УСТАНОВКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТРУБОПРОВОДОВ Российский патент 1996 года по МПК B23K26/06 B23K101/06 

Предполагаемое изобретение относится к области лучевых методов обработки материалов и может быть использовано для лазерной сварки трубопроводов различного назначения в полевых условиях: пустыни, степи, тундра.

Известная установка для лазерной сварки трубопроводов фирмы "Majestik Lazer Systems Ltd" [1] включают в свой состав технологический лазер, систему управления, систему транспортировки излучения, состоящую из антропоморфного робота и встроенными в него водоохлаждаемыми зеркалами, технологический объектив, технологическую оснастку, транспортные средства.

Установка работает следующим образом. По сигналу системы управления включается лазер. Выходящее из лазера излучение направляется в систему транспортировки излучения, где последовательно отражаясь от зеркал, оно направляется в технологический объектив. В объективе излучения фокусируется и направляется непосредственно на свариваемый стык трубопровода. При этом антропоморфный робот ведет объектив по стыку, совершая круговую траекторию вокруг трубопровода. Одновременно с этим движением осуществляется поворот объектива с целью направления излучения перпендикулярно поверхности трубы в точке сварки. Таким образом, этими двумя взаимосвязанными движениями осуществляется сварка трубопроводов. Всеми движениями, а также работой лазера и других систем установки управляет система управления. Технологическая оснастка осуществляет задачи поддерживания привариваемой трубы и трубопровода, их взаимного центрирования (для этого обычно используются подъемные краны). Транспортные средства служат для перевозки лазера, систем обеспечения его работы, энергообеспечения, системы управления.

Недостатками данной установки являются:
1. Длинный и изменяющийся во время сварки оптический тракт. Это ведет к изменению волнового фронта, состояния поляризации излучения во время сварочного процесса и, следовательно, к непостоянству качества сварного шва.

2. С помощью антропоморфного робота практически невозможно сделать полный круг вокруг трубы. Обычно это делается в два этапа: проваривается полукруг сверху, затем полукруг снизу (или наоборот). При таком способе сварки качество шва ниже, чем при непрерывной сварке полного круга (образуются два кратера).

3. Система транспортировки излучения имеет в своем составе 5 зеркал, что требует наличия дополнительной системы охлаждения. Кроме того, каждое из зеркал поглощает часть падающего на них излучения, что для осуществления процесса сварки ведет к необходимости повышения мощности лазера и, в конечном итоге, увеличенному расходу электроэнергии.

4. Использование в составе установки антропоморфного робота сложного механизма в полевых условиях, повышает вероятное число отказов установки в целом, и, соответственно, снижает надежность ее работы.

5. Сварка осуществляется в условиях прямого воздействия атмосферы, что ведет к снижению качества сварных швов, и, следовательно, к ухудшению надежности работы трубопровода.

6. Необходимость проведения сложной и трудоемкой операции центровки торцов трубопровода и привариваемой к нему трубы перед сваркой.

Известна оптическая система для лазерной сварки труб [2] включающая три отражающих зеркала и одно фокусирующее. Лазерный луч от генератора направляется на 1-е зеркало, отражаясь от него попадает на 2-е зеркало, расположенное на водиле, имеющем возможность перемещения вокруг свариваемой трубы на половину ее периметра (180^o). Отражаясь от 2-го зеркала, луч попадает на 3-е зеркало, расположенное на кольцевой каретке типа скобы, орбитально перемещаемой вокруг трубы на 360^o. Он него луч направляется в фокусирующее устройство.

В отличие от антропоморфного робота, данная система позволяет провести кольцевую сварку непрерывно.

Однако система имеет недостатки:
1. Протяженный оптический тракт.

2. Несколько водоохлаждаемых зеркал.

3. Не решена операция центровки торцов трубопровода и привариваемой к нему трубы.

Задачами изобретения являются повышение качества сварного шва за счет постоянного и минимального оптического тракта за счет исключения воздействия атмосферы на процесс сварки, повышение общей надежности работы установки за счет исключения из ее состава антропоморфного робота, зеркал, системы охлаждения зеркал, повышение ее компактности, упрощение операции центровки торцов трубопровода и привариваемой трубы перед сваркой.

Предлагаемая установка, в состав которой входят технологический лазер, система управления, технологическая оснастка, имеет охватывающий трубопровод и привариваемую к нему трубу корпус, в центральной части которого расположен мощный лазер, имеющий осевое отверстие и вывод излучения на свариваемый стык через газодинамическое окно или через технологический объектив, привод и механизм вращения лазера вокруг оси трубопровода, датчик определения положения стыка, а крайние части корпуса самоходные, регулируемые в радиальном направлении опоры и защитные щитки.

Наличие охватывающего трубопровод и привариваемую к нему трубу корпуса позволяет вместить наиболее важные для процесса сварки элементы установки в единый блок и делает установку компактной.

Использование самоходных опор в крайних частях корпуса установки позволяет ей самостоятельно перемещаться вдоль трубопровода и тем самым уменьшить до минимума необходимый транспорт. Кроме того, самоходные опоры полностью исключают операции центровки торцов трубопровода и привариваемой к нему трубы. Вводимая в установку труба, войдя в соприкосновение с выставленными друг относительно друга самоходными опорами, самостоятельно центрируется с трубопроводом, находящимся также в контакте с самоходными опорами.

Защитные щитки закрывают зону сварки и тем самым избегается воздействие атмосферы.

Использование в центральной части корпуса установки мощного лазера, имеющего осевое отверстие и с выводом излучения в зону сварки, привода и механизма вращения лазера вокруг оси трубопровода позволяет исключить из состава установки антропоморфный робот, несколько зеркал, и систему водоохлаждения зеркал, максимально сократить и сделать постоянным по длине оптический тракт.

Регулировка самоходных опор в радиальном направлении к оси трубопровода позволяет использовать установку для сварки трубопроводов различных диаметров.

Установка выглядит следующим образом (фиг. 1, фиг. 2). На трубопроводе 1 с одного конца устанавливается на самоходные регулируемые опоры 2 корпус установки 3. С другого конца корпуса вводится привариваемая труба 4. Регулируемые опоры имеют механизм их регулировки в радиальном направлении 5. В центральной части установки расположены: мощный лазер 6 с центральным осевым отверстием и с блоком вывода излучения 7, привод и механизм вращения лазера вокруг трубы 8, привод и механизм радиального перемещения блока вывода излучения 9, датчик определения положения стыка 10. На обоих торцах корпуса размещены защитные шторки 11. Энергопитание лазера, подвод охлаждающей воды технологических газов осуществляется по коммуникациям 12. Перемещение источника энергопитания 13, систем обеспечения работы лазера 14 осуществляется транспортным средством 15 (фиг. 3). Работу всех систем установки обеспечивает система управления 16.

Механизм вращения лазера вокруг оси трубопровода и радиального перемещения блока вывода излучения могут быть различными по исполнению (шестерни, червячные передачи, винт-гайка качения, скольжения и т.д.).

Блок вывода излучения направляет генерируемое непосредственно из лазера излучение на свариваемый стык и фокусирует его. Это может быть фокусирующая система зеркального или проходного типа или газодинамическое окно, либо фокусировка осуществляется непосредственно в резонаторе лазера и выходное окно лазера является одновременно блоком вывода излучения.

Технологический лазер может выглядеть следующим образом (фиг. 4, фиг. 5). Зеркала резонатора 17 расположены по углам четырехугольника. По сторонам четырехугольника размещены разрядные камеры 18. Рядом с глухими зеркалами резонатора 19 расположено выводное зеркало 2, подающее излучение в блок вывода излучения 7.

Для прокачки газовой смеси используются прокачные средства 21, для охлаждения смеси используются теплообменники 22. Данная компоновка обеспечивает возможность расположения отверстия внутри лазера.

Установка работает следующим образом. Привариваемая труба 4 вводится в корпус установки 3, размещенной на конце трубопровода 1. С помощью самодвижущихся регулируемый опор 2 установка перемещается с трубопровода на трубу до тех пор, пока не сработает датчик определения положения стыка 10. Это означает, что прикрепленный к лазеру 6 блок вывода излучения 7 установлен точно напротив свариваемого стыка. Далее по сигналу системы управления 16 включается привод и механизм радиального перемещения блока вывода излучения 9 и выставляется необходимое расстояние от блока вывода излучения до стыка. После этого одновременно включается лазер, привод и механизм вращения лазера вокруг трубы 8 и осуществляется процесс кольцевой сварки.

В лазере образование излучения и его усиление проходит в резонаторе с двумя глухими зеркалами 19 и четырьмя промежуточными 17. Между промежуточными зеркалами для обеспечения разряда расположены разрядные камеры 18 (анод и катод). Прокачка газовой смеси осуществляется прокачными средствами 21. Нагревающаяся газовая смесь охлаждается теплообменниками 22. Вывод излучения осуществляется через выводное зеркало 20, которое направляет его в блок вывода излучения.

Наличие защитных шторок 11 позволяет защищать технологический процесс от вредных воздействий атмосферы. Для обеспечения работы лазера и всей установки в целом используется транспортное устройство 15, имеющее источник электропитания 13, систему обеспечения работы лазера 14. Связь между установкой и транспортным средством обеспечивается коммуникационным кабелем 12.

После того, как лазер пройдет полностью оборот вокруг трубы, он отключается и установка с помощью самоходных регулируемых опор перемещается вдоль вновь приваренной трубы до ее края. Так к установке пристыковывается новая труба, входящая в зацепление с регулируемыми опорами и тем самым обеспечивается центровка с трубопроводом. Технологический цикл повторяется.

Если установка используется для сварки трубопроводов различных диаметров, то необходимое расположение самоходных роликовых опор обеспечивается механизмами их регулировки в радиальном направлении 5.

Изобретение относится к сварке, в частности, к установке для лазерной сварки трубопроводов и может использоваться для прокладки трубопроводов различного назначения в полевых условиях. Сущность изобретения состоит в следующем: установка состоит из технологического лазера, системы управления, технологической оснастки, транспортного средства с расположенными на нем источником питания и системами обеспечения работы лазера. Установка содержит также охватывающий трубопровод и привариваемую к нему трубу корпус, в центральной части которого расположены: лазер, имеющий осевое отверстие, привод и механизм вращения лазера вокруг оси трубопровода, блок вывода излучения с приводом и механизмом его перемещения в радиальном направлении, датчик определения положения стыка. Крайние части корпуса имеют самоходные, регулируемые в радиальном направлении опоры и защитные щитки. Использование установки позволит повысить качество сварных соединений трубопроводов и надежность их в эксплуатации. Конструкция установки более проста по сравнению с существующими. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Установка для лазерной сварки трубопроводов, содержащая технологический лазер с блоком вывода излучения, систему управления и технологическую оснастку, отличающаяся тем, что она снабжена корпусом с самоходными опорами и защитными щитками, закрепленными внутри него на его концевых частях, в корпусе с возможностью вращения вокруг оси трубопровода установлен технологический лазер с блоком вывода излучения, в котором выполнено центральное осевое отверстие для размещения в нем свариваемых концов труб и который снабжен приводом и механизмом его вращения вокруг оси трубопровода. 2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что самоходные опоры снабжены механизмом их регулировки в радиальном направлении. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что блок вывода излучения снабжен приводом и механизмом радиального перемещения и датчиком определения положения стыка.