ITTO940433A1 - Sistema di controllo automatico delle modalita' di deposito e di apporto del materiale di saldatura nei processi di saldatura orbitale - Google Patents

Abstract

Il sistema comprende mezzi (20) sensori di distanza per rilevare sequenzialmente, durante il processo di saldatura, o preventivamente ad esso, singoli profili trasversali del cianfrino (13) mediante campionamento delle diverse profondità di esso, mezzi elettronici (21-22) per ricostruire parametricamente, mediante calcolo numerico - vettoriale, le caratteristiche parametriche - topologiche del cianfrino a partire dalle diverse profondità rilevate per punti di campionatura, mezzi elettronici atti ad effettuare il confronto tra le caratteristiche del profilo (PC) di cianfrino rilevato e quelle, memorizzate, del profilo (PT) di un corrispondente cianfrino teorico nominale ed a ricevere corrispondenti dati di variazione dei parametri del processo di saldatura, e mezzi di asservimento (27 e 32) utilizzanti selettivamente o in combinazione uno o più dei detti dati di variazione per adeguare corrispondenti parametri di saldatura.(fig. 2).

Description

Descrizione dell'Invenzione Industriale dal titolo:

"Sistema di controllo automatico delle modalità di deposito e di apporto del materiale di saldatura nei processi di saldatura orbitale di tubi di medie e grandi dimensioni"

La presente invenzione concerne un sistema di controllo automatico delle modalità di deposito e di apporto del materiale di saldatura nei processi di saldatura orbitale automatica di tubi di medie e grandi dimensioni, quali i tubi per oleodotti, gasdotti e simili .

Come è noto la tecnica di saldatura orbitale con i noti processi denominati "MIG" o ”MAG" (Metal Inert Gas, o Metal Active Gas) consiste nel depositare, mediante ripetute passate, una successione di cordoni di saldatura sovrapposti nella gola svasata, comunemente denominata cianfrino, delimitata da biselli o svasature provvisti sulle teste giustapposte degli spezzoni di tubo disposti l’uno sul proseguimento dell'altro. L'apparecchiatura per l'attuazione del processo di saldatura suddetta è sostanzialmente costituita da una rotaia anulare che viene calzata e bloccata sulla tubazione e da uno o più carrelli mobili di saldatura, tipicamente due carrelli di saldatura, i quali traslano, a velocità controllata ed in sensi inversi, su detta rotaia orbitando, ognuno per un arco di 180° , attorno alla tubazione. Ogni carrello è provvisto di ruote di agganciamento e scorrimento sulla rotaia, di un pignone motore ingranante con un bordo dentato della rotala a scopo di traslazione del carrello e di almeno una torcia oscillabile di saldatura del tipo a filo continuo .

Nel processo di saldatura la rotaia viene posizionata in prossimità della sezione da saldare e ad essa vengono agganciati i carrelli di saldatura le cui torce di saldatura vengono allineate con il suddetto cianfrino. Dato il profilo svasato del cianfrino, la quantità di materiale di riporto cresce mano a mano che, ad ogni passata, la torcia si distanzia dall’asse del tubo. Pertanto la torcia, inizialmente fissa rispetto al carrello, viene assoggettata ad un moto oscillatorio le cui ampiezza, frequenza e stasi (tempo d’arresto dopo ogni elongazione) variano sia nel passaggio dall'uno all'altro cordone di -saldatura, sia nell'esecuzione di un medesimo cordone di saldatura in relazione alla posizione del carrello sulla circonferenza del tubo a causa dell'influenza della gravità sul metallo di riporto allo stato liquido. Anche la velocità di traslazione del carrello e di alimentazione del filo di saldatura dipendono dalla posizione del carrello sulla circonferenza del tubo e tale complesso di parametri, nelle attuali apparecchiature di saldatura orbitale, sono controllati da microprocessore secondo sequenze programmate per ciascuna passata e per un dato profilo di cianfrino.

Si comprende facilmente che il corretto controllo automatico dei molteplici parametri di saldatura presuppone la costanza del suddetto profilo del cianfrino il quale, per contro, può subire variazioni anche significative a causa di imperfezioni della lavorazione, di solito eseguita in loco, di disassamenti più o meno accentuati degli spezzoni di tubo giustapposti, dell'imperfetta linearità degli spezzoni di tubo e/o della imperfetta ortogonalità delle sezioni di testa all'asse della tubazione in lavorazione. Anche eventuali disomogeneità del materiale dei tubi, quali cave, fessurazioni e simili, possono influenzare il profilo del cianfrino il cui asse inoltre può giacere, almeno parzialmente, al di fuori della sezione teorica ortogonale del tubo e presentare, in tutto o in parte, un andamento elicoidale in rapporto all’asse del tubo. Le irregolarità, peraltro inevitabili, del profilo e dell'andamento assiale del cianfrino, sono fonte di notevoli problemi nei processi di saldatura orbitale automatizzata sopra menzionati e costringono spesso a ricorrere ad interventi manuali di operatori specializzati i quali sorvegliano il processo di saldatura ed intervengono, per mezzo di appositi telecomandi, compensando le irregolarità del cianfrino con la variazione di uno o più parametri del processo di saldatura.

Così, per esempio, una discontinuità costituita da un restringimento localizzato del profilo del cianfrino in corrispondenza della quota della passata in corso di esecuzione viene compensato manualmente diminuendo l'ampiezza dell' oscillazione e la stasi della torcia e/o la velocità di alimentazione del filo di saldatura, allo scopo di diminuire momentaneamente l'apporto di materiale di saldatura per mantenere costante lo spessore del cordone di saldatura lungo tutta la circonferenza del tubo.

Al contrario, un allargamento localizzato del profilo del cianfrino in corrispondenza della quota della passata in corso di esecuzione, richiede un aumento dell’ampiezza dell'oscillazione della torcia, un aumento della velocità di alimentazione del filo ed una eventuale diminuzione della stasi di oscillazione allo scopo di aumentare momentaneamente l'apporto di materiale sempre per mantenere costante lo spessore del cordone di saldatura su tutta la circonferenza del tubo. Nel caso invece che l'andamento dell'asse del cianfrino presenti tratti di discontinuità con andamento elicoidale è necessario intervenire per spostare corrispondentemente l'asse di oscillazione della torcia in modo da evitare che l'oscillazione stessa non sia centrata rispetto al cianfrino ed il filo di saldatura interferisca con una delle pareti di esso.

La presente invenzione è essenzialmente diretta ad eliminare questi ed altri interventi manuali nel processo di saldatura orbitale controllando automaticamente le modalità di deposito e l'apporto di materiale in presenza di discontinuità del profilo e/o dell'andamento dell'asse del cianfrino al fine di eseguire, in modo del tutto automatico, saldature di elevato standard caratterizzate dalla sovrapposizione di cordoni di saldatura di spessore rigorosamente costante che riempieno interamente e correttamente la cavità del cianfrino.

Nell’ambito di questa finalità generale l'invenzione consegue numerosi vantaggi e principalmente prescinde totalmente dalla necessità di adottare lavorazioni costose e di difficile attuazione per la realizzazione di cianfrini di andamento e dimensioni per quanto possibile costanti e regolari.

Secondo l'invenzione si conseguono questi ed altri scopi e vantaggi con un sistema di controllo automatico delle modalità di deposito e apporto del materiale di saldatura avente le caratteristiche di cui alle rivendicazioni che seguono.

Sostanzialmente l'invenzione si basa sul concetto di rilevare sequenzialmente, preventivamente o durante il processo di saldatura, singoli profili trasversali del cianfrino per campionamento, a mezzo di un sensore di distanza, delle profondità del cianfrino stesso, di ricostruire par ametricamente mediante calcolo numerico-vettoriale le caratteristiche geometrice- topologiche del cianfrino rilevate per mezzo dei suddetti punti di campionatura e di effettuare un confronto tra le caratteristiche del cianfrino rilevato e quelle, memorizzate, di un corrispondente cianfrino teorico nominale ricavandone corrispondenti dati di variazione dei parametri del processo/ di saldatura. Vantaggiosamente, il sistema secondo l'invenzione utilizza per il rilevamento del profilo geometrico del cianfrino un dispositivo rilevatore di distanze misurate a partire da una origine definita, basato sulla misura di un raggio riflesso dalle pareti del cianfrino ed emesso dal dispositivo stesso.

Il dispositivo rilevatore di distanza è soggetto a mezzi di movimentazione longitudinale e/o trasversale rispetto al cianfrino ed è utilizzato per determinare, parametrizzandola e memorizzandola, la profondità di ciascun punto del cianfrino. Preferibilmente, secondo l'invenzione, il dispositivo rilevatore di distanza comprende un emettitore di raggio laser puntiforme cooperante con un ricevitore di detto raggio.

L’invenzione verrà meglio compresa dalla descrizione dettagliata che segue e con riferimento agli allegati disegni, forniti a titolo di esempio non limitativo, nei quali:

- la fig. 1 è la vista frontale di un carrello di saldatura orbitale operante all'estremità di un tubo e dotato del sistema di controllo automatico secondo l'invenzione,

- la fig. 2 è uno schema a blocchi del sistema di controllo automatico secondo l!invenzione.

- le figg. 3 e 3a mostrano il confronto tra il cianfrino rilevato e quello teorico e il corrispondente schema di calcolo per la variazione del parametro di saldatura interessato.

In figura 1 , con 10 è indicato il carrello di saldatura di un'apparecchiatura di saldatura orbitale di tipo noto, il quale è agganciato su una rotaia circolare 11 montata all’estremità di un tubo 12 accostato di testa ad un tubo 12a; nella sezione di giunzione essendo formato un cianfrino 13. U carrello 10, di per sè noto, comprende coppie di ruote 14 di aggancio e scorrimento sulla rotaia 11, un pignone di trascinamento 15 che ingrana con un bordo dentato 11a della detta rotaia ed una torcia di saldatura 16 del tipo a filo continuo, montata all'estremità di un braccio 160 solidale ad un supporto 161 oscillabile intorno ad un asse che è disposto radialmente rispetto al tubo 12. Un filo metallico continuo 17 è alimentato alla torcia 16 da un dispositivo trattore 18 a velocità controllabile, che preleva detto filo da un rocchetto di immagazzinamento 19.

Secondo l'invenzione, sulla parte anteriore del carrello 10, con riferimento alla direzione di moto indicata dalla freccia F, è provvisto un dispositivo 20 rilevatore di distanza. Il dispositivo 20 è sostenuto da un supporto 210 del carrello 10, al disopra del cianfrino 13 con possibilità di compiere, grazie ad una vite 220 comandata da un motore reversibile "m" e cooperante con una chiocciola 221 del supporto (fig.2) , spostamenti trasversali in rapporto al cianfrino stesso mentre il moto del carrello 10 permette al dispositivo 20 di spostarsi lungo l'asse del detto cianfrino.

Il dispositivo misuratore 20 è del noto tipo a raggio laser ed è costituito, per esempio, dal sensore serie LM-100 (Laser Analog Sensor) tipo ANL 1651 EC, costruito dalla MATSUSHITA AUTOMATION CONTROLS e comprendente un circuito di pilotaggio, un led ed un sistema di lenti di focalizzazione producente un raggio laser puntiforme "ri” che incide sulla superficie del cianfrino 13 (fig. 2) . Il raggio "rr" riflesso dalla superficie del cianfrino è ricevuto da un rivelatore del dispositivo 20 e per ciascuna distanza del punto di incidenza dalla sorgente del raggio incidente, colpisce zone differenti del detto rivelatore il quale fornisce un segnale "s" corrispondente alla detta distanza L.

In figura 2 è mostrato un cianfrino 13 di forma sostanzialmente triangolare al di sopra del quale è disposto il dispositivo misuratore 20 portato dal carrello di saldatura 10. Durante il processo di saldatura il dispositivo 20 che precede il carrello di saldatura, viene mosso trasversalmente rispetto al cianfrino 13 per mezzo del dispositivo a vite 22 ed esegue il campionamento della profondità di detto cianfrino in corrispondenza di punti come Pl-P2-P3-Px ecc. Un encoder 222, associato al motore "m” e operativamente collegato ad un sottosistema di asservimento 33 di cui si dirà nel seguito, controlla la posizione trasversale del dispositivo 20. I corrispondenti segnali "s" emessi per ogni campionatura dal dispositivo misuratore 20 sono applicati all’ingresso di un circuito elettronico 21 di acquisizione ed elaborazione il quale fornisce, in uscita, un dato numerico corrispondente alle distanze Ll-L2-L3-Lx di ciascun punto di campionamento dalla sorgente dì emissione del raggio incidente "ri" .

Un'unità dì calcolo numerico-vettoriale 22, operativamente collegata all’uscita del circuito 21, ricostruisce parametricamente le caratteristiche geometriche-top ologiche , in altre parole il profilo PC del cianfrino 13 nella sezione campionata.

Una sequenza di profili PC1-PC2. . .PCx rilevati per campionatura, viene confrontata, in tempo reale o previa memorizzazione, con una analoga sequenza di rispettivi profili teorici nominali PT1-PT2. . ,PTx memorizzati in forma numerica in una memoria 23 permanente e riscrivibile, per esempio una memoria E2prom.

Un circuito di confronto 24 esegue un'analisi comparativa tra i profili di cianfrino rilevati PC1 -PC2. . ,PCx ed i corrispondenti profili teorici nominali PT1-PT2 . . .PTx ed un circuito 25 di elaborazione matematica dei risultati di confronto emette corrispondenti segnali di variazione selettiva dei parametri di controllo del processo di saldatura allo scopo di mantenere costanti le caratteristiche, in particolare lo spessore, di ciascun cordone di saldatura .

Il circuito di elaborazione 25, tramite un'interfaccia di controllo 26 è operativamente e bidirezionalmente collegato ad una pluralità di sottosistemi di asservimento retroazionati, indicati con i numeri 27 a 33, agenti su rispettivi attuatori di azionamento della torcia e del carrello. In particolare il sottosistema di asservimento 27 controlla lo spostamento verticale della torcia di saldatura 16 variandone l'altezza in rapporto alla quota del cordone in corso di esecuzione allo scopo di variare la lunghezza dell'arco elettrico; il sottosistema 28 controlla l’ampiezza e la stasi dell'oscillazione della torcia 16; il sottosistema 29 controlla lo spostamento laterale della torcia 16 e quindi lo spostamento dell’asse di oscillazione della torcia in rapporto a quello del cianfrino 13; il sottosistema 30 controlla il generatore della corrente di saldatura; il sottosistema 31 controlla la velocità di avanzamento del filo di saldatura 17, il sottosistema 32 controlla la velocità di rotazione del pignone di trascinamento 15 e quindi la velocità di avanzamento del carrello 10, ed il sottosistema 33 controlla, come detto, la posizione trasversale del dispositivo 20, in rapporto al cianfrino 13, grazie ai segnali ricevuti dall'encoder 222 .

Nelle figure 3 e 3a è mostrata, a titolo esemplificativo, la modalità di calcolo’ della variazione di uno dei suddetti parametri in relazione ai dati risultanti dal confronto di un generico profilo PC* rilevato per campionatura come sopra specificato e ricostruito par ametricamente dall’unità di calcolo 22, con un corrispondente profilo teorico nominale PTx memorizzato nella Ezprom 23.

Il confronto tra i due cianfrini PCx e PTx mostra che, alla quota di passata y-y considerata, la larghezza CR del cianfrino PCx rilevato è inferiore di una quantità 6 alla larghezza CT del cianfrino teorico PTx . Corrispondentemente l’arco teorico OT di oscillazione della torcia 16 deve essere ridotto di una quantità Θ e portato ad un valore OR corrispondente alla larghezza reale del cianfrino. A questo scopo il circuito 25 riceve dal circuito 24 un segnale 6 pari al rapporto CR/CT e calcola il valore OR dell'arco di oscillazione reale ponendo

Il valore di OR così calcolato viene inviato, via interfaccia di controllo 26, all 'asservimento 28 il quale provvede a variare corrispondentemente l’arco di oscillazione della torcia.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di esecuzione e le forme di realizzazione potranno essere ampiamente variati, rispetto a quanto descritto ed illustrato a titolo di esempio non limitativo.

In particolare il dispositivo 20, anziché essere soggetto al sistema autonomo di movimentazione trasversale comprendente la vite 220 e la chiocciola 221, potrà essere montato solidale al supporto 161 della torcia 16 mediante un apposito braccio, non disegnato, disposto diametralmente opposto rispetto, al supporto 161, al braccio 160 che sostiene la torcia 16. In questo modo viene soppresso il sottosistema di asservimento 33 ed il controllo dello spostamento trasversale del dispostivo 20 rispetto al cianfrino 13 viene attuato dal sottosistema di asservimento 28 predisposto per il controllo dell'oscillazione della torcia 16. Questa variante ed altre forme di realizzazione costruttive rientrano nell’ambito dell'invenzione definito dalle rivendicazioni che seguono nelle quali i numeri di riferimento sono riportati a solo titolo di miglior comprensione.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1) - Sistema di controllo automatico delle modalità di deposito e di apporto del materiale di saldatura nei processi di saldatura orbitale di tubi di medie e grandi dimensioni, consistenti nel depositare, mediante ripetute passate ed a mezzo di carrelli di saldatura (10) , una successione di cordoni di saldatura nel cianfrino (13) delimitato da svasature dei tubi (12) giuntati di testa; i carrelli di saldatura (10) essendo mobili su una rotaia anulare (11) collegata sulla tubazione ed essendo provvisti di almeno una torcia oscillabile di saldatura (16) a filo continuo e di un pignone di trascinamento (15) ingranante con un bordo dentato della rotaia (11) , caratterizzato dal fatto che comprende mezzi (20) sensori di distanza per rilevare sequenzialmente, durante il processo di saldatura, o preventivamente ad esso, singoli profili trasversali del cianfrino (13) mediante campionamento delle diverse profondità di esso, mezzi elettronici (21-22) per ricostruire par ametricamente, mediante calcolo numerico- vettoriale, le caratteristiche parametriche-topologiche del cianfrino a partire dalle diverse profondità rilevate per punti di campionatura, mezzi elettronici atti ad effettuare il confronto tra le caratteristiche del profilo (PC) di cianfrino rilevato e quelle, memorizzate, del profilo (PT) di un corrispondente cianfrino teorico nominale ed a ricavare corrispondenti dati di variazione dei parametri del processo di saldatura, e mezzi di asservimento (27 a 32) utilizzanti selettivamente o in combinazione uno o più dei detti dati di variazione per adeguare corrispondenti parametri di saldatura. 2) - Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i mezzi sensori di distanza sono costituti da un dispositivo (20) rilevatore di distanze, misurate a partire da un'origine definita, basato sulla misura di un raggio riflesso dalle pareti del cianfrino ed emesso dal dispositivo stesso. 3) - Sistema di controllo secondo le rivendicazioni 1 e 2, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) rilevatore di distanza per la campionatura delle profondità dei punti del cianfrino (13) è costituito da un emettitore di raggio laser puntiforme cooperante con un ricevitore del raggio riflesso dalle pareti del cianfrino ( 13 ) . 4) - Sistema di controllo secondo le rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) rilevatore di distanze è soggetto a mezzi di movimentazione trasversale e longitudinale in rapporto al cianfrino ( 13 ) . 5) - Sistema di controllo secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) rilevatore di distanze è portato da un supporto (21) del carrello di saldatura (10) e si muove longitudinalmente rispetto al cianfrino (13) grazie al movimento di detto carrello e dal fatto che il supporto (21) è dotato di un meccanismo a vite e chiocciola (220-221) soggetto ad un motore reversibile (m) per muovere il dispositivo rivelatore (20) trasversalmente rispetto al cianfrino; al motore (m) essendo associato un encoder (220) per il controllo della posizione trasversale del dispositivo (20) rispetto al cianfrino (13) . 6) - Sistema di controllo secondo le rivendicazioni 1 e 4, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) rivelatore di distanza è vincolato al supporto oscillabile (161) della torcia di saldatura (16) e si muove trasversalmente al cianfrino (13) grazie all’oscillazione di detto supporto. 7) - Sistema di controllo secondo la rivendicazione 1 ed una qualunque delle rivendicazioni 2 a 6, caratterizzato dal fatto che il dispositivo (20) rilevatore di distanze emette, per ogni campionatura, un segnale (s) , dal fatto che i segnali di campionatura sono applicati all’ingresso di un circuito elettronico (21) di acquisizione ed elaborazione il quale fornisce, in uscita, un dato numerico corrispondente alla distanza (L1-L2. . .Lx) di ciascun punto (P1- P2. . .Px) di campionamento dalla sorgente di emissione del detto raggio laser puntiforme e dal fatto che un'unità di calcolo (23) , operativamente collegata al circuito (21) di acquisizione ed elaborazione, riceve detti dati numerici e ricostruisce parametricamente, sulla base di essi, il profilo (PC) del cianfrino (13) nella sezione campionata. 8) - Sistema di controllo secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che comprende almeno una memoria permanente e riscrivibile (23) contenente, in forma numerica, serie di profili teorici nominali (PT) del cianfrino corrispondenti alle serie di sezioni reali campionate e dal fatto che detta memoria è operativamente collegata ad un circuito di confronto (24) che riceve inoltre direttamente, o previa memorizzazione, i profili (PC) di cianfrino rilevati, espressi anch'essi in forma numerica. 9) - Sistema di controllo secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che il circuito di confronto (24) esegue un confronto numerico tra i profili rilevati (PC) e quelli teorici nominali (PT) memorizzati e dal fatto che l'uscita del detto circuito di confronto è operativamente collegata ad un circuito di elaborazione dei risultati numerici del confronto, il quale attiva selettivamente, con l'interposizione di un’interfaccia di controllo, una pluralità di sottosistemi di asservimento retroazionati (27 a 32) agenti su rispettivi attuatoli di azionamento della torcia e del carrello di saldatura. 10) - Sistema di controllo secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto che detti sottosistemi di asservimento sono provvisti per le seguenti rispettive funzioni: - controllo dello spostamento verticale della torcia (16) di saldatura - controllo dell'ampiezza di oscillazione e della stasi della torcia (16) di saldatura - controllo dello spostamento laterale della torcia (16) di saldatura - controllo della tensione e della corrente di saldatura - controllo della velocità di avanzamento del filo (17) di saldatura - controllo della velocità di rotazione del pignone dentato (15) di trascinamento del carrello (10) di saldatura - controllo dello spostamento trasversale del dispositivo rilevatore di distanza (20) in rapporto al cianfrino (13) .