RU2843015C1 - Установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра и способ осуществления сварки на данной установке - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к металлургии, в частности к области производства труб большого диаметра путем сварки продольного шва цилиндрической трубной заготовки на установке лазерно-дуговой сварки определенным способом осуществления данной сварки. Установка содержит перемещающуюся над свариваемой трубой верхнюю сварочную каретку с установленной на ней сварочной головкой и триангуляционным сканером каретки, а также портал, установленный над свариваемой трубой, зону обслуживания портала, в которой установлены два триангуляционных сканера, расположенные напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа заготовки и выполненные с возможностью измерения геометрических размеров фасок кромок листа с привязкой их к смещению относительно начала листа и возможностью передачи данной полученной информации о геометрических размерах фасок разделки листа в компьютер установки, при этом внизу портала установлены упоры, в которых закреплена труба с прихваточным швом, а над порталом установлена балка с видеокамерами, при этом сварочная головка, триангуляционный сканер каретки, видеокамеры, а также верхняя сварочная каретка соединены с компьютером установки, который соединен с контроллером. Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает формирование трубы с прихваточным сварным швом, при этом до начала сварки осуществляют измерение геометрических размеров фасок боковых кромок листа трубной заготовки в зоне обслуживания портала, после чего производят сканирование триангуляционным сканером верхней каретки геометрических размеров верхних фасок трубы и передают данную информацию в компьютер установки, где определяют угол поворота сварочной головки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к области производства труб большого диаметра путем сварки продольного шва цилиндрической трубной заготовки на установке лазерно-дуговой сварки определенным способом осуществления данной сварки.

В настоящее время существуют различные установки и способы лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра, но в данных установках точность наведения лазерного луча на стык кромок при сварке является очень низкой, ввиду чего появляются горячие трещины, и качество такой сварки невысокое.

В таких установках отсутствует алгоритм определения угла поворота сварочной головки при сварке, что также приводит к низкому качеству сварки.

Так известен «Способ лазерной сварки труб» по патенту РФ №2637034.

В данном способе осуществляют наложение прихваточного шва с наружной стороны трубной заготовки с последующим наложением рабочего шва посредством лазерной сварки, при котором предварительно осуществляют разметку в виде линий, нанесенных с помощью лазерного маркера на наружную поверхность трубной заготовки вдоль притупления кромок на расстоянии 3-5 мм от линий до стыка кромок, которую сканируют посредством первого лазерного датчика по длине трубы с занесением в базу данных. Затем, после выполнения прихваточного шва, с помощью сканирующего поперек стыка второго лазерного датчика определяют расстояние между линиями разметки, и на основании полученных ранее данных вычисляют точное положение стыка кромок, на который наводят лазерный луч при нанесении рабочего шва.

Данный способ является достаточно трудоемким, так как добавляется технически сложное оборудование для нанесения лазерных маркерных линий, требующее настройки, облуживания, обеспечения требований лазерной безопасности, при этом нанесение глубоких маркерных линий снижает прочность трубной заготовки, и полученной из нее трубы.

Также данный способ не обеспечивает высокого качества сварного шва, так как при отклонении шва от положения «в зените», лазерный сварочный луч, направленный вертикально, может не проплавить одну из кромок трубной заготовки.

Также известен «Способ сварки труб большого диаметра лазерной сваркой» по патенту РФ на ИЗ №2523406, который выбран в качестве прототипа. Установка лазерной или гибридной лазерно-дуговой сварки по данному патенту содержит лазерную сварочную головку, установленную с наружной стороны трубы с возможностью ее перемещения вдоль прихваточного шва, сварочную каретку, установленную внутри трубы с возможностью ее перемещения вдоль трубы, а также сканирующий триангуляционный датчик, гироскоп и излучатель, установленные на сварочной каретке, а также телекамеру.

Способ сварки по данному патенту заключается в том, что слежение за точкой воздействия лазерного луча осуществляют изнутри трубы посредством сканирующего триангуляционного датчика, с помощью луча которого сканируют стык кромок поперек шва и перед зоной сварки, а положение сканирующего триангуляционного датчика относительно сварочной головки по горизонтали определяют посредством гироскопа, установленного на сварочной каретке, или посредством закрепленного с сканирующим триангуляционным датчиком на сварочной каретке излучателя, луч которого направляют на закрепленную неподвижно телекамеру.

Данный способ позволяет повысить качество сварки за счет более точного направления луча на стык кромок, но качество и прочность сварного шва остается на достаточно низком уровне, так как в данном способе не предусмотрен механизм наклона сварочного луча в процессе сварки в зависимости от отклонения шва от положения «в зените».

Также из-за того, что каретка в данном способе двигается по неровной внутренней поверхности трубы, необходимое плавное движение каретки обеспечивается очень медленной скоростью подачи трубы, и соответственно приводит к существенному увеличению времени сварки и качества сварки.

Также при отсутствии фасок на внутренней поверхности трубной заготовки и стыке их в одной плоскости лазерный триангуляционный датчик не всегда может обнаружить место стыка, тем самым точность направления луча существенно падает.

Задачей предложенного изобретения является создание такой установки и способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, которые обеспечат высокое качество сварки, за счет повышения точности наведения сварочного луча, и вследствие этого прочности сварного шва, а также за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените», для определения которого используют установленные над трубой видеокамеры для поиска точки наведения на внутритрубной разделке, а также установленные над трубой на верхней направляющей каретки с лазерной сварочной головкой и лазерным триангуляционным сканером.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и прочности сварного шва за счет повышения точности наведения сварочного лазерного луча головки, при одновременном повышении скорости сварки.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что в установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, содержащей перемещающуюся над свариваемой трубой верхнюю сварочную каретку с установленной на ней сварочной головкой, где свариваемая труба неподвижно закреплена в установке лазерно-гибридной сварки, которая также содержит портал, установленный над свариваемой трубой, зону обслуживания портала, в которой установлены два триангуляционных сканера, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа заготовки для трубы, выполненные с возможностью измерения геометрических размеров фасок кромок листа с привязкой их к смещению относительно начала листа, и возможностью передачи данной полученной информации о геометрических размерах фасок разделки листа в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, при этом внизу портала установлены упоры, в которых закреплена труба с прихваточным швом, а над порталом установлена балка с видеокамерами, при этом на внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка, содержащая триангуляционный сканер, выполненный с возможностью сканирования профиля фасок с притуплением прихваточного шва верхней поверхности трубы и передачи полученных данных в компьютер установки, при этом верхняя сварочная каретка выполнена с возможностью перемещения её по внутренней поверхности портала над наружной поверхностью трубы в месте расположения прихваточного шва, а видеокамеры выполнены с возможностью определения горизонтального положения прихваточного шва во время установки трубы на упорах, при этом сварочная головка, триангуляционный сканер, видеокамеры, а также верхняя сварочная каретка соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи в него полученных данных для обработки и получения данных о точке наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки, при этом компьютер соединен с системой автоматики и программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.

Предпочтительно, чтобы установка содержала внутри портала ролики с автоматизированным приводом, на которых размещается труба с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва в горизонтальное положение, и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах.

Целесообразно, чтобы установка содержала в зоне обслуживания данной установки два пневматических средства для прижатия кромок листа заготовки трубы с левой и правой его стороны, и также датчики перемещения листа, связанные с триангуляционными сканерами.

Предпочтительно, чтобы установка содержала в зоне обслуживания данной установки калибровочный стол с калибровочными, имитирующими форму фаски, и юстировочными Т-образными образцами с подготовленными поверхностями, выполненный с возможностью юстировки/калибровки лазерных триангуляционных сканеров.

Целесообразно, чтобы в установке подготовленные поверхности были расположены под прямым углом с допустимым отклонением поверхности не более 10 микрон и отклонением угла не более 0,1 градуса.

Поставленный технический результат достигается также за счет того, что в способе лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, включающим формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, до начала сварки осуществляют измерение геометрических размеров фасок боковых кромок листа трубной заготовки в зоне обслуживания портала, где при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа производят измерение геометрических размеров фасок кромок листа с привязкой к смещению их относительно начала листа, и затем осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах фасок листа заготовки в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме фасок кромок листа, после чего данный лист изгибается, и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, после чего размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью видеокамер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, после чего определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва, при котором, через определенные промежутки (шаги), с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют триангуляционным сканером верхней каретки геометрические размеры верхних фасок разделки, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, по которым компьютер с учетом полученной ранее информации о геометрических размерах фасок листа заготовки данной трубы определяет точки наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки в данной точке, после чего, с выбранным шагом, производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории и с заданным углом наклона лазерной головки.

Для более подробного раскрытия данного изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его выполнения, которые поясняются соответствующими чертежами.

Фиг. 1 - схематичное изображение установки лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра.

Фиг. 2 - схематичное изображение зоны обслуживания портала с установленной заготовкой трубы в виде листа с двумя триангуляционными сканерами, расположенными напротив друг друга у правой и левой сторон листа.

Фиг. 3 - фрагмент поперечного разреза трубной заготовки с прихваточным швом и верхними фасками.

Фиг. 4 - вид сверху прихваточного шва с верхними фасками на трубе.

В предпочтительном варианте выполнения установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра содержит портал 1 установленный над свариваемой трубой 2, а также балку 3 с видеокамерами 4, установленную над порталом 1 (Фиг. 1). При этом на внутренней поверхности портала 1 размещена верхняя сварочная каретка 5 с возможностью перемещения её над наружной поверхностью трубы 2 в месте расположения прихваточного шва 6 (Фиг. 1,3). Верхняя сварочная каретка 5 содержит триангуляционный сканер 7 сварочной каретки 5 и сварочную головку 8 (Фиг. 1). При этом видеокамеры 4 выполнены с возможностью поиска и установки прихваточного шва 6 в горизонтальное положение на трубе 2, установленной в пневматических упорах 9 портала 1. Триангуляционный сканер 7 каретки выполнен с возможностью сканирования профиля фасок 10 с притуплением прихваточного шва 6 верхней поверхности трубы 2 (Фиг. 3), и передачи полученных данных в компьютер установки. Сварочная головка 8, триангуляционный сканер 7 каретки, видеокамеры 4, а также верхняя сварочная каретка 5 соединены с компьютером (на чертежах не показано) электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи данных в компьютер для получения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки 8. А компьютер соединен системой автоматики с программируемым контроллером (на чертежах не показано) установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.

Установка содержит внутри портала 1 ролики (на чертежах не показаны), на которых размещается труба 2 с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва 6 в горизонтальное положение, и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах 9.

Установка также содержит в зоне обслуживания данной установки два триангуляционных сканера 11, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой 12 и правой 13 кромок листа заготовки 14 для трубы 2, два пневматических средства (на чертеже не показаны) для прижатия кромок 12 и 13 листа заготовки 14 с левой и правой его стороны, и также датчики (на чертеже не показаны), перемещения листа заготовки 14, связанные с триангуляционными сканерами 11, подключенными к компьютеру (на чертежах не показано) электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи данных в компьютер о геометрических размерах фасок 10 кромок 12 и 13 листа заготовки 14 с привязкой их к смещению относительно начала листа (Фиг. 2-4).

Установка может содержать в зоне обслуживания данной установки калибровочный стол с калибровочными, имитирующими форму фаски 10, и юстировочными Т-образными образцами с подготовленными поверхностями (на чертежах не показано), выполненный с возможностью юстировки/калибровки лазерных триангуляционных сканеров 11, при этом подготовленные поверхности расположены под прямым углом с допустимым отклонением поверхности не более 10 микрон и отклонением угла не более 0,1 градуса.

Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, который осуществляется на выше описанной установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает формирование трубы 2 из стального листа трубной заготовки 14 с последующим соединением кромок 12 и 13 данной трубы прихваточным сварным продольным швом 6 при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки 8, установленной с наружной стороны трубы 2 на верхней сварочной каретке 5, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 5 с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок 12 и 13 со стороны внешней поверхности трубы 2, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки 5 со сварочной головкой в режиме сварки.

При этом до начала сварки осуществляют измерение геометрических размеров фасок 10 боковых кромок 12 и 13 листа трубной заготовки 14 в зоне обслуживания портала 1, где при помощи двух триангуляционных сканеров 11, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой 12 и правой 13 кромок листа заготовки 14, пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа заготовки 14 производят измерение геометрических размеров кромок 12 и 13 листа заготовки 14 с привязкой к смещению относительно начала листа заготовки 14, а затем осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах фасок 10 листа заготовки (разделки) 14 в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок 12 и 13 листа разделки 14 присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме фасок 10 кромок 12 и 13.

После чего данный лист заготовки 14 изгибается, и из него формируют трубу 2, а затем соединяют кромки 12 и 13 данной трубы 2 прихваточным сварным продольным швом 6, после чего размещают полученную трубу 2 на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом внизу портала 1 установки лазерно-гибридной сварки для установки трубы 2 в горизонтальное положение прихваточного шва 6, который определяют с помощью видеокамер 4 алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки. Затем определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва 6, после чего трубу 2 фиксируют в упорах 9 и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 5 с триангуляционным сканером 7 верхней камеры и сварочной головкой 8 вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва 6, при котором, через определенные промежутки, с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют триангуляционным сканером 7 верхней каретки 5 геометрические размеры верхних фасок 10 разделки, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где полученная разделка накладывается на ранее полученную разделку о геометрических размерах фасок 13 листа заготовки для трубы, и по которым компьютер установки определяет точку наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки, после чего, с выбранным шагом, производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой 8 при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой 8 в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории и с заданным углом наклона лазерной головки 8.

Таким образом, использование представленной выше установки и способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра позволяют обеспечить высокое качество сварки, и высокую прочность сварного шва, а также увеличить точность наведения сварного луча головки 8 за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки 8 и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените».

Также использование представленной выше установки и способа позволяет обеспечить повышение скорости сварки, за счёт того, что верхняя сварочная каретка 5 установлена на внутренней поверхности портала 1, что обеспечивает ей быстрое и плавное перемещение без искажения сканируемых данных.

Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.

При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем изобретения представлен его формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данного изобретения.

Claims (6)

1. Установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, содержащая перемещающуюся над свариваемой трубой верхнюю сварочную каретку с установленной на ней сварочной головкой, при этом свариваемая труба неподвижно закреплена в установке лазерно-гибридной сварки, отличающаяся тем, что содержит портал, установленный над свариваемой трубой, зону обслуживания портала, в которой установлены два триангуляционных сканера, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа заготовки для трубы, выполненные с возможностью измерения геометрических размеров фасок кромок листа с привязкой их к смещению относительно начала листа и возможностью передачи данной полученной информации о геометрических размерах фасок разделки листа в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, при этом внизу портала установлены упоры, в которых закреплена труба с прихваточным швом, а над порталом установлена балка с видеокамерами, при этом на внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка, содержащая триангуляционный сканер каретки, выполненный с возможностью сканирования профиля фасок с притуплением прихваточного шва верхней поверхности трубы и передачи полученных данных в компьютер установки, при этом верхняя сварочная каретка выполнена с возможностью перемещения её по внутренней поверхности портала над наружной поверхностью трубы в месте расположения прихваточного шва, а видеокамеры выполнены с возможностью определения горизонтального положения прихваточного шва во время установки трубы на упорах, при этом сварочная головка, триангуляционный сканер каретки, видеокамеры, а также верхняя сварочная каретка соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи в него полученных данных для обработки и получения данных о точке наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки, при этом компьютер соединен с системой автоматики и программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит внутри портала ролики с автоматизированным приводом, на которых размещается труба с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва в горизонтальное положение и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит в зоне обслуживания данной установки два пневматических средства для прижатия кромок листа заготовки трубы с левой и правой его стороны и также датчики перемещения листа, связанные с триангуляционными сканерами.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит в зоне обслуживания данной установки калибровочный стол с калибровочными, имитирующими форму фаски, и юстировочными Т-образными образцами с подготовленными поверхностями, выполненный с возможностью юстировки/калибровки лазерных триангуляционных сканеров.

5. Установка по п. 4, отличающаяся тем, что подготовленные поверхности расположены под прямым углом с допустимым отклонением поверхности не более 10 мкм и отклонением угла не более 0,1 градуса.

6. Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, включающий формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, отличающийся тем, что до начала сварки осуществляют измерение геометрических размеров фасок боковых кромок листа трубной заготовки в зоне обслуживания портала, где при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, пневматических средств для прижатия кромок листа и датчика перемещения листа производят измерение геометрических размеров фасок кромок листа с привязкой к смещению их относительно начала листа и затем осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах фасок листа заготовки в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме фасок кромок листа, после чего данный лист изгибается и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, после чего размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью видеокамер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, после чего определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером каретки вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва, при котором, через определенные промежутки - шаги, с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют триангуляционным сканером верхней каретки геометрические размеры верхних фасок разделки и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, по которым компьютер с учетом полученной ранее информации о геометрических размерах фасок листа заготовки данной трубы определяет точки наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки в данной точке, после чего, с выбранным шагом, производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории и с заданным углом наклона лазерной головки.