MX2011010491A - Metodo y dispositivo para conexion de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital usando tecnologia hibrida. - Google Patents

Abstract

La invención se relaciona con un método para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital usando una tecnología híbrida de soldadura por láser y por arco eléctrico; los tubos referidos tienen preferentemente grosores de pared = 6 mm y más particularmente = 12 mm y diámetros preferentemente = 150 mm. Los extremos de los tubos se conectan por medio de una o varias capas de soldadura en que las cabezas de soldadura por láser y por arco eléctrico como herramientas son guiadas mediante un anillo, dispuesto fijamente alrededor de un extremo de tubo en la región del lugar de soldadura durante la soldadura y se desplazan alrededor del diámetro del tubo. La invención se relaciona también con un dispositivo para realizar el método en que las cabezas de soldadura por láser y por arco eléctrico son posicionadas separadamente en el anillo guía y controladas y desplazadas sobre la circunferencia del tubo independientemente entre sí durante el proceso de soldadura.

Description

METODO Y DISPOSITIVO PARA CONEXION DE EXTREMOS DE TUBOS DE ACERO POR MEDIO DE SOLDADURA ORBITAL USANDO TECNOLOGIA HIBRIDA DESCRIPCION DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un método para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital usando una tecnología híbrida según el preámbulo de la reivindicación 1, y con un dispositivo para llevar a la práctica este método según la reivindicación 10.

La invención se relaciona en particular con tubos teniendo espesores de pared preferentemente mayores a 6 mm, en particular mayores a 12 itim, y diámetro preferentemente superiores a 150 mm que son conectados entre sí por medio de procesos de soldadura diferentes, por ejemplo por medio de soldadura con rayo láser y soldadura de arco eléctrico usando tecnología híbrida para formar conductos de tubería. Se entiende por tubos de aquí en adelante tanto tubos circulares como también perfiles huecos con diferentes secciones transversales.

La soldadura de tubos por medio de rayos láser es de conocimiento público y desde siempre se hacían esfuerzos para reducir sustancialmente la sección transversal del cordón de soldadura en comparación con el método de soldadura por arco eléctrico convencional como la soldadura manual de arco eléctrico o la soldadura de metal con gas protector (MSG, por sus siglas en inglés) y reducir los tiempos de soldadura mediante una velocidad mayor de soldadura para mejorar asi el aspecto económico.

Del documento DE 10 2008 029 724 Al se conoce un método para la conexión de piezas de trabajo metálicas de pared gruesa por medio de soldadura en que se prevén tres secciones de soldadura en que la soldadura consiste de una aplicación combinada de métodos de soldadura, a saber, de la soldadura por láser, soldadura híbrida por láser y arco eléctrico y soldadura por arco eléctrico.

Se conoce también un método de soldadura combinado según el método descrito en el documento US 6,191,379 Bl, a saber la soldadura por láser y la soldadura TIG (tungsteno gas inerte, por sus siglas en inglés) .

Del estado de la técnica, conocido por ejemplo del documento O 2005/056230 Al se conoce la combinación de un método de soldadura por metal y gas protector con un proceso de soldadura por rayo láser, la, así llamada, soldadura híbrida de láser-MSG, que se caracteriza porque el arco eléctrico y el rayo láser están dispuestos a una distancia definida entre sí y se puede alcanzar, en comparación con un proceso puro de soldadura por rayo láser, una mayor distancia de salto.

Mediante el método que allí se describe se sueldan en aplicación móvil tubos mediante tecnología de soldadura orbital para formar oleoductos.

En semejante proceso de soldadura híbrida actúan simultáneamente el rayo láser y el arco eléctrico del proceso de soldadura MSG sobre el punto de soldadura, de modo que se vuelve posible producir conexiones de tubos con gran economía. La producción de conexión soldada entre tubos se lleva a cabo en los métodos conocidos por medio de un dispositivo de soldar que recorre la circunferencia del tubo mediante tecnología orbital con una cabeza de soldar combinada de láser y MSG.

En estos métodos se da lugar sólo en parte a las exigencias particulares de la soldadura híbrida como ejemplo la aj ustabilidad de la raíz del arco eléctrico con relación al eje de rayo láser, es decir, al menos durante el proceso de soldar no se puede modificar la distancia entre la cabeza de soldadura por láser y de MSG en dirección circunferencial.

Otra desventaja es el peso comparativamente alto de la cabeza combinada de soldadura híbrida o de las masas en movimiento, y la flexibilidad limitada en cuanto a la conducción del proceso, en particular de los parámetros geométricos de la cabeza de soldadura híbrida.

Un ajuste de los parámetros de soldadura a la respectiva posición de soldadura resulta particularmente aparatoso en la soldadura híbrida láser-MSG debido a la combinación de dos métodos que resulta en un gran número de opciones de posicionamiento . Esto vale en particular para la disposición geométrica de rayo láser y soplete de soldar por SG mostrada en el documento WO 2005/056230 Al.

Una desventaja particular es que los parámetros geométricos del proceso de soldar híbrido con adaptación directa de un soplete MSG a una óptica de tratamiento con rayo láser son ajustables durante el proceso sólo con gran aparato.

Una desventaja de la soldadura orbital por medio de un proceso de soldar híbrido láser-MSG es además que la cabeza de soldar híbrida conocida del documento WO 2005/056230 Al está compuesto en cada caso de componentes individuales que no están coordinados entre sí de manera óptima en cuanto a su interacción.

Las soluciones, conocidas hasta ahora, para llevar a la práctica técnicamente la soldadura híbrida láser-MSG tienen una estructura compleja que restringe las opciones de ajuste de los parámetros de proceso y que se caracterizan por un gran peso.

Se tiene que constatar en resumen que no existe actualmente, según el estado de la técnica, un sistema de guia orbital de aplicación industrial que se ajusta de manera óptima a las exigencias de la soldadura híbrida láser-arco eléctrico.

Las cabezas de soldadura híbrida combinadas son apropiadas para esta aplicación sólo de modo limitado porque tienen un peso comparativamente grande, son relativamente inflexibles en cuanto a ajustabilidad o corrección de los parámetros geométricos durante el proceso de soldar, y no corresponden a las exigencias en particular de la soldadura marítima a causa de sus dimensiones .

El objetivo de la invención es indicar un método para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital usando tecnología híbrida de láser y arco eléctrico que supera las desventajas descritas. Se busca ofrecer además un dispositivo para llevar este método a la práctica.

Este objetivo se logra, partiendo del preámbulo, en asociación con las características distintivas de la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos y un dispositivo para llevar a la práctica el método son contenidos en las reivindicaciones subordinadas.

Según la enseñanza de la invención se aplica un método en que la cabeza de soldadura por láser y por arco eléctrico son posicionadas por separado en el anillo guía, y son desplazadas y controladas independientemente entre sí durante el evento de soldar sobre la circunferencia del tubo.

El rayo láser y el arco eléctrico son operados simultáneamente o con un desplazamiento temporal y en forma coordinada entre sí en una constelación geométrica definida entre sí; los dos procesos se influyen recíprocamente, por ejemplo, dentro de un baño de fusión compartido.

El desplazamiento del rayo láser necesario para la producción del cordón de soldadura y del soplete MSG es realizado mediante el movimiento coordinado entre sí de dos carros, uno de los cuales porta al menos una óptica de rayo láser y otro al menos un soplete MSG. Los carros pueden ser controlados respectivamente desplazados independientemente entre sí durante el proceso de soldar de modo que la distancia entre rayo láser y foco de arco eléctrico puede ser modificado durante el proceso.

Gracias a semejantes disposición se produce una opción sencilla de modificar la distancia de trabajo entre el rayo láser y el arco eléctrico. Habiendo integración de ejes correspondientes de los carros para el ajuste de los dos componentes, óptica de rayo láser y soplete de arco eléctrico, cualquier disposición arbitraria es posible entre sí de estos componentes, en comparación con un sistema que tiene una cabeza de soldar híbrida combinada que se desplaza por medio de un carro, teniendo una construcción claramente más simple y más flexible en su aplicación .

En particular es posible realizar, de manera sencilla, secuencias de movimientos complejos como por ejemplo un desplazamiento sólo del rayo láser en y sobre los ejes espaciales.

Gracias a la invención es posible lograr una mejora sustancial de calidad en cuanto al resultado de la soldadura en la soldadura orbital. Dependiendo de la posición de soldadura pueden aplicarse parámetros de soldadura óptimas geométricas en cada caso para la soldadura híbrida de láser-MSG. Estrategias de soldadura que exigen, por ejemplo, una oscilación o movimientos pivotantes del arco eléctrico o del rayo láser, también independientes entre sí, pueden realizarse por medio de una inversión reducida en cuanto a construcción, tecnología de control y tecnología de programación.

Como particularmente favorable en cuanto a la configuración de proceso como, por ejemplo, la conducción de rayo, probó ser práctico el uso de rayo láser conducido por fibra. Dentro de los sistemas ópticos pueden emplearse tanto elementos de transmisión como de reflexión.

Para realizar un proceso de soldadura orbital se disponen los carros preferentemente en un marco que encierra los tubos por conectar a modo de un anillo guia. Se pueden mover carros adicionales en la construcción del marco siendo posible, si se usan los sistemas guia correspondientes, la disposición de varias pistas dispuestas una junto a la otra lo que permite también que carros individuales pueden pasar uno junto al otro mediante disposición correspondiente de estos. Lo distintivo es que los carros pueden ser desplazados independientemente entre si en cuanto a su dirección y velocidad .

Con la finalidad de reducir la altura constructiva de la óptica de proceso se trabaja idealmente con una óptica angular que realiza una desviación de 90° por medio de un espejo de concentración. Se aplican un láser de cuerpo sólido (e. g. láser de disco o láser de fases) con fibra óptica y una fuente de poder MSG convencional. La alimentación del alambre es posible por ejemplo por medio de una bobina de alambre en el carro de la cabeza de soldadura por arco eléctrico o también a través de un paquete de mangueras.

Todas las funciones de control y mando son realizados en un mando superior.

Como complemento de las herramientas necesarias para el proceso de soldar en si pueden portarse por medio del carro otras herramientas o componentes necesarios para el proceso de soldar o que apoyan el proceso de soldar o que son necesarias para etapas de producción posteriores. Esto pueden ser por ejemplo un sistema de seguimiento de cordón de soldadura o medios de medición para el control de calidad no destructivo del cordón de soldadura mediante medición de cordón o detección de defectos.

Por medio de un sistema que se desplaza adelante del proceso de soldadura puede detectarse la ranura de costura y ajustarse el proceso de soldar posterior en cuanto a su posición.

Mediante, por ejemplo, sistemas ópticos es posible una verificación de la calidad del cordón de soldadura .

También es posible realizar etapas de mecanización como por ejemplo rectificación de cráteres en los extremos mediante una herramienta montada en un carro.

En caso de espesores de pared que no pueden soldarse entre si en una capa se sueldan capas de relleno venta osamente mediante soldadura híbrida de láser y MSG o sólo de MSG en una capa de soldadura o varias capas de soldadura. También puede ser ventajoso mover la cabeza de soldar o las cabezas de soldar en forma oscilante durante la soldadura para garantizar una penetración lateral segura y libre de defectos. El uso de la tecnología de arco eléctrico pulsado en el proceso de soldadura MSG también puede ser ventajoso ocasionalmente.

Para el proceso de soldadura por láser puede ser conveniente además una manipulación del rayo láser para aumentar la penetración de flancos de cordón y para evitar defectos de cordón de soldadura.

Se tiene que enfatizar que se puede seleccionar, dependiendo de la posición de soldadura, en cada caso una disposición óptima del rayo láser y del arco eléctrico entre si de modo que se logra en todas las posiciones una calidad alta de cordón junto con una gran economía.

Para la producción de las capas de relleno pueden disponerse herramientas de soldadura adicionales en uno o varios carros, pudiéndose producir las capas de relleno simultáneamente o también durante la soldadura híbrida .

El sistema de soldadura orbital puede estar equipado con circuitos de control que pueden comprender como magnitudes de ajuste parámetros de arco eléctrico y parámetros de rayo láser como por ejemplo la potencia de láser y en particular también parámetros geométricos. Como magnitudes iniciales se usan en particular valores de medición del proceso de soldadura híbrida.

En otro acondicionamiento ventajoso de la invención se realiza durante la soldadura un movimiento rotatorio del rayo láser sobre el centro de un espejo de concentración independientemente del soplete MSG. Esto permite una aceleración del rayo láser en y/o transversal con relación a la dirección de avance para evitar posibles efectos de cordón de soldadura.

En resumen, el método inventivo respectivamente el dispositivo correspondiente ofrece las siguientes características o ventajas: - En un anillo guía pueden desplazarse varios carros simultánea e independientemente entre sí.

Cada carro puede alojar una herramienta separada y/o ejercer una función especial.

- Respectivamente un carro aloja un soplete MAG y una óptica de concentración de rayo láser. Mediante posicionamiento y guía de ambas herramientas entre sí se realiza un proceso híbrido láser-MSG.

- Durante el proceso es posible una modificación de la distancia entre las respectivas herramientas.

- Un carro aloja un sistema que opera de modo óptico, táctil o electromagnético para el seguimiento del cordón. Un sistema óptico puede servir adicionalmente como guía de cordón para la medición del cordón o el control de calidad después de soldar.

- Otros carros pueden alojar e. g. un soplete MAG para la producción de las capas de relleno o un dispositivo para una rectificación automática de un cráter de extremo.

- Realización flexible del proceso de soldadura híbrida láser-MSG para la soldadura orbital.

- En función de la posición de soldadura es posible ajustar en todo momento parámetros óptimos.

- Construcción con peso reducido por medio de sistemas individuales ajustados entre sí de modo óptimo.

Alta productividad gracias a un traslape temporal de diferentes etapas de procesamiento y verificación.

- El soplete MSG y la óptica de procesamiento por láser pueden ajustarse en cada caso sobre al menos un eje (lineal o rotatorio) independientemente entre sí en su disposición entre sí y con relación a la pieza de trabajo. Este ajuste puede realizarse durante el proceso de soldar.

- La óptica de rayo láser puede desplazarse por un eje rotatorio que está dispuesto perpendicular con relación al plano de cordón de soldadura.

- El dispositivo, respectivamente el marco guía pueden guiar el carro en una o varias pistas paralelas independientemente entre sí. En parte es posible desplazar los carros pasando uno junto al otro.

- Un carro dispuesto adelante del proceso de soldar puede alojar una herramienta de precalentamiento de la región de cordón de soldadura. Una regulación de la temperatura de precalentamiento es posible en función de los valores medidos y/o de otros parámetros de proceso (e. g. posición del soplete de soldar en la circunferencia) .

- La óptica de concentración puede equiparse con un sistema óptico para la observación de proceso de soldadura y para la detección de características de proceso para la regulación del proceso de soldar, en particular mediante un ajuste de la potencia del láser.

Otras características, ventajas y detalles de la invención son desprendibles de la siguiente descripción de las figuras representantes.

Se muestra: Figura 1 la estructura en principio del dispositivo inventivo de soldadura orbital comprendiendo una cabeza de soldar por láser y por arco eléctrico separadamente desplazables, Figura 2 igual a la figura 1, pero con herramientas adicionales desplazables separadamente.

La figura 1 muestra la estructura en principio del dispositivo de soldadura orbital inventivo para la soldadura híbrida por láser y arco eléctrico de tubos.

Los extremos por soldar de los tubos 1 son centrados por medio de un dispositivo de centrado interior no mostrado y se preparan de este modo para la conexión por soldadura.

En el anillo 2 guia realizado como construcción de marco se encuentran dispuestos un carro 3 comprendiendo una cabeza 4 de soldadura por láser y un carro 5 comprendiendo una cabeza 6 de soldadura por arco eléctrico, mismos que pueden ser desplazados y controlados en cada caso separadamente. Tampoco se muestra aqui la alimentación de corriente y medios de las cabezas de soldadura ni su control. La zona de procesamiento del proceso de soldadura híbrida en el tubo 1 se señala con 7.

Cada carro 3 ó 5 está equipado con un accionamiento directo no mostrado que permite el desplazamiento independiente entre sí con la ayuda de un sólo sistema de accionamiento. Gracias a la disposición en paralelo de otros accionamientos directos y guías se ofrece en principio también la posibilidad de pasar los carros uno junto al otro. En el caso presente ambos carros 3 y 5 se desplazan en el sentido de las manecillas del reloj (dirección de la flecha) en derredor del tubo 1, adelantándose la cabeza de soldadura por láser.

En la figura 2 se muestra una modalidad en que herramientas adicionales están dispuestas en el marco guía. Se usan las mismas cifras de referencia para componentes iguales; se detalla aquí sólo las características adicionales de la figura 2.

Se ha seleccionado para la representación una cabeza 6 de soldadura por arco eléctrico que se adelanta a la cabeza 4 de soldadura por láser contra las manecillas de reloj (dirección de flecha) . Adelante del proceso de soldadura híbrida, respectivamente de los dos carros 3 y 5 para las cabezas 4 y 6 de soldar se encuentra instalado un sistema 9 óptico de seguimiento de cordón en un carro 8 que puede ser usado después del evento de soldar para el control de calidad (e. g. documentación fotográfica del cordón de soldadura, medición automática de cordón, detección de defectos) . Atrás del proceso de soldar se dispone otro carro 10 en el anillo 2 guía que comprende otra cabeza 11 de soldadura por arco eléctrico para la producción de capas de relleno. Alternativamente puede tratarse también de una herramienta para la rectificación automática de extremos de cordón o un sistema para la prueba no destructiva del cordón de soldadura, de modo que se puede realizar una prueba de cordón sin cambio del anillo guía.

Una construcción compacta permite un alojamiento en una caja de todo el sistema, que aquí no se muestra, con propósito de seguridad del láser.

Lista de signos de referencia No. Designación I Tubo 2 Anillo guia 3 Carro A 4 Cabeza de soldadura por láser 5 Carro B 6 Cabeza 1 de soldadura por arco eléctrico 7 Zona de proceso del proceso de soldadura híbrida 8 Carro C 9 Sistema de seguimiento de cordón 10 Carro D II Cabeza 2 de soldadura por arco eléctrico

Claims (14)

REIVINDICACIONES

1. El método para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soladura orbital con tecnología híbrida de láser y arco eléctrico cuyos extremos son conectados por medio de una o varias capas de soldadura del modo que se conduce como herramientas la cabeza de soldadura por láser y por arco eléctrico durante la soldadura por al menos un anillo guía dispuesto fijamente en la región de soldar en derredor de un extremo de tubo y se desplaza sobre la circunferencia de tubo, caracterizado porque la cabeza de soldadura por láser y por arco eléctrico están posicionadas por separado en el anillo guía y que son desplazadas sobre la circunferencia de tubo y controladas independientemente entre sí durante el proceso de soldar.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque la velocidad de desplazamiento y la distancia de las cabezas de soldadura por láser y por arco eléctrico pueden ser ajustadas separadamente.

3. Un método según la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque antes de empezar el proceso de soldar se precalienta la región de cordón de soldadura por medio de un dispositivo de precalentamiento que se adelanta a las cabezas de soldadura.

4. Un método según la reivindicación 3, caracterizado porque el dispositivo de precalentamiento es desplazado independientemente de las herramientas de soldadura en el anillo guia.

5. Un método según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque otras herramientas son desplazadas independientemente entre si en el anillo guia durante la soldadura.

6. Un método según la reivindicación 5, caracterizado porque se emplean como herramientas adicionales una o varias cabezas de soldadura adicionales, un sistema de seguimiento de cordón, un sistema de mecanizado del cordón de soldadura y/o un sistema para la prueba no destructiva del cordón de soldadura.

7. Un método según una de las reivindicaciones 1 - 6, caracterizado porque las herramientas son desplazadas en varios anillos guia dispuestos en un extremo de tubo o en ambos extremos de tubo.

8. UN método según una de las reivindicaciones 1 - 7, caracterizado porque se usa como método de soldadura por arco eléctrico la soldadura con gas protector de metal (MSG) .

9. Un método según la reivindicación 8, caracterizado porque la soldadura MSG es realizada mediante tecnología de arco eléctrico pulsado.

10. Un dispositivo para realizar el método según una de las reivindicaciones 1 - 9 comprendiendo al menos un anillo guía dispuesto alrededor de un extremo de tubo teniendo un carro dispuesto en éste para el alojamiento de una cabeza de soldadura por láser y por arco eléctrico como herramientas de soldadura, caracterizado porque la cabeza de soldadura por láser y la cabeza de soldadura por arco eléctrico están dispuestas en cada caso por separado en un carro desplazable en el anillo guía y controladas por separado.

11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque otras herramientas están dispuestas en respectivamente un carro desplazable y controlable por separado .

12. Dispositivo según la reivindicación 11, caracterizado porque las herramientas son, un dispositivo de precalentamiento, una o varias cabezas de soldadura adicionales, un sistema de seguimiento de cordón, un sistema de mecanización del cordón de soldadura y/o un sistema para la prueba no destructiva del cordón de soldadura .

13. ispositivo según las reivindicaciones 10 -12, caracterizado porque los carros están dispuestos en uno o varios anillos guía y desplazables y controlables por separado.

14. Dispositivo según la reivindicación caracterizado porque los anillos guia están dispuestos uno o en ambos extremos de tubo.