RU2074799C1

RU2074799C1 - Complex for continuous laser welding of pipelines

Info

Publication number: RU2074799C1
Application number: RU94031589A
Authority: RU
Inventors: А.М. Забелин
Original assignee: Акционерное общество закрытого типа "Технолазер"
Priority date: 1994-08-29
Filing date: 1994-08-29
Publication date: 1997-03-10
Also published as: RU94031589A

Abstract

FIELD: welding laying of pipelines in tundra, desert, steppe. SUBSTANCE: all equipment of complex is placed inside pipeline to be welded. Equipment includes jet engine. Blade of engine compressor provides high velocity air stream, thus cooling the heat exchanger placed out side laser body. Shaft of engine is also shaft of generator which supplies power for entire complex. Pumping through device mounted on end of shaft provides transfer of working mixture in laser system. EFFECT: enlarged operating capabilities, improved reliability. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к обработке материалов с помощью лучевых методов и может быть использовано для лазерной сварки трубопроводов различного назначения в полевых условиях: пустыни, степи, тундра. The invention relates to the processing of materials using radiation methods and can be used for laser welding of pipelines for various purposes in the field: desert, steppe, tundra.

Известная установка для лазерной сварки кольцевых швов труб [1] включает в свой состав оптическую систему для подачи лазерного излучения от источника (лазера) в зону сварки. The known installation for laser welding of annular pipe seams [1] includes an optical system for supplying laser radiation from a source (laser) to the welding zone.

Оптическая система имеет 4 водоохлаждаемых зеркала: три отражающих и одно фокусирующее. The optical system has 4 water-cooled mirrors: three reflective and one focusing.

Установка работает следующим образом. Лазерный луч от источника излучения направляется на первое зеркало, отражаясь от которого направляется на второе зеркало. Второе зеркало подвижное, расположено на водиле, которое в свою очередь имеет возможность во время сварки перемещаться вокруг трубы на половину ее периметра (180^o). Отражаясь от второго зеркала, луч попадает на третье зеркало, расположенное на кольцевой каретке типа скобы, орбитально перемещаемой вокруг трубы на 360^o. Отражаясь от него, луч направляется на последнее фокусирующее зеркало, после чего попадает непосредственно в зону сварки.Installation works as follows. The laser beam from the radiation source is directed to the first mirror, reflecting from which is sent to the second mirror. The second mirror is movable, located on the carrier, which in turn has the ability during welding to move around the pipe half its perimeter (180 ^o ). Reflecting from the second mirror, the beam hits the third mirror located on the ring carriage type brackets, orbitally moving around the pipe 360 ^o . Reflecting from it, the beam is directed to the last focusing mirror, after which it enters directly into the welding zone.

Данная система имеет следующие недостатки:
1. Лучевой тракт имеет на своем протяжении несколько водоохлаждаемых зеркал, что ведет к искажению волнового фронта, изменению состояния поляризации во время сварочного процесса, и, следовательно, к непостоянству качества сварного соединения на его протяжении. Кроме того, на каждом из зеркал поглощается определенное количество мощности излучения и поэтому для реализации процесса сварки требуется больше подводимой электроэнергии. Кроме того, такая организация кругового перемещения лазерного луча реализуется с помощью нескольких громоздких механизмов водило, кольцевая каретка типа скобы и т.д. ведет к громоздкости всей установки в целом.This system has the following disadvantages:
1. The radial tract has several water-cooled mirrors throughout, which leads to a distortion of the wave front, a change in the state of polarization during the welding process, and, consequently, to inconsistent quality of the welded joint along it. In addition, a certain amount of radiation power is absorbed on each of the mirrors, and therefore, more electric power is required to implement the welding process. In addition, such an organization of the circular movement of the laser beam is realized with the help of several bulky mechanisms of a carrier, an annular carriage such as a bracket, etc. leads to the bulkiness of the entire installation.

2. Для реализации технологического процесса сварки труб на практике необходимо перемещение установки, станции энергообеспечения, технологического лазера, оборудования обеспечения его работы вдоль трассы прокладки трубопровода. Для решения этой задачи необходимо использовать несколько дополнительных транспортных средств-вездеходов, тягачей и т.д. так как прокладка ведется в условиях бездорожья. 2. To implement the technological process of pipe welding in practice, it is necessary to move the installation, power supply station, technological laser, equipment to ensure its operation along the pipeline laying route. To solve this problem, it is necessary to use several additional all-terrain vehicles, tractors, etc. since the laying is carried out in off-road conditions.

3. Перемещение технологического оборудования-лазера, оптических систем в полевых условиях неизбежно связано с различного рода трясками, вибрациями и т. д. что ведет к разъюстировке таких систем, как резонатор лазера, элементы внешнего оптического тракта, фокусирующая оптика. Дополнительная юстировка всех вышеназванных систем является трудоемкой работой, требующей больших затрат времени. 3. The movement of laser processing equipment, optical systems in the field is inevitably associated with various kinds of shaking, vibration, etc., which leads to misalignment of such systems as a laser cavity, elements of the external optical path, and focusing optics. Additional alignment of all of the above systems is a time-consuming work that requires a lot of time.

4. Работа установки, в состав которой входят точные механические узлы перемещения, оптические элементы, в условиях прямого воздействия атмосферы (дождь, снег и т.д.) ведет к ухудшению эксплуатационных характеристик комплекса и снижает надежность его работы. 4. The operation of the installation, which includes precise mechanical displacement units, optical elements, under direct exposure to the atmosphere (rain, snow, etc.) leads to a deterioration in the operational characteristics of the complex and reduces the reliability of its operation.

5. Сварка труб большого диаметра может проводится с помощью мощных СО₂-лазеров, в которых для генерации необходимой мощности излучения прокачка рабочей смеси осуществляется со скоростями до 100 м/с. Охлаждение смеси в таких лазерах в стационарных условиях осуществляется прямым потоком воды из магистрали с последующим ее сливом. Организация водооборотной системы в полевых условиях ведет к чрезвычайной громоздкости всей установки, а также к использованию дополнительного оборудования-баки, дополнительные магистрали, насосы и т.д.5. Welding of large diameter pipes can be carried out using powerful CO ₂ lasers, in which the working mixture is pumped at speeds of up to 100 m / s to generate the required radiation power. The mixture is cooled in such lasers under stationary conditions by a direct stream of water from the main with its subsequent discharge. The organization of a water circulation system in the field leads to extreme cumbersomeness of the entire installation, as well as to the use of additional equipment-tanks, additional lines, pumps, etc.

Имеется сварочный комплекс для изготовления непрерывного трубопровода [2]
Комплекс имеет в своем составе внутритрубную сварочную трубу с собственным приводом перемещения и многозвенной штангой, самоходную тележку с электростанцией, аппаратурой управления, индуктор, рольганг, контейнер для внутритрубной сварочной машины, платформу с размещенными на ней зажимами. Предназначенная для сварки труба устанавливается в зажимы, расположенные на единой платформе с зажимами конца трубопровода. Дополнительной центровки их торцов не требуется. После этого, используя собственный привод, внутритрубная сварочная машина заходит в отверстие привариваемой трубы, перемещается внутри нее до места стыка, приводит сварку кольцевого шва. По окончании сварки внутритрубная сварочная машина перемещается обратно к выходу. Выйдя из трубы, она перемещается в контейнер. Сварочный комплекс перемещается вперед на длину трубы. Далее производится загрузка новой трубы, ее центровка относительно трубопровода, и технологический цикл повторяется.There is a welding complex for the manufacture of a continuous pipeline [2]
The complex includes an in-line welding pipe with its own displacement drive and multi-link bar, a self-propelled cart with a power station, control equipment, inductor, live roll, a container for an in-line welding machine, a platform with clamps placed on it. The pipe intended for welding is installed in clamps located on a single platform with clamps on the end of the pipeline. Additional alignment of their ends is not required. After that, using its own drive, the in-line welding machine enters the hole of the welded pipe, moves inside it to the junction, leads to welding of the annular seam. At the end of welding, the in-line welding machine moves back to the exit. Leaving the pipe, it moves into the container. The welding complex moves forward by the length of the pipe. Next, a new pipe is loaded, its centering relative to the pipeline, and the technological cycle is repeated.

В состав комплекса не входит сложная система водоохлаждаемых зеркал, и, следовательно, исключены все возникающие с этим проблемы (см. выше). Кроме того, все технологическое оборудование как для центровки свариваемых труб, так и для проведения непосредственно процесса сварки, размещено на единой платформе. The complex does not include a complex system of water-cooled mirrors, and, therefore, all problems arising with this are excluded (see above). In addition, all technological equipment for aligning the pipes to be welded and for conducting the welding process directly is located on a single platform.

Комплекс имеет следующие недостатки:
1. Для реализации процесса сварки трубопровода в полевых условиях без сложной оптической системы приходится использовать дуговой способ сварки вместо лазерного, что на практике ведет к резкому ухудшению эксплуатационных характеристик сварного шва и соответственно к снижению надежности работы трубопровода.The complex has the following disadvantages:
1. To implement the process of welding the pipeline in the field without a complex optical system, it is necessary to use an arc method of welding instead of the laser, which in practice leads to a sharp deterioration in the operational characteristics of the weld and, accordingly, to a decrease in the reliability of the pipeline.

2. Большая доля вспомогательного времени. Для осуществления полного технологического цикла внутритрубная сварочная машина должна дважды пройти внутри трубы на всю ее длину, что требует затрат времени (минимальная длина трубы, предназначенной для сварки трубопроводов 10 м [3]). При этом сварочный комплекс простаивает, так как проведение следующей технологической операции загрузки и центровки трубы невозможно. 2. A large proportion of auxiliary time. To implement the full technological cycle, the in-line welding machine must twice go inside the pipe for its entire length, which requires time (the minimum length of the pipe designed for welding pipelines is 10 m [3]). At the same time, the welding complex is idle, since the next technological operation of loading and centering the pipe is impossible.

3. Компоновка сварочного комплекса имеет большие габариты. 3. The layout of the welding complex is large.

Известно устройство для лазерной сварки трубопроводов [4] Устройство предназначено для прокладки трубопроводов по дну моря. Все технологическое оборудование размещается на судне. Устройство включает в свой состав платформу с аппаратурой управления, поддерживающие трубу устройства, зажимные механизмы, лучепровод в виде трубы, на концах которой закреплены фокусирующие устройства с поворотными зеркалами и приводом их вращения. A device for laser welding of pipelines [4] The device is intended for laying pipelines along the bottom of the sea. All technological equipment is placed on the ship. The device includes a platform with control equipment, pipe supporting devices, clamping mechanisms, a beam line in the form of a pipe, at the ends of which focusing devices with rotary mirrors and their rotation drive are fixed.

Устройство работает следующим образом. Предназначенная для сваривания труба устанавливается в зажимы, пристыковывается к концу трубопровода и центрируется относительно него, далее лазер с жестко скрепленными с ним лучепроводом перемещается по рельсам в направлении торца трубы, причем лучепровод заходит внутрь трубы до положения, когда фокусирующее устройство станет напротив свариваемого стыка. После этого с помощью привода вращения фокусирующего устройства и поворотного зеркала при одновременно включенном лазере осуществляется процесс сварки. После его завершения, лазер с вместе с ним жестко скрепленным лучепроводом по рельсам перемещается в обратном направлении, выводя из вновь приваренной трубы лучепровод. Далее судно перемещается вперед на длину привариваемой трубы, новая труба устанавливается в зажимы, центрируется относительно трубопровода, и в дальнейшем технологический цикл повторяется. По конструкции устройство является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип. В отличие от второго аналога в устройстве используется лазерный способ сварки, что ведет к резкому улучшению эксплуатационных характеристик сварных швов, иб следовательно, к повышению надежности работы трубопровода. Однако в прототипе не решен второй недостаток аналога большая доля вспомогательного времени в технологическом процессе, так как для каждой привариваемой трубы необходимо вводить и выводить лучепровод на всю ее длину [3] что требует значительных затрат времени. При этом все устройство, включая лазер, простаивает. The device operates as follows. The pipe intended for welding is installed in the clamps, docked to the end of the pipeline and centered relative to it, then the laser with the beam line rigidly fastened to it moves along the rails in the direction of the pipe end, and the beam line goes inside the pipe until the focusing device is opposite the welded joint. After that, using the rotation drive of the focusing device and the swivel mirror while the laser is on, the welding process is carried out. After its completion, the laser with it is firmly fastened by the beam line along the rails moves in the opposite direction, removing the beam line from the newly welded pipe. Then the vessel moves forward by the length of the welded pipe, the new pipe is installed in the clamps, centered relative to the pipeline, and then the technological cycle is repeated. By design, the device is the closest to the claimed and taken as a prototype. Unlike the second analogue, the device uses a laser welding method, which leads to a sharp improvement in the operational characteristics of the welds, and therefore, to increase the reliability of the pipeline. However, in the prototype, the second drawback of the analogue was not solved, a large proportion of auxiliary time in the technological process, since for each welded pipe it is necessary to introduce and output the beam path over its entire length [3] which requires a considerable investment of time. In this case, the entire device, including the laser, is idle.

Другим недостатком лазера является то, что во время технологического процесса необходимо перемещать по рельсам лазер, что отрицательно сказывается на его высокочувствительных элементах (например, разъюстировка резонатора). Another disadvantage of the laser is that during the process it is necessary to move the laser along the rails, which negatively affects its highly sensitive elements (for example, the alignment of the resonator).

Используемые для сварки трубопроводов лазеры должны иметь большую мощность (5 кВт и выше, т.к. толщина свариваемых труб может достигать 20 мм. Мощные лазеры имеют большую массу (5 т и выше) и их перемещение требует больших усилий. The lasers used for welding pipelines must have high power (5 kW and more, since the thickness of the pipes to be welded can reach 20 mm. Powerful lasers have a large mass (5 t and more) and their movement requires a lot of effort.

Задачами, решаемыми изобретением, являются повышение надежности работы комплекса, уменьшение длины оптического тракта, снижение доли вспомогательного времени и увеличение компактности оборудования комплекса в целом, уменьшение количества вспомогательных транспортных средств. The problems solved by the invention are to increase the reliability of the complex, reducing the length of the optical path, reducing the share of auxiliary time and increasing the compactness of the equipment of the complex as a whole, reducing the number of auxiliary vehicles.

В предлагаемом комплексе, имеющем в своем составе технологический лазер, оптическую систему, привод вращения оптико-фокусирующей системы, систему управления, все его оборудование располагается внутри трубопровода, причем технологический лазер имеет вынесенный теплообменник, прокачку рабочей смеси в котором осуществляет прокачное средство, расположенное на валу реактивного двигателя, а ее охлаждение с внешней стороны осуществляется набегающим потоком воздуха. Поток воздуха организуется лопатками компрессора двигателя. Энергообеспечение комплекса осуществляется генератором, щетки которого взаимодействуют с вращающимся валом. На выходном окне лазера закрепляется оптико-фокусирующая система с поворотным зеркалом и приводом вращения ее вокруг оси трубопровода, лазер и двигатель имеют привода и узлы перемещения комплекса вдоль трубопровода, а двигатель имеет тормозные колодки. Герметичность теплообменника лазера в месте ввода вала двигателя обеспечивается узлом, включающим подшипниковый узел и вакуумные уплотнения. In the proposed complex, which includes a technological laser, an optical system, a rotation drive of the optical focusing system, a control system, all of its equipment is located inside the pipeline, and the technological laser has an external heat exchanger, the pumping of the working mixture in which is carried out by pumping means located on the shaft jet engine, and its cooling from the outside is carried out by an incoming stream of air. The air flow is organized by the blades of the engine compressor. The power supply of the complex is carried out by a generator, the brushes of which interact with a rotating shaft. An optical focusing system with a rotary mirror and a drive for rotating it around the axis of the pipeline is fixed at the laser exit window, the laser and the engine have drives and assemblies for moving the complex along the pipeline, and the engine has brake pads. The tightness of the laser heat exchanger at the point of entry of the motor shaft is ensured by a unit including a bearing assembly and vacuum seals.

Перемещение комплекса по ровной внутренней поверхности трубы обеспечит отсутствие различного рода вибраций оптическим элементам и избавит от периодически проводимой операции их юстировки. Moving the complex along the smooth inner surface of the pipe will ensure the absence of various kinds of vibrations to the optical elements and will eliminate the periodically performed operation of their adjustment.

Данная компоновка позволяет практически исключить все внешние транспортные средства. This arrangement allows virtually eliminating all external vehicles.

Использование реактивного двигателя в составе комплекса, позволяет сразу решить 3 задачи:
1. Обеспечение прокачки газовой смеси в контуре технологического лазера.Using a jet engine in the complex allows you to immediately solve 3 problems:
1. Ensuring the pumping of the gas mixture in the circuit of the technological laser.

2. Обеспечение работы генератора, дающего электропитание для всего комплекса. 2. Ensuring the operation of a generator that provides power for the entire complex.

3. Осуществление быстрого протока воздуха и тем самым охлаждение теплообменника технологического лазера. 3. The implementation of a rapid air flow and thereby cooling the heat exchanger of the technological laser.

Комплекс выглядит следующим образом (фиг. 1, 2). The complex is as follows (Fig. 1, 2).

На технологическом лазере 1 закреплена оптико-фокусирующая система 2 с поворотным зеркалом 3 и приводом и механизмом вращения оптико-фокусирующей системы вокруг оси трубопровода 4. На сопле оптической системы закреплен датчик обнаружения и контроля за стыком 5. Теплообменник лазера 6 вынесен за его пределы. Прокачку газовой смеси лазера обеспечивает прокачное средство 7, расположенное на валу 8 двигателя 9. Герметичность теплообменника в месте ввода вала обеспечивается узлом 10, включающем подшипниковый узел и вакуумные уплотнения. За теплообменником лазера располагается генератор электроэнергии 11 с щетками 12, обеспечивающий энергообеспечение лазера и всех других систем комплекса. По кабелю 13 подается энергопитание к лазеру. За генератором расположен компрессор 14 двигателя 9. Топливо для работы двигателя размещается в специальных баках 15. Перемещение комплекса обеспечивается приводом и узлами перемещения 16. Они также обеспечивают ориентацию комплекса относительно оси трубопровода (фиг. 2). Фиксацию комплекса во время сварки в продольном направлении обеспечивают тормозные колодки 17, выходящие при этом из его корпуса и опирающиеся на внутреннюю поверхность трубы. На фиг.2 тормозные колодки показаны в положении упора. Управление всеми составными частями комплекса обеспечивается системой управления 18. Во время сварки оптико-фокусирующая система устанавливается на стыке трубопровода 19 и привариваемой к нему трубы 20. Электропитание узлов 16 при перемещении комплекса вдоль трубы и других систем, например, системы управления, обеспечивается аккумулирующим устройством 21. An optical focusing system 2 is mounted on a technological laser 1 with a rotary mirror 3 and a drive and a rotation mechanism for the optical focusing system around the axis of the pipeline 4. A sensor for detecting and controlling the joint 5 is fixed to the nozzle of the optical system. The laser heat exchanger 6 is moved outside. The pumping of the laser gas mixture is provided by the pumping means 7 located on the shaft 8 of the engine 9. The tightness of the heat exchanger in the place of input of the shaft is provided by the assembly 10, including the bearing assembly and vacuum seals. Behind the laser heat exchanger, there is an electric power generator 11 with brushes 12, which provides power to the laser and all other systems of the complex. The cable 13 is energized by the laser. Behind the generator is a compressor 14 of engine 9. Fuel for engine operation is located in special tanks 15. Moving the complex is provided by the drive and displacement units 16. They also provide orientation of the complex relative to the axis of the pipeline (Fig. 2). The fixation of the complex during welding in the longitudinal direction is provided by brake pads 17, which exit from the casing and rely on the inner surface of the pipe. In figure 2, the brake pads are shown in the stop position. The control of all the components of the complex is provided by the control system 18. During welding, the optical focusing system is installed at the junction of the pipe 19 and the pipe 20 welded to it. Power supply to the nodes 16 when moving the complex along the pipe and other systems, for example, the control system, is provided by the accumulating device 21 .

Комплекс работает следующим образом. The complex works as follows.

С помощью узлов перемещения 16 комплекс перемещается по трубопроводу 19 к месту приварки трубы 20. Местоположение стыка определяется датчиком 5, подающим соответствующий сигнал на систему управления комплексом 18. После этого комплекс останавливается, сопло оптико-фокусирующей системы 2 устанавливается точно напротив стыка. По команде системы управления тормозные колодки выдвигаются из корпуса и устанавливаются в упор с трубопроводом. Далее включается двигатель 9. Питание двигателя обеспечивается топливом, находящимся в баках 15. Работающий двигатель обеспечивает вращение вала 8. При вращении вала с помощью прокачного средства 7, расположенного на его конце, начинается прокачка рабочей смеси в теплообменнике 6 лазера 1. Герметичность места ввода вращающегося вала в теплообменник обеспечивается узлом 10, имеющем в своем составе подшипниковый узел и вакуумные уплотнения. Одновременно с этим начинается выработка электроэнергии генератором 11, взаимодействие вращающегося вала с щетками генератора 12. Выбор режима работы двигателя и распределение электроэнергии по системам комплекса обеспечивается системой управления комплексом. Вращающиеся лопатки компрессора 14 (жестко связаны с валом двигателя) обеспечивают мощный поток воздуха, охлаждающий теплообменник при его работе. Система управления комплексом одновременно включает лазер и привод вращения 4 оптико-фокусирующей системы 2. При этом подача электроэнергии к лазеру обеспечивается по кабелю 13. Генерируемый в лазере луч направляется на поворотное зеркало 3, отражаясь от него направляется, через оптико-фокусирующую систему в место сварки. Одновременно с процессом сварки производится зарядка аккумулирующих устройств 21. После того как процесс сварки кольцевого шва завершится, по командам системы управления комплексом отключаются лазер, двигатель, тормозные колодки поднимаются в корпус комплекса и сам комплекс перемещается к следующему стыку. Готовность или неготовность проведения внешней операции-пристыковки новой трубы к трубопроводу обеспечивается датчиком положения за стыком. После проведения соответствующей операции, датчик положения подает сигнал на систему управления комплексом и технологический цикл повторяется. Using the moving nodes 16, the complex moves along the pipe 19 to the place of welding of the pipe 20. The location of the joint is determined by the sensor 5, which supplies the corresponding signal to the control system of the complex 18. After that, the complex stops, the nozzle of the optical focusing system 2 is installed exactly opposite the joint. At the command of the control system, the brake pads are pulled out of the housing and set at a stop with the pipeline. Next, the engine 9 is turned on. The engine is powered by the fuel in the tanks 15. The working engine provides rotation of the shaft 8. When the shaft is rotated by means of the pumping means 7 located at its end, pumping of the working mixture in the heat exchanger 6 of the laser 1 begins. the shaft to the heat exchanger is provided by a node 10, comprising a bearing assembly and vacuum seals. At the same time, the generation of electricity by the generator 11 begins, the interaction of the rotating shaft with the brushes of the generator 12. The choice of the engine operating mode and the distribution of electric energy through the complex systems is provided by the complex control system. The rotating blades of the compressor 14 (rigidly connected to the motor shaft) provide a powerful air flow that cools the heat exchanger during its operation. The control system of the complex simultaneously includes a laser and a rotation drive 4 of the optical focusing system 2. In this case, the laser is supplied with electric power via cable 13. The beam generated in the laser is directed to the swivel mirror 3, reflected from it, is directed through the optical focusing system to the welding site . At the same time as the welding process, accumulator devices 21 are charged. After the welding of the annular seam is completed, the laser is turned off by the commands of the complex control system, the engine, brake pads rise into the complex body and the complex moves to the next joint. Willingness or unavailability of an external operation — docking a new pipe to a pipeline is provided by a position sensor behind the joint. After carrying out the corresponding operation, the position sensor sends a signal to the complex control system and the technological cycle is repeated.

Claims

1. Welding complex for the manufacture of a continuous pipeline, containing a technological laser, an optical focusing system with a drive for its rotation and a control system, characterized in that it is equipped with an engine and an electric power generator mounted on one shaft, and the technological laser is equipped with a remote heat exchanger with a pumping unit means located on the same shaft.

2. The complex according to claim 1, characterized in that the engine is jet.

3. The complex according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that it is equipped with drives and mechanisms for moving it along the inner surface of the pipeline and brake pads for fixing it in the pipe.

4. The complex according to claims 1 to 3, characterized in that the pumping means of the heat exchanger is connected to the motor shaft.

5. The complex according to claim 4, characterized in that the motor shaft is connected to the pumping means through a vacuum seal.