NO309367B1 - Automatisk sporfölgingssystem for sveising av rörledninger - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører generelt buesveising av rørsømmer eller fuger og mer spesielt et nytt og anvendelig system for sveising av en fuge ved bruk av automatisk sporføl-ging.

Innen feltet metallbearbeiding, brukes gassmetallbuesveisingssystemer for å sveise offshore-rørledninger med stor diameter. Utstyret er installert på rørleggingsfartøyer og anvender flere sveisehoder, d.v.s. brennere, for å utføre sveising av rørfugene. I tillegg, siden brennerne beveges rundt sveisefugen, oscillerer hver brenner for å dekke fugens bredde og fugefølgin-gen eller sporfølgingen styres under denne oscilleringen i henhold til US-patent 4.857.701. Nå for tiden utføres fugefølgingen ved manuell styre av hvert sveisehode av en operatør som beskrevet i US-patent 3.764.056 og 3.858.026. Automatisk fugefølging, så som sporfølgin-gen beskrevet i US-patent 4.525.616, er blitt utviklet for å eliminere menneskelige feil ved sveisehodenes sporfølging.

Scanning av sveisefuger i tilknytning til sporfølging er i og for seg kjent. Eksempelvis beskriver US-patent 4.596.619 et system av denne typen hvor det frembringes et bilde under

sveiseprosessen. Oppfinnelsen i denne publikasjonen er ikke rettet mot sveising av rørlednin-ger, men en anordning for tredimensjonal avbildning. Hensikten er å tilveiebringe et støyfritt bilde under tilstedeværelsen av en sveiselysbue slik at det ikke er behov for tilleggsprogram-vare for behandling av uønskede effekter.

Videre har det vært brukt automatiske sveisesystemer for rørledninger til havs og andre typer automatiske sporfølgingssystemer er allerede kjent. Som eksempel på et slikt system, kan det vises til US-patent 4.373.125 som beskriver et slikt system hvor sveisehodene er montert på to bevegelige vogner, og hvor det anvendes mekanisk sporfølging. US-patent 3.555.239 beskriver den tidlige bruken av datamaskinstyring ved sveising av f.eks. rørledninger. Det angis imidlertid ikke noe om bruk av en laser for kartlegging før sveiseoperasjonen påbegynnes.

"Through are" sporfølging er en fremgangsmåte ved automatisk sporfølging som brukes ved automatisk sveising. Denne metoden måler endringer i buespenningen når buen nærmer seg sideveggen i sveisefugen. Denne informasjonen blir deretter behandlet elektronisk med hensyn til fugens posisjon. Brenneren blir deretter ført i midten av sveisefugen. Selv om denne fremgangsmåten muliggjør bestemmelse av den nøyaktige posisjonen til sideveggen, er systemet som anvendes meget komplekst og krever bruk av sofistikert elektronikk.

En annen fremgangsmåte anvender en mekanisk sensor for mekaniske fugefølgere eller spor-følgere som brukes ved automatisk sveising. I dette tilfellet er en mekanisk sensor plassert et eller annet sted i fugen, vanligvis foran den bevegelige brenneren og virker som en føring. Brenneren, via en mekanisk anordning, føler deretter sensoren. Selv om sensoren vanligvis gir en enkel tilnærmelse til automatisk sporfølging og ikke krever så mye elektronisk teknologi som de andre kjente metodene, oppstår det lett feil på grunn av ujevnheter i sveisefugen som er resultatet av langsgående sveisefuger, sveisesprut, slitasje og lignende.

En annen metode for automatisk sporfølging av en sveisefuge er ved bruk av optikk. Optiske fugefølgere fokuserer vanlig lys på kanten av sveisefugen eller en annen kjent referanse og ved hjelp av optoelektronikk anvendes posisjonen til å føre bevegelsen av sveisehodet ned i midten av fugen. Selv om optisk teknologi kan være meget nøyaktig, er det optiske sporføl-gingssystemet et meget komplekst system som i tillegg krever sofistikert elektronikk og optikk.

Foreliggende oppfinnelse vedrører således et system for automatisk sporfølging av en overflate for å utføre en sveiseoperasjon, som angitt i innledningen til det selvstendige patentkrav 1.

Systemet innbefatter en ramme og et par ringtannhjul som er bevegelig montert til rammen. Ringtannhjulene har en innbyrdes avstand fra hverandre. Tre sveisehoder er bevegelig montert på hvert ringtannhjul. Sveisehodene er forsynt med sveiseorgan for å tilveiebringe en sveis og laserscanneorgan for scanning av overflaten og for måling av avstander over overflaten. Styreorgan kommuniserer med laserscanneorganet og mottar de målte avstandene fra scanneorganet. Styreorganet regulerer også bevegelsen av ringtannhj ulene og derved bevegelsen av sveisehodene.

Oppfinnelsen beskriver også en fremgangsmåte for automatisk sporfølging av en overflate, slik at en sveiseenhet kan utføre en sveiseoperasjon på overflaten. Fremgangsmåten innbefatter scanning av overflaten med lasermåleorgan og kartlegger overflaten ved scanneren. Et kart over overflaten og posisjonen til sveisefugen blir således bestemt ved hjelp av scanning og lagres i styresystemets minne. En sporfølging for sveise-enheten innstilles deretter i henhold til kartet av overflaten og posisjonen til sveisefugen. Etter innstilling av sporfølgingen, utføres sveiseoperasjonen av sveiseenheten i henhold til den innstilte sporfølgingen.

Oppfinnelsen avhjelper problemene ved den kjente teknikk. Eksempelvis er problemet med å oppnå et støyfritt bilde under sveisingen er unngått. Likeledes er unøyaktigheten ved manuell sporing er unngått.

De forskjellige nyhetstrekkene som karakteriserer oppfinnelsen er angitt i patentkravene, som utgjør en del av denne beskrivelsen.

For en bedre forståelse av oppfinnelsen, dens driftsmessige fordeler og spesifikke trekk ved dens anvendelse, henvises det til den etterfølgende detaljerte beskrivelse av en spesielt foretrukket utførelsesform.

Figur 1 viser skjematisk et sporfølgingssystem i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 viser et snitt langs linjen 11-11 i figur 1.

Figur 3 viser et ringtannhjul i systemet i figur 2 sett fra enden.

Figur 4 viser skjematisk laserscannings-og kartleggingstrinnet.

Figur 5 viser skjematisk sveisetrinnet.

Figur 6 er en detalj som viser sveisetrinnet.

Foreliggende oppfinnelse vedrører som nevnt buesveiseoperasjoner og spesielt sveiseopera-sjoner som utføres på rørledninger til havs. Som vist i figur 1, består rørledninger 5 til havs generelt.av et stålrør med en type korrosjonsbestandig belegg 8 påført på rørets ytre overflate, bortsett fra ved endene av røret hvor sveiseoperasjonene skal utføres. En mengde betong 7 som er variabel, er belagt på toppen av belegget 8. Betongbelegget 7 er typisk mellom 2 og 6 tommer tykt. Betongen 7 gir vekt til røret 5 for å sikre negativ oppdrift. Det er vel kjent at betongen 7 på toppen av belegget 8 ikke er jevn.

Ved utøvelse av en sveiseoperasjon med en sveiseenhet, hviler en sveiseenhetsramme 10 på betonglaget 7. På grunn av betonglagets 7 ujevnheter, er rammen 10 i en viss grad skråstilt og skjev med hensyn til planet til en sveis 9. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer derved en form for fugesporfølging for å tilpasses dette problemet.

Som vist på figur 1, har rammen 10 to ringtannhjul 30 med en viss innbyrdes avstand fra hverandre og som er parallelle med hverandre. Ringtannhj ulene 30 er bevegelig montert til rammen 10 og deres bevegelse er styrt av et styresystem 25 som innbefatter en børsteløs DC (likestrøm) motor og et servosystem.

Som vist på figurene 2 og 3, har hvert ringtannhjul 30 tre sveisehoder 50 bevegelig montert på ringtannhj ulene 30. Det er derved seks sveisehoder 50 tilveiebragt på foreliggende oppfinnelse, det vil si tre sveisehoder 50 på hvert ringtannhjul 30. Sveisehodene 50 er fortrinns-vis montert ca. 60° fra hverandre. Sveisehodene 50 er montert på ringtannhjulene 30 med et forlenget Y-planbord som er en del av det mekaniske bordet 60 beskrevet nedenfor og som er ansvarlig for bevegelse av sveisehodene 50 mot og bort fra overflaten til røret 5 (figur 2). Y-planbordet er også kjent som en "ut-av-rundhets" enhet. Selv om anvendelsen av elektriske organ så som et mekanisk bord, er foretrukket for bevegelse av sveisehodene til overflaten av røret, det kan da også brukes ethvert passende organ så som pneumatisk sylinder.

Sveisehodene 50 innbefatter også et mekanisk bord 60 som er et X-Y bord og en sveisebren-ner 80 er montert på utløpssiden av bordet 60. Bordet 60 er bevegelig i flere retninger så som et X plan, som er definert som retningen av brenneroscilleringen horisontalt over en sveisefuge 9 som vist i figur 5. Det mekaniske bordet 60 er også bevegelig i et Y plan som er definert som de retningene sveisehodet 50 og brenneren 80 vertikalt beveges mot og bort fra overflaten til røret 5 (figur 5). X-Y bordet 60 har to styreanordninger 65 som er børsteløse DC mo-torer, hvor hver børsteløs motor styrer bevegelsen av bordene 60 i deres respektive plan. Hver motor er tilveiebragt med en omformer for å gi informasjon om posisjon, hastighet, kommutering. Styreanordningene 65 innbefatter også et servosystem så som en servoforster-ker for å sende denne informasjonen til en systemhoveddatamaskin. På denne måten er den relative posisjonen til hvert sveisehode tilgjengelig og kjent til enhver tid.

Sveisehodet 50 innbefatter også en lasermåleanordning 70 på hvert sveisehode 50. Laseran-ordningen 70 er en klasse UIB laser som anvender en trianguleringsteknikk for nøyaktig å måle avstanden til et objekt. Når sveisehodet 50 er installert på ringtannhj ulet 30, måles en nøyaktig referanseposisjon mellom brenneren 80 og laseren 70 i en kalibreringsprosedyre.

Sveisehodene 50 er montert på ringtannhj ulene 30 og beveges i repeterbare mønstre rundt overflaten til røret 5 (figur 2). Laserne 70 festes til sveisehodene 50, scanner overflaten til røret 5 på hver side av og over sveisefugen 9 (figur 4). Foreliggende oppfinnelse utfører denne scanneoperasjonen over hele omkretsen til røret 5, som vist i figur 2. Den målte avstanden og posisjonen til sveisefugen i forhold til lasermåleanordningen 70, lagres av styresystemet for foreliggende oppfinnelse. Basert på de målte avstander og posisjoner til sveisefugen, innstilles en sporfølging for sveiseenheten. Enhver radiell bevegelse av sveisehodene 50 på ringtannhj ulene 30, ble deretter tilpasset via bevegelsen av X-Y bordet 60 for å holde brennerne 80 ved midten av sveisefugen 9 for å danne en oscillerende sveis 20 som vist i figurene 5 og 6.

Med en gang "ut av rundhets" enheten har forlenget eller fremført sveisehodene fullstendig og operatøren er klar til å sveise, aktiveres et sikkerhetsvarsellys og alarm og lasermåleanordningen 70 blir også aktivert.

Ved aktivering begynner laserne 70 å scanne røroverflaten 5 (figur 4) over sveisefugen 9, for å danne et kart av røroverflaten 5 og posisjonen til sveisefugen 9 lagres i styresystemets minne. Denne informasjonen tas for hele omkretsen til røret 5 i 60°'s segmenter. Når scanningen er utført, deaktiveres laserne 70.

Med en gang kartleggingsscanningen er ferdig, er systemet klar til å sveise. Enhver bevegelse av sveisehodene 50 via ringtannhjulene 30, tilpasses med en nøyaktig bevegelse av X-Y bordet 60 for å holde brennerne 80 i midten av sveisefugen 9 (figur 1). Foreliggende oppfinnelse erstatter derved de kjente manuelle styresystemene med en mer nøyaktig automatisk sporingsmetode og system.

Hovedårsaken til sveisereparasjoner ved gassmetallbuesveising skyldes mangelen på sideveggsfusjon. Når det brukes manuell sporfølging og operatøren av og til følger en side eller den andre, oppnås det ikke tilfredsstillende fusjon på begge sider av sveisen. Resultatet er en effekt som krever sveisereparasjon. Den automatisk sporfølgingen ved gassmetallbuesveising i henhold til foreliggende oppfinnelse, erstatter enhver grad av operatørfeil ved nøyaktig å plassere brenneren i midten av sveisefugen hele tiden. Dette reduserer i stor grad risikoen for en manglende sideveggsfusjon på grunn av sporfølgingsfeil.

I tillegg krever manuell sporfølging at operatøren visuelt sporfølger hver brenner. På grunn av dette, vil manuell sporfølging vanligvis begrense antallet brennere en enkelt operatør kan håndtere til to. Ved automatisk sporfølging i henhold til foreliggende oppfinnelse, kan antallet brennere pr. operatør økes. Antallet brennere pr. operatør er derfor økt til tre.

Videre vil manuell sporfølging kreve større rom for feil i sporfølgingen uten fysisk å treffe en sidevegg. Siden den automatiske sporfølgingen i henhold til foreliggende oppfinnelse er mer nøyaktig, kan sveisefugene gjøres smalere. Det vil si med mindre sideveggvinkel i sveisefugen. Den smalere fugen medfører mindre volum og reduserer mengden av sveisemetall som er nødvendig for å fylle sammenføyningen, og krever derved mindre tid og mindre sveisetråd.

Selv om det er beskrevet og vist en spesiell utførelsesform av oppfinnelsen i detalj for å vise anvendelse av prinsippene ifølge oppfinnelse, vil det være underforstått at oppfinnelsen kan utøves på annen måte uten å avvike fra slike prinsipper.

Claims (8)

1. System for automatisk sporfølging av en overflate for utøvelse av sveising, særlig ved sveising av rørledninger, omfattende en ramme (10), ringtannhjul (30) som har en innbyrdes avstand og er bevegelig montert på rammen (10), og sveisehoder (50) bevegelig montert på hvert ringtannhjul (30), karakterisert ved at: a. et par ringtannhjul (30) er bevegelig montert på rammen (10), b. tre sveisehoder (50) er bevegelig montert på hvert ringtannhjul (30), hvilke sveisehoder har sveiseorgan for å tilveiebringe en sveis og laserscanneorgan (70) for scanning av en overflate og for måling av avstander over overflaten, og c. styreorgan som kommuniserer med laserscanneorganet (70) for å motta de målte avstandene og for å styre bevegelsen av ringtannhj ulene (30) og bevegelsen av sveisehodene (50).

2. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at det innbefatter organ montert mellom ringtannhj ulene (30) og hvert sveisehode (50), for å bevege sveisehodene (50) mot og bort fra overflaten som skal sveises.

3. System i henhold til krav 2, karakterisert ved at sveiseorganet innbefatter en svei-sebrenner (80).

4. System i henhold til krav 2, karakterisert ved at organet for å bevege sveisehodene (50) innbefatter et bevegelig bord (60).

5. System i henhold til krav 1, karakterisert ved at hvert sveisehode (50) er montert periferisk på ringtannhj ulet (30) tilnærmet 60° fra et annet sveisehode (50).

6. System i henhold til krav 4, karakterisert ved at styreorganet innbefatter en ringtannhj ulmotor operativt forbundet med ringtannhj ulene (30) for bevegelse av ringtannhj ulene (30).

7. System i henhold til krav 6, karakterisert ved at styreorganet ytterligere innbefatter minst en bordmotor operativt forbundet med bordet (60) for bevegelse av sveisehodet (50).

8. System i henhold til krav 7, karakterisert ved at bordet (60) er bevegelig i en hori-sontalretning og en vertikalretning.