установка для лазерной сварки трубопроводов

Формула изобретения

1. Установка для лазерной сварки трубопроводов, содержащая передвижное средство, платформу с размещенными на ней аппаратурой управления, технологическим лазером с лучепроводом в виде трубы, на конце которой закреплено фокусирующее устройство с поворотными зеркалами и приводом их вращения, вспомогательным оборудованием и зажимными механизмами, отличающаяся тем, что она снабжена магазином для соосного закрепления привариваемых труб и дополнительными лучепроводами с закрепленными на их концах фокусирующими устройствами с поворотными зеркалами и приводами их вращения, причем все лучепроводы размещены в магазине и выполнены в виде центрирующих устройств для сварки труб, а фокусирующие устройства установлены в лучепроводах с возможностью перемещения вдоль оси лучепровода.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена устройством поджима трубы к трубопроводу.

3. Установка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что лучепроводы снабжены колесами для центрирования привариваемых труб, расположенными на его внешней поверхности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обработке материалов с помощью лучевых методов и может быть использовано для лазерной сварки трубопроводов различного назначения в полевых условиях: пустыни, степи, тундра.

Известная установка для лазерной сварки кольцевых швов труб [1] включает в свой состав оптическую систему для подачи лазерного излучения от источника (лазера) в зону сварки. Оптическая система имеет 4 водоохлаждаемых зеркала: три отражающих и одно фокусирующее.

Установка работает следующим образом. Лазерный луч от источника излучения направляется на первое зеркало, отражаясь от которого направляется на второе зеркало. Второе зеркало подвижное, расположено на водиле, которое в свою очередь имеет возможность во время сварки перемещаться вокруг трубы на половину ее периметра (180^o). Отражаясь от второго зеркала, луч попадает на третье зеркало, расположенное на кольцевой каретке типа скобы, орбитально перемещаемой вокруг трубы на 360^o. Отражаясь от него, луч направляется на последнее фокусирующее зеркало, после чего попадает непосредственно в зону сварки.

Данная система имеет следующие недостатки:

1. Лучевой тракт имеет на своем протяжении несколько водоохлаждаемых зеркал, что ведет к искажению волнового фронта, изменению состояния поляризации во время сварочного процесса, и, следовательно, к непостоянству качества сварного соединения на его протяжении. Кроме того, на каждом из зеркал поглощается определенное количество мощности излучения и позтому для реализации процесса сварки требуется больше подводимой электроэнергии.

2. Для реализации процесса сварки кольцевым швом труб на практике необходима точная стыковка их торцов. Данная операция является трудоемкой и особенно сложна при сварке труб в полевых условиях. В аналоге эта задача решается за счет использования других механизмов, не связанных с самой установкой. При этом для осуществления качественного проведения процесса сварки (поддержания постоянного расстояния от фокусирующего устройства до свариваемых поверхностей) необходимо решать дополнительную задачу точное взаиморасположение механизмов, стыкующих торцы свариваемых труб, и оптической системы, подающей излучение к месту сварки.

Вышеуказанных недостатков лишен сварочный комплекс для изготовления непрерывного трубопровода [2]

Комплекс имеет в своем составе внутритрубную сварочную трубу с собственным приводом перемещения и многозвенной штангой, самоходную тележку с электростанцией, аппаратурой управления, индуктор, рольганг, контейнер для внутритрубной сварочной машины, платформу с размещенными на ней зажимами. Предназначенная для сварки труба устанавливается в зажимы, расположенные на единой платформе с зажимами конца трубопровода. Дополнительной центровки их торцов не требуется. После этого, используя собственный привод внутритрубная сварочная машина заходит в отверстие привариваемой трубы, перемещается внутри нее до места стыка, проводит сварку кольцевого шва. По окончании сварки внутритрубная сварочная машина перемещается обратно к выходу. Выйдя из трубы, она перемещается в контейнер. Сварочный комплекс перемещается вперед на длину трубы. Далее производится загрузка новой трубы, ее центровка относительно трубопровода и технологический цикл повторяется.

В состав комплекса не входит сложная система водоохлаждаемых зеркал, и, следовательно, исключены все возникающие с этим проблемы (см. выше). Кроме того, все технологическое оборудование, как для центровки свариваемых труб, так и для проведения непосредственно процесса сварки, размещено на единой платформе. Тем самым исключается второй недостаток аналога.

Комплекс имеет следующие недостатки:

1. Для реализации процесса сварки трубопровода в полевых условиях без сложной оптической системы, приходится использовать дуговой способ сварки вместо лазерного, что на практике ведет к резкому ухудшению эксплуатационных характеристик сварного шва и соответственно к снижению надежности работы трубопровода.

2. Большая доля вспомогательного времени. Для осуществления полного технологического цикла, внутритрубная сварочная машина должна дважды пройти внутри трубы на всю ее длину, что требует затрат времени. При этом сварочный комплекс простаивает, так как проведение следующей технологической операции

загрузки и центровки трубы невозможно (длина трубы для трубопровода минимально 10-12 м, [3]).

Известно устройство для лазерной сварки трубопроводов [4] Устройство предназначено для прокладки трубопроводов по дну моря. Все технологическое оборудование размещается на судне. Устройство включает в свой состав платформу с аппаратурой управления, поддерживающие трубу устройства, зажимные механизмы, лучепровод в виде трубы, на концах которой закреплены фокусирующие устройства с поворотными зеркалами и приводом их вращения.

Устройство работает следующим образом.

Предназначенная для сваривания труба устанавливается в зажимы, пристыковывается к концу трубопровода и центрируется относительно него, далее лазер с жестко скрепленным с ним лучепроводом перемещается по рельсам в направлении торца трубы, причем лучепровод заходит внутрь трубы до положения, когда фокусирующее устройство станет напротив свариваемого стыка. После этого с помощью привода вращения фокусирующего устройства и поворотного зеркала, при одновременно включенном лазере осуществляется процесс сварки. После его завершения лазер с вместе с ним жестко скрепленным лучепроводом по рельсам перемещается в обратном направлении, выводя из вновь приваренной трубы лучепровод. Далее судно перемещается вперед на длину привариваемой трубы, новая труба устанавливается в зажимы, центрируется относительно трубопровода, и в дальнейшем технологический цикл повторяется. По конструкции устройство является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип. В отличие от второго аналога в устройстве используется лазерный способ сварки, что ведет к резкому улучшению эксплуатационных характеристик сварных швов, и, следовательно, к повышению надежности работы трубопровода. Однако в прототипе не решен второй недостаток аналога большая доля вспомогательного времени в технологическом процессе, так как для каждой привариваемой трубы необходимо вводить и выводить лучепровод на всю ее длину [3] что требует значительных затрат времени. При этом все устройство, включая лазер, простаивает.

Другим недостатком прототипа является то, что во время технологического процесса необходимо перемещать по рельсам лазер, что отрицательно сказывается на его высокочувствительных элементах (например, разъюстировка резонатора).

Используемые для сварки трубопроводов лазеры должны иметь большую мощность (5 кВт и выше), т.к. толщина свариваемых труб может достигать 20 мм. Мощные лазеры имеют большую массу (5 т и выше) и их перемещение требует больших усилий.

Задачами, решаемыми изобретением, являются повышение производительности работы установки для сварки труб за счет уменьшения доли вспомогательного времени, а также исключение сложной системы водоохлаждаемых зеркал при использовании лазерной сварки.

Предлагаемая установка, имеющая в своем составе самоходную тележку с электростанцией, аппаратурой управления, рольганг, платформу, технологический лазер, вспомогательное оборудование имеет магазин, в гнездах которого закреплены лучепроводы с размещенными на их внешней стороне колесами, и которые в свою очередь центрируют предназначенные для сварки трубы, устройство поджима трубы к трубопроводу, привод перемещения магазина, механизм перемещения расположенной на конце лучепровода фокусирующей системы вдоль его оси.

Наличие магазина, в гнездах которого закреплены лучепроводы, позволяет сократить вспомогательное время для минимума, так как необходимость перемещения лучепровода с фокусирующим устройством внутри привариваемой трубы в одном направлении, а потом и в другом, отпадает. Тем самым увеличивается доля рабочего времени, и, следовательно, производительность работы всего устройства. В момент сварки кольцевого шва осуществляется загрузка на освободившийся после предыдущего цикла сварки лучепровод новой трубы.

Наличие устройства поджима трубы к трубопроводу позволяет уменьшить торцевые отклонения.

Наличие закрепленных на внешней стороне лучепроводов колес дает возможность точной центровки лучепроводов относительно труб.

Использование механизма перемещения расположенной на конце лучепровода фокусирующей системы вдоль его оси обеспечивает функциональность магазина лучепроводов.

Установка выглядит следующим образом (фиг.1-4). На платформе 1 устанавливается в зажимы 2 конец привариваемого трубопровода 3. В центральной части установки расположен магазин 4 с лучепроводами 5 и с размещенными на нем предназначенными для сварки трубами 6. На внешней стороне лучепроводов размещены колеса 7. На концах лучепроводов размещены фокусирующие устройства 8 с поворотными зеркалами 9, приводами вращения их вокруг оси падающего излучения 10, механизмами перемещения фокусирующей системы вдоль оси лучепровода 11. Вращение (перемещение) магазина осуществляется с помощью привода 12. Поджим привариваемой трубы к трубопроводу осуществляется устройством 13. Рядом с магазином с лучепроводами располагается технологический лазер 14. Для обеспечения его работы, а также всего комплекса в целом на платформе располагаются электростанция 15 и система управления 16. Перемещение передвижного комплекса осуществляется передвижным средством 17.

Установка работает следующим образом. Магазин 4 с лучепроводами 5 и с предназначенными для приварки трубами 6 с помощью привода 12 подводит торец одной трубы к торцу закрепленного в зажимах 2 трубопровода 3. С помощью устройства 13 осуществляется поджим трубы к торцу трубопровода. Центрирование обоих торцов осуществляется с помощью расположенных на внешней стороне лучепроводов колес 7, которые находятся в соприкосновении с внутренней стороной труб и взаимоцентрированы с зажимами 2. После этого магазин подает в зону сварки новый лучепровод с установленной на нем трубой. Механизм 11 нового лучепровода подает фокусирующую систему к стыку трубопровода и трубы. Далее по команде системы управления 16 включается технологический лазер 14 и излучение по лучепроводу подается на зеркало 9, отражаясь от которого оно фокусируется в фокусирующем устройстве 8, направляется непосредственно в зону сварки. Вращением фокусирующего устройства вместе с поворотным зеркалом с помощью привода 10 обеспечивается сварка кольцевого шва. В это время производится загрузка на освободившийся после предыдущего цикла сварки лучепровод следующей трубы. Все технологическое оборудование располагается на платформе 1. Энергоснабжение комплекса обеспечивается электростанцией 14. После сварки кольцевого шва, установка с помощью передвижного средства 17 перемещается на длину трубы, механизм перемещения фокусирующей системы 11 выдвигает фокусирующую систему из только что приваренной трубы на небольшое расстояние, позволяющее осуществлять беспрепятственную работу магазина. После этого магазин подает в зону сварки новую трубу, механизм 11 возвращает фокусирующую систему в исходное положение и цикл повторяется. Освободившийся лучепровод 5 (фиг.4) загружается в это время новой трубой. Таким образом, из технологического цикла исключается время перемещения сварочной машины из контейнера, по трубе и обратно, а время загрузки новой трубы совмещается с временем сварки.

Магазин с лучепроводами, как и привод подачи трубы в зону сварки, может быть конструктивно различного исполнения с линейным расположением лучепроводов, роторного типа с горизонтальной осью вращения и т.д.

Применение предложенной установки позволит практически полностью сократить вспомогательное время технологического цикла и тем самым повысить производительность.