СВЕТОВОД И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B23K26/04 B23K26/30 G02B6/00 

Взаимосвязанная группа изобретений принадлежит к конструкции оснастки, предназначенной для проведения процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, и к технологии использования этой оснастки, и может быть применена для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов.

Известный световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов [1], который содержит поворотное зеркало, которое установлено внутри трубной секции и которое связано с фокусирующим объективом. Недостатком такой конструкции является то, что при проведении ремонтных работ построенного трубопровода невозможно ввести внутрь трубопровода световод, и потому такая конструкция световода может быть использована только при сооружении нового трубопровода.

Известен также, выбранный как прототип, световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов [2], который содержит поворотные зеркала, закрепленные в одной жесткой конструкции, причем первое поворотное зеркало установлено на одной оси с трубной секцией, фокусирующий объектив связан с последним поворотным зеркалом. Общими существенными признаками известного световода и заявляемого световода есть система поворотных зеркал. В отличие от заявленного световода, известный световод имеет три поворотных зеркала, которые закреплены вместе с фокусирующим объективом в одной жесткой конструкции без возможности относительного движения одних зеркал относительно других.

Такая конструкция световода обеспечивает проведение технологического процесса лазерного сваривания или резания цилиндрических трубопроводов только при установке первого поворотного зеркала световода на одной оси с трубопроводом, который обрабатывается. Это условие может быть соблюдено при сооружении нового трубопровода. Но это условие не может быть соблюдено при проведении ремонтных работ построенного трубопровода.

Известный способ использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов [1], который включает установку поворотного зеркала и фокусирующего объектива внутри трубной секции напротив кольцевого стыка трубной секции, установку лазера на одной оси с трубной секцией, вращение поворотного зеркала вместе с фокусирующим объективом. При вращении поворотного зеркала вместе с фокусирующим объективом при включенном лазере пучок лазерного излучения, выходя из лазера, направляется в середину трубной секции по ее оси и, отражаясь от поворотного зеркала, дальше попадает на фокусирующий объектив, которым фокусируется на кольцевой стык трубной секции, сфокусированный пучок лазерного излучения последовательно расплавляет кромки кольцевого стыка трубной секции по всей его длине, образуя кольцевой сварной шов.

Этот способ, как правило, применяется для проведения лазерного сваривания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов при их сооружении. Для проведения ремонтных работ построенного трубопровода реализовать этот способ становится невозможным потому, что становится невозможным установить лазер и поворотное зеркало с фокусирующим объективом на одной оси с трубопроводом.

Также известен, выбранный как прототип, способ использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов [2], который включает установку первого поворотного зеркала на одной оси с трубной секцией, установку лазера на одной оси с трубной секцией, установку последнего поворотного зеркала вместе с фокусирующим объективом над внешней поверхностью трубной секции напротив кольцевого стыка трубной секции, вращение световода вокруг трубной секции. При вращении световода при включенном лазере пучок лазерного излучения, выходя из лазера, направляется по оси трубной секции в середину световода и, отражаясь последовательно от поворотных зеркал, дальше попадает на фокусирующий объектив, которым фокусируется на внешнюю поверхность кольцевого стыка трубной секции, сфокусированный пучок лазерного излучения последовательно расплавляет кромки кольцевого стыка трубной секции по всей его длине, образуя кольцевой сварной шов. Общими существенными признаками известного способа и заявляемого способа является то, что пучок лазерного излучения фокусируется на внешнюю поверхность кольцевого стыка трубной секции.

Этот способ, как и предыдущий, эффективен в случае проведения лазерного сваривания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов при их сооружении. Для проведения ремонтных работ построенного трубопровода реализовать этот способ становится невозможным потому, что становится невозможным установить лазер и световод на одной оси с трубопроводом.

В основу первого из группы изобретений положена задача усовершенствования световода, в котором путем изменения конструкции соединения между его звеньями, а также внесением в конструкцию дополнительных двух зеркал обеспечивается подвижность поворотных зеркал одних относительно других, что позволит обеспечить транспортирование и одновременное фокусирование пучка лазерного излучения последовательно по всей внешней длине окружности кольцевого стыка трубной секции и, тем самым, обеспечить возможность проведения процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов, повысить мобильность технологического оборудования, сократить затраты времени на установку, закрепление и юстировку световода.

Здесь и дальше термином "звено" называется одно или несколько жестко соединенных твердых тел, которые входят в состав механизма [3].

В основу второго из группы изобретений поставлена задача усовершенствования способа использования световода путем предварительной подготовки световода к работе, которая включает в себя: специальное пространственное размещение звеньев световода относительно трубопровода перед началом сваривания или резания, последовательность проведения котировочных работ световода, последовательность включения лазера, что позволит обеспечить транспортирование и одновременное фокусирование пучка лазерного излучения последовательно на всю внешнюю длину окружности кольцевого стыка трубной секции и, тем самым, обеспечить возможность проведения процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов, повысить мобильность технологического оборудования, сократить затраты времени на установку, закрепление и юстировку световода.

Первая поставленная задача решается тем, что в световоде для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, содержащем поворотные зеркала, каждое из которых закреплено на кинематической паре, установленной в местах изменения направления осей звеньев световода. Согласно изобретению световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов содержит пять поворотных зеркал, корпус, подшипники качения, бандажный обруч, винты, газодинамическое сопло с закрепленной в его полости газоподводящей трубкой, струбцину и транспортирующее устройство, при этом кинематические пары выполнены сферическими, первое и второе звенья световода выполнены в виде S-образных трубок, а третье звено - в виде Г-образной трубки с газодинамическим соплом, при этом крепление поворотных зеркал выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью винтов, первая S-образная трубка с одной стороны с помощью подшипника качения установлена в корпусе, закрепленном бандажным обручем на внешней поверхности трубной секции, а с другой стороны соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения со второй S-образной трубкой, которая вторым своим концом соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения с Г-образной трубкой с газодинамическим соплом, которое с одной стороны закреплено с Г-образной трубкой, а со второй - струбциной, которая установлена на транспортирующем устройстве, причем сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению: 0,25L<S<100L,

где L - длина внешней окружности кольцевого стыка трубопровода, м;

S - сумма длин трех звеньев световода, м.

Здесь и дальше термином "кинематическая пара" называется соединения двух контактирующих звеньев, которое допускает их относительное движение [3].

Такое выполнение соединений двух S-образных и одной Г-образной трубок световода и установка дополнительных двух поворотных зеркал приводит к относительной подвижности поворотных зеркал одних относительно других, что позволяет проводить транспортирование и одновременное фокусирование пучка лазерного излучения последовательно по всей внешней длине окружности кольцевого стыка трубной секции и, тем самым, обеспечить возможность проведения процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов, повысить мобильность технологического оборудования, сократить затраты времени на установку, закрепление и юстировку световода.

Кроме того, согласно с первой задачей изобретения поворотные зеркала установлены под углом 45° к оси лазерного пучка.

Кроме того, согласно с первой задачей изобретения поворотные зеркала выполнены охлаждаемыми.

Кроме того, согласно с первой задачей изобретения последнее поворотное зеркало выполнено фокусирующим.

В качестве сферической кинематической пары возможно использование самоустанавливающегося подшипника качения.

Вторая поставленная задача решается тем, что в способе использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов пучок лазерного излучения фокусируется на внешнюю длину окружности кольцевого стыка трубной секции. Согласно с изобретением световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов устанавливают на внешней поверхности трубопровода, закрепляют на внешней поверхности трубопровода, включают охлаждение зеркал, проводят юстировку поворотных зеркал, заполняют внутреннюю полость световода азотом, наматывают звенья световода на трубопровод до легкого прикосновения звеньев световода поверхности трубопровода, параллельно с включением лазера включают реверсивное транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию.

Установка световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов на внешней поверхности трубопровода вместе с наматыванием его звеньев на трубопровод, который обрабатывается, с последующим их реверсивным движением обеспечивает относительное движение поворотных зеркал одних относительно других над внешней поверхностью трубопровода, что обеспечивает возможность проведения технологического процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов. Включение охлаждения зеркал позволяет с одной стороны повысить коэффициент полезного действия каждого зеркала и всего световода за счет уменьшения поглощения лазерного излучения на каждом из зеркал, а с другой - обеспечивает стабильность транспортирующей способности световода, что в свою очередь обеспечит стабильность параметров лазерной обработки и повысит их качество. Проведение юстирования поворотных зеркал позволяет точно и качественно транспортировать пучок лазерного излучения к месту обработки, что приводит к качественному формированию сварного шва или реза при проведении процесса лазерного резания. Заполнение внутренней полости световода азотом позволяет с одной стороны защитить зеркальные поверхности поворотных зеркал световода от действия внешних факторов, таких как пыль, паров материалов, которые образовываются при лазерной обработке, действия влаги и газов, а с другой - обеспечивает стабильное транспортирование световодом пучка лазерного излучения к месту обработки за счет создания внутренней среды световода, которая не поглощает лазерное излучение.

Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания звенья световода наматывают так, чтобы они охватывали больше половины длины окружности трубопровода.

Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания через газодинамическое сопло соосно с сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением от 1·10² Па до 1·10⁹ Па.

В качестве технологического газа могут быть использованы гелий или аргон, или азот, или кислород, или СО₂, или смесь этих газов.

Суть изобретения поясняется чертежами, где изображены:

- на фиг.1 - заявленный световод, продольный разрез;

- на фиг.2 - вид А фиг.1.

Как показано на фиг.1, световод содержит поворотные зеркала 1, 2, 3, 4, 5, каждое из которых закреплено на собственной сферической кинематической паре 6, которая может быть выполнена в виде самоустанавливающегося подшипника качения под углом 45° к оси лазерного пучка, а последнее поворотное зеркало 5 выполнено фокусирующим, причем поворотные зеркала 1, 2, 3, 4, 5 выполнены охлаждаемыми (на фиг.1 не показано), которые установлены в местах изменения направления осей каждой с двух S-образных трубок 7 и 8, и одной Г-образной трубки 9, причем крепление поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5 выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью винта 10, первая S-образная трубка 7, которая представляет собой первое звено световода, с одной стороны с помощью подшипника качения 11 установлена с возможностью вращения в корпусе 12, который установлен на внешнюю поверхность трубной секции 13 и закреплен на ней бандажным обручем 14, а с второй стороны соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения 15 с второй S-образной трубкой 8, которая представляет собой второе звено световода, S-образная трубка 8 другим своим концом соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения 16 с Г-образной трубкой 9, которая представляет собой вместе с газодинамическим соплом 17 третье звено световода, газодинамическое сопло 17, которое имеет полость 18 с закрепленной газоподводящей трубкой 19, с одной стороны соединено с Г-образной трубкой 9, а с второго - струбциной 20, которая закреплена на транспортирующем устройстве 21. Сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению: 0,25L<S<100L,

где L - длина внешней окружности кольцевого стыка трубопровода, м;

S - сумма длин трех звеньев световода, м.

В качестве транспортирующего устройства может быть использовано унифицированное транспортирующее устройство, которое используется в комплексе "Стык" при проведении сварочных работ неподвижных кольцевых стыков трубопроводов дуговым свариванием для транспортирования дуговых сварочных головок по неподвижному кольцевому стыку трубопровода [4].

Заявленный способ использования световода реализуется таким образом.

Световод, описанный выше, устанавливают на внешней поверхности трубопровода, закрепляют на трубопроводе, после этого проводят юстировку поворотных зеркал, заполняют внутреннюю полость световода избыточным давлением азота от 1·10² Па до 1·10⁸ Па, за 10 минут до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода на трубопровод до легкого прикосновения звеньев световода поверхности трубопровода, как показано на фиг.2, причем намотанные звенья световода охватывают больше половины внешней длины окружности трубопровода, после чего параллельно с включением лазера включают реверсивно транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию, причем вместе с включением лазера через газодинамическое сопло соосно с сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением от 1·10² Пa до 1·10⁹ Па, в качестве технологического газа могут быть использованы гелий или аргон, или азот, или кислород, или СО₂, или смесь этих газов.

Устройство работает таким образом:

Корпус 12 устанавливают на внешней поверхности трубопровода 13 и закрепляют на трубопроводе 13 с помощью бандажного обруча 14. Также на трубопроводе 13 устанавливают и закрепляют транспортирующее устройство 21.

Вращая винт 10, который контактируя с поворотными зеркалами 1, 2, 3, 4, 5, придает им пространственное движение на сферической кинематической паре 6. Юстирование поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5 проводят до тех пор, пока они не займут пространственное положение, при котором их зеркальная поверхность будет установлена под углом 45° к оси лазерного пучка. Через газоподводящую трубку (на фиг.1 не показано) заполняют внутреннюю полость световода избыточным давлением азота 1·10² Пa до 1·10⁸ Па. За 10 минут до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал (на фиг.1 не показано). Вращают вокруг трубопровода 13 транспортирующее устройство 21 и с помощью струбцины 20 вращают Г-образную трубку 9 вместе с газодинамическим соплом 17. При вращении Г-образная трубка 9 через подшипник качения 16 передает движение S-образной трубке 8, которая двигается плоскопараллельно. S-образная трубка 8, двигаясь плоскопараллельно, через подшипник качения 15 передает движение S-образной трубке 7, которая вторым своим концом вращается на подшипнике качения 11. Вращение вокруг трубопровода 13 транспортирующего устройства 21 проводят до легкого прикосновения трубками 7 и 8 поверхности трубопровода 13 так, чтобы намотанные трубки 7, 8, 9 охватывали больше половины внешней длины окружности трубопровода 13 (фиг.2). Параллельно включают лазер (на фиг.1 не показано), реверсивно включают транспортирующее устройство, которое вращает трубки 7, 8, 9, в направлении, противоположном предыдущему наматыванию, и через газоподводящую трубку 19 в полость 18 подают технологический газ под давлением 1·10² Па до 1·10⁹ Па. Через газодинамическое сопло 17 соосно с сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ, в качестве которого могут быть использованы гелий, или аргон, или азот, или кислород, или СО₂, или смесь газов. Пучок лазерного излучения, отражаясь от поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5, фокусируется зеркалом 5 на внешнюю поверхность трубопровода 13, расплавляя материал трубопровода, проводит процесс лазерного сваривания или резания.

Источники информации

1. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов. Лазерная резка материалов. - М.: Высшая школа, 1988 (рис. 3.3з), стр. 104.

2. А.Г.Григорьянц, А.А.Соколов. Лазерная резка материалов. - М.: Высшая школа, 1988 (рис. 3.3и), стр. 104.

3. В.А.Зиновьев. Курс теории механизмов и машин. - М.: Наука, 1972, стр. 14.

4. И.А.Шмелева, М.З.Шейкин и др. Дуговая сварка стальных трубных конструкций. - М.: Машиностроение, 1985, стр. 50-150.

Изобретение относится к лазерной обработке, в частности сварке и резке, и может найти применение в машиностроении при сварке или резке неповоротных стыков трубопроводов при проведении ремонтных работ и строительстве заводских и магистральных трубопроводов. Световод содержит пять поворотных зеркал, корпус, подшипники качения, бандажный обруч, газодинамическое сопло с закрепленной в его полости газоподводящей трубкой, струбцину и транспортирующее устройство. Кинематические пары выполнены сферическими. Первое и второе звенья световода выполнены в виде S-образных трубок, а третье звено - в виде Г-образной трубки с газодинамическим соплом. Крепление поворотных зеркал выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью винтов. Первая S-образная трубка с одной стороны с помощью подшипника качения установлена в корпусе, закрепленном бандажным обручем на внешней поверхности трубной секции, а с другой стороны соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения со второй S-образной трубкой. Эта трубка вторым своим концом соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения с Г-образной трубкой с газодинамическим соплом, которое с одной стороны закреплено с Г-образной трубкой, а со второй - струбциной. Струбцина установлена на транспортирующем устройстве. Сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению: 0,25L<S<100L, где L - длина внешней окружности кольцевого стыка трубопровода, м, S - сумма длин трех звеньев световода, м. Проводят юстировку поворотных зеркал и заполняют внутреннюю полость световода избыточным давлением азота от 1·10² Па до 1·10⁸ Па. За 10 минут до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода на трубопровод до легкого прикосновения звеньев световода к поверхности трубопровода. После этого параллельно с включением лазера включают реверсивно транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию. Одновременно с включением лазера через газодинамическое сопло подают технологический газ. Технический результат заключается в повышении мобильности технологического оборудования, сокращении затрат на установку, закрепление и юстировку световода, в повышении качества сварки и резки. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, содержащий поворотные зеркала, каждое из которых закреплено на кинематической паре, установленной в местах изменения направления осей звеньев световода, отличающийся тем, что он содержит пять поворотных зеркал, корпус, подшипники качения, бандажный обруч, газодинамическое сопло с закрепленной в его полости газоподводящей трубкой, струбцину и транспортирующее устройство, при этом кинематические пары выполнены сферическими, первое и второе звенья световода выполнены в виде S-образных трубок, а третье звено - в виде Г-образной трубки с газодинамическим соплом, при этом крепление поворотных зеркал выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью винтов, первая S-образная трубка с одной стороны с помощью подшипника качения установлена в корпусе, закрепленном бандажным обручем на внешней поверхности трубной секции, а с другой стороны соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения со второй S-образной трубкой, которая вторым своим концом соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения с Г-образной трубкой с газодинамическим соплом, которое с одной стороны закреплено с Г-образной трубкой, а со второй - струбциной, которая установлена на транспортирующем устройстве, причем сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению

0,25L<S<100L,

где L - длина внешней окружности кольцевого стыка трубопровода, м;

S - сумма длин трех звеньев световода, м.