MX2014012217A - Dispositivo para conexion de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital. - Google Patents

Dispositivo para conexion de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital.

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Abstract

La presente invención se relaciona con un dispositivo para la conexión de los extremos de tubos que ya están alineados y soldados con un cordón provisional, y que están fabricados en particular de acero, mediante un proceso de soldadura orbital usando una junta de soldadura que se forma por los extremos de los tubos y usando herramientas que pueden moverse a lo largo de la junta de soldadura de manera orbital para soldar e inspeccionar el cordón de soldadura. El dispositivo consiste de placas guías de base que pueden colocarse en ambos lados de cada extremo de tubo en la región del sitio de soldadura y que puede fijarse firmemente mediante apriete con los extremos de tubo referidos. Las placas guías de base tienen en el centro una entalladura circular con una abertura radial para el paso de los tubos por soldar y para alojar en el centro los tubos en la entalladura. La placa guía de base comprende unos elementos de apriete para fijar las placas guías de base en los extremos de los tubos, estos elementos de apriete siendo conectados firmemente con cada una de las caras de las placas guías de base orientadas en dirección opuesta a la junta de soldadura, así como un marco para el alojamiento de las herramientas de soldadura e inspección, el marco referido siendo montado en forma rotatoria entre las placas guías de base en la cara interior orientada a la junta de soldadura y pudiendo girar en forma centrada sobre los extremos de tubo en al menos 360°.

Description

DISPOSITIVO PARA CONEXIÓN DE EXTREMOS DE TUBOS DE ACERO POR MEDIO DE SOLDADURA ORBITAL CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un dispositivo para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital de conformidad con el concepto general de la reivindicación 1.
La invención se relaciona en particular con la soldadura de tubos que pueden tener, por ejemplo, espesores de pared de 2 a 20 mm y diámetros de 60 a 1600 mm, y que se conectan entre si para formar conductos de tubería mediante diferentes métodos de soldadura, como por ejemplo soldadura por rayo láser, soldadura de arco eléctrico-láser en tecnología híbrida o soldadura de arco eléctrico. ''Tubos' comprende en lo que sigue tanto tubos circulares como también perfiles huecos de diferentes secciones transversales .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La soldadura de tubos mediante tecnología orbital es de conocimiento público, por ejemplo a partir del documento DE 103 34 446 Al. En éste se manifiesta un dispositivo de soldadura orbital para la conexión de dos extremos de tubo, en el cual el mismo se coloca sobre un primer extremo de tubo y se fija por apriete en éste, y se coloca el segundo extremo de tubo en una posición de soldadura frente al primer extremo de tubo. Por medio de dos cabezas de soldar desplazados en 180°, las cuales a su vez se conducen en forma giratoria sobre un eje, se puede producir un cordón de soldadura redondo de 260°. La desventaja es gue se requieren dos cabezas de soldar para soldar el tubo en toda su periferia.
Otro dispositivo de soldadura orbital se conoce del documento WO 2005/056230 Al, en el cual se emplea una combinación de soldadura de metal bajo gas de protección (GMAW, por sus siglas en inglés) y soldadura por rayos láser. Esta, asi llamada, soldadura híbrida láser-GMAW se caracteriza porque el arco eléctrico y el rayo láser se disponen a una distancia definida entre sí y se puede lograr una mayor capacidad de salvar distancias que en un proceso puro de rayo láser. El dispositivo comprende un anillo de guía que se puede alinear respecto al extremo de tubo de un primer tubo. La alineación se realizar por medio de una pluralidad de tornillos de apriete dispuestos en la periferia del anillo de guía, por medio de los cuales se puede ajusfar con precisión la distancia del anillo de guía de la superficie de tubo. El anillo de guía sirve para guiar un carro orbital que puede desplazarse en el mismo, el cual puede dar alojamiento, además de la cabeza de soldar, a otros componentes para el monitoreo del proceso y la inspección del cordón de soldadura. Por medio del dispositivo descrito se sueldan tubos en aplicación móvil mediante la tecnología de soldadura orbital para formar tuberías de producto.
Desventajosa en este dispositivo es la construcción aparatosa con anillos de guía cerrados en la periferia del tubo y la alineación y el centrado aparatosos de los extremos de tubo. Precisamente el centrado es muy complicado en diámetros mayores de tubos y reguiere de instalaciones de centrado adicionales en el dispositivo con fuerzas de retención correspondientemente grandes para realizar durante la soldadura una junta soldada geométricamente estable. Esto hace el dispositivo muy pesado y se puede usar con flexibilidad local sólo mediante inversiones grandes.
Aparatoso es además el curso del proceso de soldadura, en el cual los extremos de tubo tienen que insertarse en el dispositivo y centrarse, y a continuación se tiene que retirar el tubo soldado en toda su longitud del dispositivo.
En resumen tiene que apuntarse que de acuerdo al estado de la técnica no existe presentemente ningún sistema de quía orbital aplicable a nivel industrial que se ajusta óptimamente a las exigencias en cuanto a calidad y economía de la soldadura orbital.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objetivo de la invención es indicar un dispositivo para la conexión de extremos de tubos de acero por medio de soldadura orbital que supera las desventajas descritas, i.e., que puede producirse económicamente y que puede aplicarse de manera flexible y con poca inversión de tiempo .
Este objetivo se logra, partiendo del concepto general en asociación con las características distintivas de la reivindicación 1. Perfeccionamientos ventajosos forman parte de las reivindicaciones subordinadas.
La enseñanza de la invención comprende un dispositivo para la conexión de los extremos de tubos, en particular de acero, ya alineados y soldados mediante un cordón provisional por medio de soldadura orbital, teniendo una junta de soldadura formada por los extremos de tubos y herramientas que pueden desplazarse orbitalmente a lo largo de la junta de soldadura para soldar e inspeccionar el cordón de soldadura, el cual se caracteriza porque el dispositivo consiste de placas guías de base que pueden colocarse y fijarse firmemente con apriete en los extremos de tubo en ambos lados en los respectivos extremos de tubo en la región del lugar de soldadura; las placas guías de base tienen en el centro una entalladura circular con una abertura radial para alojar en el centro de la entalladura los tubos que han de soldarse; en el lado orientado en dirección opuesta de la junta de soldadura de las placas guia de base tienen unos elementos de apriete firmemente conectados para el apriete de las placas guia de base en los extremos de tubo y un marco giratorio para dar alojamiento a las herramientas de soldar e inspeccionar, el marco siendo dispuesto en forma giratoria en las caras interiores, orientadas a la junta de soldadura, entre las placas guias de base y pudiendo girar al menos 360° sobre el centro de los extremos de tubo.
Para la soldadura se coloca el dispositivo de manera simple con las placas guias de base simétricamente respecto a la junta de soldadura con una distancia radial sobre los extremos de tubo y se aprieta mediante los elementos de apriete firmemente conectados con las placas guias de base con los extremos de tubo. El diámetro de la entalladura circular en las placas guias de base es para esto más grande que el diámetro de los extremos de tubo que han de alojarse. Gracias a esto es ventajosamente posible usar el dispositivo también para la soldadura de diámetros de tubo diferentes. El tubo por soldar se encuentra aquí en la entalladura circular de las placas guias de base, ajustándose la distancia radial entre la placa guia de base y el tubo de tal manera que el marco giratorio con los alojamientos de herramientas, dispuesto en forma rotatoria entre las placas guías de base, corre céntricamente sobre el eje longitudinal del tubo por soldar.
El dispositivo inventivo supera las desventajas de los dispositivos de soldadura orbital conocidos, por una parte, gracias a su construcción muy sencilla y, con ello, económica, por otra parte porque este dispositivo se usa venta osamente para tubos ya alineados, i.e. centrados y soldados con un cordón provisional.
Gracias a la separación del evento de centrado y de la soldadura provisional de los extremos de tuvo antes de la soldadura orbital en sí, la construcción se hace evidentemente más sencilla y más flexible en su construcción, i.e., se puede usar libremente en cuanto a la ubicación .
Mediante el dispositivo propuesto puede soldarse además el cordón periférico sobre 360° con únicamente una cabeza de soldar.
Para la junta de los tubos se usa convenientemente la soldadura por rayo láser. Para esto se envía un rayo bruto generado por una fuente de rayos láser a través de una fibra óptica a un sistema óptico fijado en un carro rodante. El sistema óptico configura al rayo láser y lo conduce sobre la junta de los dos tubos. Con esta finalidad se emplea ventajosamente un sistema óptico angulado, siendo la colimación del rayo láser 150 mm y el foco de 200 mm. Se fija además un así llamado sensor LWM (monitor para soldadura por láser, por sus siglas en inglés), en el sistema óptico, el cual sirve para la detección de las siguientes magnitudes: - luminosidad emitida de plasma - radiación de láser reflectada de retorno - potencia de láser reflectada en al separador de rayo.
El motivo del uso de un sistema óptico angulada es la reducción del rango de trabajo por la fibra óptica. Ésta tiene un gran radio de flexión y aumentaría de manera importante el área de trabajo necesario para la trayectoria periférica. Gracias al uso de un sistema óptico angulada es posible el tendido y la conexión de fibras ópticas en la dirección del eje longitudinal del tubo. El movimiento de acercamiento del sistema óptico se realiza a través de dos ejes de acercamiento, para un posicionamiento preciso del proceso en dirección Y (a lo largo del eje de tubo) y en dirección Z (en dirección radial respecto a la superficie de tubo) estos se realizan ventajosamente como accionamientos de husillos de bolas circulantes.
Para la detección de la junta de soldadura, en particular del desplazamiento de cantos y de la distancia, se detecta en un perfeccionamiento ventajoso de la invención mediante una cámara el rayo lineal generado por un láser de línea transversal respecto a la junta. Los valores así tomados se usan para la programación del cordón. La línea de láser es detectada por el software de la cámara e influye a través de una calculación de posición la regulación de altura y de alineación lateral del sistema óptico. A continuación del proceso de soldadura se usa la cámara para una topografía del cordón. Se observan aquí excedentes de altura del cordón y defectos de soldadura abiertos afuera. La cámara y el láser lineal se fijan igual que el sistema óptico en forma centralizada entre los dos arcos giratorios en el carro rodante y se llevan junto con el movimiento orbital alrededor del tubo.
Para la evaluación de defectos internos de soldadura se llevan en la periferia del tubo dos palpadores de ultrasonido que siguen a la cabeza de soldadura. Respectivamente uno de los palpadores se dispone en cada lado del cordón de soldadura. Los propios palpadores están dispuestos en forma rotatoria como cilindros y funcionan venta osamente sin medios de acoplamiento. Se fijan a una distancia de la junta que puede ajustarse a través de ejes y se mantienen mediante presión elástica en contacto con el tubo. Para diferentes diámetros de tubos también es posible un ajuste de altura a través de los ejes. Al igual que el sistema óptico y la cámara, también los palpadores de ultrasonido se fijan en forma centralizada entre las dos placas interiores y se desplazan junto con estas sobre la periferia del tubo.
La operación de la instalación es a través de un control externo que permite controlar la unidad de láser y los aspectos técnicos de los aparatos. También detecta y procesa todos los datos de la cámara, de los palpadores de ultrasonido y del sensor LWM que se encuentra en el sistema óptico. Aquí se fija e activa a través de un software el curso preciso del programa.
A manera de complemento de las herramientas necesarias para el proceso de soldadura en si se pueden llevar con la ayuda del carro rodante otras herramientas u otros componentes necesarios para el proceso de soldadura, que son auxiliares en el proceso de soldadura o que son necesarios para etapas posteriores de fabricación. Esto puede ser e.g. un sistema seguidor de cordón o medios de medición para el control de calidad no destructivo del cordón de soldadura mediante medición del cordón o detección de defectos. Por medio de un sistema que se adelanta al siguiente proceso de soldadura puede detectarse la junta por soldar y regularse la posición del proceso de soldadura en su posición.
Por medio e.g. de unos sistemas ópticos es posible además una inspección de calidad del cordón de soldadura .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS Las figuras anexas muestran: Figura 1 la construcción básica del dispositivo inventivo .
Figura 2 en una representación seccionada esquemáticamente la guia anular de los arcos giratorios o del marco giratorio.
Figura 3 en una vista esquemática el dispositivo colocado sobre los extremos de tubo.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 ilustra la construcción básica del dispositivo inventivo. Ésta consiste de las dos placas guias de base 2 en forma de anillos circulares que están provistas de una abertura radial para que se puedan colocar sobre los tubos 1, 1' por juntar. El diámetro interior del anillo circular es mayor que el diámetro de los tubos 1, 1' por soldar para poder realizar un ajuste exacto a través del juego radial para la trayectoria orbital centrada de las herramientas de soldadura y de inspección. Para la fijación del dispositivo en los extremos de los tubos 1, 1' en las caras exteriores de las placas guia de base 2, orientadas en dirección opuesta a la junta de soldadura, se encuentran fijados unos elementos de apriete 3 que sirven para fijar las dos placas guias de base 2 mediante apriete en respectivamente un extremo de tubo por medio de elementos de apriete 3.
En las caras interiores de las placas guias de base 2, orientadas a la junta de soldadura, se guia mediante soporte rotativo en cada caso un arco giratorio 4, 4' en forma de anillo circular, también provisto de una abertura radial, de manera que éstos puedan realizar un movimiento circular a lo largo de las placas guias de base 2 en la periferia de los tubos 1, 1' . Los arcos giratorios 4, 4' están rígidamente conectados entre sí mediante unos alojamientos de herramientas 5, 5' para formar un marco giratorio, pudiendo montarse en los alojamientos de herramientas 5, 5' todos los componentes de la tecnología de junta y de inspección.
La figura 2 muestra en una representación seccionada esquemáticamente la guía anular de los arcos giratorios respectivamente del marco giratorio. La placa guía de base 2 en forma de anillo circular está colocada sobre el tubo 1 y fijada mediante apriete de los elementos de apriete 3 en el tubo 1. A través del juego radial entre el diámetro exterior del tubo 1 y un diámetro de anillo circular interior de la placa guía de base 2 puede llevarse a cabo un ajuste de centrado exacto del dispositivo con relación al eje longitudinal del tubo 1. Para permitir el movimiento circular de los arcos giratorios 4, 4', estos se guían ventajosamente en forma giratoria sobre la periferia a través de un riel de guia 6 en forma de anillo circular, dispuesto en cada caso entre las placas guias de base 2 y los arcos giratorios 4, 4'. Los rieles de guia 6 están fijados en los arcos giratorios 4, 4' y se guian en cada caso mediante unos rodillos de guia 7 dispuestos en la superficie exterior e interior de los rieles de guia 6 y que están conectados a su vez con las placas guias de base 2.
Para el accionamiento del movimiento orbital del marco giratorio se fija inventivamente en ambas caras en cada caso entre el arco giratorio 4, 4' y la placa guía de base 2 una corona dentada y un motor de accionamiento (no se representa). Las dos coronas dentadas están fijadas en los arcos giratorios 4, 4' y realizan el movimiento orbital. Los motores están conectados con las placas guias de base 2 y transmiten el movimiento rotatorio a través de piñones a las coronas dentadas.
Entre el motor y el piñón se encuentra fijada, en un perfeccionamiento ventajoso de la invención, una transmisión consistiendo de un engranaje planetario y una rueda helicoidal. Ésta se encarga de un arranque y de un paro del movimiento rotatorio tan continuos como posible.
La figura 3 muestra en una vista esquemática el dispositivo colocado sobre los extremos de tubo sobre el eje longitudinal de tubo con las herramientas de soldadura y de inspección montadas en unos alojamientos de herramientas 5, 5' dispuestos en los arcos giratorios 4, 4'. Por motivo de una representación más clara se muestran en esta vista únicamente el arco giratorio 4 posterior y las herramientas de soldadura e inspección fijadas en éste mediante los alojamientos de herramientas 5, 5' que aquí no se representan.
En el arco giratorio 4 se encuentra dispuesto una unidad de soldadura por láser 8 que puede desplazarse en diferentes ejes y que consiste de una cabeza de soldar 9 y unidades de desplazamiento para el ajuste de altura 10 radial y para el posicionamiento en la dirección longitudinal 11 del tubo, que permite alinear el rayo láser 12 con precisión hacia la junta de soldadura de los tubos 1, 1' que han de conectarse.
Para la programación de la necesaria geometría de cordón y, con ello, para controlar el láser (e.g. posicionamiento, potencia) se detecta con una cámara 14 la geometría de la junta de soldadura, en particular el desplazamiento de cantos y la distancia, mediante una línea lineal producida por un láser de línea 13 (no se muestra presentemente) transversal con relación a la junta de soldadura .
Los valores así capturados son usados para la programación del cordón. La línea de láser es detectada por un software de cámara e influye a través de una calculación de posición la regulación de altura y alineación lateral del sistema óptico de la cabeza de soldar 9. El láser de linea 13 y la cámara 14 están provistos para el posicionamiento exacto con una unidad de ajuste 15 para ajustar la altura y el ángulo.
Para evaluar defectos en el cordón de soldadura directamente después de soldar, dos palpadores de ultrasonido 16 están dispuestos en un alojamiento de herramienta no representado mayormente de manera tal que inspeccionan el cordón de soldadura de ambos lados. Los palpadores de ultrasonido 16 están dispuestos en forma rotatoria y pueden ajustarse por medio de unidades de desplazamiento 17, 18 adicionales radialmente en su altura y en la dirección longitudinal del tubo con relación al cordón de soldadura que ha de inspeccionarse. Los palpadores de ultrasonido 16 son apropiados preferentemente para una inspección sin medios de acoplamiento.
LISTA DE SIGNOS DE REFERENCIA N° Designación 1, 1' Tubos 2 Placas guías de base 3 Elementos de apriete 4, 4' Arcos giratorios 5 Alojamiento de herramienta cabeza de soldar 5' Alojamiento de herramienta de cabeza de inspección 6 Rieles de guia 7 Rodillos de guia 8 Unidad de soldadura por láser 9 Cabeza de soldar 10 Unidad de desplazamiento para el ajuste de altura radial 11 Unidad de desplazamiento para el posicionamiento en dirección longitudinal de tubo 12 Rayo láser 13 Láser de linea 14 Cámara 15 Ajuste de altura y ángulo 16 Palpadores de ultrasonido 17 Unidad de desplazamiento para el ajuste de altura radial 18 Unidad de desplazamiento para el posicionamiento en dirección longitudinal de tubo

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Dispositivo para la conexión de los extremos de tubos ya alineados y soldados mediante cordón provisional, en particular de acero, por medio de soldadura orbital teniendo una junta de soldadura formada por los extremos de tubo y herramientas desplazables en forma orbital sobre la junta de soldadura para la soldadura e inspección del cordón de soldadura, caracterizado porque el dispositivo consiste de unas placas guias de base que pueden colocarse y fijarse mediante apriete en ambos lados en los respectivos extremos de tubo en la región del sitio de soldadura, siendo que las placas guias de base tienen en el centro una entalladura circular con una abertura radial en la entalladura para el paso y el alojamiento centrado de los tubos por soldar, teniendo unos elementos de apriete firmemente conectados en las caras de las placas guias de base orientadas en sentido opuesto de la junta de soldadura para el apriete de las placas guias de base con los extremos de tubo, y teniendo un marco para el alojamiento de las herramientas de soldadura e inspección, dispuesto mediante soporte rotativo en las caras interiores orientadas a la junta de soldadura entre las placas guias de base, y que puede girar en forma centrada en al menos 360° sobre los extremos de tubo.
2. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el marco consiste de arcos giratorios y alojamientos de herramientas para las herramientas de soldadura y de inspección, los cuales conectan entre si a los arcos giratorios.
3. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 1 y 2, caracterizado porque entre las placas guias de base y los arcos giratorios se encuentra en cada caso un riel de guia en forma de anillo circular en el cual el arco giratorio se aloja de manera que pueda girar orbitalmente sobre el tubo.
4. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque los arcos giratorios están soportados por medio de rodillos de guia en los rieles de guia.
5. Dispositivo de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque se montan en los alojamientos de herramientas como herramientas de soldadura unas cabezas de soldar que trabajan con láser, gas de protección y/o de manera híbrida.
6. Dispositivo de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque como herramienta de inspección se encuentra montado un sistema para la prueba no destructiva del cordón de soldadura.
7. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado porque el sistema para la prueba no destructiva del cordón de soldadura es una unidad de inspección por ultrasonido.
8. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque la unidad de inspección por ultrasonido comprende al menos dos palpadores de ultrasonido que pueden colocarse en los extremos de tubo en ambos lados del cordón de soldadura.
9. Dispositivo de conformidad con una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque además de las herramientas de soldadura y de inspección se disponen otras herramientas en los alojamientos de herramientas.
10. Dispositivo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque las demás herramientas son una unidad de precalentamiento, una o más cabezas de soldar adicionales, un sistema de detección de geometría de cordón y/o un sistema de seguimiento de cordón . RESUMEN DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona con un dispositivo para la conexión de los extremos de tubos que ya están alineados y soldados con un cordón provisional, y que están fabricados en particular de acero, mediante un proceso de soldadura orbital usando una junta de soldadura que se forma por los extremos de los tubos y usando herramientas que pueden moverse a lo largo de la junta de soldadura de manera orbital para soldar e inspeccionar el cordón de soldadura. El dispositivo consiste de placas guias de base que pueden colocarse en ambos lados de cada extremo de tubo en la región del sitio de soldadura y que puede fijarse firmemente mediante apriete con los extremos de tubo referidos. Las placas guias de base tienen en el centro una entalladura circular con una abertura radial para el paso de los tubos por soldar y para alojar en el centro los tubos en la entalladura. La placa guia de base comprende unos elementos de apriete para fijar las placas guias de base en los extremos de los tubos, estos elementos de apriete siendo conectados firmemente con cada una de las caras de las placas guias de base orientadas en dirección opuesta a la junta de soldadura, asi como un marco para el alojamiento de las herramientas de soldadura e inspección, el marco referido siendo montado en forma rotatoria entre las placas guias de base en la cara interior orientada a la junta de soldadura y pudiendo girar en forma centrada sobre los extremos de tubo en al menos 360°.
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