阅读说明：本技术 用于联结钻井的金属管形件的装置和方法 (Apparatus and method for joining metal tubular members for drilling ) 是由 G.皮纳雷多 A.百利尼 于 2018-02-13 设计创作，主要内容包括：一种用于联结待下降到井筒(4)中的金属井管形件的方法,包括以下步骤：a)提供具有上端部表面(6a)的第一井管形件(6)和具有下端部表面(7a)的第二井管形件(7)；b)将第一井管形件(6)下降到井筒(4)中,从而使其上端部留在井筒(4)外部；c)将第二井管形件(7)设置于第一井管形件(6)上的轴向对准位置中,其中第二井管形件(7)的下端部表面(7a)设置成紧靠第一井管形件(6)的上端部表面(6a)；d)将第一井管形件(6)和第二井管形件(7)保持在所述轴向对准位置中；e)将第一井管形件(6)的上端部焊接到第二井管形件(7)的下端部,从而在对应于所述上端部表面(6a)和所述下端部表面(7a)的位置中形成周向焊缝(WL)；以及f)将被焊接在一起的第一井管形件(6)和第二井管形件(7)下降到井筒(4)中。步骤e)包括以下的操作：-设置至少一个激光焊接头(13),其被配置成用于将激光束(LB)导引朝向周向工作区(WA),该周向工作区(WA)包括第一井管形件(6)的上端部部分和第二井管形件(7)的下端部部分,至少一个激光焊接头(13)可根据相应的旋转轨迹围绕周向工作区(WA)位移；-提供至少一个感应加热装置(141、142),其可基本上根据至少一个激光焊接头(13)的旋转轨迹位移,至少一个感应加热装置(141、142)参考至少一个激光焊接头(13)的旋转方向(R)分别设置在至少一个激光焊接头(13)的上游或下游；-导致至少一个激光焊接头(13)的旋转和至少一个感应加热装置(141、142)的旋转,使得-激光束(LB)逐步形成周向焊缝(WL)；以及-至少一个感应加热装置(141、142)分别在激光束(LB)到达周向工作区(WA)的对应的部分(PH、PH2)之前或在激光束(LB)已到达所述对应的部分(PH1、PH2)之后向所述对应的部分(PH1、PH2)供应热量,所述周向工作区(WA)的对应的部分(PH1、PH2)包括相应的第一和第二井管形件(6、7)的所述上和下端部部分的相应的部分。(A method for joining a metallic well tubular to be lowered into a wellbore (4) comprises the steps of a) providing a th well tubular (6) having an upper end surface (6 a) and a second well tubular (7) having a lower end surface (7 a), b) lowering the th well tubular (6) into the wellbore (4) so that its upper end remains outside the wellbore (4), c) placing the second well tubular (7) in an axially aligned position on the th well tubular (6), wherein the lower end surface (7 a) of the second well tubular (7) is placed in close proximity to the upper end surface (6 a) of the th well tubular (6) 2 th well tubular (6), d) holding the th well tubular (6) and the second well tubular (7) in said axially aligned position, e) welding the upper end portion of the th well tubular (6) to the upper end portion (7) of the second well tubular (7) according to a circumferential heat induction welding head (142) of the second well tubular (72) or at least one of a peripheral heat-inducing device (367) of the heat-generating laser beam (34) and heat-generating heat energy by rotating the peripheral heat-inducing devices (367) of the peripheral weld head (H) of the respective heat-generating devices (H-H.)

用于联结钻井的金属管形件的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于下沉钻井（诸如，用于开采油的井）的技术，并且已特别参考用于前述井的构造中的金属管形主体的相互连接而开发。

背景技术

开采井（特别是油井）从土壤的钻探的工艺开始下沉，目的是限定大致竖直的井筒。随着钻探在深度上行进，有必要保护井筒的上部部分以既防止其周边壁的坍塌又防止水和/或油的可能渗入，以及防止钻探淤泥的吸入。被称为完井（completion of the well）的该步骤通过将一定数量的圆形截面的金属管形主体（称为“套管”）下降到井筒中来执行，所述金属管形主体通常由钢制成。管形主体的数量取决于井的深度和采矿目的以及岩石的钻探的难度。

在越来越大的深度处的随后钻探利用甚至更小的大小的冲击式钻头（chiselbit）来实施，以便不损坏已经铺设的管形主体的内壁。由于这个原因，由在井筒内固定在彼此上的管形主体形成的井的内衬具有向上减小的直径，并且被下降的管形件的数量由于井的逐步变窄而受限制。管形主体的直径的范围通常为从10至100 cm，并且它们的壁厚的范围通常从为8至25 mm。

目前，采用以下可能类型的连接中的一种经由螺纹接头来机械地执行管形件的联接：短圆螺纹和接箍（CSG）、长圆螺纹和接箍（LCSG）、偏梯形螺纹和接箍（BCSG）以及直连形螺纹（XCSG）。CSG、LCSG和BCSG类型的连接使用管形件的附加长度，通常称为“接箍（coupling）”，其带有内螺纹并且联接到待联结在一起的两个管的端部，该两个管的端部带有外螺纹。螺纹具有圆形轮廓（CSG、LCSG）或锯齿轮廓（BCSG）。代替地，XCSG连接通过利用锯齿轮廓将待联接在一起的一个管形件的内端部和另一个管形件的外端部螺纹连接而获得，该一个管形件的内端部和另一个管形件的外端部然后直接彼此拧紧。

基于经由螺纹接头的机械联接的管形主体或套管的联接的技术呈现出特定缺点。

首先，由于螺纹加工所要求的加工操作的复杂性，井管形件的成本高昂。指示性地，带螺纹的井管形件的成本能够比对应的无螺纹的井管形件高多达40％。第二，考虑到需要保护井管形件的带螺纹的端部，井管形件的端部螺纹的存在使管形件本身的存储、运输和铺设的操作复杂化。同样，由于待联接在一起的主体的大的大小，各种井管形件之间的联接的操作（即，它们在铺设期间必须拧紧在一起的事实）是复杂的。除此之外，螺纹的设置意味着管形主体的端部部分的变厚。除了需要进一步的成本之外，该工艺还增加了井筒内的阻碍，因此进一步减小了对下降随后管形件的有用的截面。螺纹的存在恰恰代表了机械应力和腐蚀现象集中的临界点。

EP 396204 A公开了一种用于摩擦焊接用于钻井的管形主体或套管的技术，根据该技术，在待联结在一起的管形主体的两个端部之间设置焊接材料的环，这两个端部竖直地在彼此的顶部上轴向对准。使环以高速转动并沿径向方向变形以便产生足够的热量，以在环本身和两个管形主体的端部之间实现摩擦焊接。这种解决方案就焊接装置的生产（其就工艺温度的管理来说相对地难以控制）来说证明是复杂的，并且偶尔也是接头处的表面不平整的来源，以至强制需要随后的精加工工艺。

从EP 958094 A已知一种感应焊接用于钻井的管形主体的技术。同样在这种情况下，在待联结在一起的管形主体的两个端部之间设置焊接环，这两个端部竖直地在彼此的顶部上轴向对准。两个管形主体之间的联结的区域被封闭在其中注入了惰性气体的不透气的腔室中，并且在腔室内设置了感应线圈，所述感应线圈被设计成将焊接环的材料加热直到熔点并由此在管形主体的端部之间创建冶金结合。同样，该解决方案证明是复杂的，特别是就感应焊接装置的生产来说，该感应焊接装置也必须被预先布置以用于产生非常高的温度。

发明内容

总的来说，本发明的目的是经由比根据现有技术设想的装置和方法相对地更简单的用于焊接井管形件的装置和方法来解决前述缺点。根据本发明，该目的通过一种具有所附权利要求中指定的特性的用于联结井管形件的装置来实现。权利要求形成本文中关于本发明提供的技术教导的组成部分。

如将在下文中将更清楚地显现的，根据第一方面，使用激光束来对接焊接井管形件，以借助于管形件本身的界面的熔合和再固化来获得其相互联接。在优选实施例中，由借助于一个或多个电磁感应器的加热来辅助激光焊接的工艺，所述电磁感应器布置成以便在焊接接头的区域中参考焊接点行进的方向而领先和/或跟随激光束的入射点。以这种方式，一个或多个感应器向焊接接头和/或围绕焊接接头的区域供应热量，由此防止其过快地冷却。

根据第二方面，焊接装置由一结构支撑，该结构安装成可在静止位置和工作位置之间移动，该静止位置大致与待焊接的两个管形件的端部相隔一距离，该工作位置大致靠近待焊接的两个管形件的端部，该可移动结构的位移优选地沿基本上垂直于井筒的轴线的方向以引导的方式发生。

附图说明

本发明的另外的目的、特性和优点将参考附图从随后的详细描述中清楚地显现，所述附图纯粹通过非限制性示例提供，并且在附图中：

图1是根据本发明的可能实施例的用于联结井管形件的装置的示意性前视图；

图2是图1的细节；

图3是两个对接联接的井管形件的示意性侧视图，其旨在例示根据本发明的可能实施例的装置的操作原理；

图4是根据本发明的可能实施例的装置的焊接布置的示意性俯视平面图；

图5和图6示意图，其分别是根据本发明的可能实施例的装置的焊接布置的前视图和侧视图；

图7是CCT（连续冷却转变）图，其将典型激光焊接点的冷却动力学与后面跟随有根据本发明实施的焊接工艺的冷却动力学进行比较；

图8是根据本发明的可能实施例的装置的焊接布置的可能控制电路的简化框图；

图9是根据可能的有利实施例的图1的装置的局部且示意性侧视图；

图10和图11是根据本发明的可能实施例的装置的焊接布置的局部且示意性俯视平面图；

图12是关于本发明的另外的可能实施例的与图9的视图类似的视图；

图13是关于本发明的可能的变型实施例的与图5的视图类似的视图；

图14是根据本发明的可能实施例的装置的焊接布置的元件的示意性前视立面图；

图15是与图5的视图类似的视图，其具有包括图14的元件的焊接布置；

图16是关于本发明的另一可能的变型实施例的与图5的视图类似的视图；

图17是关于本发明的另一可能的变型实施例的与图4的视图类似的视图。

具体实施方式

在本说明书的框架中对“一实施例”、“一个实施例”、“各种实施例”等等的引用意在指示所描述的至少一个特定构型、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，可以存在于本说明书的各种点中的诸如“在一实施例中”、“在一个实施例中”、“在各种实施例中”等等的短语不一定指代同一个实施例，而是可代替地指代不同的实施例。此外，本文中所限定的特定的构造、结构、或特性可以以任何适当的方式被组合在一个或多个实施例中，甚至与所体现的实施例不同。本文中特别参考附图中所图示的示例而使用的附图标记和空间参考（诸如“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“前”、“后”、“竖直”等）仅仅是为了方便，且因此不限定保护范围或实施例的范围。在附图中，相同的附图标记用于标明彼此类似或技术上等同的元件。

在本说明书的随后部分中，为简单起见，所谓的套管（即用于形成井筒的内衬的金属管的长度或延伸，如引言部分中所解释的）将被定义为“管形件”或“井管形件”。还应注意，在下文中，将仅描述对理解本发明有用的元件，理所当然地认为钻探系统的组成部件（componentry）（诸如，用于提升、旋转和循环的系统，以及钻柱、冲击式钻头等）可以是该领域中已知的任何概念。

最初参考图1至图3，根据本发明的可能实施例，作为整体由1标明的是用于联结金属井管形件的装置。在本发明的各种实施例中，待联结在一起的管形件由钢合金制成，该钢合金适合用于支撑化学性质的试剂（诸如，硫酸（H₂S））和机械性质（诸如，甚至略微程度的大地运动）的试剂的潜在侵蚀和腐蚀作用。在用于本发明的实施的目的的优先材料当中，可以包括例如L80和P101钢以及在并入本文中以用于参考的标准API 5CT（美国石油协会规范5CT）中明确提及的钢。本文中所描述的装置和方法在任何情况下都是通用的，并且能够经由控制适当的工艺参数来适于不同的几何形状和不同的材料两者。总的来说，待联结在一起的井管形件具有基本上圆形的截面，其具有在10和100 cm之间的直径。管形件的壁厚指示性地在8和25 mm之间。

在各种实施例中，装置1具有载荷支承结构（作为整体由2标明），该载荷支承结构能够定位在钻台3上，该钻台在对应于井筒4的上部开口的位置中具有开口，该井筒下沉在土壤中并且多个金属管形件将被下降在该井筒中，根据本说明书的引言部分中已描述的内容。参考图1中所图示的非限制性示例：

- 由5标明的是已经完全***并悬挂在井筒4中的第一金属管形件；

- 由6标明的是部分地***并悬挂在井筒4中的第二管形件，其下端部经由周向焊缝WL而对接焊接到管形件5的上端部；并且

- 由7标明的是第三管形件，其下端部表面7a将经由对应的周向焊缝而对接焊接到管形件6的上端部表面6a，然后其将在体现为用于管形件6的位置中被下降到井筒4中。

如已提到的，当井管形件将被安装在井筒3中时，有必要通过在定位成稍微高于钻台3的区域中执行的连接的操作而将管形件本身彼此串联连接以形成管形件的柱（string）。该工艺通过以下操作开始：将第一管形件（例如，管形件5）下降到井筒4中（例如，使用提升系统），并且借助于临时保持装置使其相对于钻台3悬挂。接下来，固定到第一管形件的上端部的是第二管形件（例如，管形件6）的下端部，并且使用提升系统将因此形成的柱下降到井筒3中，并且然后再次使其悬挂，其中第二管形件的上端部部分在钻台3上方稍微突出。接下来，固定到第二管形件的上端部（例如，管形件6的端部6a）的是第三管形件的下端部（例如，管形件7的下端部7a），其中柱然后再次被下降并悬挂以用于连接另一管形件。该工艺以相同的方式继续，直到获得管形件的柱的期望长度。

为了能够实施这些操作，因此每当管形件或一系列管形件已经联结在一起（例如，管形件5和6）时有必要使用所提及的保持装置临时悬挂在钻台3的水平处。例如，这种装置可以是包括有目的地提供的楔形件（称为“卡瓦（slip）”）的类型，图中仅体现所述楔形件中的一些，其中所述楔形件由CS标明。设置成以便形成一种可打开轴环的这些卡瓦基本上是金属部段，其外轮廓具有近似截头圆锥形的形状，并且其内轮廓被成形（例如，经由齿或梳）以用于扣住此刻正从井筒4的开口突出的管形件。轴环的卡瓦被手动地或经由致动器系统定位在钻台3中的开口处，其中其内轮廓紧靠所讨论的管形件的外表面而设置。接下来，通过略微下降前述管形件（例如，使用提升系统），卡瓦被迫使握持在管形件本身的外表面上，从而将其包围并支撑其以便相对于钻台3将其握持。然后，当有必要下降包括另一管形件的柱时，经由提升系统将系列件（series）本身略微抬起，以便使得能够（手动或辅助地）将卡瓦从先前被扣住的管形件的表面脱离，且因此能够使用提升系统进一步下降柱。然后重新定位卡瓦，并且柱的进一步略微下降使得能够实现柱本身新握持和新悬挂。针对柱的每个管形件重复该工艺，直到管形件的柱的期望长度被安装在井筒4中。

与本发明相符，优选地使用保持布置或系统使将形成钻井的内衬的一部分的两个连续管形件定位成以端部对端部的方式彼此紧靠，所述保持布置或系统被预先布置以用于确保管形件本身之间的同心度和轴向定位以便限制间隙的形成或任何过度的未对准，从而保证了待联结在一起的端部表面之间的最大界面。

根据本发明的装置包括焊接布置，该焊接布置包括可移动焊接组件，该可移动焊接组件可基本上根据围绕待联结在一起的管形件的邻接端部的圆周位移。在各种实施例中，可移动焊接组件包括激光焊接头。根据前述第一方面，除了激光头之外，焊接组件还包括至少一个加热感应器，诸如预加热感应器和后加热感应器中的一个，其中该感应器或每个感应器可沿着激光头跟随的圆周移动，例如移动到头本身的右边和/或左边。焊接组件被预先布置以用于定位在焊接接头处并设置成围绕其旋转，以便实施连续的周向焊接点。在上文刚引用的优先实施例中，激光头和一个感应器或多个感应器一起转动，即，相对于彼此旋转地固定。

在各种实施例中，装置1的结构2包括保持或定心布置，所述保持或定心布置被配置成用于将待焊接的管形件保持或阻挡在其轴向对准位置中，从而确保其同心度。优先地，该布置包括至少第一和第二保持器具，所述第一和第二保持器具被预先布置以用于在管形件7的下端部表面7a已设置成紧靠管形件6的上端部表面6a之后分别将管形件6和管形件7阻挡在前述轴向对准位置中。

在所图示的非限制性示例中，结构2包括由8标明的大致竖直的立柱，所述立柱在不同的高度处支撑第一保持构件9和第二保持构件10，例如虎钳或钳口构件。优先地，保持构件9和10关联到对应的可控制（电动的或液压的或气动的）致动系统，并且能够呈现对应的操作位置和非操作位置，该操作位置用于将管形件6、7阻挡在位，该非操作位置用于在管形件6、7已被对接焊接之后释放这些管形件并由此使得它们能够被下降到井筒4中，如先前所描述的。在上述卡瓦装置CS的帮助下，使用本身在业内已知的设备和方式（例如，被示意性地体现并由HS标明的提升系统或绞车）来实施上管形件7到竖直位置（在该竖直位置中，上管形件7设置在管形件6的顶部上）中的移动和管形件5、6和7的柱的随后下降。

装置1还包括焊接布置（作为整体由11标明），该焊接布置被配置成用于形成联结待下降到井筒4中的各种管形件的周向焊缝WL（即，参考所例示的情况，还分别在管形件6和管形件7的上端部表面6a和下端部表面7a处形成这种焊缝）。

在优先实施例中，焊接布置11包括可移动焊接组件（在图2中作为整体由12标明），该可移动焊接组件包括至少一个激光焊接头13。如所述的，根据第一方面，焊接组件还可以包括至少一个感应加热装置14。组件12在其安装成使得其能够以受控的方式围绕周向工作区转动的意义上是可移动的，该周向工作区包括待联结在一起的两个管形件6和7的上端部部分和下端部部分；该工作区作为整体由图3中的WA表示。

焊接布置11还包括驱动系统，该驱动系统能够被控制以用于根据相应的圆形路径或旋转轨迹使焊接组件12围绕工作区WA位移。在各种实施例中，驱动系统包括用于组件12的引导支撑件15以及适合用于导致焊接组件12在支撑件15上的位移的马达器具16。

如图4至图6（其中仅焊接布置11被示意性地体现）中所例示的，在各种优选实施例中，焊接组件11包括仅一个激光焊接头13以及由14₁和14₂标明的两个感应加热装置（在下文中为简单起见被定义为“感应器”）。

在各种实施例中，激光焊接头13被预先布置以用于将功率激光束聚焦在相对于所处理的表面大致包括在10和50 cm之间的距离处。头13经由光纤13a（图4）连接到激光辐射的发生器（在图8中由LG标明），例如具有优选地在5和40 kW之间的可调制功率的光纤激光或盘式激光发生器。根据本身已知的技术，焊接头13优选地包括其自身的聚焦系统，该聚焦系统能够被控制。

同样能够根据本身已知的技术构建可能使用的一个电感应器或多个电感应器14₁和14₂，并且所述电感应器包括例如由几组功率变压器和转换器供应的感应器绕组。

优先地，激光焊接头13以及可能地至少一个感应器14₁和/或14₂由同一个可位移结构支撑（在图5至图6中作为整体由17表示），该可位移结构例如为金属框架。在所图示的非限制性示例中，结构17包括上金属板17₁和下金属板17₂，固定在所述上金属板17₁和下金属板17₂之间的是激光焊接头13和每个感应器14₁和/或14₂。明显地，结构17可以以不同于已经例示的方式构建。

激光焊接头13被预先布置以用于将激光束LB（图4）导引朝向周向工作区WA，特别地在对应于设置成彼此紧靠的表面6a、7a的位置中。当其被设想时，至少一个感应器14₁和/或14₂被预先布置以用于经由相应的电磁感应场EW₁和/或EW₂（图4）向工作区WA的对应的部分（即，在此处所考虑的示例中，向管形件6和管形件7两者）供应热量。

与前述第一方面相符，至少一个感应器14₁和/或14₂设置成以便参考组件12的旋转方向（即，激光焊接行进的方向）在激光焊接头13的上游（即，领先）抑或下游（即，跟随）移动。在所例示的情况下并且参考图4（其中组件的旋转方向是逆时针方向，如由箭头R所指示的），感应器14₁和14₂因此分别在激光头13的上游（领先）和下游（跟随）移动。为此目的，在所图示的示例中，至少一个感应器相对于头13旋转地固定；即，它与焊接头13一起安装在同一个组件或单元12上。

形成本发明主题的装置1的控制系统被配置成用于控制焊接布置11，特别地以这样的方式控制焊接组件12及其驱动系统15至16，使得在组件12围绕待联结在一起的管形件6、7的端部旋转之后：

- 由头13发射的激光束LB逐步形成对应的焊缝WL，并且如果由电磁感应来辅助激光焊接的话，

- 由至少一个感应器14₁和/或14₂产生的电磁场EW分别在激光束LB到达工作区WA的对应的部分之前和/或在激光束LB已到达该部分之后向该部分供应热量。优先地，如已所述的，一个感应器或多个感应器不以独立的方式移动，而是与激光头一起旋转地固定，以便在焊接接头的每个点处保证热量的供应的相同分布。

为了更好地阐明由电磁感应来辅助的激光焊接的概念，可以参考图3，其中为了清晰起见，已省略了根据本发明的装置的体现。在该图中，WA指示上述工作区或区域，其包括设置成彼此紧靠的管形件6和7的端部，其中对应的表面6a和7a基本上彼此接触。在所图示的类型的应用中，表面6a和7a优先地被加工成以便呈现平坦边缘以便最大化管形件6和7的端部之间的界面区域。

使焊接组件12基本上绕轴向对准在彼此上的两个管形件的轴线X（图4）（即，井筒4的轴线）转动，使得根据本身已知的技术被聚焦的激光束LB在对应于表面6a、7a的位置中逐步形成焊缝LW。在组件12的旋转的进程中，在激光束照射在工作区WA的特定部分以在表面6a、7a处形成焊接点之前，感应器14₁加热（预加热）工作区WA的该特定部分（在图3中被示意性地体现并由PH₁标明）。同时，感应器14₂加热（后加热）工作区WA的另一个部分（在图3中被示意性地体现并由PH₂标明），激光束LB已经照射在该部分上。当然，图3图示了静态条件，使得将假设：事实上，束LB以及感应加热的区域PH₁和PH₂连续地朝向右边位移，如图中所观察到的，并且同样焊缝WL也朝向右边逐步“延长”。

感应器或每个感应器的存在使得能够控制对焊接接头的热量的供应，以便防止其过快地冷却。与传统的电弧焊技术相比，根据本发明使用的激光焊接事实上保证了在包括熔融区的小区域材料中的热量的高供应。随着激光束LB沿着接头前进，熔池快速地冷却，从而通过传导将能量转移到两个管形件6、7。因此，如果经受应力，与母材（base material）的微观结构不同且具有不同机械性质的微观结构的存在能够因此导致开裂和脆性断裂的现象。由于这个原因，根据本发明的优先实施例，激光焊接可受助于用于通过感应供应热量的系统，其使得能够加热管形件的靠近焊接区域的区域；以这种方式，焊接区域的冷却由于周围热量池的存在而被减慢并且以更加渐进的方式发生，从而抵制不期望的冶金相的形成。

图7的CCT图示出了在特定温度范围内的冷却速率和针对普通钢起源的微观结构之间的关系。应注意到，该图仅代表在冷却期间发生在钢中的微观结构转变的现象，并且不旨在穷举所有现有类型的钢。由I标明的曲线代表在经典激光焊接之后的典型冷却动力学。代替地，由II标明的曲线代表在由感应辅助的工艺中的冷却曲线，如在本发明的前述优先实施例中的。如可以注意到的，在曲线I的情况下，在点A和B之间存在焊接之后的材料的快速冷却。在该冷却之后，材料可以呈现高比例的具有高硬度的微结构，且因此呈现脆性行为。另一方面，在曲线II的情况下，从A’到B’的延伸代表通过使用感应器而支持的温和冷却，所述感应器在激光焊接之前和/或之后加热金属材料。一旦通过感应去除热量的施加，就存在到更快的冷却曲线的返回，如由延伸B’至C’所强调的那样。在该冷却之后，材料可呈现足够用于承受原位机械载荷的微观结构成分。

图4至图6是仅通过图1和图2的焊接布置11的可能配置的示例提供的示意性图示。焊接组件12的结构17（在这种情况下，关联到该结构17的是激光焊接头13和一个感应器或多个感应器14₁和/或14₂）优选地具有大致半圆形的形状，或者在任何情况下均配备成在工作区WA（图3）中围绕管形件6、7的圆周的至少一部分，使得激光头和至少一个感应器能够旋转地跟随待焊接的区。因此，结构17以基本上以图4的轴线X为中心的方式旋转地设置。优选地，借助于引导支撑件15来引导结构17的旋转运动，在该示例中，所述引导支撑件15具有基本上圆形的形状并且围绕管形件6、7。引导支撑件15（其例如借助于装置1的载荷支承结构2本身而受支撑）可以配备有使得能够沿着其圆周实现其打开并且能够围绕管形件6、7实现其定位的铰接接头或联接件。在所图示的示例中，为此目的，支撑件15包括两个基本上半圆形的部分15a和15b。明显地，其它配置对于支撑件15也是可能的，甚至呈多于两个部分。

关联到结构17抑或引导支撑件15的是马达器具，所述马达器具能够被控制以用于导致前者沿着由后者限定的圆形路径的运动。在所图示的非限制性示例中，例如，关联到结构17的是电动马达16，该电动马达16被设计为引起滚动构件18a的旋转，该滚动构件18a接合在由支撑件15限定的对应引导件中。构件18a可以是马达驱动的齿轮，其接合在具有环形展开（annular development）的齿条中，该环形展开限定了用于焊接组件12的运动的圆形路径。结构17可以包括用于联接到引导支撑件15的另外的元件，诸如立柱17₃，所述立柱17₃关联到结构17的板中的一个并且支承空转安装并接合在由支撑件15限定的环形引导件中的相应的滚动构件18b。

在所例示的情况下，引导结构15定位在焊接接头下面，即在管形件6、7的端部表面6a、7a下方：然而，清楚地，其能够定位在所述表面6a、7a上方，以便在基本上悬挂的状态下从上方支撑组件11。根据其它实施例，引导结构15可以被预先布置以具有分别在表面6a、7a下方和上方延伸的部分（例如，关联到管形件6、7的外表面），以获得更稳定的配置。

激光辐射借助于已知的激光发生器（在图8中由LG标明，例如光纤激光发生器或盘式激光发生器）产生，并且经由光纤（也在图4中由13a标明）传送到焊接头13。以这种方式，发生器LG可以位于距激光焊接头13并且一般来说距焊接布置11甚至是几十米的遥远的位置中，从而在任何情况下使得组件12能够旋转。当然，为此目的，光纤13a及其支撑/引导系统的长度将被配置成用于使得组件12能够围绕待焊接的管形件至少旋转一整圈。同样，当设想时，每个感应器14₁和/或14₂借助于足够长度的电缆连接到对应的供应系统，并且以适当的方式被支撑/引导以使得组件12能够旋转。

在各种实施例中，例如如图8中所体现的，每个感应器14₁和/或14₂借助于合适的线路14a₁和/或14a₂联接到对应的变压器TR₁和/或TR₂，所述变压器TR₁和/或TR₂转而借助于电缆14b₁和14b₂（例如，同轴电缆）连接到对应的功率转换器PC₁和/或PC₂。同样在这种情况下，将感应系统的至少一部分定位在远离焊接布置11的位置中的可能性实现了工艺的更大灵活性并且简化了装置1的原位安装。

图8还以简化的形式图示了根据本发明的装置1的可能的控制架构。在该图中，由CU标明的是装置的控制单元（优选地为配备了微处理器的控制单元），装置1的控制逻辑在该控制单元中被实施。连接到单元CU的是合适的用户界面UI（例如，触摸屏类型的用户界面），以用于显示和设置工艺的操作参数。

单元CU被预先布置以用于控制激光辐射的发生器LG，如已所述的，该激光辐射经由光纤13a被传送到激光焊接头13。单元CU同样经由合适的线路16a被预先布置以用于控制确定组件12的旋转的马达器具16以及可能地用于控制每个功率转换器PC₁和/或PC₂，所述功率转换器PC₁和/或PC₂经由对应的变压器块TR₁和/或TR₂而实现对应的感应器14₁和/或14₂的供应。在各种实施例中，单元CU还被预先布置以用于控制保持系统9和10（当这些保持系统9和10是马达驱动和可控制类型时）。在各种实施例中，引导支撑件的部分15a和15b也能够经由可控制的（电动的或液压的或气动的）致动系统在它们的闭合位置（见例如图1和图4）和相应的打开位置（见例如图10和图11）之间移动：这种致动系统也能够借助于单元CU来控制。

在各种实施例中，结构17和/或引导支撑件15被预先布置以用于使得能够调节每个感应器14₁和/或14₂相对于待焊接的管形件和/或相对于激光焊接头13的操作位置。在各种实施例中，例如，设想调节每个感应器的径向位置，即其距管形件6和7的外表面的距离，该距离与加热效率成正比。附加地或组合地，在各种实施例中，设想调节每个感应器14₁和/或14₂沿着焊接圆周的位置，即其距激光头13的距离，该距离对在工作区WA的区域中的管形件6、7的加热动力学具有影响。这些位置的控制可以是手动类型的，例如通过经由能够沿一个或多个空间方向手动调节的对应支撑件将每个感应器安装在组件12上而获得，抑或这些支撑件能够是马达驱动的并且经由单元CU和界面UI来控制。

能够经由界面UI控制的关于焊接的参数可以优先地包括激光束的功率、头13（即，组件12的）的位移速度以及激光束的焦深，以上参数可以优先地基于待焊接的管形件的材料的物理性质及待焊接的管形件的厚度而在界面UI上选择。

可以使用单个激光束LB来实施焊接，抑或使用在配备头13的准直器下游光学地***成两个激光束的激光束来实施焊接，抑或再次使用甚至具有不同功率的多个激光束来实施焊接。为此目的，焊接组件12可以包括甚至多于一个激光头13。激光束或每个激光束可以垂直于待焊接的管形件的表面，或者在三个维度中描述相对于其的角度。

如在附图中所体现的示例中，焊接系统能够被配置成使得激光束LB沿循焊接接头的直线路径（即，表面6a、7a的外轮廓），但在可能的变型实施例中，可以通过以一定的周期性（激光摆动）绕接头限定模式来实施焊接。对于这些情况，在焊接组件12的结构17上，可以为激光头13或其由单元CU管理的聚焦系统提供合适的可控制的运动系统，该运动系统为本身已知的概念。

根据可能的实施例，焊接组件12可以配备有光学系统以用于跟踪焊接接头（例如，基于至少一个相机的使用），以用于实时监控并可能地校正激光束的路径。还可以实施用于监控焊接工艺的系统（例如，热感相机（thermal camera）和/或光谱传感器），这些系统经由适当参数的分析（诸如，由焊接点发射的等离子体的温度分布或光谱分析）而产生能够用于评定焊接接头的质量的反馈。

就附加的热量的可能供应来说，在各种实施例中，控制单元CU被预先布置以用于使得能够以独立的方式实现每个感应器的控制，以便产生热量供应分布，该热量供应分布将使得能够基于期望的工艺参数和接头本身的特性来获得焊接接头的给定冶金成分。优先地，能够例如经由界面UI改变以用于控制感应加热的工艺的参数如下：

- 操作频率，其确定电磁场的穿透的深度，且因此确定产生导致管形件的加热的感应电流的深度：通过降低频率，增加了穿透的深度，代价是增加系统的（特别地，功率转换器PC₁和/或PC₂的）大小和降低效率；为了实施本发明的目的，用于每个感应器14₁和/或14₂的优选的操作频率包括在5和25 kHz之间；

- 电流，其强度与感应场EW₁和/或EW₂的强度成正比，且因此与温度的增加相关联；为了具体实施的目的，期望的电流强度基本上取决于为每个感应器14₁和/或14₂选择的匝数；

- 每个感应器通/断（ON/OFF）的顺序和持续时间；在存在一定数量的感应器的情况下，优选的是能够独立地控制它们中的每一个，以便保证接头的每个点尽可能地具有相同的热分布。

如已所述的，在经由相应的可调整马达驱动支撑件安装在组件上的感应器的情况下，其径向位置和/或其沿着焊接圆周距激光头的距离也可以经由单元CU和/或界面UI来控制。

与前述第二方面相符，焊接装置由安装成可在非操作或静止位置和操作或工作位置之间位移的结构支撑，该非操作或静止位置大致远离待焊接的两个管形件的端部或与待焊接的两个管形件的端部相隔一距离，该操作或工作位置大致靠近待焊接的两个管形件的端部（即，靠近钻台3中的开口）。前述可位移结构（优选地为马达驱动类型）能够安装成可在设置于钻台3上的引导件或轨道上移动，或者甚至安装成用于可在直接位于钻台3上的轮子等等上自由地移动。

例如，先前参考图1至图6以及图8描述的装置1由可移动结构支撑，如图9中示意性地图示。在该图中，前述可移动结构（此处处于其操作位置中）基本被配置为车辆（作为整体由50标明），该车辆设置有其自身的轮子51。如所提到的，轮子51可以接合在被固定于钻台3上的对应的引导件或轨道52上，以便限定车辆本身在相应的静止位置和工作位置之间的运动的路径：为此目的，车辆50优选地配备有其自身的马达器具。车辆50的位移优先地沿大致垂直于井筒4的（即，待对接焊接的管形件的）轴线X的方向发生。

在图9中所例示的情况下，车辆50设置有大致平行的臂（所述臂中的一个在图9中由53标明），所述臂中的每一个均支撑立柱8，或者在任何情况下支撑对应的保持器具9、10（如已所述的，其可以是例如虎钳或钳口元件），并且优选地支撑用于焊接组件12的引导支撑件15的相应的部分15a或15b。臂53可在打开位置（例如在图10中可见）和闭合位置（诸如，在图4中被示意性地体现的闭合位置）之间位移。在打开位置中，臂53岔开，其中保持器具10、11的相应的部分和用于焊接组件12的两个引导部分15a和15b彼此充分远离以使得车辆50能够在静止位置和工作位置之间位移。当车辆处于其工作位置中时（如在图9中），臂53然后能够被带入闭合位置中，其中保持器具9、10将管形件6、7阻挡在位，并且其中两个引导部分15a、15b完全围绕焊接区域，如先前所描述的。

在图10中所例示的情况下，臂53可在打开位置和闭合位置之间有角度地移动，如由箭头“r”所指示的。另一方面，在不同的实施例中，臂53可以是在前述位置之间可线性移动的，如在图11中由箭头“a”所指示的。

优先地，臂53或执行其功能的类似结构可借助于设置在车辆50上的合适的可控制致动系统AS（例如，电动、液压或气动类型的可控制致动系统AS）位移。在各种实施例中，臂53的致动系统AS也被构想以用于实现臂的高度上的位移，如叉式起重车（fork-lifttruck）。

在各种实施例中，车辆50设置有辨识系统以便识别焊接接头（即，待联结在一起的管形件的邻接端部6a、7a）的位置。这种系统可以例如基于光学传感器的使用或定位激光器的使用或基于相机的系统的使用，以便相对于接头来正确地定位焊接布置。

车辆50优选地配备有驱动逻辑，该驱动逻辑可以是自主的、受监督的或远程的。在自主逻辑的情况下，由控制器（例如，图8的控制单元CU本身）编程和管理车辆50的位移，以便以完全自动的方式执行至少位移的操作以及臂53的定位和打开/关闭的操作。同样，在受监督逻辑的情况下，车辆50被编程以用于自主地执行其自身的操作，从而（然而，如果需要的话）实现由操作员所进行的干预，例如通过作用于图8的界面UI上。在远程逻辑的情况下，代替地由操作员远程地引导和/或控制车辆50。

有利地，在车辆50上能够安装功率电子设备的至少一些部件以用于激光头（诸如，激光辐射的发生器LG）且/或如果设想了感应系统的话以用于感应系统（诸如，用于至少一个感应器14₁和/或14₂的供应的变压器TR₁和/或TR₂）。在车辆50上同样可以安装用于冷却激光头的系统和/或用于冷却至少一个感应器的系统和/或用于实时测量/控制焊接接头的质量的系统（诸如，前述光学接头跟踪系统和/或用于监控焊接工艺的前述系统）。

将理解，车辆50或其它可移动结构的配置可以与先前所例示的配置不同，同时确保其根据本发明的装置1的移动的功能。例如，应指出，在可能的实施例中，能够以独立的方式来控制和/或驱动用于支撑保持器具9、10的系统和用于支撑用于焊接组件11的引导部分15a、15b的系统。在图12中例示了这种情况，其中车辆50（被体现为处于其非操作或静止位置中）包括用于支撑和移动保持器具9、10的相应的部分的两个臂53₁（仅其中一个可见）以及用于支撑和移动相应的引导部分15a或15b的两个臂53₂（仅其中一个可见）。同样在这种类型的实施方案中，臂53₁和/或53₂优先地由相应的致动系统致动。

能够在本文中所描述的所有实施例中使用车辆50或执行其功能的其它可移动结构。

本发明的特性从前文的描述清楚地显现，同样其优点也清楚地显现，这些优点主要由以下各项体现：

- 工艺时间比经由待联结在一起的管形件的拧紧所进行的传统固定的工艺时间短或在任何情况下与其相当；

- 消除了螺纹加工工艺和螺纹本身，这既牵涉成本和加工时间的减少，又牵涉用于保护螺纹的程序的减少，该程序也是昂贵和复杂的；

- 提高了安全性，只要由螺纹构成的不连续性被去除并由焊接接头代替，该焊接接头能够具有完全类似于母材的机械性质的机械性质；

- 焊接布置的构造简单且总尺寸减小。

由于使用以可移动的方式支撑装置本身的结构或车辆，根据前述第二方面的焊接装置能够容易地定位在钻台中的开口处，因此简化了其位移，所述位移可以可能地相对于在铺设井管形件的进程中实施的其它操作以自动和/或同步的方式被控制。由于实施可以处于原离焊接组件的位置中的对应的控制系统，可以进一步增加该优点。此外，当设想时，能够由前述车辆或可移动结构承载控制组成部件的一部分。

对于本领域技术人员将清楚的是，可以对本文中通过示例所描述的装置和方法进行许多变型，而由此不脱离如由所附权利要求限定的本发明的范围。

根据可能优选的变型实施例，激光焊接工艺能够利用气体（例如，氩气、二氧化碳或氮气）流，该气体流经由喷嘴吹送并且沿循焊接轮廓以便防止由外部原子对熔融金属池的污染，该外部原子可以损害熔融金属池的质量。附加地或作为替代方案，可以提供气体流以用于抑制由激光束产生的等离子体，该等离子体使围绕焊接部的空气电离，考虑到该等离子体能够吸收束的一部分能量，因此降低了传输效率。用于前述惰性气体流或用于用来抑制等离子体的前述气体流的喷嘴仅在图4中被示意性地体现，在图4中其由20标明。

根据可能的变型实施例，除了感应器14₁和/或14₂之外或作为感应器14₁和/或14₂的替代方案，焊接组件12包括设置在激光头13上方或下方的至少一个感应器，以便主要向待焊接的两个管形件中的仅一个供应热量。例如当已经提供了使得能够在任何情况下同时加热待焊接的两个管形件的感兴趣部分的至少一个感应器14₁和/或14₂时，该措施不是严格必需的感应器。然而，用于加热相应的管形件的至少一个另外的感应器的使用对于大厚度（例如，大于10 mm）的管形件来说有助于减慢所讨论的管形件在激光束通过之后的进一步冷却。从这个角度来看，可以因此证明有用的是：提供比接头更高的另一感应器和比接头更低的另一感应器，以便局部加热待联结在一起的两个管形件。在图13中例示了这种情况，其中由14₃和14₄标明的是两个另外的感应器，它们分别在激光头13的上方和下方布置于结构17上。先前已关于感应器14₁和/或14₂的控制所描述的内容也可以应用于感应器14₃和/或14₄。

在有利实施例中，支撑所提供的一个感应器或多个感应器的结构具有整体环形的形状，其中焊接头优先地设置在该形状的中心开口处。当可移动焊接组件12包括两个或更多个感应器时，这种类型的实施例是特别有利的。

在图14中例示了这种情况，其中焊接组件12的结构17包括环形主体17’，该环形主体17’支承感应器14₁和14₂以及感应器14₃和14₄，这些感应器在功能上与参考图13所描述的感应器类似。明显地，也可以提供感应器14₁和14₂和/或感应器14₃和14₄中的仅一个。安装在环形主体17’的贯通开口处的是焊接头13，该焊接头13可以直接由主体17’支撑，抑或（如图15中所例示的）由结构17的其它元件支撑。

可在本文中所描述的所有实施例中实施与图14和图15中所图示的解决方案相同类型的解决方案，也可以利用感应器14₁和14₂和/或感应器14₃和14₄中的仅一个来实施。

根据另外的可能的变型实施例，还可以设想增加材料以便增加接头的填充物并抵制由于例如对边缘（即，端部表面6a、7a）的非最佳加工所引起的表面6a、7a之间的不期望的间隙的影响。

材料的增加可以通过冷焊丝进行，即，不施加热量。在这种情况下，金属焊丝（例如，钢焊丝）设置在对应于接头的外轮廓的位置中，以便与其一起被激光束LB熔化。该技术可以证明对于焊接厚度高达15 mm的管形件有用。

在图16中示意性地体现了另一种可能的配置，根据该配置，设想通过使用配备有对应的分配器的焊炬21来增加焊接材料，该分配器用于根据本身已知的技术将金属焊丝带到接头。焊炬21还使得能够供应除了由焊接头13发射的激光的热量之外的另外的热量，并且使得能够供应材料以填充任何可能的间隙或未对准。当然，同样在图16的情况下，可以以与上文关于图13和/或图14所解释的类似的方式来设想至少一个感应器，诸如由14标明的感应器和/或在头13上方或下方的感应器。

参考刚刚描述的两个变型，在将焊丝用作附加的焊接材料的情况下，有利的是加工管形件6、7的端部表面6a、7a，以便在它们之间限定在外部上的沟槽，使得当管形件本身以边缘对边缘的方式定位时，接头呈现一种基本上V形的座以用于接收焊丝。

图17以与图4的视图类似的视图来图示另一可能的实施例，根据该实施例，组件12的结构17包括多个部分，所述部分借助于铰接接头等等彼此铰接以便使得组件本身的操作配置能够适于待焊接在一起的管形件的不同直径。在所图示的示例中，设置：至少一个中心部分17a，关联到该至少一个中心部分17a的是激光焊接头13；以及至少两个侧向部分17b和17c，关联到该至少两个侧向部分17b和17c的分别是感应器14₁和14₂，侧向部分借助于可调整铰接接头22而铰接到中心部分。如可以理解的，通过改变部分17b和17c相对于部分17a的角度位置，可以将相同的组件12与范围在最大直径和最小直径之间的不同大小的管形件组合使用，也可以在没有所例示的一个或两个感应器的情况下使用。

图18图示了另一变型，根据该变型，组件12的引导结构15被预先布置以用于具有引导部分（此处仅部分15₁可见），该引导部分分别在表面6a、7a的下方和上方延伸。在这种类型的实施例中，结构17可有利地包括支撑部分（诸如，由17₄和17₅标明的支撑部分），所述支撑部分被设计为临时关联到待焊接的管形件6、7的外表面，以获得更稳定的配置和/或管形件在轴向对准位置中的阻挡。当然，同样在这种类型的实施例中，可使用如先前由50表示的类型的车辆。

所设想的激光头13和一个感应器或多个感应器能够属于焊接组件的不同子组件，所述子组件中的至少一个是马达驱动的，每个子组件在引导支撑件15上或者在限定围绕焊接区域的必要旋转轨迹的相应的引导支撑件15上具有其自身的可移动结构。