ES2823526T3 - Dispositivo para unir los extremos de tubos de acero mediante soldadura orbital - Google Patents

Dispositivo para unir los extremos de tubos de acero mediante soldadura orbital Download PDF

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Abstract

Dispositivo para unir los extremos de tubos (1, 1') de acero ya alineados y soldados por puntos (1, 1') mediante soldadura orbital con una junta de soldadura formada por los extremos de los tubos y herramientas que se pueden desplazar de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para la soldadura y ensayo del cordón de soldadura, que comprende herramientas que se pueden desplazar de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para soldar del cordón de soldadura, caracterizado por que el dispositivo está formado además por placas base de guía (2) que se pueden colocar y sujetar fijamente en los extremos de tubo por ambos lados en los extremos de tubo respectivos en la zona del lugar de soldadura, en el que las placas base de guía (2) presentan en el centro una escotadura en forma circular con una abertura radial para el pasaje y para el alojamiento centrado de los tubos (1, 1') que se van a soldar en la escotadura, con elementos de sujeción (3) conectados fijamente a los respectivos lados de las placas base de guía (2) más alejados de la junta de soldadura para sujetar las placas base de guía (2) a los extremos de tubo, así como con un marco montado giratorio en los lados interiores que dan a la junta de soldadura entre las placas base de guía (2) y basculante al menos 360° en torno a los extremos de tubo para el alojamiento de las herramientas de soldadura y ensayo, consistiendo el marco en estribos basculantes (4, 4') y alojamientos de herramienta (5, 5´) que unen los estribos basculantes (4, 4') para las herramientas de soldadura y ensayo.

Description

DESCRIPCIÓN
Dispositivo para unir los extremos de tubos de acero mediante soldadura orbital
La invención se refiere a un dispositivo para unir los extremos de tubos de acero mediante soldadura orbital, según el preámbulo de la reivindicación 1.
En particular, la invención se refiere a la soldadura de tubos que pueden presentar por ejemplo espesores de pared de 2 a 20 mm y diámetros de 60 a 1600 mm y que son unidos entre sí a conductos tubulares mediante diferentes procedimientos de soldadura, tales como por ejemplo soldadura por rayo láser, soldadura por arco-láser en tecnología híbrida o soldadura por arco. En lo que sigue se entiende por tubos tanto tubos circulares como perfiles huecos con diferentes secciones transversales.
La soldadura de tubos en la técnica orbital es conocida en general por ejemplo por el documento DE 103 34 446 A1. Aquí se da a conocer un dispositivo de soldadura orbital para unir dos extremos de tubo, el cual se coloca en un primer extremo de tubo y se sujeta a él y el segundo extremo de tubo se lleva a la posición de soldadura delante del primer extremo de tubo. Mediante dos cabezales de soldadura desplazados 180°, que a su vez son conducidos basculantes en torno a un eje, se puede realizar un cordón de soldadura circular de 360°. La desventaja aquí es que son necesarios dos cabezales de soldadura para soldar el tubo por todo el contorno.
Otro dispositivo de soldadura orbital es conocido por el documento WO 2005/056230 A1, en él se utiliza una combinación de soldadura por arco protegida con gas y soldadura por rayo láser. Esta llamada soldadura híbrida MSG-láser se caracteriza por que el arco y el rayo láser están dispuestos a una distancia definida entre sí y se puede conseguir una mayor capacidad de salvar huecos en comparación con un proceso de soldadura con rayo láser pura. El dispositivo comprende un anillo de guía que se puede alinear con el extremo de tubo de un primer tubo. La alineación se realiza mediante un gran número de tornillos tensores dispuestos a lo largo del contorno del anillo de guía, mediante los cuales se puede ajustar con exactitud la distancia entre el anillo de guía y la superficie del tubo. El anillo de guía se utiliza para guiar un carro orbital que se puede desplazar sobre él, que además del cabezal de soldadura puede albergar otros componentes para la supervisión del proceso y el ensayo de cordones de soldadura. Con el dispositivo descrito son soldados tubos a tuberías utilizando tecnología de soldadura orbital en uso móvil.
Desfavorable en este dispositivo es la construcción costosa con anillos de guía cerrados alrededor del tubo y la alineación y centrado costosos de los extremos de tubo. Precisamente el centrado es muy costoso en el caso de diámetros de tubo grandes y requiere dispositivos de centrado adicionales en el dispositivo con fuerzas de sujeción correspondientemente grandes para poder realizar una junta de soldadura geométricamente estable durante la soldadura. Esto hace que el dispositivo sea muy pesado y solo se puede usar de manera flexible en el lugar con gran despliegue.
También costoso es el desarrollo del proceso de soldadura, en el que los extremos de tubo deben ser introducidos y centrados en el dispositivo y a continuación el tubo soldado debe sacarse longitudinalmente del dispositivo.
En resumen, se puede constatar que según el estado de la técnica actualmente no existe ningún sistema de guía orbital de aplicación industrial que se adapte de manera óptima a los requisitos en cuanto a calidad y rentabilidad de la soldadura orbital.
El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo para unir los extremos de tubos de acero mediante soldadura orbital que supere los inconvenientes descritos, es decir, que se pueda fabricar de forma barata, flexible y con poco coste de tiempo.
Este objeto se logra partiendo del preámbulo junto con los rasgos característicos de la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos forman parte de las reivindicaciones subordinadas.
La teoría de la invención comprende un dispositivo para unir los extremos de tubos de acero ya alineados y soldados por puntos mediante soldadura orbital, con una junta de soldadura formada por los extremos de los tubos y herramientas desplazables de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para la soldadura y ensayo del cordón de soldadura, que comprende herramientas desplazables de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para soldar el cordón de soldadura, que se caracteriza por que el dispositivo está formado adicionalmente por placas base de guía que se pueden colocar y sujetar fijamente a los extremos de tubo por ambos lados en los extremos de tubo respectivos en la zona del lugar de soldadura, presentando las placas base de guía en el centro una escotadura con forma circular con una abertura radial para el alojamiento centrado de los tubos a ser soldados en la escotadura, con elementos de sujeción conectados fijamente en el lado respectivo de las placas base de guía alejado de la junta de soldadura para la sujeción de las placas base de guía a los extremos de tubo, así como con un marco montado giratorio en los lados interiores que dan a la junta de soldadura entre las placas base de guía y basculante en el centro al menos 360° alrededor de los extremos de tubo para alojar las herramientas de soldadura y ensayo, estando formado el marco por estribos de soldadura y alojamientos de herramienta que unen los estribos de soldadura para las herramientas de soldadura y ensayo.
Para la soldadura, el dispositivo se coloca en los extremos de tubo simplemente con las placas base de guía simétricas con respecto a la junta de soldadura a una distancia radial y con los elementos de sujeción firmemente conectados a las placas base de guía por ambos lados es fijado a los extremos de tubo. Para ello, el diámetro de la escotadura circular en las placas base de guía es mayor que el diámetro de los extremos de tubo que se van a alojar. Como resultado, el dispositivo también se puede utilizar ventajosamente para soldar tubos de diferentes diámetros. El tubo que se va a soldar se encuentra en la escotadura circular de las placas base de guía, siendo ajustada la distancia radial entre la placa base de guía y el tubo, de manera que el marco basculante dispuesto giratorio entre las placas base de guía con alojamientos de herramienta para herramientas de soldadura y ensayo discurra centrado en torno al eje longitudinal del tubo que va a ser soldado. El dispositivo según la invención supera los inconvenientes de los dispositivos de soldadura orbital conocidos, por un lado por una estructura muy simple y por tanto barata, y por otro lado, por el hecho de que este dispositivo se emplea ventajosamente para tubos ya alineados, es decir centrados y soldados por puntos.
Por el desacoplamiento del centrado y fijación de los extremos de tubo de la soldadura orbital terminada propiamente dicha, la construcción se puede emplear de forma mucho más simple en términos de estructura y más flexible, es decir, de forma no ligada al lugar. Con el dispositivo propuesto, además con solo un cabezal de soldadura puede ser soldado el cordón periférico a través de 360°.
Para la unión de los tubos se usa ventajosamente la soldadura por rayo láser. Para ello, un rayo primario generado por una fuente de rayo láser es dirigido a través de una fibra óptica a la óptica fijada al carro. Esta conforma el rayo láser y lo redirige a la junta de los dos tubos. Para este fin se utiliza ventajosamente una óptica acodada, siendo la colimación del rayo láser de 150 mm y el enfoque de 200 mm. Además, en la óptica está colocado además un llamado sensor LWM (monitor de soldadura láser), que se utiliza para registrar las siguientes variables:
• resplandor de plasma emitido
• radiación láser retroreflejada,
• potencia láser reflejada en el divisor de haz.
El motivo para el uso de una óptica acodada es la reducción de la zona de trabajo a través de la fibra óptica. Esta presenta un gran radio de curvatura y aumentaría considerablemente la zona de trabajo necesaria para la rotación. Mediante el uso de ópticas acodadas es posible disponer y conectar las fibras ópticas en la dirección del eje longitudinal del tubo. El movimiento de ajuste de la óptica tiene lugar a través de dos ejes de ajuste, para un posicionamiento preciso del proceso en la dirección Y (a lo largo del eje del tubo) y en la dirección Z (en la dirección radial a la superficie del tubo), estos están realizados ventajosamente como engranaje de husillo de bolas.
Para detectar la junta de soldadura, en particular el desfase del borde y el hueco, en un perfeccionamiento ventajoso de la invención, es detectada por una cámara la marca de línea generada por un láser de línea perpendicularmente a la junta. Los valores registrados de esta manera se utilizan para la programación del cordón. La línea láser es registrada por un software de la cámara e influye en la regulación de la altura y lateral de la óptica mediante un cálculo de posición. A continuación del proceso de soldadura, la cámara se utiliza para una topografía del cordón. Así se presta atención a los cordones excesivos y a los defectos de soldadura que están abiertos al exterior. La cámara y el láser de línea, al igual que la óptica, están colocados en el carro en el centro entre los dos estribos basculantes y son conducidos alrededor del tubo con el movimiento de circulación.
Para evaluar los defectos internos de soldadura son conducidos dos cabezales palpadores de ultrasonidos alrededor del tubo, siguiendo al cabezal de soldadura. Cada cabezal palpador está dispuesto a un lado del cordón de soldadura. Los propios cabezales palpadores están dispuestos de forma giratoria como cilindros y funcionan ventajosamente sin medios de acoplamiento. Están colocados a una distancia de la junta ajustable mediante ejes y se mantienen en contacto con el tubo mediante tensión de resorte. Sin embargo, para diferentes diámetros de tubo es posible también un ajuste de altura mediante ejes. Al igual que la óptica y la cámara, los cabezales palpadores de ultrasonidos están colocados en el centro entre las dos placas internas y son desplazados junto con estos en torno al tubo.
El manejo de la instalación se realiza a través de un control externo, mediante el cual pueden ser controlados la instalación láser y la tecnología del dispositivo. Este también registra y procesa todos los datos de la cámara de los cabezales palpadores de ultrasonidos y del sensor LWM que se encuentra en la óptica. Aquí, la secuencia exacta del programa se determina y se inicia mediante software.
Además de las herramientas necesarias para el proceso de soldadura propiamente dicho, mediante el carro se pueden guiar otras herramientas o componentes que son necesarios para el proceso de soldadura, que ayudan al proceso de soldadura o que se requieren para las etapas de producción posteriores. Puede ser por ejemplo un sistema de seguimiento de soldadura o medios de medición para el control de calidad no destructivo del cordón de soldadura mediante medición del cordón o detección de defectos. Mediante un sistema movido antes del proceso de soldadura se puede detectar la junta del cordón y se puede regular el proceso de soldadura posterior en su posición.
Por ejemplo mediante sistemas ópticos es también posible un control de calidad del cordón de soldadura.
La figura 1 ilustra la estructura básica del dispositivo según la invención. Esta se compone de las dos placas base de guía 2 con forma de anillo circular que están provistas de una abertura radial para poder ser colocadas sobre los tubos 1, 1' que se van a unir. El diámetro interior del anillo circular es mayor que el diámetro de los tubos 1, 1' que se van a soldar para poder realizar un ajuste exacto para una circulación centrada de las herramientas de soldadura y ensayo a través de la holgura radial. Para fijar el dispositivo a los extremos de los tubos 1, 1', en los lados exteriores de las placas base de guía 2 alejados de la junta de soldadura están colocados elementos de sujeción 3, con los que las dos placas base de guía 2 se sujetan cada una a un extremo de tubo mediante los elementos de sujeción 3.
En los lados interiores de las placas base de guía 2 que dan a la junta de soldadura es guiado, respectivamente, un estribo basculante 4, 4’ con forma de anillo circular provisto igualmente de una abertura radial que está montado de forma giratoria, para que estos puedan realizar un movimiento circular a lo largo de las placas base de guía 2 en torno a los tubos 1, 1'. Los estribos basculantes 4 , 4 ' están unidos rígidamente entre sí por medio de alojamientos de herramienta 5, 5' para formar un marco basculante, pudiendo ser montados todos los componentes de unión y ensayo en los alojamientos de herramienta 5, 5'.
La figura 2 muestra esquemáticamente en una representación en sección la guía anular de los estribos basculantes o del marco basculante. La placa base de guía 2 con forma de anillo circular está colocada sobre el tubo 1 y sujeta al tubo 1 con el elemento de sujeción 3. Mediante la holgura radial entre el diámetro exterior del tubo 1 y el diámetro del anillo circular interior de la placa base de guía 2 puede realizarse un ajuste centrado exacto del dispositivo en relación con el eje longitudinal del tubo 1. Para permitir un movimiento circular de los estribos basculantes 4, 4', estos son ventajosamente guiados por basculación de forma orbital sobre un carril de guía 6 con forma de anillo circular dispuesto en cada caso entre las placas base de guía 2 y los estribos basculantes 4, 4'. Los carriles de guía 6 están colocados en los estribos basculantes 4, 4' y son guiados, respectivamente, a través de rodillos de guía 7 dispuestos en las superficies exterior e interior de los carriles de guía 6 y que a su vez están unidos a las placas base de guía 2.
Para el accionamiento del movimiento de circulación del marco basculante de acuerdo con la invención, una corona dentada y un motor de accionamiento están colocados en ambos lados, respectivamente, entre los estribos basculantes 4, 4' y la placa base de guía 2 (no representado aquí). Las dos coronas dentadas están fijadas en los estribos basculantes 4 , 4 ' y realizan con ellos el movimiento de circulación. Los motores están conectados a las placas base de guía 2 y transmiten el movimiento de giro a las coronas dentadas a través de piñones.
En un perfeccionamiento ventajoso de la invención, entre el motor y el piñón está colocada una transmisión que está formada por un engranaje planetario y una rueda helicoidal. Esta se ocupa de que el movimiento de giro comience y finalice de la manera más continua posible.
La figura 3 muestra en una vista esquemática el dispositivo colocado en los extremos de tubo en el eje longitudinal del tubo con herramientas de soldadura y ensayo montadas en alojamientos de herramienta 5, 5' dispuestos entre los estribos basculantes 4, 4'. Para una mejor representación, en esta vista solo se muestran el estribo basculante trasero 4 y las herramientas de soldadura y ensayo fijadas al mismo a través de los alojamientos de herramienta 5, 5' no representados aquí.
En el estribo basculante 4 está dispuesto un dispositivo de soldadura láser 8 que se puede desplazar en diferentes ejes, que consta de un cabezal de soldadura 9 y dispositivos de desplazamiento para el ajuste de altura radial 10 y para el posicionamiento en la dirección longitudinal 11 del tubo, con los cuales el rayo láser 12 puede ser alineado exactamente con respecto a la junta de soldadura de los tubos 1, 1' que se van a unir.
Para programar la geometría del cordón requerida y, por tanto, controlar el láser (por ejemplo, posicionamiento, potencia), la geometría de la junta de soldadura, en particular el desfase de borde y el hueco, es detectada por una cámara 14 mediante la marca de línea (aquí no representada) generada por un láser de línea 13 transversalmente a la junta de soldadura.
Los valores registrados de esta manera se utilizan para la programación del cordón. La línea láser es registrada por un software de la cámara y a través de un cálculo de posición influye en la regulación de altura y lateral de la óptica del cabezal de soldadura 9. Para un posicionamiento exacto el láser de línea 13 y la cámara 14 están provistos de un dispositivo de ajuste 15 para el ajuste de altura y ángulo.
Para evaluar los defectos en el cordón de soldadura directamente después de la soldadura, dos cabezales palpadores de ultrasonidos 16 están dispuestos en otro alojamiento de herramienta, no representado aquí, de tal manera que ensayan el cordón de soldadura por ambos lados. Los cabezales palpadores de ultrasonidos 16 están dispuestos de forma giratoria y pueden ser ajustados radialmente en altura y en la dirección longitudinal del tubo en relación con el cordón de soldadura que va a ser probado por medio de otros dispositivos de desplazamiento 17, 18. Los cabezales palpadores de ultrasonidos 16 son preferiblemente adecuados para el ensayo sin medios de acoplamiento.
Símbolos de referencia
Figure imgf000005_0001

Claims (9)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para unir los extremos de tubos (1, 1’) de acero ya alineados y soldados por puntos (1, 1') mediante soldadura orbital con una junta de soldadura formada por los extremos de los tubos y herramientas que se pueden desplazar de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para la soldadura y ensayo del cordón de soldadura, que comprende herramientas que se pueden desplazar de forma orbital alrededor de la junta de soldadura para soldar del cordón de soldadura, caracterizado por que el dispositivo está formado además por placas base de guía (2) que se pueden colocar y sujetar fijamente en los extremos de tubo por ambos lados en los extremos de tubo respectivos en la zona del lugar de soldadura, en el que las placas base de guía (2) presentan en el centro una escotadura en forma circular con una abertura radial para el pasaje y para el alojamiento centrado de los tubos (1, 1’) que se van a soldar en la escotadura, con elementos de sujeción (3) conectados fijamente a los respectivos lados de las placas base de guía (2) más alejados de la junta de soldadura para sujetar las placas base de guía (2) a los extremos de tubo, así como con un marco montado giratorio en los lados interiores que dan a la junta de soldadura entre las placas base de guía (2) y basculante al menos 360° en torno a los extremos de tubo para el alojamiento de las herramientas de soldadura y ensayo, consistiendo el marco en estribos basculantes (4, 4’) y alojamientos de herramienta (5, 5') que unen los estribos basculantes (4, 4’) para las herramientas de soldadura y ensayo.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que entre las placas base de guía (2) y los estribos basculantes (4, 4’) está dispuesto, respectivamente, un carril de guía (6) con forma de anillo circular, sobre el que los estribos basculantes (4, 4’) están montados basculantes de forma orbital en torno al tubo (1, 1 ’).
3. Dispositivo según la reivindicación 2, caracterizado por que los estribos basculantes (4, 4’) están montados en los carriles de guía (6) a través de rodillos de guía (7).
4. Dispositivo según de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que como herramientas de soldadura, cabezales de soldadura láser, con gas protector y/o de funcionamiento híbrido, están montados sobre los alojamientos de herramienta (5, 5’).
5. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que como herramienta de ensayo está montado un sistema para el ensayo no destructivo del cordón de soldadura.
6. Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que el sistema para el ensayo no destructivo de cordones de soldadura es un dispositivo de ensayo por ultrasonidos.
7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado por que el dispositivo de ensayo por ultrasonidos comprende al menos dos cabezales palpadores de ultrasonidos (16) que se pueden colocar en los extremos de los tubos a ambos lados del cordón de soldadura.
8. Dispositivo según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que además de las herramientas de soldadura y ensayo, en los alojamientos de herramienta están dispuestas otras herramientas.
9. Dispositivo según la reivindicación 8, caracterizado por que las otras herramientas son un dispositivo de precalentamiento, uno o varios cabezales de soldadura adicionales, un sistema de detección de la geometría de la soldadura y/o un sistema de seguimiento de la soldadura.
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