RU2843018C1 - Installation for laser-hybrid welding of large-diameter pipes and method for welding on said installation - Google Patents
Installation for laser-hybrid welding of large-diameter pipes and method for welding on said installation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2843018C1 RU2843018C1 RU2025101507A RU2025101507A RU2843018C1 RU 2843018 C1 RU2843018 C1 RU 2843018C1 RU 2025101507 A RU2025101507 A RU 2025101507A RU 2025101507 A RU2025101507 A RU 2025101507A RU 2843018 C1 RU2843018 C1 RU 2843018C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pipe
- welding
- laser
- carriage
- sheet
- Prior art date
Links
Abstract
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.The proposed invention relates to metallurgy, in particular to the field of producing large-diameter pipes by welding a longitudinal seam of a cylindrical pipe blank on a laser-arc welding unit using a specific method for performing this welding.
В настоящее время существуют различные установки и способы лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра, но точность наведения сварного луча сварочной головки в данных установках и способах очень низкая, поэтому и качество сварного шва является достаточно низким и не достаточно надежным.Currently, there are various installations and methods for laser arc welding of large diameter pipes, but the accuracy of the welding beam guidance of the welding head in these installations and methods is very low, therefore the quality of the weld is quite low and not reliable enough.
Так известен «Способ лазерной сварки труб» по патенту РФ №2637034.The “Method of laser welding of pipes” is known according to Russian patent No. 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.In this method, a tack weld is applied on the outside of a tubular blank, followed by a working weld using laser welding, in which marking is first made in the form of lines applied using a laser marker on the outer surface of the tubular blank along the blunting of the edges at a distance of 3-5 mm from the lines to the joint of the edges, which is scanned using the first laser sensor along the length of the pipe and entered into the database. Then, after the tack weld is made, the distance between the marking lines is determined using the second laser sensor scanning across the joint, and based on the previously obtained data, the exact position of the joint of the edges is calculated, to which the laser beam is directed when applying the working weld.
Данный способ является достаточно трудоемким, так как добавляется технически сложное оборудование для нанесения глубоких и широких лазерных маркерных линий, так как сканирование данных линий осуществляют сканером, а сканер данной установки не способен сканировать с необходимым качеством не глубокие и не широкие лазерные маркерные линии.This method is quite labor-intensive, since technically complex equipment is added for applying deep and wide laser marker lines, since the scanning of these lines is carried out by a scanner, and the scanner of this installation is not capable of scanning with the required quality neither deep nor wide laser marker lines.
Также оборудование для нанесения глубоких и широких лазерных линий требует настройки, облуживания, обеспечения требований лазерной безопасности, при этом нанесение глубоких маркерных линий снижает прочность трубной заготовки, и полученной из нее трубы.Also, equipment for applying deep and wide laser lines requires adjustment, maintenance, and ensuring laser safety requirements, while applying deep marker lines reduces the strength of the pipe blank and the pipe obtained from it.
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, и в данном способе не предусмотрено определение угла наклона лазерной головки и лазерного луча в зависимости от отклонении шва от положения «в зените», что значительно снижает качество сварки.Also, this method does not provide high quality of the weld, since when the weld deviates from the “zenith” position, the laser welding beam directed vertically may not melt one of the edges of the tubular blank, and this method does not provide for determining the angle of inclination of the laser head and the laser beam depending on the deviation of the weld from the “zenith” position, which significantly reduces the quality of welding.
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.Also known is the "Method of welding large diameter pipes by laser welding" according to the Russian Federation patent IZ No. 2523406, which was selected as a prototype. The laser or hybrid laser-arc welding installation according to this patent contains a laser welding head installed on the outside of the pipe with the ability to move it along the tack weld, a welding carriage installed inside the pipe with the ability to move it along the pipe, as well as a scanning triangulation sensor, a gyroscope and an emitter installed on the welding carriage, as well as a television camera.
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.The welding method according to this patent consists in that the point of impact of the laser beam is monitored from inside the pipe by means of a scanning triangulation sensor, with the help of whose beam the joint of edges is scanned across the seam and in front of the welding zone, and the position of the scanning triangulation sensor relative to the welding head horizontally is determined by means of a gyroscope installed on the welding carriage, or by means of an emitter fixed with the scanning triangulation sensor on the welding carriage, the beam of which is directed at a fixed television camera.
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».This method allows to improve the quality of welding due to more precise direction of the beam to the joint of the edges, but the quality and strength of the weld remains at a fairly low level, since this method does not provide a mechanism for tilting the welding beam during the welding process depending on the deviation of the weld from the “zenith” position.
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.Also, due to the fact that the carriage in this method moves along the uneven inner surface of the pipe, the necessary smooth movement of the carriage is ensured by a very slow feed rate of the pipe, and accordingly leads to a significant increase in welding time.
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.Also, if there are no chamfers on the inner surface of the pipe blank and they are joined in one plane, the laser triangulation sensor cannot always detect the joint location, thereby significantly reducing the accuracy of the beam direction.
Задачей предложенного изобретения является создание такой установки и способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, которые обеспечат высокое качество сварки, повышение качества и прочности сварного шва, а также точность наведения сварного луча за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените», а также за счет того, что для определения угла наклона лазерной головки используют анализ места стыка кромок внешней и внутренней поверхности трубы, для определения которых используют дополнительно верхний лазерный триангуляционный сканер, а также вторую и третью камеры машинного зрения на нижней внутритрубной каретке, и четвертую камеру машинного зрения на верхней сварочной каретке.The objective of the proposed invention is to create such a device and method for laser-hybrid welding of large-diameter pipes that will ensure high quality welding, increased quality and strength of the weld, as well as the accuracy of the welding beam guidance by ensuring the adjustment of the angle of inclination of the welding head and the laser welding beam depending on the deviation of the weld from the "zenith" position, and also due to the fact that to determine the angle of inclination of the laser head, an analysis of the junction of the edges of the outer and inner surfaces of the pipe is used, for the determination of which an upper laser triangulation scanner is additionally used, as well as the second and third machine vision cameras on the lower intra-pipe carriage, and the fourth machine vision camera on the upper welding carriage.
Также задачей предложенного изобретения является повышение скорости сварки за счет применения специальной направляющей для внутритрубной нижней каретки, которая обеспечивает более быстрое и плавное передвижение данной каретки.Another objective of the proposed invention is to increase the welding speed by using a special guide for the lower carriage inside the pipe, which ensures faster and smoother movement of this carriage.
Техническим результатом изобретения является повышение качества и прочности сварного шва за счет повышения точности наведения сварного луча, при одновременном повышении скорости сварки.The technical result of the invention is to improve the quality and strength of the weld seam by increasing the accuracy of the welding beam guidance, while simultaneously increasing the welding speed.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, содержащая перемещающиеся верхнюю сварочную каретку и нижнюю внутритрубную каретку, размещенную внутри свариваемой трубы большого диаметра, которая неподвижно закреплена в установке лазерно-гибридной сварки пневматическими упорами, при этом на верхней сварочной каретке установлена лазерная сварочная головка, а на нижней внутритрубной каретке установлены первая камера машинного зрения и нижний триангуляционный сканер, содержит также портал, в котором закреплена горизонтальная направляющая, проходящая внутри трубы, при этом на направляющей размещена нижняя внутритрубная каретка с возможностью перемещения по направляющей внутри трубы, а на верхней внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка с возможностью перемещения её по данной внутренней поверхности портала, при этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер, установленный на верхней каретке, по меньшей мере, один нивелир, установленный на внутренней боковой поверхности портала, а также зеркало, коаксиальную подсветку, вторую камеру машинного зрения и полупрозрачный экран, установленные на внутритрубной нижней каретке, а над порталом установлена, по меньшей мере, одна третья камера машинного зрения, выполненная с возможностью фиксации положения прихваточного шва, при этом установка также содержит четвертую камеру машинного зрения, которая установлена на верхней каретке, а сварочная головка, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первая, вторая, третья и четвертая камеры машинного зрения, а в зоне обслуживания портала установлены четыре лазера, выполненных с возможностью нанесения маркерных линий на верхней стороне и на нижней стороне листа трубной заготовки, вблизи его кромок, при этом каждый из лазеров установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, а в зоне обслуживания также установлены два триангуляционных сканера, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа трубной заготовки, и выполненных с возможностью сканирования кромок листа трубной заготовки, при этом сварочная головка, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первая, вторая, третья и четвертая камеры машинного зрения, а также сварочная и внутритрубная каретки соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи в него данных для обработки и определения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки, при этом компьютер соединен с системой автоматики с программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.The technical result achieved is due to the fact that the laser-hybrid welding unit for large-diameter pipes, comprising a movable upper welding carriage and a lower intra-pipe carriage located inside the large-diameter pipe being welded, which is fixedly secured in the laser-hybrid welding unit by pneumatic stops, wherein a laser welding head is mounted on the upper welding carriage, and a first machine vision camera and a lower triangulation scanner are mounted on the lower intra-pipe carriage, also comprises a portal in which a horizontal guide is fixed, passing inside the pipe, wherein a lower intra-pipe carriage is mounted on the guide with the ability to move along the guide inside the pipe, and an upper welding carriage is mounted on the upper inner surface of the portal with the ability to move it along this inner surface of the portal, wherein the unit also comprises an upper triangulation scanner mounted on the upper carriage, at least one level mounted on the inner side surface of the portal, as well as a mirror, a coaxial backlight, a second machine vision camera and a translucent screen mounted on the lower intra-tube carriage, and at least one third machine vision camera configured to record the position of the tack weld is mounted above the portal, wherein the installation also comprises a fourth machine vision camera mounted on the upper carriage, and a welding head, upper and lower triangulation scanners, the first, second, third and fourth machine vision cameras, and four lasers configured to apply marker lines on the upper side and on the lower side of the tubular blank sheet, near its edges, are mounted in the portal service area, wherein each of the lasers is mounted at a fixed distance from the edge of the tubular blank sheet, and two triangulation scanners located opposite each other at the corresponding left and right edges of the tubular blank sheet and configured to scan the edges of the tubular blank sheet are also mounted in the service area, wherein the welding head, upper and lower triangulation scanners, the first, second, third and fourth machine vision cameras, and also the welding and in-pipe carriages are connected to the computer of the electronic computing complex of the laser-hybrid welding installation with the possibility of transmitting data to it for processing and determining the laser beam guidance point and the angle of inclination of the welding head, while the computer is connected to the automation system with a programmable controller of the laser-hybrid welding installation with the possibility of controlling the above-mentioned devices of the laser-hybrid welding installation.
Предпочтительно, чтобы установка содержала два нивелира, каждый из которых был установлен на соответствующей внутренней боковой поверхности портала.It is preferable that the installation contain two levels, each of which is installed on the corresponding inner side surface of the portal.
Целесообразно, чтобы установка содержала внутри портала пневматические упоры и ролики, на которых размещается труба с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва в горизонтальное положение, и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах.It is advisable for the installation to contain pneumatic stops and rollers inside the portal, on which the pipe is placed with the possibility of its rotation around the axis to set the tack weld in a horizontal position, and further fixing the pipe in the pneumatic stops.
Предпочтительно, чтобы установка содержала несколько третьих камер машинного зрения, расположенных над сварочным порталом, и выполненных с возможностью определения положения прихваточного шва трубы.Preferably, the installation comprises several third machine vision cameras located above the welding portal and configured to determine the position of the tack weld of the pipe.
Целесообразно, чтобы установка содержала юстировочный образец, расположенный между внутритрубной кареткой и трубой, и выполненный с возможностью юстировки, совмещения координат верхней и нижней кареток.It is advisable for the installation to contain an adjustment sample located between the in-pipe carriage and the pipe, and designed with the possibility of adjustment, combining the coordinates of the upper and lower carriages.
Поставленный технический результат достигается также за счет оригинального способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке, который включает 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 трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают, и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее 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 третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва, при котором, через определенные промежутки (шаги), с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют верхним триангуляционным сканером, профиль верхней поверхности трубы, а четвертой камерой изображение верхней поверхности трубы, затем передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где по полученной информации компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, а с помощью алгоритмов машинного зрения от четвертой камеры машинного зрения распознает положение маркерных линий на внешней поверхности трубы, после чего по полученным данным в компьютере установки определяют точки наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки в данных точках наведения, затем 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 в определенных точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки.The stated technical result is also achieved due to the original method of laser-hybrid welding of large-diameter pipes on the above-mentioned installation, which includes forming a pipe from a steel sheet of a pipe blank with subsequent joining of the edges of this pipe with a tack weld longitudinal seam using a laser or laser-arc welding head installed on the outside of the pipe, in which, before the start of welding, the first pass of the upper welding carriage is carried out in order to track the point of action of the laser beam on the joint of the pipe edges, after which a second pass of the upper welding carriage with the welding head is carried out in the welding mode, while before the start of welding, marker lines are applied in the service area on the upper side of the sheet of the pipe blank using two lasers, each of which is installed at a fixed distance from the edge of the sheet of the pipe blank, after which the geometric dimensions of the side edges of the sheet with the applied marker lines are measured using two triangulation scanners located opposite each other at the corresponding left and right edges of the sheet, with reference to the offset relative to the beginning of the sheet, as well as pneumatic means for pressing the edges of the sheet, and a sheet movement sensor, after which the received information on the geometric dimensions of the edges of the cutting sheet with marker lines is transmitted to the computer of the laser-hybrid welding unit, where this geometric model of the edges of the cutting sheet is assigned a unique number and saved in the database of the geometric shape of the edges of the sheet with the applied marker lines, after which this sheet is bent, and a pipe is formed from it, and then the edges of this pipe are connected with a tack welded longitudinal seam, then the resulting pipe is placed on rotating rollers with an automated drive under the portal of the laser-hybrid welding unit for installation in a horizontal position of the tack weld, which is determined using third cameras by a machine vision algorithm, and this information is transmitted to the computer of the laser-hybrid welding unit, where a virtual center line of the tack weld is determined, then the pipe is fixed in the stops and the first pass of the upper welding carriage with a triangulation scanner and a fourth machine vision camera along the virtual centerline of the tack weld, in which, at certain intervals (steps), with reference to the offset relative to the beginning of the sheet, the upper triangulation scanner records the profile of the upper surface of the pipe, and the fourth camera records the image of the upper surface of the pipe, then transmits this information to the computer of the laser-hybrid welding unit, where, based on the information received, the computer constructs approximated circles, and using machine vision algorithms from the fourth machine vision camera, recognizes the position of the marker lines on the outer surface of the pipe, after which, based on the data received in the computer of the unit, the guidance points of the laser beam of the welding head and the required angle of rotation of the welding head at these guidance points are determined, then these data are transmitted to the automation controller of the unit, which controls the laser head during the second pass of the upper welding carriage with the welding head in the welding mode with the guidance of the laser beam along the obtained trajectory at certain guidance points, and with a given angle of inclination of the laser heads.
Поставленный технический результат достигается также за счет другого оригинального способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке, который предусматривает нанесение маркерных линий не только на внешней (верхней) стороне листа трубной заготовки, как предыдущий, выше описанный способ, но и на внутренней (нижней) стороне листа трубной заготовки при помощи четырех лазеров.The stated technical result is also achieved due to another original method of laser-hybrid welding of large diameter pipes on the above-mentioned installation, which provides for the application of marker lines not only on the outer (upper) side of the sheet of the pipe blank, as in the previous, above-described method, but also on the inner (lower) side of the sheet of the pipe blank using four lasers.
Данный способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает 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 трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на нижней стороне и верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают, и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее 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 третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения, а также нижней внутритрубной каретки, в начале которого производят юстировку триангуляционных сканеров кареток, при этом при достижении каретками юстировочного образца, закрепленного на портале, каретки останавливаются, триангуляционные сканеры кареток юстируются и рассчитываются коэффициенты перевода линейного перемещения и угла из системы координат внутритрубной каретки в систему координат верхней сварочной каретки в точке юстировки, и анализируется изображение на экране внутритрубной каретки с второй камеры, для чего выполняют поиск алгоритмами машинного зрения лазерных линий на экране, при этом в качестве базового отсчета используется точка пересечения и наклон лазерных лучей, после чего движение кареток продолжается, и с верхнего триангуляционного сканера в компьютер передают профили поверхности трубы, и по ним компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, при этом первая камера внутритрубной каретки записывает изображения внутренней поверхности трубы с маркерными линиями, второй триангуляционный сканер внутритрубной каретки записывает профиль внутренней поверхности трубы, вторая видеокамера записывает изображение с экрана проекции лучей нивелира, при этом для формирования изображения на первой видеокамере используют коаксиальную подвеску с устройством отражения лучей на 90 градусов, после чего полученные изображения и профили передают в компьютер, где производят поиск маркерных линий, затем определяют на прихваточном шве опорные точки, координаты которых переводят в 3D координаты внутритрубной тележки, а для перевода в систему координат верхней каретки опорных точек анализируют изображения, полученные со второй камеры машинного зрения, определяют место пересечения лучей и угол наклона лучей нивелира, и путем сравнения этих данных со значениями, полученными на этапе юстировки, определяют положение внутритрубной нижней каретки и угол ее наклона относительно верхней каретки, после чего 3D координаты прихваточного шва пересчитывают в компьютере установки в систему координат верхней каретки, затем для каждой опорной точки по аппроксимированным окружностям профиля наружной поверхности рассчитывают нормаль, при этом угол наклона сварочного лазерного луча в данной точке определяют равным углу наклона нормали, а по завершению первого прохода внутритрубной каретки и верхней сварочной каретки вдоль трубы, расчета в компьютере установки точек наведения и углов наклона лазерных лучей для каждого сечения с выбранным шагом, затем 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.This method of laser-hybrid welding of large diameter pipes includes forming a pipe from a steel sheet of a tubular blank with subsequent joining of the edges of this pipe with a tack weld longitudinal seam using a laser or laser-arc welding head installed on the outside of the pipe, in which, before the start of welding, the first pass of the upper welding carriage is carried out in order to track the point of action of the laser beam on the joint of the pipe edges, after which the second pass of the upper welding carriage with the welding head is carried out in the welding mode, while before the start of welding, marker lines are applied in the service area on the lower side and the upper side of the sheet of the tubular blank using two lasers, each of which is installed at a fixed distance from the edge of the sheet of the tubular blank, after which the geometric dimensions of the side edges of the sheet with the applied marker lines are measured using two triangulation scanners located opposite each other at the corresponding left and right edges of the sheet, with reference to the offset relative to the beginning of the sheet, as well as pneumatic means for pressing the edges of the sheet, and a sheet movement sensor, after which the received information about the geometric dimensions of the edges of the cutting sheet with marker lines is transmitted to the computer of the laser-hybrid welding unit, where this geometric model of the edges of the cutting sheet is assigned a unique number and saved in the database of the geometric shape of the edges of the sheet with the applied marker lines, after which this sheet is bent and a pipe is formed from it, and then the edges of this pipe are connected with a tack welded longitudinal seam, then the resulting pipe is placed on rotating rollers with an automated drive under the portal of the laser-hybrid welding unit for setting the tack weld in a horizontal position, which is determined using the third cameras by the machine vision algorithm, and this information is transmitted to the computer of the laser-hybrid welding unit, where the virtual center line of the tack weld is determined, then the pipe is fixed in the stops and the first pass of the upper welding carriage with a triangulation scanner and the fourth is carried out machine vision camera, as well as the lower in-pipe carriage, at the beginning of which the triangulation scanners of the carriages are adjusted, wherein when the carriages reach the adjustment sample fixed on the portal, the carriages stop, the triangulation scanners of the carriages are adjusted and the coefficients of translation of the linear movement and angle from the coordinate system of the in-pipe carriage to the coordinate system of the upper welding carriage at the adjustment point are calculated, and the image on the screen of the in-pipe carriage from the second camera is analyzed, for which a search is performed by machine vision algorithms for laser lines on the screen, wherein the intersection point and the inclination of the laser beams are used as the base reference, after which the movement of the carriages continues, and the profiles of the pipe surface are transmitted from the upper triangulation scanner to the computer, and based on them the computer constructs approximated circles, wherein the first camera of the in-pipe carriage records images of the inner surface of the pipe with marker lines, the second triangulation scanner of the in-pipe carriage records the profile of the inner surface of the pipe, the second video camera records the image from the projection screen of the level beams, while a coaxial suspension with a 90-degree beam reflection device is used to form the image on the first video camera, after which the obtained images and profiles are transmitted to the computer, where a search for marker lines is performed, then reference points are determined on the tack weld, the coordinates of which are converted into 3D coordinates of the in-pipe trolley, and to convert the reference points into the coordinate system of the upper carriage, the images obtained from the second machine vision camera are analyzed, the intersection point of the beams and the angle of inclination of the level beams are determined, and by comparing these data with the values obtained at the adjustment stage, the position of the in-pipe lower carriage and the angle of its inclination relative to the upper carriage are determined, after which the 3D coordinates of the tack weld are recalculated in the installation computer into the coordinate system of the upper carriage, then for each reference point, a normal is calculated based on the approximated circles of the outer surface profile, while the angle of inclination of the welding laser beam at this point is determined equal to the angle of inclination of the normal, and upon completion the first pass of the in-pipe carriage and the upper welding carriage along the pipe, calculation in the computer of the installation of the guidance points and the angles of inclination of the laser beams for each section with the selected step, then the transfer of this data to the controller of the automation of the installation, which controls the laser head during the second pass of the upper welding carriage with the welding head in the welding mode with the guidance of the laser beam along the obtained trajectory and with the specified angle of inclination of the laser head.
Для более подробного раскрытия данного изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его выполнения, которые поясняются соответствующими чертежами.For a more detailed disclosure of this invention, a description of specific possible embodiments of its implementation is provided below, which are explained by the corresponding drawings.
Фиг. 1 - схематичное изображение установки лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра.Fig. 1 - schematic representation of a laser-hybrid welding installation for large diameter pipes.
Фиг. 2 - схематичное изображение трубы (вид с торца), установленной на ролики и закрепленной в упорах.Fig. 2 - schematic representation of a pipe (end view) mounted on rollers and secured in stops.
Фиг. 3 - схематичное изображение зоны обслуживания портала с установленной заготовкой трубы в виде листа, а также с двумя триангуляционными сканерами, расположенными напротив друг друга у правой и левой сторон листа, и четырьмя лазерами для нанесения маркерных линий.Fig. 3 - schematic representation of the portal service area with a pipe blank installed in the form of a sheet, as well as with two triangulation scanners located opposite each other at the right and left sides of the sheet, and four lasers for applying marker lines.
Фиг. 4 - фрагмент поперечного разреза трубы с прихваточным швом и маркерными линиями на внешней и внутренней поверхностях листа трубы.Fig. 4 - fragment of a cross-section of a pipe with a tack weld and marker lines on the outer and inner surfaces of the pipe sheet.
Фиг. 5 - вид сверху трубы с прихваточным швом, а также с верхними и нижними маркерными линиями на трубе.Fig. 5 - top view of a pipe with a tack weld, as well as upper and lower marker lines on the pipe.
В предпочтительном варианте выполнения установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра содержит портал 1, внутри которого расположены перемещающиеся верхняя сварочная каретка 2 и нижняя внутритрубная каретка 3, размещенная внутри свариваемой трубы 4 большого диаметра, которая неподвижно закреплена внутри портала 1 пневматическими упорами 15 (Фиг. 1). При этом на верхней сварочной каретке 2 установлена лазерная сварочная головка 5, а на нижней внутритрубной каретке 3 установлены первая камера 6 машинного зрения и нижний триангуляционный сканер 7. Также внутри портала 1 расположена горизонтальная направляющая 8, проходящая внутри трубы 4, на которой размещена нижняя внутритрубная каретка 3 с возможностью перемещения по направляющей 8 внутри трубы 4, а на верхней внутренней поверхности портала 1 размещена верхняя сварочная каретка 2 с возможностью перемещения её по данной внутренней поверхности портала 1. При этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер 9, установленный на верхней каретке 2, и, по меньшей мере, один нивелир 10, установленный на внутренней боковой поверхности портала 1, а также зеркало 11, коаксиальную подсветку 12, вторую камеру 13 машинного зрения и полупрозрачный экран 14, установленные на внутритрубной нижней каретке 3. Над порталом 1 установлена, по меньшей мере, одна третья камера 18 машинного зрения, выполненная с возможностью фиксации положения прихваточного шва 17, а на верхней каретке 2 установлена четвертая камера 19 машинного зрения. При этом сварочная головка 5, верхний 9 и нижний 7 триангуляционные сканеры, первая 6, вторая 13, третья 18 и четвертая 19 камеры машинного зрения, а также сварочная верхняя 2 и внутритрубная нижняя 3 каретки соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи полученных данных в компьютер, последующей обработки и определения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки 5, а компьютер соединен с системой автоматики с программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки (Фиг. 1-2).In a preferred embodiment, the laser-hybrid welding installation for large-diameter pipes comprises a portal 1, inside of which are located a moving upper welding carriage 2 and a lower intra-pipe carriage 3, located inside a large-diameter pipe 4 to be welded, which is fixedly secured inside the portal 1 by pneumatic stops 15 (Fig. 1). In this case, a laser welding head 5 is installed on the upper welding carriage 2, and the first machine vision camera 6 and the lower triangulation scanner 7 are installed on the lower in-pipe carriage 3. Also located inside the portal 1 is a horizontal guide 8, passing inside the pipe 4, on which the lower in-pipe carriage 3 is placed with the possibility of moving along the guide 8 inside the pipe 4, and on the upper inner surface of the portal 1 the upper welding carriage 2 is placed with the possibility of moving it along this inner surface of the portal 1. In this case, the installation also contains an upper triangulation scanner 9, installed on the upper carriage 2, and at least one level 10, installed on the inner side surface of the portal 1, as well as a mirror 11, coaxial illumination 12, a second machine vision camera 13 and a translucent screen 14, installed on the lower in-pipe carriage 3. Above the portal 1, at least one third a machine vision camera 18 configured to record the position of the tack weld 17, and a fourth machine vision camera 19 is mounted on the upper carriage 2. In this case, the welding head 5, the upper 9 and lower 7 triangulation scanners, the first 6, second 13, third 18 and fourth 19 machine vision cameras, as well as the upper 2 welding and lower 3 in-pipe carriages are connected to a computer of the electronic computing complex of the laser-hybrid welding unit with the ability to transmit the received data to the computer, subsequent processing and determining the laser beam guidance point and the angle of inclination of the welding head 5, and the computer is connected to the automation system with a programmable controller of the laser-hybrid welding unit with the ability to control the above-mentioned devices of the laser-hybrid welding unit (Figs. 1-2).
В зоне обслуживания портала 1 установлены четыре лазера 20, выполненных с возможностью нанесения маркерных линий 21 на верхней стороне и на нижней стороне листа трубной заготовки 22, вблизи его кромок, при этом каждый из лазеров 20 установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки 22, при этом в зоне обслуживания также установлены два триангуляционных сканера 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа трубной заготовки 22, и выполненных с возможностью сканирования кромок листа трубной заготовки 22 (Фиг. 3-5).In the service area of the portal 1, four lasers 20 are installed, configured to apply marker lines 21 on the upper side and on the lower side of the sheet of the tubular blank 22, near its edges, wherein each of the lasers 20 is installed at a fixed distance from the edge of the sheet of the tubular blank 22, wherein two triangulation scanners 23 are also installed in the service area, located opposite each other at the corresponding left and right edges of the sheet of the tubular blank 22, and configured to scan the edges of the sheet of the tubular blank 22 (Fig. 3-5).
Установка также может содержать два нивелира 10, каждый из которых может быть установлен на соответствующей внутренней боковой поверхности портала 1.The installation may also contain two levels 10, each of which may be installed on the corresponding inner side surface of the portal 1.
Труба 4 внутри портала 1 размещается и закрепляется на пневматических упорах 15 после её вращения на роликах 16 вокруг оси для установки прихваточного шва 17 в горизонтальное положение (Фиг.2).The pipe 4 inside the portal 1 is placed and secured on the pneumatic stops 15 after its rotation on the rollers 16 around the axis to set the tack weld 17 in a horizontal position (Fig. 2).
Установка может содержать несколько третьих камер 18 машинного зрения, расположенных над сварочным порталом 1, и выполненных с возможностью определения положения прихваточного шва 17, и передачи этих данных в компьютер для обработки и хранения.The installation may contain several third machine vision cameras 18 located above the welding portal 1 and configured to determine the position of the tack weld 17 and transmit this data to the computer for processing and storage.
Кроме этого, установка содержит юстировочный образец 24, расположенный между внутритрубной кареткой 3 и трубой 4 для проведения юстировки, совмещения координат верхней 2 и нижней 3 кареток (Фиг. 1).In addition, the installation contains an adjustment sample 24 located between the intra-pipe carriage 3 and the pipe 4 for performing adjustment, aligning the coordinates of the upper 2 and lower 3 carriages (Fig. 1).
Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра предусматривает формирование трубы 4 из стального листа трубной заготовки 22 с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом 17 при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки 5, установленной с наружной стороны трубы 4, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы 4, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий 21 на верхней стороне листа трубной заготовки 22, при помощи двух лазеров 20, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки 22, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21 при помощи двух триангуляционных сканеров 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа заготовки 22, с привязкой к смещению относительно начала листа заготовки 22. При этом используют пневматические средства для прижатия кромок листа, и датчики перемещения листа (на чертежах не показаны). Затем осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями 21 в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными на верхнюю поверхность листа заготовки 22 маркерными линиями 21, после чего данный лист 22 изгибают, и из него формируют трубу 4, после чего соединяют кромки данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17 и размещают полученную трубу 4 на вращающиеся ролики 16 с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва 17, который определяют с помощью третьих камер 18 алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки. В компьютере определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва 17, после чего трубу 4 фиксируют в упорах 15 и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с триангуляционным сканером 9 и четвертой камерой 19 машинного зрения вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва 17, при котором, через определенные промежутки (шаги), с привязкой к смещению относительно начала листа 22 заготовки трубы 4 фиксируют верхним триангуляционным сканером 9 профиль верхней поверхности трубы 4, а четвертой камерой 19 изображение верхней поверхности трубы 4, затем передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где по полученной информации компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, при этом с помощью алгоритмов машинного зрения от четвертой камеры 19 машинного зрения распознают положение маркерных линий 21 на внешней поверхности трубы 4, после чего по полученным данным в компьютере установки определяют точки наведения лазерного луча сварочной головки 5 и необходимый угол поворота сварочной головки 5 в данных точках наведения, после чего 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 в точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки 5.The method of laser-hybrid welding of large-diameter pipes on the above-mentioned laser-hybrid welding installation for large-diameter pipes provides for the formation of a pipe 4 from a steel sheet of a tubular blank 22, followed by joining the edges of this pipe with a tack weld longitudinal seam 17 using a laser or laser-arc welding head 5 installed on the outside of the pipe 4, in which, before the start of welding, the first pass of the upper welding carriage 2 is carried out in order to track the point of action of the laser beam on the joint of the edges of the pipe 4, after which the second pass of the upper welding carriage 2 with the welding head is carried out in the welding mode, wherein before the start of welding, marker lines 21 are applied in the service area on the upper side of the sheet of the tubular blank 22, using two lasers 20, each of which is installed at a fixed distance from the edge of the sheet of the tubular blank 22, after which the geometric dimensions of the side edges of the sheet 22 are measured with applied marker lines 21 using two triangulation scanners 23, located opposite each other at the corresponding left and right edges of the blank sheet 22, with reference to the offset relative to the beginning of the blank sheet 22. In this case, pneumatic means are used to press the edges of the sheet, and sheet movement sensors (not shown in the drawings). Then, the received information about the geometric dimensions of the edges of the cutting sheet with marker lines 21 is transferred to the computer of the laser-hybrid welding unit, where a unique number is assigned to this geometric model of the edges of the cutting sheet and saved in the database about the geometric shape of the edges of the sheet with marker lines 21 applied to the upper surface of the sheet of the workpiece 22, after which this sheet 22 is bent, and a pipe 4 is formed from it, after which the edges of this pipe 4 are connected by a tack welded longitudinal seam 17 and the resulting pipe 4 is placed on rotating rollers 16 with an automated drive under the portal of the laser-hybrid welding unit for setting the tack weld 17 in a horizontal position, which is determined using the third cameras 18 by the machine vision algorithm, and this information is transferred to the computer of the laser-hybrid welding unit. In the computer, the virtual center line of the tack weld 17 is determined, after which the pipe 4 is fixed in the stops 15 and the first pass of the upper welding carriage 2 with the triangulation scanner 9 and the fourth machine vision camera 19 is carried out along the virtual center line of the tack weld 17, during which, at certain intervals (steps), with reference to the offset relative to the beginning of the sheet 22 of the pipe 4 blank, the profile of the upper surface of the pipe 4 is recorded by the upper triangulation scanner 9, and the image of the upper surface of the pipe 4 is recorded by the fourth camera 19, then this information is transmitted to the computer of the laser-hybrid welding installation, where, based on the information received, the computer constructs approximated circles, while using machine vision algorithms from the fourth machine vision camera 19, the position of the marker lines 21 on the outer surface of the pipe 4 is recognized, after which, based on the data received in the computer of the installation, the guidance points of the laser beam of the welding head 5 and the required angle of rotation of the welding heads 5 at these guidance points, after which they transmit these data to the automation controller of the installation, which controls the laser head during the second pass of the upper welding carriage with the welding head in the welding mode with the guidance of the laser beam along the obtained trajectory at the guidance points, and with a given angle of inclination of the laser head 5.
На выше описанной установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра возможно производить сварку труб большого диаметра и другим оригинальным способом, который предусматривает нанесение маркерных линий 21 не только на внешней (верхней) стороне листа 22 трубной заготовки, как предыдущий, выше описанный способ, но и на внутренней (нижней) стороне листа трубной заготовки одновременно при помощи четырех лазеров, а после осуществлять проход верхней сварочной каретки 2 и внутритрубной каретки 3 для сбора данных о положении прихваточного шва 17 и кромок листа 22 с маркерными линиями 21 на трубе 4.On the above-described laser-hybrid welding unit for large-diameter pipes, it is possible to weld large-diameter pipes using another original method, which involves applying marker lines 21 not only on the outer (upper) side of the sheet 22 of the pipe blank, as in the previous, above-described method, but also on the inner (lower) side of the sheet of the pipe blank simultaneously using four lasers, and then performing the passage of the upper welding carriage 2 and the inner-pipe carriage 3 to collect data on the position of the tack weld 17 and the edges of the sheet 22 with marker lines 21 on the pipe 4.
Данный способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает формирование трубы 4 из стального листа 22 трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17 при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки 5, установленной с наружной стороны трубы 4, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой 5 в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий 21 на нижней стороне и верхней стороне листа 22 трубной заготовки при помощи четырех лазеров 20, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа 22 трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21 при помощи двух триангуляционных сканеров 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа 22, с привязкой к смещению относительно начала листа 22, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа (на чертежах не показаны), после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа 22 разделки с маркерными линиями 21 в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа 22 разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21. Затем данный лист 22 изгибают, и из него формируют трубу 4, после чего соединяют кромки данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17, и размещают полученную трубу 4 на вращающиеся ролики 16 с автоматизированным приводом под порталом 1 установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва 17, который определяют с помощью трех камер 18 алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва 17, затем трубу 4 фиксируют в упорах 15 и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с триангуляционным сканером 9 и четвертой камерой машинного зрения 19, а также нижней внутритрубной каретки 3, в начале которого производят юстировку триангуляционных сканеров 7 и 9 данных кареток. При этом каретки 2 и 3 продвигаются при достижении каретками юстировочного образца 24, закрепленного внутри портала 1, каретки 2 и 3 останавливаются, триангуляционные сканеры 7 и 9 кареток 2 и 3 юстируются и рассчитываются коэффициенты перевода линейного перемещения и угла из системы координат внутритрубной каретки 3 в систему координат верхней сварочной каретки 2 в точке юстировки, и анализируется изображение на экране внутритрубной каретки 3 с второй камеры 13, для чего выполняют поиск алгоритмами машинного зрения лазерных линий на экране 14. При этом в качестве базового отсчета используется точка пересечения и наклон лазерных лучей. Затем движение кареток 2 и 3 продолжается, и с верхнего триангуляционного сканера 9 в компьютер передают профили поверхности трубы 4, и по ним компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, а первая камера 6 внутритрубной каретки 3 записывает изображения внутренней поверхности трубы 4 с маркерными линиями 21. Триангуляционный сканер 7 внутритрубной каретки 3 записывает профиль внутренней поверхности трубы 4, а вторая видеокамера 13 записывает изображение с экрана 14 проекции лучей нивелира 10. При этом для формирования изображения на первой видеокамере 6 используют коаксиальную подвеску 12 с устройством отражения лучей на 90 градусов, после чего полученные изображения и профили передают в компьютер, где производят поиск маркерных линий, затем определяют на прихваточном шве 17 опорные точки, координаты которых переводят в 3D координаты внутритрубной тележки 3, а для перевода в систему координат верхней каретки 2 опорных точек анализируют изображения, полученные со второй камеры 13 машинного зрения. При этом определяют место пересечения лучей и угол наклона лучей нивелира 10, и путем сравнения этих данных со значениями, полученными на этапе юстировки, определяют положение внутритрубной нижней каретки 3 и угол ее наклона относительно верхней каретки 2, после чего 3D координаты прихваточного шва 17 пересчитывают в компьютере установки в систему координат верхней каретки 2, затем для каждой опорной точки по аппроксимированным окружностям профиля наружной поверхности трубы 4 рассчитывают нормаль, при этом угол наклона сварочного лазерного луча в данной точке определяют равным углу наклона нормали. По завершению первого прохода внутритрубной каретки 3 и верхней сварочной каретки 2 вдоль трубы 4, а также расчета в компьютере установки точек наведения и углов наклона лазерных лучей для каждого сечения с выбранным шагом, производят передачу полученных данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой 5 при втором проходе верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой 5 в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории в точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки 5.This method of laser-hybrid welding of large diameter pipes includes forming a pipe 4 from a steel sheet 22 of a pipe blank with subsequent joining of the edges of this pipe 4 with a tack weld longitudinal seam 17 using a laser or laser-arc welding head 5 installed on the outside of the pipe 4, in which, before the start of welding, the first pass of the upper welding carriage 2 is carried out in order to track the point of action of the laser beam on the joint of the pipe edges, after which a second pass of the upper welding carriage 2 with the welding head 5 is carried out in the welding mode, wherein before the start of welding, marker lines 21 are applied in the service area on the lower side and the upper side of the sheet 22 of the pipe blank using four lasers 20, each of which is installed at a fixed distance from the edge of the sheet 22 of the pipe blank, after which the geometric dimensions of the side edges of the sheet 22 with the applied marker lines 21 are measured using two triangulation scanners 23, located opposite each other at the corresponding left and right edges of the sheet 22, with reference to the offset relative to the beginning of the sheet 22, as well as pneumatic means for pressing the edges of the sheet, and a sheet movement sensor (not shown in the drawings), after which the transmission of this received information on the geometric dimensions of the edges of the sheet 22 of the groove with marker lines 21 is carried out to the computer of the laser-hybrid welding installation, where this geometric model of the edges of the sheet 22 of the groove is assigned a unique number and saved in the database on the geometric shape of the edges of the sheet 22 with the applied marker lines 21. Then this sheet 22 is bent, and a pipe 4 is formed from it, after which the edges of this pipe 4 are connected with a tack welded longitudinal seam 17, and the resulting pipe 4 is placed on rotating rollers 16 with an automated drive under the portal 1 of the laser-hybrid welding installation for setting the tack weld 17 in a horizontal position, which is determined with the help of three cameras 18 by a machine vision algorithm, and transmitting this information to the computer of the laser-hybrid welding installation, where the virtual center line of the tack weld 17 is determined, then the pipe 4 is fixed in the stops 15 and the first pass of the upper welding carriage 2 with the triangulation scanner 9 and the fourth machine vision camera 19, as well as the lower intra-pipe carriage 3, is carried out, at the beginning of which the triangulation scanners 7 and 9 of these carriages are adjusted. In this case, carriages 2 and 3 advance when the carriages reach the adjustment sample 24, fixed inside the portal 1, carriages 2 and 3 stop, triangulation scanners 7 and 9 of carriages 2 and 3 are adjusted and the coefficients of translation of the linear movement and angle from the coordinate system of the intra-pipe carriage 3 to the coordinate system of the upper welding carriage 2 at the adjustment point are calculated, and the image on the screen of the intra-pipe carriage 3 from the second camera 13 is analyzed, for which a search is performed by machine vision algorithms for laser lines on the screen 14. In this case, the intersection point and the inclination of the laser beams are used as the base reference. Then the movement of carriages 2 and 3 continues, and from the upper triangulation scanner 9 the profiles of the surface of the pipe 4 are transmitted to the computer, and based on them the computer constructs approximated circles, and the first camera 6 of the in-pipe carriage 3 records images of the inner surface of the pipe 4 with marker lines 21. The triangulation scanner 7 of the in-pipe carriage 3 records the profile of the inner surface of the pipe 4, and the second video camera 13 records the image from the screen 14 of the projection of the rays of the level 10. In this case, to form an image on the first video camera 6, a coaxial suspension 12 with a device for reflecting rays by 90 degrees is used, after which the obtained images and profiles are transmitted to the computer, where a search for marker lines is performed, then reference points are determined on the tack weld 17, the coordinates of which are converted into 3D coordinates of the in-pipe carriage 3, and to convert the reference points into the coordinate system of the upper carriage 2, the images obtained from the second camera are analyzed. 13 machine vision. In this case, the intersection point of the beams and the angle of inclination of the beams of the level 10 are determined, and by comparing these data with the values obtained at the adjustment stage, the position of the lower carriage 3 inside the pipe and the angle of its inclination relative to the upper carriage 2 are determined, after which the 3D coordinates of the tack weld 17 are recalculated in the computer of the installation into the coordinate system of the upper carriage 2, then for each reference point, the normal is calculated according to the approximated circles of the profile of the outer surface of the pipe 4, and the angle of inclination of the welding laser beam at this point is determined to be equal to the angle of inclination of the normal. Upon completion of the first pass of the intra-pipe carriage 3 and the upper welding carriage 2 along the pipe 4, as well as the calculation in the computer of the installation of the guidance points and the angles of inclination of the laser beams for each section with the selected step, the received data are transferred to the controller of the automation of the installation, which controls the laser head 5 during the second pass of the upper welding carriage 2 with the welding head 5 in the welding mode with the guidance of the laser beam along the obtained trajectory at the guidance points, and with a specified angle of inclination of the laser head 5.
Таким образом, использование представленной выше установки и способов лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на данной установке позволяет обеспечить высокое качество сварки, повышение качества и прочности сварного шва, а также увеличить точность наведения сварного луча за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки 5 и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените», а также за счет того, что для определения угла наклона лазерной головки используют анализ места стыка кромок внешней и внутренней поверхности трубы 4, для определения которых используют дополнительно верхний лазерный триангуляционный сканер 9, а также первую 6 и вторую 13 камеры машинного зрения на нижней внутритрубной каретке, и четвертую камеру 19 машинного зрения на верхней сварочной каретке.Thus, the use of the above-presented installation and methods of laser-hybrid welding of large-diameter pipes on this installation allows for high welding quality, improved quality and strength of the weld, and increased accuracy of welding beam guidance by adjusting the inclination angle of the welding head 5 and the laser welding beam depending on the deviation of the weld from the “zenith” position, and also due to the fact that to determine the inclination angle of the laser head, an analysis of the junction of the edges of the outer and inner surfaces of the pipe 4 is used, for the determination of which an upper laser triangulation scanner 9 is additionally used, as well as the first 6 and second 13 machine vision cameras on the lower intra-pipe carriage, and the fourth machine vision camera 19 on the upper welding carriage.
Также задачей предложенного изобретения является повышение скорости сварки за счет применения специальной направляющей 8 для внутритрубной нижней каретки 3, которая обеспечивает более быстрое и плавное передвижение данной каретки 3.Another objective of the proposed invention is to increase the welding speed by using a special guide 8 for the in-pipe lower carriage 3, which ensures faster and smoother movement of this carriage 3.
При этом при сканировании стыка кромок трубы 4 используют верхнюю каретку 2 с лазерной головкой 5 и верхним триангуляционным сканером 9, а также нижнюю внутритрубную каретку 3 с нижним триангуляционным сканером 7, а также первую 6, вторую 13 и третью 18 камеры машинного зрения.In this case, when scanning the joint of the edges of the pipe 4, the upper carriage 2 with the laser head 5 and the upper triangulation scanner 9, as well as the lower intra-pipe carriage 3 with the lower triangulation scanner 7, as well as the first 6, second 13 and third 18 machine vision cameras are used.
Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.As will be apparent to those skilled in the art, the present invention may easily be developed into other specific forms without departing from the spirit of the present invention.
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.In this case, the present embodiments should be considered merely illustrative and not limiting, and the scope of the invention is represented by its claims, and it is assumed that all possible changes and the area of equivalence to the claims of the present invention are included therein.
Claims (7)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2843018C1 true RU2843018C1 (en) | 2025-07-07 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2143649B (en) * | 1983-06-29 | 1986-09-03 | Fairey Eng | Optical apparatus for laser welding pipes |
| RU2070494C1 (en) * | 1994-08-10 | 1996-12-20 | Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" | Pipeline laser welding installation |
| RU2523406C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-07-20 | Открытое акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" | Welding of large-diameter pipes by laser beam |
| RU2548842C1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий", ООО "ЦЛТ" | Arc-laser module for orbital welding of fixed ring pipe joints |
| RU2688350C1 (en) * | 2018-04-28 | 2019-05-21 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of hybrid laser-arc welding with steel clad pipes deposition |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2143649B (en) * | 1983-06-29 | 1986-09-03 | Fairey Eng | Optical apparatus for laser welding pipes |
| RU2070494C1 (en) * | 1994-08-10 | 1996-12-20 | Акционерное общество закрытого типа "Технолазер" | Pipeline laser welding installation |
| RU2523406C1 (en) * | 2013-03-19 | 2014-07-20 | Открытое акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" | Welding of large-diameter pipes by laser beam |
| RU2548842C1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Центр лазерных технологий", ООО "ЦЛТ" | Arc-laser module for orbital welding of fixed ring pipe joints |
| RU2688350C1 (en) * | 2018-04-28 | 2019-05-21 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of hybrid laser-arc welding with steel clad pipes deposition |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5001324A (en) | Precision joint tracking laser welding system | |
| US5877960A (en) | Method and apparatus for monitoring and positioning a beam or jet for operating on a workpiece | |
| US4907169A (en) | Adaptive tracking vision and guidance system | |
| JP3972244B2 (en) | Remote control cutting robot | |
| US5347101A (en) | Automatic tracking system for pipeline welding | |
| CN105458462B (en) | A kind of trapezoidal weld seam multi-parameter synchronizing visual detecting and tracking method of Varied clearance | |
| US6034347A (en) | Continuous butt-welding process and device for metal sheets, in particular for building car bodies in the car industry | |
| CN111496370B (en) | Automatic sensing and control method of friction stir welding trajectory suitable for fillet joint | |
| JP5218479B2 (en) | Mobile system | |
| RU2843018C1 (en) | Installation for laser-hybrid welding of large-diameter pipes and method for welding on said installation | |
| KR102361020B1 (en) | Apparatus for automatic welding process that can track the welding target line | |
| CN108025395A (en) | For the method along locus guiding processing head to be processed | |
| JPH1094874A (en) | Automatic welding method for tube joint | |
| RU2843016C1 (en) | Installation for laser-hybrid welding of large-diameter pipes and method for welding on said installation | |
| RU2843015C1 (en) | Installation for laser-hybrid welding of large-diameter pipes and method for welding on said installation | |
| JP4341172B2 (en) | Control method of torch position in multi-layer welding | |
| KR100568627B1 (en) | Welding method and apparatus thereof for welding welded body formed with corrugation | |
| RU2748861C1 (en) | Method for visual and measuring non-destructive quality control of welded joint, mainly obtained by friction-mixing welding method, and device for its implementation | |
| JPH10193148A (en) | Method and apparatus for determining welding position and method and apparatus for manufacturing welded pipe | |
| KR20010095577A (en) | Apparatus for weld of corrugated member and method thereof | |
| RU2697686C1 (en) | Robotic portal for laser cutting and welding of tubular cylindrical workpieces | |
| JPH05146885A (en) | Laser beam machine | |
| JP3382787B2 (en) | Apparatus and method for detecting welding position | |
| JPH05138354A (en) | Automatic welding profiling device | |
| CN117444988B (en) | Method for confirming real starting point and end point of welding line under error of space positioning |