Изобретение относится к обработке материалов с помощью лучевых методов и может быть использовано для лазерной сварки трубопроводов различного назначения в полевых условиях: пустыни, степи, тундра.
Известная установка для лазерной сварки кольцевых швов труб [1] включает в свой состав оптическую систему для подачи лазерного излучения от источника (лазера) в зону сварки.
Оптическая система имеет 4 водоохлаждаемых зеркала: три отражающих и одно фокусирующее.
Установка работает следующим образом. Лазерный луч от источника излучения направляется на первое зеркало, отражаясь от которого направляется на второе зеркало. Второе зеркало подвижное, расположено на водиле, которое в свою очередь имеет возможность во время сварки перемещаться вокруг трубы на половину ее периметра (180o). Отражаясь от второго зеркала, луч попадает на третье зеркало, расположенное на кольцевой каретке типа скобы, орбитально перемещаемой вокруг трубы на 360o. Отражаясь от него, луч направляется на последнее фокусирующее зеркало, после чего попадает непосредственно в зону сварки.
Данная система имеет следующие недостатки:
1. Лучевой тракт имеет на своем протяжении несколько водоохлаждаемых зеркал, что ведет к искажению волнового фронта, изменению состояния поляризации во время сварочного процесса, и, следовательно, к непостоянству качества сварного соединения на его протяжении. Кроме того, на каждом из зеркал поглощается определенное количество мощности излучения и поэтому для реализации процесса сварки требуется больше подводимой электроэнергии. Кроме того, такая организация кругового перемещения лазерного луча реализуется с помощью нескольких громоздких механизмов водило, кольцевая каретка типа скобы и т.д. ведет к громоздкости всей установки в целом.
2. Для реализации технологического процесса сварки труб на практике необходимо перемещение установки, станции энергообеспечения, технологического лазера, оборудования обеспечения его работы вдоль трассы прокладки трубопровода. Для решения этой задачи необходимо использовать несколько дополнительных транспортных средств-вездеходов, тягачей и т.д. так как прокладка ведется в условиях бездорожья.
3. Перемещение технологического оборудования-лазера, оптических систем в полевых условиях неизбежно связано с различного рода трясками, вибрациями и т. д. что ведет к разъюстировке таких систем, как резонатор лазера, элементы внешнего оптического тракта, фокусирующая оптика. Дополнительная юстировка всех вышеназванных систем является трудоемкой работой, требующей больших затрат времени.
4. Работа установки, в состав которой входят точные механические узлы перемещения, оптические элементы, в условиях прямого воздействия атмосферы (дождь, снег и т.д.) ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик комплекса и снижает надежность его работы.
5. Сварка труб большого диаметра может проводится с помощью мощных СО2-лазеров, в которых для генерации необходимой мощности излучения прокачка рабочей смеси осуществляется со скоростями до 100 м/с. Охлаждение смеси в таких лазерах в стационарных условиях осуществляется прямым потоком воды из магистрали с последующим ее сливом. Организация водооборотной системы в полевых условиях ведет к чрезвычайной громоздкости всей установки, а также к использованию дополнительного оборудования-баки, дополнительные магистрали, насосы и т.д.
Имеется сварочный комплекс для изготовления непрерывного трубопровода [2]
Комплекс имеет в своем составе внутритрубную сварочную трубу с собственным приводом перемещения и многозвенной штангой, самоходную тележку с электростанцией, аппаратурой управления, индуктор, рольганг, контейнер для внутритрубной сварочной машины, платформу с размещенными на ней зажимами. Предназначенная для сварки труба устанавливается в зажимы, расположенные на единой платформе с зажимами конца трубопровода. Дополнительной центровки их торцов не требуется. После этого, используя собственный привод, внутритрубная сварочная машина заходит в отверстие привариваемой трубы, перемещается внутри нее до места стыка, приводит сварку кольцевого шва. По окончании сварки внутритрубная сварочная машина перемещается обратно к выходу. Выйдя из трубы, она перемещается в контейнер. Сварочный комплекс перемещается вперед на длину трубы. Далее производится загрузка новой трубы, ее центровка относительно трубопровода, и технологический цикл повторяется.
В состав комплекса не входит сложная система водоохлаждаемых зеркал, и, следовательно, исключены все возникающие с этим проблемы (см. выше). Кроме того, все технологическое оборудование как для центровки свариваемых труб, так и для проведения непосредственно процесса сварки, размещено на единой платформе.
Комплекс имеет следующие недостатки:
1. Для реализации процесса сварки трубопровода в полевых условиях без сложной оптической системы приходится использовать дуговой способ сварки вместо лазерного, что на практике ведет к резкому ухудшению эксплуатационных характеристик сварного шва и соответственно к снижению надежности работы трубопровода.
2. Большая доля вспомогательного времени. Для осуществления полного технологического цикла внутритрубная сварочная машина должна дважды пройти внутри трубы на всю ее длину, что требует затрат времени (минимальная длина трубы, предназначенной для сварки трубопроводов 10 м [3]). При этом сварочный комплекс простаивает, так как проведение следующей технологической операции загрузки и центровки трубы невозможно.
3. Компоновка сварочного комплекса имеет большие габариты.
Известно устройство для лазерной сварки трубопроводов [4] Устройство предназначено для прокладки трубопроводов по дну моря. Все технологическое оборудование размещается на судне. Устройство включает в свой состав платформу с аппаратурой управления, поддерживающие трубу устройства, зажимные механизмы, лучепровод в виде трубы, на концах которой закреплены фокусирующие устройства с поворотными зеркалами и приводом их вращения.
Устройство работает следующим образом. Предназначенная для сваривания труба устанавливается в зажимы, пристыковывается к концу трубопровода и центрируется относительно него, далее лазер с жестко скрепленными с ним лучепроводом перемещается по рельсам в направлении торца трубы, причем лучепровод заходит внутрь трубы до положения, когда фокусирующее устройство станет напротив свариваемого стыка. После этого с помощью привода вращения фокусирующего устройства и поворотного зеркала при одновременно включенном лазере осуществляется процесс сварки. После его завершения, лазер с вместе с ним жестко скрепленным лучепроводом по рельсам перемещается в обратном направлении, выводя из вновь приваренной трубы лучепровод. Далее судно перемещается вперед на длину привариваемой трубы, новая труба устанавливается в зажимы, центрируется относительно трубопровода, и в дальнейшем технологический цикл повторяется. По конструкции устройство является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип. В отличие от второго аналога в устройстве используется лазерный способ сварки, что ведет к резкому улучшению эксплуатационных характеристик сварных швов, иб следовательно, к повышению надежности работы трубопровода. Однако в прототипе не решен второй недостаток аналога большая доля вспомогательного времени в технологическом процессе, так как для каждой привариваемой трубы необходимо вводить и выводить лучепровод на всю ее длину [3] что требует значительных затрат времени. При этом все устройство, включая лазер, простаивает.
Другим недостатком лазера является то, что во время технологического процесса необходимо перемещать по рельсам лазер, что отрицательно сказывается на его высокочувствительных элементах (например, разъюстировка резонатора).
Используемые для сварки трубопроводов лазеры должны иметь большую мощность (5 кВт и выше, т.к. толщина свариваемых труб может достигать 20 мм. Мощные лазеры имеют большую массу (5 т и выше) и их перемещение требует больших усилий.
Задачами, решаемыми изобретением, являются повышение надежности работы комплекса, уменьшение длины оптического тракта, снижение доли вспомогательного времени и увеличение компактности оборудования комплекса в целом, уменьшение количества вспомогательных транспортных средств.
В предлагаемом комплексе, имеющем в своем составе технологический лазер, оптическую систему, привод вращения оптико-фокусирующей системы, систему управления, все его оборудование располагается внутри трубопровода, причем технологический лазер имеет вынесенный теплообменник, прокачку рабочей смеси в котором осуществляет прокачное средство, расположенное на валу реактивного двигателя, а ее охлаждение с внешней стороны осуществляется набегающим потоком воздуха. Поток воздуха организуется лопатками компрессора двигателя. Энергообеспечение комплекса осуществляется генератором, щетки которого взаимодействуют с вращающимся валом. На выходном окне лазера закрепляется оптико-фокусирующая система с поворотным зеркалом и приводом вращения ее вокруг оси трубопровода, лазер и двигатель имеют привода и узлы перемещения комплекса вдоль трубопровода, а двигатель имеет тормозные колодки. Герметичность теплообменника лазера в месте ввода вала двигателя обеспечивается узлом, включающим подшипниковый узел и вакуумные уплотнения.
Перемещение комплекса по ровной внутренней поверхности трубы обеспечит отсутствие различного рода вибраций оптическим элементам и избавит от периодически проводимой операции их юстировки.
Данная компоновка позволяет практически исключить все внешние транспортные средства.
Использование реактивного двигателя в составе комплекса, позволяет сразу решить 3 задачи:
1. Обеспечение прокачки газовой смеси в контуре технологического лазера.
2. Обеспечение работы генератора, дающего электропитание для всего комплекса.
3. Осуществление быстрого протока воздуха и тем самым охлаждение теплообменника технологического лазера.
Комплекс выглядит следующим образом (фиг. 1, 2).
На технологическом лазере 1 закреплена оптико-фокусирующая система 2 с поворотным зеркалом 3 и приводом и механизмом вращения оптико-фокусирующей системы вокруг оси трубопровода 4. На сопле оптической системы закреплен датчик обнаружения и контроля за стыком 5. Теплообменник лазера 6 вынесен за его пределы. Прокачку газовой смеси лазера обеспечивает прокачное средство 7, расположенное на валу 8 двигателя 9. Герметичность теплообменника в месте ввода вала обеспечивается узлом 10, включающем подшипниковый узел и вакуумные уплотнения. За теплообменником лазера располагается генератор электроэнергии 11 с щетками 12, обеспечивающий энергообеспечение лазера и всех других систем комплекса. По кабелю 13 подается энергопитание к лазеру. За генератором расположен компрессор 14 двигателя 9. Топливо для работы двигателя размещается в специальных баках 15. Перемещение комплекса обеспечивается приводом и узлами перемещения 16. Они также обеспечивают ориентацию комплекса относительно оси трубопровода (фиг. 2). Фиксацию комплекса во время сварки в продольном направлении обеспечивают тормозные колодки 17, выходящие при этом из его корпуса и опирающиеся на внутреннюю поверхность трубы. На фиг.2 тормозные колодки показаны в положении упора. Управление всеми составными частями комплекса обеспечивается системой управления 18. Во время сварки оптико-фокусирующая система устанавливается на стыке трубопровода 19 и привариваемой к нему трубы 20. Электропитание узлов 16 при перемещении комплекса вдоль трубы и других систем, например, системы управления, обеспечивается аккумулирующим устройством 21.
Комплекс работает следующим образом.
С помощью узлов перемещения 16 комплекс перемещается по трубопроводу 19 к месту приварки трубы 20. Местоположение стыка определяется датчиком 5, подающим соответствующий сигнал на систему управления комплексом 18. После этого комплекс останавливается, сопло оптико-фокусирующей системы 2 устанавливается точно напротив стыка. По команде системы управления тормозные колодки выдвигаются из корпуса и устанавливаются в упор с трубопроводом. Далее включается двигатель 9. Питание двигателя обеспечивается топливом, находящимся в баках 15. Работающий двигатель обеспечивает вращение вала 8. При вращении вала с помощью прокачного средства 7, расположенного на его конце, начинается прокачка рабочей смеси в теплообменнике 6 лазера 1. Герметичность места ввода вращающегося вала в теплообменник обеспечивается узлом 10, имеющем в своем составе подшипниковый узел и вакуумные уплотнения. Одновременно с этим начинается выработка электроэнергии генератором 11, взаимодействие вращающегося вала с щетками генератора 12. Выбор режима работы двигателя и распределение электроэнергии по системам комплекса обеспечивается системой управления комплексом. Вращающиеся лопатки компрессора 14 (жестко связаны с валом двигателя) обеспечивают мощный поток воздуха, охлаждающий теплообменник при его работе. Система управления комплексом одновременно включает лазер и привод вращения 4 оптико-фокусирующей системы 2. При этом подача электроэнергии к лазеру обеспечивается по кабелю 13. Генерируемый в лазере луч направляется на поворотное зеркало 3, отражаясь от него направляется, через оптико-фокусирующую систему в место сварки. Одновременно с процессом сварки производится зарядка аккумулирующих устройств 21. После того как процесс сварки кольцевого шва завершится, по командам системы управления комплексом отключаются лазер, двигатель, тормозные колодки поднимаются в корпус комплекса и сам комплекс перемещается к следующему стыку. Готовность или неготовность проведения внешней операции-пристыковки новой трубы к трубопроводу обеспечивается датчиком положения за стыком. После проведения соответствующей операции, датчик положения подает сигнал на систему управления комплексом и технологический цикл повторяется.
Изобретение относится к сварке, в частности, к комплексу передвижному для непрерывной сварки трубопроводов. Комплекс может использоваться для лазерной сварки трубопроводов в полевых условиях: тундра, пустыни, степи. Сущность изобретения состоит в том, что все его оборудование располагается внутри свариваемого трубопровода. Кроме того, в состав оборудования входит реактивный двигатель, лопатка компрессора которого обеспечивает быстрый проток воздуха, и тем самым охлаждение вынесенного за пределы корпуса лазера теплообменника. Вал двигателя является валом генератора, производящего электроэнергию для всего комплекса. На конце вала расположено прокачное устройство, обеспечивающее прокачку рабочей смеси в контуре лазера. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.
