BR112014024890B1 - dispositivo para conexão das extremidades de tubos de aço por meio de soldagem orbital - Google Patents

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BR112014024890B1
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Kocks Hans-Jürgen
Winkels Jörn
Keitel Steffen
Neubert Jan
Rude Sebastian
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Salzgitter Mannesmann Line Pipe Gmbh
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Abstract

resumo patente de invenção: "dispositivo para conexão das extremidades de tubos de aço por meio de soldagem orbital". um dispositivo para união das extremidades de tubos já alinhados e soldados em costura de junta, especialmente de aço, através de soldagem orbital, com junta de solda formada pelas extremidades de tubo e ferramentas deslocáveis orbitalmente em torno da junta de solda para soldagem e teste da costura de solda. o dispositivo consiste então em placas de base de guia firmemente traváveis e assentáveis sobre as extremidades de tubo nos dois lados das respectivas extremidades de tubo na região do ponto de solda, cujas placas de base de guia apresentam centralmente um recesso circular com abertura radial para alojamento central dos tubos a serem soldados no recesso, com elementos de aperto fixamente conectados no lado das placas de base de guia oposto à junta de solda para travamento das placas de base de guia às extremidades de tubo bem como com um quadro para alojamento das ferramentas de solda e de teste disposto montado rotativo nos lados internos voltados para junta de solda entre as placas de base de guia e pivotável centralmente em torno de 360 º das extremidades de tubo.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO PARA CONEXÃO DAS EXTREMIDADES DE TUBOS DE AÇO POR MEIO DE SOLDAGEM ORBITAL (51) lnt.CI.: B23K 37/053; B23K 31/02; B23K 9/028; B23K 26/28 (30) Prioridade Unionista: 10/04/2012 DE 10 2012 007 563.4 (73) Titular(es): SALZGITTER MANNESMANN LINE PIPE GMBH (72) Inventor(es): HANS-JÜRGEN KOCKS; JÕRN WINKELS; STEFFEN KEITEL; JAN NEUBERT; SEBASTIAN RUDE (85) Data do Início da Fase Nacional: 06/10/2014
1/10
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para DISPOSITIVO PARA CONEXÃO DAS EXTREMIDADES DE TUBOS DE AÇO POR MEIO DE SOLDAGEM ORBITAL.
[001] A presente invenção refere-se a um dispositivo para conexão das extremidades de tubos de aço por meio de soldagem orbital conforme o preâmbulo da reivindicação 1.
[002] A invenção refere-se, especialmente, à soldagem de tubos, que podem apresentar, por exemplo, espessuras de parede de 2 a 20 mm e diâmetro de 60 a 1600 mm, e que são unidos entre si por meio de distintos processos de soldagem, como por exemplo soldagem a raio laser, soldagem a arco voltaico-laser em técnica híbrida ou soldagem a arco voltaico, para condutos tubulares. Por tubos são entendidos a seguir tanto tubos circular redondos como também perfis ocos com distintas seções transversais.
[003] A soldagem de tubos em técnica orbital é em geral conhecida, por exemplo, da DE 103 34 446 A1. Aí é descrito um dispositivo de soldagem orbital para conexão de duas extremidades de tubo, sendo que ele é assentado sobre uma primeira extremidade de tubo e com ela travado e a segunda extremidade de tubo é levada à posição de soldagem à frente da primeira extremidade de tubo. Por meio de duas cabeças de solda defasadas a 180 °, que por seu lado são guiadas pivotáveis em torno de um eixo, pode ser executada uma costura de solda redonda em 360 °. É então desvantajoso que sejam necessárias duas cabeças de solda para soldar o tubo na completa periferia. [004] Outro dispositivo de soldagem orbital é conhecido da WO 2005/056230 A1, em que é empregada uma combinação de soldagem a gás protetor de metal e soldagem a raio laser. Essa assim chamada soldagem híbrida a laser-MSG é caracterizada pelo fato de que o arco voltaico e o raio laser ficam dispostos entre si a uma distância mútua definida e pode ser alcançada uma possibilidade de ponteamento da
2/10 fenda maior em comparação com um menor processo de soldagem a raio laser. O dispositivo compreende um anel de guia, que é alinhável à extremidade tubular de um primeiro tubo. O alinhamento ocorre por uma pluralidade de parafusos de fixação dispostos ao longo da periferia do anel de guia, por meio dos quais é exatamente ajustável a distância do anel de guia da superfície do tubo. O anel de guia serve para a guia de um carro orbital deslocável sobre o mesmo, que pode alojar ao lado da cabeça de solda outros componentes para monitoramento do processo e verificação da costura de solda. Com o dispositivo descrito são soldados tubos no emprego móvel para tubulações na técnica de soldagem orbital.
[005] A desvantagem nesse dispositivo é a construção dispendiosa com anéis de guia fechados em torno do tubo e o dispendioso alinhamento e centragem das extremidades de tubo. Precisamente a centragem com diâmetros de tubo maiores é muito dispendiosa e requer instalações de centragem adicionais no dispositivo com forças de retenção correspondentemente altas, para implementar uma junta de solda geometricamente estável durante a soldagem. Com isso é empregado um dispositivo muito pesado e localmente flexível apenas com muito dispêndio.
[006] É ainda dispendioso o decurso do processo de soldagem, em que as extremidades de tubo devem ser inseridas no dispositivo e centradas e, em seguida, o tubo soldado deve ser deslocado para fora do recipiente ao comprido.
[007] Resumindo, se pode constatar que pelo estado da técnica no momento não existe um sistema de guia orbital industrialmente aplicável, que esteja otimamente à altura dos requisitos relativamente a qualidade e economicidade da soldagem orbital.
[008] Constitui objetivo da invenção indicar um dispositivo para união das extremidades de tubos de aço por meio de soldagem orbital,
3/10 que supere as desvantagens descritas, isto é, possa ser produzido a baixo custo, seja de aplicação flexível e com pouco dispêndio de tempo.
[009] Esse objetivo é alcançado, a partir do preâmbulo, em combinação com as características da reivindicação 1. Outras execuções vantajosas são parte integrante de sub-reivindicações.
[0010] O ensinamento da invenção compreende um dispositivo para união das extremidades de tubos já alinhados e soldados em costura de junta, especialmente de aço, por meio de soldagem orbital, com uma junta de solda formada pelas extremidades de tubo e ferramentas deslocáveis orbitalmente em torno da junta de solda para soldagem e teste da costura de solda, caracterizado pelo fato de que o dispositivo consiste em placas de base de guia firmemente traváveis e assentáveis sobre as extremidades de tubo em ambos os lados nas respectivas extremidades de tubo na região do ponto de solda, sendo que as placas de base de guia apresentam centralmente um recesso circular com uma abertura radial para alojamento central dos tubos a serem soldados no recesso, com elementos de aperto fixamente conectados no lado das placas de base de guia oposto à junta de solda para travamento das placas de base de guia com as extremidades de tubo bem como com um quadro para alojamento das ferramentas de solda e de teste disposta montada rotativa nos lados internos voltados para a junta de solda entre as placas de base de guia e pivotável centralmente em ao menos 360 ° em torno das extremidades de tubo. [0011] Para a soldagem, o dispositivo é assentado de maneira simples com as placas de base de guia simetricamente à junta de solda com uma distância radial sobre as extremidades de tubo e travado com as extremidades de tubo com os elementos de aperto fixamente conectados em ambos os lados às placas de base de guia. Para tanto, o diâmetro do recesso circular nas placas de base de guia é maior do
4/10 que o diâmetro das extremidades de tubo a serem alojadas. Assim, o dispositivo pode ser empregado vantajosamente também para a soldagem de distintos diâmetros de tubo. O tubo a ser soldado se encontra então em um recesso circular das placas de base de guia, sendo que a distância radial entre placa de base de guia e tubo é de tal maneira ajustada que o quadro pivotável, disposto giratório entre as placas de base de guia, com alojamentos de ferramenta para ferramentas de soldagem e teste se estende centralmente em torno do eixo longitudinal do tubo a ser soldado.
[0012] O dispositivo de acordo com a invenção sana as desvantagens dos dispositivos de soldagem orbital conhecidos, de um lado, por uma estrutura muito simples e, portanto, de baixo custo; de outro lado, pelo fato de que esse dispositivo é empregado vantajosamente para tubos já alinhados, isto é, centrados e soldados em costura de aderência.
[0013] Pelo desacoplamento da centragem e aderência das extremidades de tubo da soldagem orbital propriamente dita, a construção é nitidamente simplificada em estrutura e empregável de modo mais flexível, isto é, desvinculada de local.
[0014] Com o dispositivo proposto, além disso, pode ser soldado com apenas uma cabeça de solda a costura periférica por 360 °.
[0015] Para a junção dos tubos, vantajosamente pode ser empregada a soldagem a raio laser. Para tanto, um raio gerado por uma fonte de raio laser é conduzido por uma fibra condutora de luz a uma óptica fixada ao carro de deslocamento. A óptica forma o raio laser e o encaminha à junta de ambos os tubos. Para essa finalidade, vantajosamente, é empregada uma óptica angulada, sendo que a colimação do raio laser importa em 150 mm e a focagem em 200 mm. Adicionalmente, ainda, um assim chamado sensor LWM (“laser-weldingmonitor” é aplicado à óptica, o qual serve para detecção das seguintes
5/10 grandezas:
- luz de plasma emitida,
- radiação laser novamente refletida
- potência de laser refletida no divisor de raio.
[0016] A razão para o emprego de uma óptica angulada reside na redução da área de trabalho pela fibra condutora de luz. Esta apresenta um raio de curvatura grande e amplificaria bastante a área de trabalho requerida para a circulação. Pelo emprego de uma óptica angulada é possível um deslocamento e conexão da fibra condutora de luz em direção ao eixo longitudinal do tubo. O movimento de avanço da óptica se dá por dois eixos de avanço para um preciso posicionamento do processo em direção Y (ao longo do eixo do tubo) e Z (em direção radial à superfície do tubo), que são executados vantajosamente como engrenagem de fuso circular esférico.
[0017] Para uma detecção da junta de solda, especialmente deslocamento de aresta e fenda, em outra execução vantajosa da invenção, o traço linear gerado por um laser linear é detectado transversalmente à junta por uma câmera. Os valores assim registrados são empregados para a programação da costura. A linha de laser é detectada por um software de câmera e influencia por um cálculo de posição a regulagem em altura e lateral da óptica. Em seguida ao processo de soldagem, a câmera é empregada para uma topografia da costura. Atenta-se então para excedentes de altura de costura e falhas de solda abertas para fora. A câmera e o laser linear, assim como a óptica, estão dispostos centralmente entre os dois arcos de pivotamento sobre o carro de deslocamento e são guiados com o movimento circular em torno do tubo.
[0018] Para avaliação de falhas de soldagem interiores, duas cabeças de teste a ultrassom são guiadas acompanhando a cabeça de solda em torno do tubo. Cada uma das cabeças de solda fica disposta
6/10 em cada lado da costura de solda. As próprias cabeças de solda são dispostas giratórias como cilindros e funcionam, vantajosamente, sem meios de acoplamento. Ficam dispostas a uma distância para com a junta ajustável por eixos e mantidas em contato com o tubo por fixação elástica. Para distintos diâmetros de tubo, no entanto, também é possível um ajuste em altura por eixos. Como óptica e câmera, as cabeças de teste a ultrassom estão dispostas centralmente entre ambas as placas interiores e são deslocadas em conjunto com as mesmas em torno do tubo.
[0019] O comando do equipamento se faz por um controle externo, pelo qual o equipamento de laser e a técnica de aparelho podem ser ativados. Ele detecta e processa também todos os dados da câmera das cabeças de teste a ultrassom e do sensor LWM que se encontra na óptica. Por um software é estabelecido e inicializado o preciso decurso do programa.
[0020] Complementarmente às ferramentas necessárias para o processo de soldagem propriamente dito, por meio dos carros de deslocamento podem ser conduzidas outras ferramentas ou componentes necessários para o processo de soldagem, auxiliando o processo de soldagem ou requeridos para etapas de fabricação subsequentes. Podem ser por exemplo um sistema de acompanhamento de costura ou meios de medição para controle de qualidade sem destruição da costura de solda por levantamento da costura ou detecção de falhas. Por meio de um sistema antecedendo o processo de soldagem, a junta de costura pode ser detectada e regulado em sua posição o processo de soldagem subsequente.
[0021] Por meio, por exemplo, de sistemas ópticos é, além disso, possível um teste de qualidade da costura de solda.
[0022] A figura 1 ilustra a estrutura de base do dispositivo de acordo com a invenção. Ele consiste nas duas placas de base de guia 2
7/10 em forma de anel circular, que são providas de uma abertura radial, para poderem assentar sobre os tubos 1, 1' a serem juntados. O diâmetro de anel circular interior é maior do que o diâmetro dos tubos 1, 1' a serem soldados, para poder proceder, através da folga radial, um exato ajuste para uma circulação centralizada das ferramentas de solda e de teste. Para a fixação do dispositivo nas extremidades dos tubos 1, 1' aos lados externos das placas de base de guia 2 opostos à junta de solda estão dispostos elementos de aperto 3, com que as duas placas de base de guia 2 são travadas com uma extremidade de tubo cada por elementos de aperto 3.
[0023] Nos lados interiores, voltados para a junta de solda, das placas de base de guia 2 está guiado montado giratório um arco de pivotamento 4, 4' em forma de anel circular, provido igualmente de abertura radial, de modo que pode executar um movimento circular ao longo das placas de base de guia 2 em torno dos tubos 1, 1'. Os arcos de pivotamento 4, 4' estão rigidamente unidos entre si, por meio de alojamentos de ferramenta 5, 5', para um quadro de pivotamento, sendo que nos alojamentos de ferramenta 5, 5' podem ser montados todos os componentes técnicos de junção e teste.
[0024] A figura 2 mostra em uma representação em corte, esquematicamente, a guia anular do arco de pivotamento ou do quadro de pivotamento. A placa de base de guia 2 em forma de anel circular está assentada sobre o tubo 1 e travada com o tubo 1 com o elemento de aperto 3. Pela folga radial entre diâmetro externo do tubo 1 e diâmetro de anel circular interior da placa de base de guia 2 pode ocorrer um exato ajuste centralizado do dispositivo com relação ao eixo longitudinal do tubo 1. Para possibilitar um movimento circular do arco de pivotamento 4, 4', ele é guiado vantajosamente, orbitalmente pivotável, por um trilho de guia 6 em forma de anel circular, disposto respectivamente entre as placas de base de guia 2 e os arcos de pivotamento 4, 4'.
8/10
Os trilhos de guia 6 ficam dispostos nos arcos de pivotamento 4, 4' e são guiados respectivamente por rolos de guia 7 dispostos na superfície externa e interna dos trilhos de guia 6, que por sua vez são unidos com as placas de base de guia 2.
[0025] Para o acionamento do movimento circular do quadro de pivotamento, de acordo com a invenção, em ambos os lados estão respectivamente dispostos (aqui não representados) entre arco de pivotamento 4, 4' e placa de base de guia 2 uma coroa dentada e um motor de acionamento. As duas coroas dentadas estão fixadas aos arcos de pivotamento 4, 4' e acompanham o movimento circular. Os motores estão unidos com as placas de base de guia 2 e transmitem o movimento de rotação por pinhões às coroas dentadas.
[0026] Entre o motor e o pinhão, em outra execução vantajosa da invenção, está disposta uma transmissão consistindo em uma engrenagem planetária e uma roda de pivotamento. Ela se encarrega de uma inicialização e de uma finalização do movimento de rotação tão contínuas quanto possível.
[0027] A figura 3 mostra, em uma vista esquemática, o dispositivo assentado sobre as extremidades de tubo em eixo longitudinal de tubo com ferramentas de soldagem e teste montadas, em alojamentos de ferramenta 5, 5' dispostos entre os arcos de pivotamento 4, 4'. Visando à melhor representação, nessa vista são mostrados apenas o arco de pivotamento 4 traseiro e as ferramentas de soldagem e teste aí fixadas pelos alojamentos de ferramenta 5, 5' aqui não representados.
[0028] No arco de pivotamento 4 está disposta uma instalação de solda a laser 8 deslocável em diversos eixos, que consiste em uma cabeça de solda 9 e instalações de deslocamento para ajuste em alto 10 radial e para posicionamento em direção longitudinal do tubo 11, com que o raio de laser 12 pode ser exatamente alinhado à junta de solda dos tubos 1, 1' a serem unidos.
9/10 [0029] Para a programação da requerida geometria de costura e, com isso, para controle do laser (por exemplo, posicionamento, potência), a geometria da junta de solda, especialmente deslocamento de arestas e fenda, é detectada por uma câmera 14 transversalmente à junta de solda por meio de um traço linear (aqui não representado) produzido por meio de um laser linear 13.
[0030] Os valores assim registrados são empregados para a programação da costura. A linha de laser é detectada por um software de câmera e influencia por um cálculo de posição a regulagem em altura e lateral da óptica da cabeça de solda 9. Laser linear 13 e câmera 14 são providos para exato posicionamento de uma instalação de deslocamento 15 para ajuste em altura e em ângulo.
[0031] Para avaliação de erros na costura de solda diretamente após a soldagem, duas cabeças de teste a ultrassom 16 estão de tal maneira dispostas em um outro alojamento de ferramenta não representado que testam a costura de solda de ambos os lados. As cabeças de teste a ultrassom 16 estão dispostas rotativas e, por meio de outras instalações de deslocamento 17, 18, podem ser ajustadas radialmente em altura e em direção longitudinal do tubo com relação à costura de solda a ser testada. As cabeças de teste a ultrassom 16 são de preferência apropriadas para o teste sem meios de acoplamento.
LISTA DE REFERÊNCIAS
1, 1' tubos placas de base de guia elementos de aperto
4, 4' arcos de pivotamento alojamento de ferramenta da cabeça de solda
5' alojamento de ferramenta das ferramentas de teste trilhos de guia
10/10 rolos de guia instalação de solda a laser cabeça de solda instalação de deslocamento para ajuste em altura radial instalação de deslocamento para posicionamento em direção longitudinal do tubo raio laser laser linear câmera deslocamento em altura e em ângulo cabeças de teste a ultrassom instalação de deslocamento para ajuste em altura radial instalação de deslocamento para posicionamento em direção longitudinal do tubo
1/2

Claims (10)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Dispositivo para união das extremidades de tubos (1, 1') já alinhados e soldados em costura de junta, especialmente de aço, por meio de soldagem orbital, com uma junta de solda formada pelas extremidades de tubo e ferramentas deslocáveis orbitalmente em torno da junta de solda para soldagem e teste da costura de solda, caracterizado pelo fato de que o dispositivo consiste em placas de base de guia (2) firmemente traváveis e assentáveis sobre as extremidades de tubo em ambos os lados nas respectivas extremidades de tubo na região do ponto de solda, sendo que as placas de base de guia (2) apresentam centralmente um recesso circular com uma abertura radial para alojamento central dos tubos (1, 1') a serem soldados no recesso, com elementos de aperto (3) fixamente conectados no lado das placas de base de guia (2) oposto à junta de solda para travamento das placas de base de guia (2) com as extremidades de tubo bem como com um quadro para alojamento das ferramentas de solda e de teste disposto montado rotativo nos lados internos voltados para a junta de solda entre as placas de base de guia (2) e pivotável centralmente em ao menos 360 ° em torno das extremidades de tubo.
  2. 2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o quadro consiste em arcos de pivotamento (4, 4') e em alojamentos de ferramenta (5, 5') unindo os arcos de pivotamento (4, 4') às ferramentas de solda e de teste.
  3. 3. Dispositivo de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que entre as placas de base de guia (2) e os arcos de pivotamento (4, 4') está respectivamente disposto um trilho de guia (6) em forma de anel circular, sobre o qual os arcos de pivotamento (4, 4') estão montados pivotáveis orbitalmente em torno do tubo (1, 1').
  4. 4. Dispositivo de acordo com a reivindicação 3, caracterizaPetição 870180054289, de 25/06/2018, pág. 4/9
    2/2 do pelo fato de que os arcos de pivotamento (4, 4') estão montados por rolos de guia (7) nos trilhos de guia (6).
  5. 5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que como ferramentas de soldagem estão montadas nos alojamentos de ferramenta (5, 5') cabeças de solda (9) operando a laser, a gás protetor e/ou híbridas.
  6. 6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que como ferramenta de teste está montado um sistema para teste de costura de solda sem destruição.
  7. 7. Dispositivo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o sistema para teste de costura de solda sem destruição é uma instalação de teste a ultrassom.
  8. 8. Dispositivo de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a instalação de teste a ultrassom compreende ao menos duas cabeças de teste a ultrassom (16), que são assentáveis sobre as extremidades de tubo em ambos os lados da costura de solda.
  9. 9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que além das ferramentas de solda e de teste estão dispostas outras ferramentas nos alojamentos de ferramenta.
  10. 10. Dispositivo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que as outras ferramentas são uma ou várias cabeças de solda adicionais, um sistema de detecção de geometria de costura e/ou um sistema de acompanhamento de costura.
    Petição 870180054289, de 25/06/2018, pág. 5/9
    1/2
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