acoplar que se encuentran separadas más ampliamente, y se utiliza para calentar simultáneamente ambas superficies a acoplar. Esta configuración, aunque requiere que las piezas de trabajo se desplacen una vez calentadas una distancia superior para establecer contacto, favorece un calentamiento más uniforme en el plano de cada una de las superficies a acoplar y de este modo facilita la soldadura de secciones de mayor espesor. Los requisitos de la aplicación determinarán de este modo qué procedimiento de calentamiento por inducción se prefiere. En el caso de las secciones más delgadas, puede preferirse el calentamiento con una bobina exterior dispuesta coaxialmente para evitar la complejidad mecánica requerida para desplazar las piezas de trabajo para ponerlas en contacto después del calentamiento (quizás precedido asimismo por el desplazamiento de la bobina).

No obstante, la utilización de una única bobina de inducción para calentar dos superficies, tal como se describe en el documento PCT/US99/25600, aunque disfruta de cierta simplicidad constructiva, introduce dificultades prácticas significativas para alcanzar un calentamiento uniforme de ambas superficies. Tal como se pondrá claramente de manifiesto para un experto en la materia, durante el calentamiento la bobina de inducción única está acoplada electromagnéticamente a ambas piezas de trabajo. De este modo tiende a calentar preferentemente la superficie más próxima. Para evitar calentar excesivamente una superficie o calentar poco la otra, la bobina debe disponerse por consiguiente con precisión para equilibrar la separación relativa entre la bobina y cada una de las superficies de las piezas de trabajo.

Debido a estos y a otros motivos prácticos, en una forma de realización del aparato de la presente invención (particularmente adecuado para la soldadura de secciones gruesas) se utilizan, por lo menos, dos bobinas de inducción. Durante el calentamiento, estas bobinas se disponen enfrentadas y en estrecha proximidad a las superficies a acoplar que deben soldarse, para proporcionar unos medios para alcanzar rápidamente la temperatura de calentamiento requerida para la soldadura, según las explicaciones de la presente invención. Dicha pluralidad de bobinas evita la duplicidad de sensibilidades de acoplamiento de una bobina única. Dicho procedimiento de calentamiento permite fácilmente el control independiente de la distribución de temperaturas en sentido normal a las superficies de las piezas de trabajo a soldar y facilita la manipulación de dicha distribución para crear un gradiente de temperatura elevado normal a la superficie, proporcionando de este modo una "capa caliente" relativamente delgada de un material de menor resistencia que forma el espesor controlado del material adyacente a cada superficie. Dicho procedimiento de calentamiento facilita asimismo de un modo flexible la prestación de un tratamiento adicional posterior a la soldadura, como es bien conocido en la técnica, para controlar de manera adicional las propiedades de la soldadura.

Tal como resultará evidente para un experto en la materia, la duración, la amplitud y la frecuencia de la corriente del dispositivo de calentamiento por inducción, combinadas con la forma geométrica de la bobina de calentamiento, su relación con las superficies a acoplar, pueden estar todas ellas dispuestas para controlar la aportación de calor y la profundidad de penetración en función del tiempo. Dicho control de la aportación de calor con respecto al tiempo está dispuesto de tal modo en la presente invención que proporciona una capa caliente de un espesor suficiente para garantizar que la temperatura de la superficie de separación en el momento del contacto o inmediatamente después, resulta suficiente para realizar una cohesión o una unión rápida del material a soldar, y para controlar la velocidad de enfriamiento durante y después del proceso de soldadura. Dicho control de la velocidad de enfriamiento está combinado con la temporización de las etapas de la soldadura para garantizar que la totalidad o la mayor parte de la deformación por cizallado se impone mientras el material se encuentra a la temperatura de trabajo en caliente y asimismo para controlar la velocidad de enfriamiento después de la soldadura, para influir ventajosamente en las características metalúrgicas y mecánicas de la soldadura, tales como la tenacidad.

De un modo similar a la mayor parte de los procesos de difusión, la velocidad a la que se desarrolla la cohesión a través de la zona de contacto, se incrementa con la temperatura, incluso dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente. Aunque la velocidad de formación de la unión se acelera considerablemente por la presencia de la deformación plástica, de este modo tiende a existir una temperatura mínima requerida para estimular la unión de un modo suficientemente rápido para unir completamente la zona de contacto durante la etapa de activación de la unión, cuya temperatura es habitualmente algo más elevada que la temperatura de recristalización (es decir, el límite inferior del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente). Dicha temperatura mínima de soldadura se establece preferentemente de un modo empírico para los materiales a soldar mediante ensayos de soldadura realizados a temperaturas progresivamente más elevadas que la temperatura de recristalización, hasta que se observa que se produce una unión completa para una magnitud determinada de la deformación por cizallado. En el momento del contacto se prefiere disponer de una temperatura suficiente para estimular una cohesión rápida para reducir al mínimo el desplazamiento requerido por el cizallado. No obstante, resulta evidente que la energía de trabajo, aportada a través de la deformación plástica por el cizallado, tiende asimismo a calentar el material y de este modo puede utilizarse para incrementar la temperatura tras el contacto y favorecer de este modo una mayor proporción de cohesión.

Cuando el procedimiento de calentamiento requiera la separación de las superficies durante el calentamiento local, se comprenderá que después del calentamiento, las superficies deben ponerse en contacto relativamente deprisa para impedir el enfriamiento por debajo de la temperatura de trabajo en caliente mientras se está imponiendo la deformación por cizallado. Tal como se explicará además posteriormente, aunque la deformación por cizallado introduce una energía mecánica adicional que se transforma en calor y de este modo la temperatura tiende a incrementarse, la magnitud del calentamiento debido a la energía mecánica relacionada con la deformación por cizallado impuesta para realizar la unión, no es necesariamente grande en comparación con la pérdida de calor por conducción y por el enfriamiento por convección. De este modo, a diferencia de la soldadura por fricción, el control del proceso del presente procedimiento de soldadura no depende en gran medida de esta energía mecánica como fuente de calor. Tal como resultará más evidente más adelante, el calentamiento debido a la pérdida de energía a partir de la aportación de la deformación plástica por cizallado constituye habitualmente una contribución pequeña o incluso despreciable, comparada con la contribución procedente de la fricción de deslizamiento en la soldadura por fricción. Sin embargo, tal como se ha explicado anteriormente, esto no impide la utilización de las pérdidas de calor procedentes de la deformación por cizallado para elevar la temperatura y favorecer de este modo una unión más rápida para el presente procedimiento.

En la soldadura por fricción, el concepto de fricción es inherente al de la energía mecánica aplicada para producir un deslizamiento relativo entre las superficies en contacto para generar calor en la zona de contacto. Una novedad de la presente invención, en contraste con dichos principios de la soldadura por fricción, es el descubrimiento de que en presencia de una deformación por cizallado se puede provocar que aparezca una unión en estado sólido en un espacio de tiempo muy corto, sin que se requiera aportación de calor de la fricción entre las piezas a unir. La puesta en práctica de algunas formas de realización del procedimiento de la presente invención puede estar acompañada de un modo fortuito por un deslizamiento entre las superficies a acoplar cuando se ponen en contacto, generando de este modo calor por fricción, pero dicho deslizamiento y el calor de fricción resultante son de una magnitud insignificante y en todo caso no son esenciales para la invención.

Para reducir al mínimo el deslizamiento o para eliminarlo, la tensión axial de compresión debe mantenerse en una magnitud igual o superior a la tensión de cizallado impuesta dividida por el coeficiente de fricción característico de las superficies de contacto, a la temperatura de trabajo en caliente durante la introducción inicial de la deformación por cizallado. Debido a que la unión o la cohesión se estimulan en la zona de contacto mediante la introducción progresiva de la deformación por cizallado, la tensión axial requerida para impedir el deslizamiento disminuye correlativamente, de modo que una vez que la cohesión de la zona de contacto se ha completado en su mayor parte, la tensión axial puede en realidad transformarse de tensión de compresión a tensión de tracción, sin ocasionar cavitación o vacíos durante el desplazamiento posterior por cizallado inducido por la fluencia plástica. Este comportamiento, que permite que se introduzca una deformación axial de tracción simultáneamente a la deformación por cizallado, facilita el control del tamaño de la rebaba, tal como se describirá posteriormente.

Los límites de la magnitud mínima de la deformación por cizallado y la velocidad requerida para efectuar una unión, dependen de la naturaleza de los materiales a unir. De este modo, para unir una combinación determinada de materiales en contacto, debe alcanzarse una magnitud mínima de la deformación por cizallado, denominada aquí deformación de activación del cizallado de la unión, mientras el material está comprendido dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente. En el caso de dicha combinación de materiales, la activación de la deformación por cizallado de la unión se determina fácilmente empíricamente en coordinación con el régimen de temperaturas requerido, tal como se ha mencionado anteriormente en lo que se refiere a la distancia de desplazamiento del cizallado. De este modo se observará que la distribución de la deformación entre los dos materiales no necesita determinarse independientemente.

Para un experto en la materia resultará evidente que la magnitud de la deformación plástica por cizallado en la zona de la unión, generalmente es inversamente proporcional a la suma de espesores de la capa caliente dividida por la magnitud del desplazamiento transversal impuesto. La magnitud del desplazamiento transversal requerido para producir la magnitud de deformación mínima por cizallado está controlada de este modo mediante los espesores de la capa caliente. Asimismo, resulta evidente que para localizar la deformación plástica por cizallado en esta zona, la pieza de trabajo debe estar más debilitada con respecto a la carga de cizallado en la zona inmediatamente adyacente a las superficies de acoplamiento que en las demás partes. Tal como se ha indicado anteriormente, se dispone de dos medios para debilitar localmente la pieza de trabajo en la superficie de acoplamiento y de este modo controlar la localización de la deformación por cizallado, definiendo el espesor de la capa caliente: o bien puede reducirse la resistencia a la tracción del material mediante un calentamiento local, o bien el área de la sección reducida en la zona de la pieza de trabajo inmediatamente adyacente a la superficie de acoplamiento o línea de unión. Dichos medios pueden utilizarse, tanto por separado como combinados, dependiendo del procedimiento de calentamiento y de los requisitos de la aplicación.

Por ejemplo, haciendo referencia a los procedimientos de calentamiento por inducción descritos anteriormente, aplicados a la soldadura de los extremos acoplados de piezas de trabajo tubulares, un calentamiento directo rápido de las caras extremas tubulares con bobinas de inducción permite controlar el espesor de la capa caliente imponiendo un gradiente de temperatura elevado normal a la superficie calentada. Alternativamente, cuando el calentamiento por inducción lo proporcionan unas bobinas dispuestas al lado de las superficies tubulares terminales a acoplar, no se consiguen tan fácilmente los gradientes de temperatura elevados normales a las superficies de acoplamiento. En el caso de la presente configuración de calentamiento, puede alcanzarse el control de la longitud de localización del intervalo de cizallado, y por consiguiente, del espesor de la capa caliente, mediante la reducción del espesor de la pared en un corto intervalo en los extremos de las superficies de acoplamiento de la pieza de trabajo.

La velocidad de la deformación mínima de cizallado se controla mediante dos factores. En primer lugar, la deformación por cizallado debe introducirse de un modo suficientemente rápido para evitar el enfriamiento por debajo de la temperatura de trabajo en caliente, hasta que la aportación de la deformación se ha completado sustancialmente, debido a que la magnitud requerida de la deformación mínima por cizallado (activación de la deformación por cizallado de la unión) debe alcanzarse al mismo tiempo que el material se encuentra todavía a la temperatura de trabajo en caliente. En segundo lugar, durante la etapa inicial de activación de la unión que requiere una tensión de compresión axial suficiente para impedir el deslizamiento entre las piezas que se están uniendo, la magnitud de la rebaba extrusionada depende de las propiedades de viscosidad y elásticas del material plástico en las capas calientes limitadas. En particular, debido al efecto de la viscosidad en el comportamiento del flujo en dichas condiciones, la magnitud de la rebaba resulta inferior para una velocidad de la deformación superior; es decir, el tiempo más corto durante el cual está presente la carga axial para alcanzar la activación de la deformación por cizallado de la unión. Por consiguiente, la velocidad de la deformación por cizallado puede utilizarse como un medio adicional para realizar el control del tamaño de la rebaba.

Aunque no se ha identificado un límite máximo específico para la magnitud de la deformación por cizallado, en general, la totalidad o la mayor parte de la deformación por cizallado debe imponerse antes del enfriamiento por debajo de la temperatura de trabajo en caliente, para evitar riesgos de un endurecimiento excesivo debido a la manipulación, o incluso el riesgo de una fractura. La deformación plástica por cizallado puede imponerse en cualquier dirección, comprendiendo un retroceso completo. Dicha característica facilita las aplicaciones en las que se pretende que las posiciones transversales relativas inicial y final de las piezas a acoplar sean las mismas, tales como en el caso del enlace o la conexión de tendidos de tuberías.

Aunque la magnitud de la deformación por cizallado no parece que tenga un límite superior, se ha hallado un límite superior para la velocidad de la deformación por cizallado para algunos materiales, y puede atribuirse generalmente al ablandamiento de la banda adiabática de cizallado o a una inestabilidad similar del material que se produce con unas velocidades de fluencia plástica elevadas. Se comprenderá que el espesor de la capa caliente debe tenerse asimismo en cuenta en lo que se refiere a la distancia de deslizamiento, a la deformación por cizallado y a la velocidad, además del control de la temperatura con el paso del tiempo; es decir, generalmente se prefiere una capa caliente más delgada ya que reduce la distancia de deslizamiento requerida para alcanzar una deformación suficiente. No obstante, el espesor de la capa caliente influye directamente en el volumen del material en el que se almacena la energía térmica. Dicha energía térmica resulta necesaria para evitar un enfriamiento excesivo antes de que la deformación por cizallado se haya realizado totalmente; por consiguiente, este requisito impone un límite inferior práctico en el espesor mínimo de la capa caliente.

Tal como comprenderá fácilmente un técnico en la materia, a efectos de describir el tamaño de la rebaba, el volumen de material en la zona de la unión que sufre una deformación plástica puede considerarse constante, dado que el metal es efectivamente incompresible (relación de Poisson: \sim 0,5 durante la fluencia plástica). Esto implica que una deformación axial compresiva o negativa extrusiona el material, incrementando el tamaño de la rebaba, mientras que una deformación de tracción axial o positiva contrae el material, tendiendo a disminuir el tamaño de la rebaba. Por consiguiente, resulta evidente que el requisito de proporcionar una tensión axial de compresión suficiente para impedir el deslizamiento durante la parte inicial del desplazamiento por cizallado cuando se inicia la unión, tiene necesariamente como resultado un incremento del tamaño de la rebaba.

No obstante, las formas de realización de la presente invención pueden aprovechar beneficiosamente aspectos adicionales de dicha relación simple, en la que en una forma de realización se disponen unos medios para combinar las cargas y el control del desplazamiento para controlar el desplazamiento axial relativo entre las piezas de trabajo en función del desplazamiento por cizallado, en vez de proporcionar únicamente un control unidireccional de la carga de compresión, tal como se utiliza habitualmente en la soldadura por fricción. Disponiendo de dichos medios para controlar la deformación axial, en esta forma de realización a continuación del intervalo inicial de formación de la unión del desplazamiento por cizallado, puede reducirse el tamaño de la rebaba tirando de las piezas de trabajo para separarlas; es decir, imponiendo una deformación axial de tracción a continuación de la unión inicial, mientras continúa el desplazamiento por cizallado. Dicha velocidad de la deformación axial de tracción puede ser muy inferior a la deformación por cizallado impuesta; por lo tanto, el estado de tensión axial necesita ser únicamente ligeramente de tracción. (Dicho aspecto del comportamiento de la fluencia plástica es análogo al efecto de la fricción compuesta cuando una gran distancia de deslizamiento en una dirección reduce la resistencia a la fricción a pequeños desplazamientos ortogonales).

Dichos medios para reducir el tamaño de la rebaba se prefieren más que la imposición de una deformación axial por tracción después que se haya detenido la deformación por cizallado, porque de este modo la tensión axial requerida se reduce al mínimo, disminuyendo los requisitos de la carga sobre el equipo y las posibilidades de cavitación o de "roturas en caliente". Sin embargo, en ciertas aplicaciones pueden obtenerse otras ventajas, tales como una detección mejorada de las grietas, si se impone la deformación axial por separado de la deformación por cizallado. A diferencia de un proceso puesto en práctica disponiendo únicamente de medios para aplicar un desplazamiento axial unidireccional, la presente forma de realización permite fácilmente la utilización de numerosos trayectos de la carga para adecuarse mejor de este modo a las necesidades de las diversas aplicaciones.

Tal como se ha indicado anteriormente, en la soldadura por fricción es inherente al concepto de fricción, el que deba existir un deslizamiento relativo entre las superficies para generar calor. Con respecto a los conocimientos sobre dicha soldadura por fricción, el descubrimiento de que puede formarse una unión en estado sólido sin un deslizamiento relativo significativo (o ninguno) entre las superficies, permite que la puesta en práctica del presente procedimiento con desplazamientos relativos entre las superficies y la velocidad asociada del movimiento relativo en el plano de contacto, sea claramente inferior a la requerida en los procedimientos conocidos de soldadura en estado sólido, incluso en el proceso de soldadura por fricción asistido por inducción. De un modo similar, según la descripción de la presente invención, la magnitud de la deformación por cizallado introducida por la soldadura tiende a reducirse al mínimo, disminuyendo de este modo la tendencia a formar inclusiones alargadas como ocurre a menudo en las soldaduras por fricción, que únicamente limitan indirectamente la cantidad de la deformación por cizallado impuesta durante la soldadura.

Para demostrar que el proceso de soldadura por fricción, asistido por inducción comporta necesariamente un deslizamiento significativo, resulta de una cierta ayuda considerar un ejemplo facilitado por Lingnau en la solicitud de patente PCT/US99/25600 (en la página 10, líneas 1 a 28). En dicho ejemplo, se describen los parámetros de soldadura por fricción, asistida por inducción, para un espesor de pared de 4 mm (0,157 pulgadas), en un tubo de acero al carbono de 114,5 mm (4,5 pulgadas) de diámetro, en que la energía cinética requerida es de 4,157 J/mm^{2} (1.978 pies-libra/pulgada cuadrada) comparada con los 45,64 J/mm^{2} (26.000 pies-libra/pulgada cuadrada) para la soldadura por fricción convencional. Tal como se ha indicado anteriormente, Lingnau considera los desplazamientos relativos una vez que las piezas de trabajo están en contacto, después de "unas pocas revoluciones" y que el contacto se inicia con "una velocidad periférica inicial de unos 1,22 m/s (cuatro pies por segundo)" (página 8, líneas 18-19), incluso aunque la aportación de la energía cinética asociada es "aproximadamente igual al 10% de la aportación de energía prescrita para la soldadura por fricción convencional" (según la reivindicación 1). En dichas condiciones, dos revoluciones de un tubo de 114,3 mm (4,5 pulgadas) de diámetro corresponden a una distancia de deslizamiento en contacto aproximadamente de 760 mm (28 pulgadas). La resistencia dinámica al cizallado de aceros similares a la temperatura de trabajo en caliente se ha determinado por los inventores actuales y se encuentra dentro de un intervalo de 42 a 69 MPa (6.000 a 10.000 psi). Puede demostrarse que una cantidad significativa de deslizamiento ya está prevista teniendo en cuenta que la energía cinética requerida para imponer únicamente una revolución de 380 mm (14 pulgadas) de desplazamiento superficial relativo sin deslizamiento viene dada por la relación: resistencia al cizallado x distancia, o entre 29,4 y 49,0 J/mm^{2} (14.000 y 23.000 pies-libra/pulgada cuadrada) para el ejemplo actual. Unas dos revoluciones, es decir de 7 a 12 veces más que los 4,157 J/mm^{2} (1.978 pies-libra/pulgada cuadrada) actualmente impuestos. Por consiguiente, la mayor parte del desplazamiento se produce en unas condiciones de deslizamiento por fricción y no sustancialmente sin deslizamiento, tal como se describe en la presente invención.

En el caso del procedimiento actual de soldadura en estado sólido, se ha descubierto que unos desplazamientos relativos del cizallado aproximadamente de 25 mm (1 pulgada) imponen una deformación por cizallado suficiente para unir piezas tubulares de acero al carbono con un espesor de la capa caliente de una profundidad similar al que figura en el ejemplo, 1,27 mm (0,050 pulgadas). El trabajo mecánico asociado para provocar dicha magnitud de desplazamiento por cizallado se encuentra comprendida entre 1,05 y 1,75 J/mm^{2} (500 y 833 pies-libra/pulgada cuadrada) que constituye aproximadamente el 2% de los 54,64 J/mm^{2} (26.000 pies-libra/pulgada cuadrada) considerados normales para la soldadura por fricción convencional. En el caso del presente ejemplo, se observa que el presente procedimiento se encuentra muy por debajo de los límites de la energía cinética de ser "aproximadamente igual al 10% de la aportación de la energía prescrita para la soldadura por fricción convencional" explicados por Lingnau. De este modo se comprende mejor en unos términos distintos incluso de la soldadura por fricción modificada en la que las contribuciones relativas de la energía térmica y mecánica se consideran unas variables de control importantes y la tensión axial se considera en términos de "fuerza de forjado". (En dichos procedimientos, la referencia a la energía cinética en el contexto de la soldadura por fricción se entiende que está descrita más generalmente como trabajo mecánico que se convierte en calor. Se entiende que esta fuente de calor se añade a la energía térmica introducida por el calentamiento por inducción para proporcionar una aportación total de energía suficiente, cuya aportación total de energía se considera que constituye un parámetro de control).

El control actual del procedimiento prescinde de algunas de las ideas anteriores y busca definir el control del proceso en términos de distribución de la temperatura impuesta, más que de la aportación de energía, combinada con el control del cizallado y del desplazamiento axial en el tiempo, más que de la velocidad de rotación y la fuerza de forjado. No obstante, un experto en la materia comprenderá que dicha descripción no excluye estrategias combinadas de control de múltiples variables.

En una forma de realización de la presente invención, se disponen unos medios para soldar simultáneamente múltiples superficies enfrentadas discontinuas acopladas. Dichas superficies discontinuas aparecen en aplicaciones en las que deben unirse tubos dobles concéntricos o de forma geométrica similar. En dichas aplicaciones las superficies discontinuas están acopladas de manera similar para garantizar que se produce un contacto, en gran parte simultáneo, cuando las superficies se juntan tras el calentamiento.

Una forma de realización de la presente invención da a conocer un procedimiento para soldar superficies acopladas, simétricas con respecto al eje, enfrentadas y no dispuestas en el mismo plano. Según la descripción de la presente invención, puede modificarse la dirección de la aportación de deformación por cizallado para realizar una unión. Por consiguiente, si las superficies a acoplar son planas, es decir son paralelas y planas, la deformación por cizallado puede aportarse mediante un número casi infinito de trayectorias, que comprenden las orbitales, de traslación lineal o de rotación. No obstante, cuando las superficies a acoplar son simétricas con respecto al eje, las piezas de trabajo están alineadas coaxialmente cuando las superficies están dispuestas en oposición, tal como se requiere para soldar según el procedimiento de la presente invención. Por consiguiente, no necesitan ser planas si el desplazamiento relativo del cizallado se aporta como rotación relativa. Por ejemplo, las superficies pueden disponerse con formas acopladas, generalmente troncocónicas, o toroidales truncadas. En determinadas aplicaciones, dichas variantes de una superficie plana pueden proporcionar una utilidad adicional para controlar la distribución de temperaturas, la alineación en contacto, la forma de la rebaba o la resistencia total de la soldadura. Además, el grado de acoplamiento puede modificarse, de modo que el contacto no se produzca simultáneamente en toda la zona de contacto cuando las piezas se unen.

Los aparatos típicos de soldadura por fricción están diseñados para soldar la primera y la segunda piezas metálicas de trabajo simétricas con respecto al eje, que presentan unas superficies de acoplamiento, girando la primera pieza de trabajo, a menudo unida a un gran volante de inercia y forzando la superficie de acoplamiento de la segunda pieza de trabajo no rotativa contra la primera pieza que gira, con una fuerza de forjado o una tensión axial suficiente para detener el giro de la primera pieza mediante fricción, a la vez que se calienta simultáneamente la zona de contacto suficientemente para realizar una soldadura. Para unir piezas de trabajo similares, principalmente simétricas con respecto al eje, el procedimiento de la presente invención de soldadura en estado sólido asistida por cizallado, aunque todavía requiere los movimientos de rotación y de desplazamiento axial y el par asociado y la carga axial, únicamente requiere una rotación que proporcione un desplazamiento circunferencial del orden de 50 mm. Además, dichas máquinas convencionales no disponen habitualmente del control preciso del desplazamiento que se necesita para poner en práctica de la forma más beneficiosa el procedimiento de la presente invención.

Puede disponerse un aparato de soldadura para realizar soldaduras en estado sólido asistidas con cizallado de unas primera y segunda piezas de trabajo que presentan unas superficies de acoplamiento en gran parte simétricas con respecto al eje en las que el desplazamiento transversal o de cizallado requerido para realizar una soldadura lo proporciona la rotación. Dicho aparato de soldadura comprende un cuerpo principal que presenta un primer y un segundo extremos dispuestos en su primer extremo, con unos primeros medios de sujeción adaptados para sujetar de modo que puedan liberar una primera pieza de trabajo, en una relación fija con respecto al cuerpo principal. Unido al segundo extremo del cuerpo principal se dispone un dispositivo de accionamiento hidráulico de doble eje que comprende un cuerpo del dispositivo de accionamiento que presenta un primer y un segundo extremos, y que contiene unos pistones concéntricos intermedios e interiores, huecos, de doble acción, teniendo cada uno de ellos unos primeros y unos segundos extremos correspondientes a los extremos del cuerpo del dispositivo de accionamiento y denominados pistón de forjado y pistón giratorio respectivamente, en los que el pistón de forjado actúa de cilindro para el pistón giratorio y está dotado de unos segundos medios de sujeción adaptados para sujetar una segunda pieza de trabajo. Los primeros y segundos medios de sujeción pueden comprender un tornillo de apriete o unas garras, o cualquier otro dispositivo funcionalmente comparable muy conocido en la técnica. El avance o el retroceso del pistón de forjado (que en la forma de realización preferente se realiza mediante unos medios hidráulicos) produce de esta manera un desplazamiento axial con respecto al cuerpo del dispositivo de accionamiento, mientras que el avance o el retroceso del pistón giratorio (asimismo, preferentemente mediante unos medios hidráulicos) produce un desplazamiento axial con respecto al pistón de forjado, es decir, el pistón giratorio se conduce mediante el pistón de forjado. Con el control hidráulico preferido del avance y el retroceso, el pistón de forjado y el pistón giratorio actúan de este modo en serie.

El primer extremo del cuerpo del dispositivo de accionamiento está unido rígidamente al segundo extremo del cuerpo principal y se dispone de modo que los segundos medios de sujeción comprendidos en el pistón de forjado se alinean enfrentados a los primeros medios de sujeción fijados al cuerpo principal, proporcionando de este modo un medio para orientar los extremos de las superficies a acoplar de las primera y segunda piezas de trabajo, enfrentadas entre sí. Los segundos extremos de cada uno de los cuerpos del dispositivo de accionamiento encajado, el pistón de forjado y el pistón giratorio están unidos respectivamente a un conjunto encajado de un modo similar y ajustado estrechamente, que comprende un manguito exterior provisto de una serie de ranuras axiales, un manguito intermedio con un perfil de leva que está dotado preferentemente de ranuras helicoidales distribuidas por toda la circunferencia para encajar con las ranuras axiales dispuestas en el manguito exterior, y una brida interior de centrado que presenta unos ejes radiales hacia el exterior provistos de seguidores de las levas que pasan a su través y que se acoplan independientemente en cada una de las ranuras helicoidales y axiales. Al realizar de este modo la conexión de los desplazamientos axiales del cuerpo del dispositivo de accionamiento, del vástago de forjado y del vástago giratorio, se dispone de un mecanismo mediante el cual el movimiento axial relativo del pistón giratorio provoca la rotación del pistón de forjado, independientemente de la posición axial del pistón de forjado con respecto al cuerpo del dispositivo de accionamiento. Equipado adecuadamente, por ejemplo, con un control servohidráulico, dicha construcción proporciona un medio robusto y simple para posicionar con precisión la segunda pieza de trabajo con respecto a la primera pieza de trabajo y para facilitar el control del movimiento axial rápido para desplazar las superficies a acoplar para que entren en contacto tras el calentamiento, seguido de un control preciso del desplazamiento de la deformación axial y de cizallado.

Disponiendo los perfiles de las levas del manguito con perfil de leva como una hélice y el manguito exterior como ranuras axiales, se satisfacen las necesidades de muchas aplicaciones. No obstante, resulta evidente que el movimiento conectado del pistón de forjado puede variar adicionalmente al disponer estos perfiles de las levas de otro modo. Por ejemplo, en aplicaciones en las que resulta beneficioso un movimiento de retroceso o alternativo, este movimiento puede alcanzarse mediante un control hidráulico de la dirección del pistón giratorio. Sin embargo, el soporte mecánico para dicho control de la rotación puede alcanzarse asimismo disponiendo el perfil del manguito de la leva intermedia con perfiles sinusoidales, en forma de diente de sierra u otra forma. Además, se pretende que dicho control mecánico se aplique al perfil de la ranura del manguito exterior, con lo que el movimiento axial recto puede modificarse para facilitar el control, por ejemplo, para iniciar la rotación justo cuando las superficies entran en contacto. Esto puede alcanzarse fácilmente disponiendo unas ranuras en el manguito exterior que estén orientadas helicoidalmente por lo menos en una parte de su longitud. Estas y otras variaciones del control del desplazamiento se proporcionan mediante el aparato de soldadura descrito.

Breve descripción de los dibujos

A continuación se describirán las formas de realización de la presente invención haciendo referencia a las figuras adjuntas, en las que las referencias numéricas indican partes similares, y en las que:

La Figura 1 es una vista parcial en corte de piezas de trabajo tubulares soldadas según una primera forma de realización del procedimiento de la presente invención.

La Figura 2 es una vista parcial en corte de piezas de trabajo tubulares soldadas según una segunda forma de realización del procedimiento de la presente invención.

La Figura 3 es una vista lateral en corte de una sección transversal de un aparato que puede estar dispuesto para poner en práctica los procedimientos de la presente invención, tal como aparecería en la preparación para soldar piezas de trabajo tubulares como las representadas en las Figuras 1 y 2.

La Figura 4 es una vista del aparato representado en la Figura 3, tal como aparecería al finalizar la soldadura.

La Figura 5 es un gráfico, en una escala lineal de tiempos, que representa los parámetros clave del procedimiento para realizar una soldadura según una primera forma de realización del procedimiento de la presente invención, tal como se ha representado en la Figura 1.

La Figura 6 es un gráfico en una escala lineal de tiempos que ilustra los parámetros clave del procedimiento para realizar una soldadura según una segunda forma de realización del procedimiento de la presente invención, tal como se ha representado en la Figura 2.

La Figura 7 es un gráfico en una escala lineal de tiempos que ilustra los parámetros clave del procedimiento para realizar una soldadura según una tercera forma de realización del procedimiento de la presente invención, que proporciona una soldadura similar a la representada en la Figura 1 pero con una rotación final nula.

La Figura 8 es una vista en sección transversal de una soldadura entre piezas de trabajo que presentan dos resaltes anulares diferenciados, soldados simultáneamente, según una forma de realización alternativa de la presente invención.

La Figura 9 es una vista parcial en sección de una junta soldada similar a la de la Figura 1 pero que presenta una superficie de separación de la unión por soldadura engranada en vez de plana.

La Figura 10 es una vista en sección transversal esquemática de una disposición con una bobina de inducción para el calentamiento, utilizada habitualmente según un procedimiento alternativo de la presente invención para facilitar la formación de una soldadura, tal como está representado en la Figura 9.

La Figura 11 es una vista en sección transversal esquemática de una disposición alternativa de una bobina de inducción para el calentamiento que utiliza un par de bobinas provistas de blindaje electromagnético.

La Figura 12 es una vista esquemática de una disposición alternativa de una bobina de inducción para el calentamiento, que presenta cuatro bobinas, representada a título de ejemplo junto con las piezas de trabajo, tal como se representa en la Figura 8.

Descripción detallada de la forma de realización preferida

La Figura 1 representa una soldadura en estado sólido, ayudada mediante cizallado, formada mediante el procedimiento preferido de la presente invención tal como aparece en un tubo o en una tubería soldada. En la Figura 1, una primera pieza de trabajo tubular metálica 1 a soldar está soldada coaxialmente a una segunda pieza de trabajo tubular metálica 2, para crear una zona de soldadura 3. La zona 3 de la soldadura está dividida en dos mediante una línea de unión 4 y se define generalmente mediante las primera y segunda zonas 5 y 6 afectadas por el calor en los extremos soldados 7 y 8 de la primera y la segunda piezas de trabajo, respectivamente.

Según el procedimiento preferido de la presente invención, el cizallado requerido para activar la unión en la zona de soldadura 3, tal como se ha descrito anteriormente, se aporta como una rotación coaxial relativa unidireccional entre las piezas de trabajo 1 y 2. En dicho caso, las líneas axiales de referencia indicadas a lo largo de las piezas de trabajo 1 y 2, antes de la soldadura, quedarían distorsionadas y aparecerían como líneas curvadas 9 después de la soldadura, dichas líneas muestran la distorsión plástica impuesta por el cizallado mediante el procedimiento de soldadura. Resulta evidente que donde la pendiente de la línea es más pronunciada la magnitud local de la deformación es superior. La mayor parte de la distorsión plástica por cizallado se produce en el material a la elevada temperatura de trabajo, de este modo los espesores combinados de las capas calientes, representados mediante la dimensión z, resultan evidentes como los intervalos que limitan la línea de unión 4, donde las pendientes de las líneas curvadas 9 son generalmente más pronunciadas.

En las condiciones de desplazamiento unidireccional por cizallado, el desplazamiento total impuesto por el cizallado se representa mediante la distancia "x", y generalmente se produce a través de los espesores de las capas calientes, de modo que la magnitud media de la deformación plástica por cizallado se caracteriza en este caso por la relación x/z. Resulta evidente que esto corresponde generalmente a la pendiente de las líneas 9 en la línea de unión 4. Para unir acero al carbono corriente, se halló que la deformación de cizallado debe ser aproximadamente de 10 o superior; es decir, la activación de la deformación por cizallado de de la unión es aproximadamente de 10 para este material.

Haciendo referencia todavía a la Figura 1, la sección transversal de la pared lateral observada a través de la zona 3 de soldadura, muestra las rebabas interior y exterior características, 10 y 11 respectivamente, obtenidas en soldaduras que utilizan el procedimiento presente, utilizando únicamente un control axial unidireccional de la deformación axial por compresión. En estas condiciones de control, la forma de la rebaba, tal como se representa, es redondeada (es decir, tiene unas proporciones con un aspecto discreto) y la línea de unión es continua hasta los extremos de la rebaba, reduciendo o eliminando la tendencia a dejar una entalladura, característica de las soldaduras por fricción. Habitualmente no se pretende dicha entalladura, ya que crea un foco de incremento de tensiones y un punto de iniciación de la corrosión. De un modo similar, el aspecto discreto o reducido de la soldadura presente, reduce asimismo el efecto de elevación de tensiones comparado incluso con la rebaba obtenida utilizando el procedimiento de soldadura por fricción asistida por inducción que explica Lingnau. Por consiguiente, en muchas aplicaciones que requerirían en otro caso la eliminación de la rebaba si estuvieran soldadas por fricción, esta etapa generalmente resulta innecesaria en el caso de las soldaduras realizadas mediante el procedimiento de la presente invención, incluso puestas en práctica utilizando únicamente el control axial, unidireccional, de compresión, de la deformación.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 2, en ella se representa una soldadura realizada según una forma de realización alternativa del procedimiento de la presente invención en la que se ha impuesto un control axial de la deformación de tracción o de extensión a continuación de la etapa de activación de la unión. En este caso, la rebaba queda virtualmente eliminada, proporcionando de este modo unas ventajas todavía mayores en las aplicaciones en las que es perjudicial incluso un mínimo recalcado de la rebaba.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 3, la realización de dichas soldaduras simétricas con respecto al eje se facilita gracias a disponer un dispositivo 100 que permite la soldadura en estado sólido de las piezas de trabajo, asistida por cizallado, de tal modo que las primera y segunda piezas de trabajo tubulares 1 y 2, están dotadas de unos extremos 7 y 8 cortados en ángulo recto, respectivamente, que constituyen las superficies de acoplamiento 12 y 13 respectivamente, simétricas con respecto al eje. Las primera y segunda piezas de trabajo tubulares 1 y 2 se encuentran sujetas en las mordazas superior e inferior 101 y 102, respectivamente. La mordaza superior 101 está unida a la brida de reacción 103, que está unida al cuerpo principal 104 por su extremo superior 105. La brida de reacción 103 se configura preferentemente de modo que comprende una célula de carga que puede determinar las cargas axial y de torsión transmitidas a través de la misma. El cuerpo principal 104 comprende una pared tubular gruesa que presenta un extremo superior 105 y un extremo inferior 106 y dotados de accesos a las bobinas de inducción de calentamiento dispuestos adecuadamente y de las aberturas generales de acceso 107 y 108 respectivamente.

En su extremo inferior 106, el cuerpo principal 104 está unido al subconjunto de un dispositivo de accionamiento hidráulico doble 200 que comprende:

(a): un cilindro exterior 201, dispuesto con unas tapas extremas superior e inferior 202 y 203, respectivamente, que presentan unos cierres y casquillos conocidos habitualmente en la técnica, que junto con el cilindro exterior 201 comprende el cuerpo del dispositivo de accionamiento 204; y

(b): un pistón intermedio de forjado 205 dispuesto coaxialmente en el interior y acoplándose con el cuerpo del dispositivo de accionamiento 204;

(c): un pistón interior rotativo 206 dispuesto coaxialmente en el interior del pistón intermedio de forjado 205, con los tabiques de cierre superior e inferior 207 y 208, respectivamente, provistos de cierres y de manguitos tal como resulta muy conocido en la técnica, y dispuestos en la zona anular entre el pistón giratorio interior 206 y el pistón intermedio de forjado 205, a los cuales están unidos, formando de este modo dos pistones hidráulicos encajados con el interior hueco, funcionando el pistón intermedio de forjado 205 como el cilindro del pistón giratorio interior 206.

El desplazamiento axial de dichos dispositivos de accionamiento se realiza preferentemente mediante unos medios de bombeo del fluido hidráulico bajo control servo-hidráulico para la entrada y la salida de las cavidades anulares de avance y retroceso 209 y 210, respectivamente, en el caso del pistón intermedio de forjado 205, y 211 y 212, respectivamente, en el caso del pistón giratorio interior 206.

El pistón giratorio interior 206 se dispone como un pistón hueco de doble acción que presenta un extremo inferior 213 unido rígidamente a la brida de soporte 214 del seguidor de la leva. El pistón intermedio de forjado 205 está unido por su extremo inferior 215 a la jaula giratoria 216 y por su extremo superior 217 a la mordaza inferior 102 que soporta la segunda pieza de trabajo 2. La jaula giratoria 216 generalmente es cilíndrica, y está dotada de una serie de ranuras helicoidales 218 de las levas, separadas a distancias iguales, y dispuestas para encajar estrechamente en el interior de la jaula axial 219 y en el exterior de la brida 214 de soporte del seguidor de la leva. La jaula axial 219 generalmente es cilíndrica y presenta un extremo superior 220 dotado con una pluralidad de ranuras helicoidales 221 de las levas, separadas a distancias iguales que encajan con las ranuras helicoidales 218 de las levas. El extremo superior 220 de la jaula axial 219 está unido rígidamente a la tapa 203 del extremo del cilindro inferior y de este modo actúa como una prolongación del cuerpo 204 del dispositivo de accionamiento.

Los ejes radiales 222 están unidos a la brida de soporte 214 del seguidor de la leva y se prolongan a lo largo de cada par de ranuras helicoidales 218 de las levas y de las ranuras axiales 221 de las levas. Los seguidores interiores y exteriores de las levas 223 y 224 están montados en cada uno de los ejes radiales 222 y están dispuestos de tal modo que los seguidores interiores 223 de las levas encajan en las ranuras helicoidales 218 en la jaula rotativa 216 y los seguidores exteriores 224 de las levas encajan en las ranuras axiales 221 en la jaula axial 219. Mediante esta disposición el pistón de forjado 205, y por lo tanto la segunda pieza de trabajo 2, pueden girar independientemente o desplazarse axialmente con respecto al cuerpo principal 104, dependiendo del control hidráulico del avance o retroceso de los pistones giratorios y de forjado 206 y 205, respectivamente. Esta posibilidad de control independiente se describe a continuación con mayor detalle.

Control de la rotación: si el avance o el retroceso del pistón de forjado 205 se ve obstaculizado por el control hidráulico del flujo a las cavidades de avance y retroceso 209 y 210 respectivamente, el avance y el retroceso del pistón giratorio 206 provoca la rotación del pistón de forjado 205, debido a que los seguidores exteriores de las levas 224 acoplados a las ranuras axiales 221 obligan a los ejes radiales 222 a desplazarse únicamente axialmente. Dado que estos ejes son comunes con los de los seguidores 223 de las levas interiores acoplados a las ranuras helicoidales 218, el movimiento axial de los ejes radiales 222 únicamente se puede realizar mediante la rotación de la jaula rotativa 216, y por consiguiente, del pistón de forjado 205 al que está unida. Es evidente que esta relación entre el movimiento axial del pistón giratorio 206 y la rotación del pistón de forjado 205 está gobernada por el paso o ángulo de la hélice de las ranuras helicoidales 218, cuyo ángulo se ha seleccionado en combinación con otras variables de diseño tales como área del pistón, carrera, presión de la bomba y volumen de flujo, para proporcionar un par suficiente y una capacidad de giro adecuados para el tamaño de la pieza de trabajo a soldar. En particular, la carrera del pistón giratorio 206 y la longitud de las ranuras helicoidales 218 se han seleccionado en combinación con el paso de la hélice para proporcionar una rotación suficiente para imponer el desplazamiento por cizallado necesario para soldar las piezas de trabajo, dentro de un intervalo de dimensiones seleccionado.

Control axial: si el avance o el retroceso del pistón giratorio 206 está obstaculizado mediante un control hidráulico adecuado, el avance o el retroceso del pistón de forjado 205 produce directamente el desplazamiento axial de la segunda pieza de trabajo 2, mientras se impide la rotación mediante el acoplamiento de los seguidores 224 de la leva exterior acoplados en las ranuras axiales 221. Equipado de un modo apropiado con detectores de presión y desplazamiento integrados en el control hidráulico de la retroalimentación, de un modo muy conocido en la técnica, el aparato 100 facilita de este modo el control del procedimiento del desplazamiento axial, de la fuerza de contacto, de la rotación y del par impuestos a la segunda pieza de trabajo 2 con respecto a la primera pieza de trabajo 1.

En su forma de realización preferida, el aparato 100 está provisto además de un sistema de bobinas de inducción 300 para el calentamiento, que comprende una o una pluralidad de bobinas de inducción 301 soportadas de un modo deslizante en un dispositivo de corredera 302 montado en el cuerpo principal 104 y dispuesto de tal modo que la bobina puede disponerse coaxialmente entre las caras extremas acopladas 12 y 13 de las piezas de trabajo 1 y 2 para su calentamiento (tal como se representa en la Figura 3) y retroceda antes de que las superficies 12 y 13 entren en contacto mediante unos medios adecuados tales como un dispositivo de accionamiento neumático que actúa sobre la conexión 303 del extremo de la bobina de inducción 301 (tal como se representa en la Figura 4). Haciendo referencia de nuevo a la Figura 3, los tabiques 304 y 305 y la cubierta 306 están dispuestos para favorecer la retención de un gas de protección tal como nitrógeno, para proporcionar de este modo un entorno no oxidante durante el calentamiento y la soldadura. Se disponen asimismo unos cables para el suministro de energía para la inducción y están conectados a una o a una pluralidad de bobinas de inducción 301.

Cuando se utiliza una única bobina, un experto en la materia comprenderá que la forma geométrica de la bobina de calentamiento por inducción 301, su posición con respecto a las caras extremas 12 y 13 de las piezas de trabajo 1 y 2, y la frecuencia, amplitud y duración de la corriente de excitación de la bobina, pueden controlarse de diversos modos, utilizando los sistemas de suministro de calentamiento por inducción disponibles comercialmente, para alcanzar un perfil de temperatura axial pretendido en los extremos de las piezas de trabajo.

No obstante, tal como se ha mencionado anteriormente, la utilización de una única bobina de inducción para calentar simultáneamente dos superficies, tal como se representa en la Figura 3, aunque presenta una cierta simplicidad constructiva, introduce una dificultad práctica significativa para alcanzar un calentamiento uniforme de ambas superficies. Durante el calentamiento, la bobina de inducción única se acopla electromagnéticamente a ambas piezas de trabajo. De este modo tiende a calentar preferentemente la superficie más próxima. Para impedir el exceso de calentamiento de una superficie o la falta de calentamiento de la otra, la bobina debe disponerse con mucha precisión para igualar las dimensiones del espacio entre la bobina y cada una de las superficies por separado de las piezas de trabajo. En la presente forma de realización preferida, el sistema de bobinas de calentamiento por inducción 300 está dotado de este modo con dobles bobinas que pueden configurarse de diversos modos tal como resultará evidente para un experto en la materia.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 11, en ella se representa una disposición de este tipo con bobinas gemelas 301a y 301b, separadas mediante unas protecciones 310a y 310b de material ferromagnético para incrementar la intensidad del campo magnético que produce el calentamiento de las superficies acopladas y para reducir el acoplamiento electromagnético entre las bobinas. Dicha disposición, al utilizar una protección ferromagnética, facilita una estrecha separación de las dos bobinas. Alternativamente, puede reducirse el acoplamiento electromagnético aumentando la separación de las bobinas, lo que requiere correlativamente un mayor recorrido axial para poner en contacto las superficies acopladas después del calentamiento.

El aparato 100, y en particular el doble movimiento del eje (es decir, axial y de rotación) del subconjunto 200 del dispositivo de accionamiento hidráulico, facilita la imposición de la deformación axial y de cizallado con las cargas asociadas, necesarias para el trabajo en caliente de las piezas metálicas de trabajo durante la soldadura, tal como se requiere para la puesta en práctica del procedimiento de la presente invención de una manera particularmente ventajosa, si se compara con los equipos conocidos de soldadura por fricción utilizados habitualmente para realizar desplazamientos y fuerzas similares análogos para la soldadura. En comparación con la configuración de dichos otros equipos, el aparato 100 no requiere los pesados cojinetes que se requieren normalmente para soportar la rotación bajo las elevadas fuerzas de forjado, además de los cierres y los casquillos requeridos habitualmente con dichos dispositivos hidráulicos de accionamiento. Por consiguiente, se requiere una complejidad mecánica mínima para imponer la rotación, y proporciona fácilmente la elevada rigidez necesaria para un control preciso del desplazamiento.

El dispositivo de accionamiento hueco con un orificio pasante facilita la soldadura de piezas tubulares largas, tales como las requeridas en el tendido de tuberías o en la construcción de pozos. La simplicidad de dicha construcción proporciona otros numerosos beneficios tales como un volumen compacto, unos costes de capital reducidos, una mayor fiabilidad y un desplazamiento con respecto al cuerpo del aparato limitado a una sola pieza de trabajo, valiosos en muchas aplicaciones tales como en el tendido de tuberías o en el montaje de recubrimientos, en los que puede aplicarse el procedimiento de soldadura de la presente invención.

Debe comprenderse que las referencias superior e inferior de la presente descripción, con respecto a los dibujos del aparato 100 no significan que implique dependencia en la dirección de la gravedad; por lo tanto el eje del aparato 100 puede estar orientado horizontalmente tal como sería preferible generalmente en la soldadura de tendidos de tuberías.

Durante el funcionamiento, el aparato 100 facilita la soldadura según la forma de realización preferida de la presente invención en la que, haciendo referencia a la Figura 3, la cara 12 de la primera pieza de trabajo 1 se dispone en la mordaza superior fija 101 con respecto a la bobina 301, tal como sería durante la preparación y durante el calentamiento, de tal modo que se obtiene un espacio controlado, suficientemente grande para garantizar el aislamiento eléctrico, pero suficientemente próximo para obtener un acoplamiento satisfactorio del campo inductivo entre la bobina y la primera pieza de trabajo 1 para calentar su cara 12. De un modo similar, se regula la posición de la segunda pieza de trabajo 2 en la mordaza inferior móvil 102 y la posición del pistón de forjado 205 para obtener una separación similar entre la cara extrema 13 de la pieza de trabajo 2 y la bobina 301, con lo que la posición del pistón de forjado 205 está dispuesta además para presentar una carrera suficiente para llevar las caras extremas 12 y 13 de las piezas de trabajo 1 y 2 a ponerse en contacto con la bobina 301 retrasada. Habitualmente el pistón giratorio 206 se coloca en una posición totalmente retrasada antes de la soldadura.

A continuación del posicionado de las piezas de trabajo con la bobina avanzada, se introduce suficiente gas de protección en el espacio cerrado para expulsar sustancialmente el oxígeno del entorno en contacto con las caras extremas 12 y 13 de la pieza de trabajo hasta que están en contacto. Una vez purgado el entorno de este modo, se inicia el calentamiento por inducción de las piezas de trabajo y se continúa hasta que las superficies de contacto se encuentran por encima de la temperatura mínima para la unión, dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente, y la capa de material dispuesta debajo de la superficie de cada pieza de trabajo está por consiguiente asimismo dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente, formando de este modo una capa caliente en los extremos de cada pieza de trabajo. A continuación, la bobina retrocede y las piezas de trabajo entran en contacto mediante el control del desplazamiento en un periodo de tiempo suficientemente corto para impedir que se enfríen por debajo de la temperatura de trabajo en caliente de las superficies de las piezas de trabajo. Preferentemente, la rotación se inicia inmediatamente antes de que las superficies entren en contacto y se coordina con el desplazamiento axial para continuar la imposición controlada de una interferencia axial, de tal modo que se impida un deslizamiento substancial mientras la rotación impone simultáneamente una deformación por cizallado por lo menos igual a la deformación por cizallado de activación de la unión, para completar de este modo la soldadura. La Figura 4 muestra las piezas de trabajo soldadas 1 y 2 en el aparato 100 tal como aparecen una vez finalizada la soldadura.

Haciendo referencia a continuación a la Figura 5, los parámetros clave del proceso una vez que se ha completado el calentamiento, se representan en el gráfico de tiempos, correspondiendo a la secuencia de etapas acabadas de describir para el funcionamiento del aparato 100 durante la soldadura de piezas de acero al carbono según la forma de realización preferida del procedimiento de la invención. En este gráfico, el desplazamiento se indica haciendo referencia a la posición de contacto, y el tiempo se muestra iniciándose justo cuando ha finalizado el calentamiento. La escala representada para tensión, desplazamiento y tiempo, se pretende que sea ilustrativa de los valores típicos hallados en la soldadura de una tubería de acero al carbono de 178 mm de diámetro exterior y de 8 mm de espesor, pero no deben considerarse como norma.

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La curva C_{1} representa la posición axial relativa de las piezas de trabajo basándose en el desplazamiento del pistón de forjado; es decir, los valores negativos corresponden a la separación entre las caras de acoplamiento de la primera y la segunda piezas de trabajo, y los valores positivos corresponden a la interferencia o recalcado impuesto mediante el control del pistón de forjado. La curva C_{2} representa la deformación circunferencial o de cizallado derivada del desplazamiento axial del pistón giratorio. La curva C_{3} representa la tensión de cizallado derivada de la medición del par, y la curva C_{4} representa la tensión axial o de forjado derivada de la medición de la carga del pistón de forjado. Dado que el espesor de la capa caliente por encima del cual se genera la deformación plástica, es el mismo tanto para el desplazamiento axial como para el de cizallado, siendo las magnitudes relativas del desplazamiento mostradas son las mismas que para la deformación.

El tiempo T_{0} corresponde al final del calentamiento y a la iniciación del retroceso de la bobina. En el tiempo T_{1}, se ha completado el retroceso de la bobina y se inicia el desplazamiento del pistón de forjado. El tiempo T_{2} corresponde a la iniciación del movimiento giratorio y el contacto se produce en T_{3} (aunque, debe tenerse en cuenta que en formas de realización alternativas T_{2} y T_{3} pueden coincidir, o que T_{3} puede en realidad preceder a T_{2}). Después del contacto, la tensión de cizallado y la tensión axial aumentan hasta el tiempo T_{4}, tras lo que se permite que la tensión axial disminuya y puede incluso llegar a convertirse en tensión de tracción como sucede en el presente ejemplo en el tiempo T_{5} cuando la soldadura se ha completado totalmente. De este modo la etapa de activación de la unión se produce en el intervalo T_{3} a T_{5}.

Este gráfico demuestra que, según las explicaciones de la presente invención, en cuanto se inicia el contacto, la tensión axial de compresión aumenta correlativamente con la tensión de cizallado, de tal modo que la proporción de la tensión de cizallado con respecto a la tensión axial se mantiene superior al coeficiente de fricción aparente de las superficies en su temperatura elevada de trabajo, evitando de este modo el deslizamiento. No obstante, como aumenta la magnitud del desplazamiento del cizallado y la unión aumenta correlativamente, se permite que esta proporción aumente de modo que la tensión axial llega hasta un límite y luego disminuye, y puede incluso convertirse en tensión de tracción. Este control de la deformación axial y por consiguiente de la tensión es totalmente contrario a las explicaciones de la técnica anterior en el caso de la soldadura por fricción, en la que se considera necesaria una fuerza de compresión denominada "fuerza de forjado" en todo el ciclo de soldadura y realmente aumenta preferentemente y se mantiene cuando se produce la detención de la rotación. De un modo similar, el tiempo muy corto requerido para realizar una unión, es en este ejemplo inferior a 3 segundos, muy inferior al tiempo previsto para la unión por difusión tal como resulta conocida en la técnica anterior.

La velocidad a la que se produce la interferencia al entrar en contacto, con respecto a la velocidad de desviación del cizallado se utiliza correlativamente, no únicamente para reducir el deslizamiento, sino asimismo simultáneamente para imponer una deformación plástica suficiente, normal a la superficie de contacto. Esto resulta beneficioso para compensar de algún modo la falta de acoplamiento entre las superficies acopladas 12 y 13. Esto puede explotarse ventajosamente de tal modo que el grado de acoplamiento requerido no sea elevado; por ejemplo, la preparación típica de las superficies mecanizadas a torno permite formar soldaduras de alta calidad.

Haciendo referencia todavía a la Figura 5, el desplazamiento final del pistón de forjado tal como se indica en la curva C_{1}, refleja la deformación axial residual de compresión y por tanto el volumen de la rebaba en el caso de la forma de realización preferida de la presente invención. La presente forma de realización preferida proporciona de este modo una modesta cantidad de refuerzo en la zona de la soldadura, tal como se representa en la Figura 1, mediante el volumen del material de las rebabas exterior e interior 10 y 11, respectivamente. En el caso del ejemplo facilitado, el espesor máximo de la rebaba es aproximadamente del 25% del espesor de la pared de la tubería. Esto se alcanza con una longitud de recalcado aproximadamente del 10% del espesor de la pared. Dicho refuerzo resulta ventajoso en muchas aplicaciones como un medio para reducir las tensiones en toda la zona afectada por el calor y mejorar de este modo la resistencia de la conexión soldada, que de este modo es fácilmente superior a la de la tubería base. El control de la forma geométrica en la proximidad de los extremos de las tuberías acopladas, tal como mediante la mecanización previa de la tubería con chaflanes interiores y/o exteriores, puede utilizarse asimismo para reducir el tamaño del recalcado final de la soldadura con respecto al espesor de pared de la tubería, pero dichos chaflanes añaden un coste adicional.

En aplicaciones en las que se pretende una rebaba todavía inferior sin requerir dicha operación de mecanizado previo, se aplica el procedimiento de la presente invención en una forma de realización alternativa, para proporcionar soldaduras caracterizadas por una rebaba mínima. Haciendo referencia a continuación a la Figura 6, en esta forma de realización alternativa, el desplazamiento del pistón de forjado representado mediante la curva C_{1}, está controlado de modo que empieza a disminuir después del tiempo T_{5}, dando como resultado un recalcado final casi nulo. Comparado con el control del proceso representado en la Figura 5, esto tiene como resultado una tensión axial de tracción ligeramente superior, pero debido a la proporción de la deformación por cizallado (indicada mediante la pendiente de la curva C_{2}) se mantiene simultáneamente considerablemente superior a la proporción de la deformación axial (indicada mediante la pendiente de la curva C_{1}), esta tendencia se reduce al mínimo, ya que correspondientemente se tiende a incrementar el tamaño de los huecos que se producirían si se introdujera una deformación axial en ausencia de la deformación de cizallado. La presente forma de realización alternativa proporciona de este modo una rebaba despreciable tal como se representa mediante el volumen de rebaba mostrado en la Figura 2.

El aparato 100 representado en la Figura 3, puede utilizarse fácilmente para proporcionar un control del proceso de la deformación bidireccional del cizallado, tal como se representa en la Figura 7. En la presente forma de realización alternativa, la dirección de la deformación de cizallado y por tanto de la tensión, está invertida en el tiempo T_{4,5}, para realizar soldaduras en las que, por ejemplo, la posición inicial y final de la rotación es la misma, tal como se indica mediante la curva C_{2} en la Figura 7. Dicha característica facilita aplicaciones tales como los enlaces en los tendidos de tuberías, en los que ninguna de las piezas de trabajo tiene libertad para girar, y se pretende completar la soldadura sin dejar una torsión residual en el intervalo limitado entre los tendidos de tuberías. Resulta evidente que esto es ilustrativo de las numerosas variaciones de las trayectorias de la carga facilitadas por dicho aparato para explotar las ventajas que surgen potencialmente de la ambivalencia en la dirección del cizallado de que disfruta el procedimiento de soldadura de la presente invención. En algunas aplicaciones puede resultar ventajoso facilitar dichas trayectorias giratorias de la carga disponiendo las ranuras de las levas de la jaula giratoria 216 con un perfil no helicoidal, tal como un perfil en diente de sierra habitualmente redondeado, para facilitar la rotación oscilatoria sin requerir el retroceso axial del pistón giratorio 206.

En una forma de realización adicional, puede aplicarse el procedimiento de la presente invención para unir simultáneamente dos o más superficies diferenciadas acopladas. La Figura 8 representa una de dichas formas geométricas en la que la soldadura está formada entre unas primera y segunda piezas de trabajo 1 y 2, simétricas con respecto al eje, que presentan unos resaltes concéntricos anulares interiores y exteriores encajados, 401 y 402 que sobresalen. Esta forma geométrica requiere coordinación en el calentamiento de los anillos interior y exterior para garantizar que ambas zonas se encuentran dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente antes de proceder a la unión. Cuando se utiliza el calentamiento por inducción para controlar la temperatura con una única bobina dispuesta coaxialmente entre los extremos acoplados y asimismo alineados axialmente, la bobina debe disponer de unos bucles interiores y exteriores en los que la forma geométrica de dichos bucles está ajustada para equilibrar la aportación de calor entre las superficies y asegurar de este modo que se cumplen las limitaciones en cuanto a la temperatura.

Aunque dicha disposición puede proporcionar unos resultados satisfactorios, se prefiere emplear dos (o incluso preferentemente cuatro) bobinas independientes para realizar el calentamiento. En dichas disposiciones de las bobinas, no resulta necesario que las piezas de trabajo estén alineadas axialmente durante el calentamiento. Puede utilizarse una disposición generalmente como la representada en la Figura 12 que emplea cuatro bobinas y circuitos independientes 410a, 410b, 410c y 410d. Tras el calentamiento, las piezas de trabajo se desplazan en la dirección representada mediante las flechas, hasta una alineación coaxial como preparación para ser soldadas utilizando el procedimiento de soldadura sólida asistido por cizallado de la presente invención. En dichas disposiciones, las bobinas pueden estar dispuestas en
posiciones fijas o pueden ser móviles, según sea conveniente o apropiado para adaptarse a aplicaciones particulares.

En el ejemplo representado en la Figura 8, las superficies diferenciadas acopladas se disponen en el mismo plano. No obstante, resultará muy evidente para los expertos en la materia que el procedimiento de la presente invención se puede adaptar asimismo para soldar piezas de trabajo que tengan una pluralidad de superficies de acoplamiento que estén dispuestas en planos diferentes, siempre que los planos sean sustancialmente paralelos.

En otra forma de realización, el procedimiento de la presente invención facilita la unión de superficies acoplables no planas, simétricas con respecto al eje. La Figura 9 representa la soldadura de una tubería en el caso de una de dichas formas geométricas en la que las superficies a acoplar presentan un perfil en diente de sierra y de este modo la línea de unión 4 aparece irregular a lo largo de la sección de la soldadura. Para poner en práctica la soldadura con esta forma geométrica utilizando el calentamiento por inducción, la forma geométrica de la bobina necesita en general estar dispuesta para seguir o encajar con el contorno de los perfiles de las superficies, para controlar de este modo el tamaño de la separación entre la bobina y la superficie de la pieza de trabajo de tubería y de este modo la magnitud de la aportación local de calor. Sin embargo, cuando el perfil en diente de sierra no es grande en comparación con el espesor requerido de la separación, puede que no resulte necesario dicho perfil de la bobina. Por ejemplo, la Figura 10 muestra la bobina de calentamiento por inducción 301 para la forma geométrica de la Figura 9 en relación con las piezas de trabajo 1 y 2 durante el calentamiento. Es evidente que, en general, si el dispositivo de calentamiento por inducción debe ser contorneado para obtener un calentamiento suficientemente uniforme, no es factible la extracción por traslación en un plano único, ya que la bobina interferiría con los extremos de la pieza de trabajo. En dichos casos, se dispone de diversas alternativas, entre ellas el desplazamiento axial de la bobina en cooperación con el desplazamiento de una o de ambas piezas de trabajo como preparación a la extracción de la bobina, la utilización de bobinas partidas y otros medios conocidos en la técnica.

La forma geométrica de la soldadura de la Figura 9 puede resultar ventajosa en aplicaciones en las que se pretende girar la orientación de la línea de unión con respecto a la dirección de la tensión axial para aumentar la resistencia y mejorar las características de detención de las grietas que de otro modo podrían propagarse a través de todo el espesor de una soldadura plana.

El procedimiento de la presente invención resulta especialmente ventajoso porque no es necesario que la preparación de las superficies a unir cumpla con requisitos estrictos. Se ha hallado que pueden alcanzarse soldaduras satisfactorias a pesar de la presencia de los óxidos que tienden a formarse en la superficie de los aceros al carbono recién mecanizados a temperatura ambiente, generalmente en aire seco. No obstante, se ha observado asimismo que la magnitud de la deformación por cizallado que es necesario introducir para realizar una unión, tiende a incrementarse con la magnitud de la oxidación o de otras impurezas (por ejemplo, aceite o suciedad) presentes en las superficies a acoplar. Por consiguiente, las formas de realización preferidas de la presente invención comprenden una etapa para la limpieza de las superficies a unir, como un medio adicional para controlar y reducir la magnitud de la deformación por cizallado requerida para realizar la soldadura pretendida.

La etapa de limpieza puede comprender cualquiera de los numerosos procedimientos conocidos en la técnica. Por ejemplo, los óxidos pueden eliminarse utilizando unos medios abrasivos mecánicos, preferentemente en presencia de un gas de protección tal como nitrógeno. Alternativamente, la eliminación del óxido puede realizarse por medios químicos; por ejemplo, exponiendo las superficies a acoplar a un gas reductor a una temperatura elevada.

Los expertos en la materia apreciarán fácilmente que pueden idearse diversas modificaciones de la presente invención sin apartarse por ello del ámbito de la invención, tal como está definida en las reivindicaciones adjuntas.

Claims

1. Procedimiento de soldadura para unir piezas metálicas (1, 2), comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

(a): disponer la primera y segunda piezas metálicas de trabajo (1, 2), presentando cada pieza de trabajo (1, 2) una superficie de contacto (12, 13) adaptada para realizar una unión de acoplamiento con la superficie de contacto (13, 12) de la otra pieza de trabajo (2, 1);

(b): calentar las piezas de trabajo (1, 2) de modo que se eleve la temperatura en una capa caliente (5, 6) del metal adyacente a cada superficie de contacto (12, 13) hasta estar dentro del intervalo de trabajo en caliente del metal de base de las piezas de trabajo (1, 2);

(c): desplazar las superficies de contacto (12, 13) para que entren en contacto de acoplamiento mientras se encuentran dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente;

: caracterizado porque

(d): se aplica una fuerza axial de compresión a través de las superficies de contacto (12, 13), siendo suficiente dicha carga de compresión para impedir el deslizamiento relativo entre las superficies de contacto (12, 13) como respuesta a la imposición de una deformación transversal de cizallado suficiente para inducir una fluencia plástica en las capas calientes (5, 6); y

(e): se impone un desplazamiento transversal de cizallado entre las piezas de trabajo (1, 2), siendo suficiente dicho desplazamiento de cizallado para provocar una deformación plástica de cizallado en el interior de las capas calientes (5, 6) para inducir la unión de las piezas de trabajo (1, 2) en la zona de contacto;

de tal modo que se realiza una unión en estado sólido entre las piezas de trabajo (1, 2) sin un deslizamiento relativo significativo entre las superficies de contacto (12, 13).

2. Procedimiento de soldadura para unir piezas metálicas (1, 2) comprendiendo dicho procedimiento las etapas siguientes:

(a): disponer unas primera y segunda piezas metálicas a soldar (1, 2), presentando cada pieza de trabajo una superficie de contacto (12, 13) adaptada para realizar una unión de acoplamiento con la superficie de contacto (13, 12) de la otra pieza de trabajo (2, 1);

: caracterizado porque

(b): se desplazan las superficies de contacto (12, 13) para que entren en contacto de acoplamiento;

(c): se calientan las piezas de trabajo (1, 2) de modo que se eleve la temperatura en una capa caliente (5, 6) del metal adyacente a cada superficie de contacto (12, 13) que está en contacto de acoplamiento dentro del intervalo de trabajo en caliente del metal de base de las piezas de trabajo (1, 2);

3. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que:

las piezas metálicas a soldar (1, 2) son generalmente simétricas con respecto al eje, de tal modo que las piezas de trabajo (1, 2) estarán alineadas axialmente cuando sus superficies de contacto (12, 13) se encuentren en acoplamiento;

el desplazamiento transversal por cizallado entre las piezas de trabajo (1, 2) es un desplazamiento transversal giratorio de cizallado.

4. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que el modo direccional del desplazamiento de cizallado se selecciona de entre el grupo que consiste en desplazamientos orbital, oscilatorio, rotativo y retroceso.

5. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que:

(a): las piezas de trabajo (1, 2) están realizadas en acero al carbono;

(b): el espesor de la capa caliente (5, 6) de cada pieza de trabajo es aproximadamente de 1,27 milímetros (0,050 pulgadas); y

(c): el desplazamiento total relativo por cizallado entre las piezas de trabajo (1, 2), medido en la circunferencia de la junta, es de aproximadamente 25 milímetros.

6. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que el desplazamiento total relativo por cizallado es por lo menos de aproximadamente diez veces la suma de los espesores de las capas calientes (5, 6) de las piezas de trabajo (1, 2).

7. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, que comprende la etapa adicional de imponer una deformación adicional normal a la zona de contacto, posterior a la unión inicial, mientras que por lo menos una parte de las capas calientes (5, 6) permanece dentro del intervalo de temperaturas de trabajo en caliente, de modo que se regula el volumen de la rebaba.

8. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 7, en el que la deformación adicional normal es de deformación por tracción.

9. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 7, que comprende la etapa adicional de introducir un desplazamiento adicional por cizallado, conjuntamente con la deformación adicional normal.

10. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que la etapa de calentamiento de las piezas de trabajo (1, 2) se realiza utilizando calentamiento por inducción.

11. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además la etapa de limpieza de las superficies de contacto (12, 13) antes de la etapa de calentamiento de las piezas de trabajo (1, 2).

12. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, que comprende además la etapa de limpieza de las superficies de contacto (12, 13) durante la etapa de calentamiento de las piezas de trabajo (1, 2).

13. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que las superficies de contacto (12, 13) se disponen en un entorno no pasivante durante el calentamiento y la unión de las piezas de trabajo (1, 2).

14. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 13, en el que el entorno no pasivante está previsto mediante la introducción de un gas de protección en la proximidad de las superficies de contacto (12, 13).

15. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 14, en el que el gas de protección comprende nitrógeno.

16. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que las superficies de contacto (12, 13) son planas.

17. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que las superficies de contacto (12, 13) están engranadas.

18. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 17, en el que las superficies de contacto engranadas (12, 13) comprenden unas secciones de acoplamiento en forma de diente de sierra.

19. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que la etapa de calentamiento de las piezas de trabajo (1, 2) se realiza con las piezas de trabajo (1, 2) alineadas axialmente.

20. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que la etapa de calentamiento de las piezas de trabajo (1, 2) se realiza con las piezas de trabajo (1, 2) no alineadas axialmente, y comprende la etapa adicional de desplazamiento de las piezas de trabajo (1, 2) hasta alinearlas axialmente después del calentamiento y antes de la etapa de poner en contacto las superficies de contacto (12, 13).

21. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 1 ó 2, en el que cada pieza de trabajo (1, 2) presenta una pluralidad de superficies de contacto diferenciadas que corresponden a las superficies de contacto diferenciadas de la otra pieza de trabajo (2, 1).

22. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 21, en el que las superficies de contacto diferenciadas se disponen en el mismo plano.

23. Procedimiento de soldadura según la reivindicación 21, en el que los planos de las superficies de contacto diferenciadas son paralelos, pero se encuentran desplazados entre sí.