RU2843018C1 - Установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра и способ осуществления сварки на данной установке - Google Patents

Abstract

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к области производства труб большого диаметра путем сварки продольного шва цилиндрической трубной заготовки на установке лазерно-дуговой сварки определенным способом осуществления данной сварки. Установка содержит перемещающиеся верхнюю сварочную каретку и нижнюю внутритрубную каретку, размещенную внутри свариваемой трубы большого диаметра, которая неподвижно закреплена в установке пневматическими упорами, при этом на верхней сварочной каретке установлена лазерная сварочная головка, а на нижней внутритрубной каретке установлены первая камера машинного зрения и нижний триангуляционный сканер, а также содержит портал, в котором расположена горизонтальная направляющая, проходящая внутри трубы, на которой размещена нижняя внутритрубная каретка с возможностью перемещения по направляющей внутри трубы, а на верхней внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка с четвертой камерой машинного зрения, при этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер, установленный на верхней каретке, и все вышеперечисленные средства соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки с возможностью обработки, определения и передачи данных для получения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки. Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, включающий формирование трубы из стальной полосы трубной заготовки (трубы), с соединением кромок данной трубы сначала прихваточным сварным продольным швом, а затем сварочным швом в определенных точках наведения лазерного луча при определенном наклоне лазерной головки, которые получают путем обработки изображений сварных кромок с маркерными линиями. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к области производства труб большого диаметра путем сварки продольного шва цилиндрической трубной заготовки на установке лазерно-дуговой сварки определенным способом осуществления данной сварки.

В настоящее время существуют различные установки и способы лазерно-дуговой сварки труб большого диаметра, но точность наведения сварного луча сварочной головки в данных установках и способах очень низкая, поэтому и качество сварного шва является достаточно низким и не достаточно надежным.

Так известен «Способ лазерной сварки труб» по патенту РФ №2637034.

В данном способе осуществляют наложение прихваточного шва с наружной стороны трубной заготовки с последующим наложением рабочего шва посредством лазерной сварки, при котором предварительно осуществляют разметку в виде линий, нанесенных с помощью лазерного маркера на наружную поверхность трубной заготовки вдоль притупления кромок на расстоянии 3-5 мм от линий до стыка кромок, которую сканируют посредством первого лазерного датчика по длине трубы с занесением в базу данных. Затем, после выполнения прихваточного шва, с помощью сканирующего поперек стыка второго лазерного датчика определяют расстояние между линиями разметки, и на основании полученных ранее данных вычисляют точное положение стыка кромок, на который наводят лазерный луч при нанесении рабочего шва.

Данный способ является достаточно трудоемким, так как добавляется технически сложное оборудование для нанесения глубоких и широких лазерных маркерных линий, так как сканирование данных линий осуществляют сканером, а сканер данной установки не способен сканировать с необходимым качеством не глубокие и не широкие лазерные маркерные линии.

Также оборудование для нанесения глубоких и широких лазерных линий требует настройки, облуживания, обеспечения требований лазерной безопасности, при этом нанесение глубоких маркерных линий снижает прочность трубной заготовки, и полученной из нее трубы.

Также данный способ не обеспечивает высокого качества сварного шва, так как при отклонении шва от положения «в зените», лазерный сварочный луч, направленный вертикально, может не проплавить одну из кромок трубной заготовки, и в данном способе не предусмотрено определение угла наклона лазерной головки и лазерного луча в зависимости от отклонении шва от положения «в зените», что значительно снижает качество сварки.

Также известен «Способ сварки труб большого диаметра лазерной сваркой» по патенту РФ на ИЗ №2523406, который выбран в качестве прототипа. Установка лазерной или гибридной лазерно-дуговой сварки по данному патенту содержит лазерную сварочную головку, установленную с наружной стороны трубы с возможностью ее перемещения вдоль прихваточного шва, сварочную каретку, установленную внутри трубы с возможностью ее перемещения вдоль трубы, а также сканирующий триангуляционный датчик, гироскоп и излучатель, установленные на сварочной каретке, а также телекамеру.

Способ сварки по данному патенту заключается в том, что слежение за точкой воздействия лазерного луча осуществляют изнутри трубы посредством сканирующего триангуляционного датчика, с помощью луча которого сканируют стык кромок поперек шва и перед зоной сварки, а положение сканирующего триангуляционного датчика относительно сварочной головки по горизонтали определяют посредством гироскопа, установленного на сварочной каретке, или посредством закрепленного с сканирующим триангуляционным датчиком на сварочной каретке излучателя, луч которого направляют на закрепленную неподвижно телекамеру.

Данный способ позволяет повысить качество сварки за счет более точного направления луча на стык кромок, но качество и прочность сварного шва остается на достаточно низком уровне, так как в данном способе не предусмотрен механизм наклона сварочного луча в процессе сварки в зависимости от отклонения шва от положения «в зените».

Также из-за того, что каретка в данном способе двигается по неровной внутренней поверхности трубы, необходимое плавное движение каретки обеспечивается очень медленной скоростью подачи трубы, и соответственно приводит к существенному увеличению времени сварки.

Также при отсутствии фасок на внутренней поверхности трубной заготовки и стыке их в одной плоскости лазерный триангуляционный датчик не всегда может обнаружить место стыка, тем самым точность направления луча существенно падает.

Задачей предложенного изобретения является создание такой установки и способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, которые обеспечат высокое качество сварки, повышение качества и прочности сварного шва, а также точность наведения сварного луча за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените», а также за счет того, что для определения угла наклона лазерной головки используют анализ места стыка кромок внешней и внутренней поверхности трубы, для определения которых используют дополнительно верхний лазерный триангуляционный сканер, а также вторую и третью камеры машинного зрения на нижней внутритрубной каретке, и четвертую камеру машинного зрения на верхней сварочной каретке.

Также задачей предложенного изобретения является повышение скорости сварки за счет применения специальной направляющей для внутритрубной нижней каретки, которая обеспечивает более быстрое и плавное передвижение данной каретки.

Техническим результатом изобретения является повышение качества и прочности сварного шва за счет повышения точности наведения сварного луча, при одновременном повышении скорости сварки.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, содержащая перемещающиеся верхнюю сварочную каретку и нижнюю внутритрубную каретку, размещенную внутри свариваемой трубы большого диаметра, которая неподвижно закреплена в установке лазерно-гибридной сварки пневматическими упорами, при этом на верхней сварочной каретке установлена лазерная сварочная головка, а на нижней внутритрубной каретке установлены первая камера машинного зрения и нижний триангуляционный сканер, содержит также портал, в котором закреплена горизонтальная направляющая, проходящая внутри трубы, при этом на направляющей размещена нижняя внутритрубная каретка с возможностью перемещения по направляющей внутри трубы, а на верхней внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка с возможностью перемещения её по данной внутренней поверхности портала, при этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер, установленный на верхней каретке, по меньшей мере, один нивелир, установленный на внутренней боковой поверхности портала, а также зеркало, коаксиальную подсветку, вторую камеру машинного зрения и полупрозрачный экран, установленные на внутритрубной нижней каретке, а над порталом установлена, по меньшей мере, одна третья камера машинного зрения, выполненная с возможностью фиксации положения прихваточного шва, при этом установка также содержит четвертую камеру машинного зрения, которая установлена на верхней каретке, а сварочная головка, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первая, вторая, третья и четвертая камеры машинного зрения, а в зоне обслуживания портала установлены четыре лазера, выполненных с возможностью нанесения маркерных линий на верхней стороне и на нижней стороне листа трубной заготовки, вблизи его кромок, при этом каждый из лазеров установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, а в зоне обслуживания также установлены два триангуляционных сканера, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа трубной заготовки, и выполненных с возможностью сканирования кромок листа трубной заготовки, при этом сварочная головка, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первая, вторая, третья и четвертая камеры машинного зрения, а также сварочная и внутритрубная каретки соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи в него данных для обработки и определения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки, при этом компьютер соединен с системой автоматики с программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.

Предпочтительно, чтобы установка содержала два нивелира, каждый из которых был установлен на соответствующей внутренней боковой поверхности портала.

Целесообразно, чтобы установка содержала внутри портала пневматические упоры и ролики, на которых размещается труба с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва в горизонтальное положение, и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах.

Предпочтительно, чтобы установка содержала несколько третьих камер машинного зрения, расположенных над сварочным порталом, и выполненных с возможностью определения положения прихваточного шва трубы.

Целесообразно, чтобы установка содержала юстировочный образец, расположенный между внутритрубной кареткой и трубой, и выполненный с возможностью юстировки, совмещения координат верхней и нижней кареток.

Поставленный технический результат достигается также за счет оригинального способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке, который включает формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают, и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва, при котором, через определенные промежутки (шаги), с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют верхним триангуляционным сканером, профиль верхней поверхности трубы, а четвертой камерой изображение верхней поверхности трубы, затем передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где по полученной информации компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, а с помощью алгоритмов машинного зрения от четвертой камеры машинного зрения распознает положение маркерных линий на внешней поверхности трубы, после чего по полученным данным в компьютере установки определяют точки наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки в данных точках наведения, затем производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории в определенных точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки.

Поставленный технический результат достигается также за счет другого оригинального способа лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке, который предусматривает нанесение маркерных линий не только на внешней (верхней) стороне листа трубной заготовки, как предыдущий, выше описанный способ, но и на внутренней (нижней) стороне листа трубной заготовки при помощи четырех лазеров.

Данный способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на нижней стороне и верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают, и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения, а также нижней внутритрубной каретки, в начале которого производят юстировку триангуляционных сканеров кареток, при этом при достижении каретками юстировочного образца, закрепленного на портале, каретки останавливаются, триангуляционные сканеры кареток юстируются и рассчитываются коэффициенты перевода линейного перемещения и угла из системы координат внутритрубной каретки в систему координат верхней сварочной каретки в точке юстировки, и анализируется изображение на экране внутритрубной каретки с второй камеры, для чего выполняют поиск алгоритмами машинного зрения лазерных линий на экране, при этом в качестве базового отсчета используется точка пересечения и наклон лазерных лучей, после чего движение кареток продолжается, и с верхнего триангуляционного сканера в компьютер передают профили поверхности трубы, и по ним компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, при этом первая камера внутритрубной каретки записывает изображения внутренней поверхности трубы с маркерными линиями, второй триангуляционный сканер внутритрубной каретки записывает профиль внутренней поверхности трубы, вторая видеокамера записывает изображение с экрана проекции лучей нивелира, при этом для формирования изображения на первой видеокамере используют коаксиальную подвеску с устройством отражения лучей на 90 градусов, после чего полученные изображения и профили передают в компьютер, где производят поиск маркерных линий, затем определяют на прихваточном шве опорные точки, координаты которых переводят в 3D координаты внутритрубной тележки, а для перевода в систему координат верхней каретки опорных точек анализируют изображения, полученные со второй камеры машинного зрения, определяют место пересечения лучей и угол наклона лучей нивелира, и путем сравнения этих данных со значениями, полученными на этапе юстировки, определяют положение внутритрубной нижней каретки и угол ее наклона относительно верхней каретки, после чего 3D координаты прихваточного шва пересчитывают в компьютере установки в систему координат верхней каретки, затем для каждой опорной точки по аппроксимированным окружностям профиля наружной поверхности рассчитывают нормаль, при этом угол наклона сварочного лазерного луча в данной точке определяют равным углу наклона нормали, а по завершению первого прохода внутритрубной каретки и верхней сварочной каретки вдоль трубы, расчета в компьютере установки точек наведения и углов наклона лазерных лучей для каждого сечения с выбранным шагом, затем производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории и с заданным углом наклона лазерной головки.

Для более подробного раскрытия данного изобретения далее приводится описание конкретных возможных вариантов его выполнения, которые поясняются соответствующими чертежами.

Фиг. 1 - схематичное изображение установки лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра.

Фиг. 2 - схематичное изображение трубы (вид с торца), установленной на ролики и закрепленной в упорах.

Фиг. 3 - схематичное изображение зоны обслуживания портала с установленной заготовкой трубы в виде листа, а также с двумя триангуляционными сканерами, расположенными напротив друг друга у правой и левой сторон листа, и четырьмя лазерами для нанесения маркерных линий.

Фиг. 4 - фрагмент поперечного разреза трубы с прихваточным швом и маркерными линиями на внешней и внутренней поверхностях листа трубы.

Фиг. 5 - вид сверху трубы с прихваточным швом, а также с верхними и нижними маркерными линиями на трубе.

В предпочтительном варианте выполнения установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра содержит портал 1, внутри которого расположены перемещающиеся верхняя сварочная каретка 2 и нижняя внутритрубная каретка 3, размещенная внутри свариваемой трубы 4 большого диаметра, которая неподвижно закреплена внутри портала 1 пневматическими упорами 15 (Фиг. 1). При этом на верхней сварочной каретке 2 установлена лазерная сварочная головка 5, а на нижней внутритрубной каретке 3 установлены первая камера 6 машинного зрения и нижний триангуляционный сканер 7. Также внутри портала 1 расположена горизонтальная направляющая 8, проходящая внутри трубы 4, на которой размещена нижняя внутритрубная каретка 3 с возможностью перемещения по направляющей 8 внутри трубы 4, а на верхней внутренней поверхности портала 1 размещена верхняя сварочная каретка 2 с возможностью перемещения её по данной внутренней поверхности портала 1. При этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер 9, установленный на верхней каретке 2, и, по меньшей мере, один нивелир 10, установленный на внутренней боковой поверхности портала 1, а также зеркало 11, коаксиальную подсветку 12, вторую камеру 13 машинного зрения и полупрозрачный экран 14, установленные на внутритрубной нижней каретке 3. Над порталом 1 установлена, по меньшей мере, одна третья камера 18 машинного зрения, выполненная с возможностью фиксации положения прихваточного шва 17, а на верхней каретке 2 установлена четвертая камера 19 машинного зрения. При этом сварочная головка 5, верхний 9 и нижний 7 триангуляционные сканеры, первая 6, вторая 13, третья 18 и четвертая 19 камеры машинного зрения, а также сварочная верхняя 2 и внутритрубная нижняя 3 каретки соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи полученных данных в компьютер, последующей обработки и определения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки 5, а компьютер соединен с системой автоматики с программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки (Фиг. 1-2).

В зоне обслуживания портала 1 установлены четыре лазера 20, выполненных с возможностью нанесения маркерных линий 21 на верхней стороне и на нижней стороне листа трубной заготовки 22, вблизи его кромок, при этом каждый из лазеров 20 установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки 22, при этом в зоне обслуживания также установлены два триангуляционных сканера 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа трубной заготовки 22, и выполненных с возможностью сканирования кромок листа трубной заготовки 22 (Фиг. 3-5).

Установка также может содержать два нивелира 10, каждый из которых может быть установлен на соответствующей внутренней боковой поверхности портала 1.

Труба 4 внутри портала 1 размещается и закрепляется на пневматических упорах 15 после её вращения на роликах 16 вокруг оси для установки прихваточного шва 17 в горизонтальное положение (Фиг.2).

Установка может содержать несколько третьих камер 18 машинного зрения, расположенных над сварочным порталом 1, и выполненных с возможностью определения положения прихваточного шва 17, и передачи этих данных в компьютер для обработки и хранения.

Кроме этого, установка содержит юстировочный образец 24, расположенный между внутритрубной кареткой 3 и трубой 4 для проведения юстировки, совмещения координат верхней 2 и нижней 3 кареток (Фиг. 1).

Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на приведенной выше установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра предусматривает формирование трубы 4 из стального листа трубной заготовки 22 с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом 17 при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки 5, установленной с наружной стороны трубы 4, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы 4, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий 21 на верхней стороне листа трубной заготовки 22, при помощи двух лазеров 20, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки 22, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21 при помощи двух триангуляционных сканеров 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа заготовки 22, с привязкой к смещению относительно начала листа заготовки 22. При этом используют пневматические средства для прижатия кромок листа, и датчики перемещения листа (на чертежах не показаны). Затем осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями 21 в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными на верхнюю поверхность листа заготовки 22 маркерными линиями 21, после чего данный лист 22 изгибают, и из него формируют трубу 4, после чего соединяют кромки данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17 и размещают полученную трубу 4 на вращающиеся ролики 16 с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва 17, который определяют с помощью третьих камер 18 алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки. В компьютере определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва 17, после чего трубу 4 фиксируют в упорах 15 и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с триангуляционным сканером 9 и четвертой камерой 19 машинного зрения вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва 17, при котором, через определенные промежутки (шаги), с привязкой к смещению относительно начала листа 22 заготовки трубы 4 фиксируют верхним триангуляционным сканером 9 профиль верхней поверхности трубы 4, а четвертой камерой 19 изображение верхней поверхности трубы 4, затем передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где по полученной информации компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, при этом с помощью алгоритмов машинного зрения от четвертой камеры 19 машинного зрения распознают положение маркерных линий 21 на внешней поверхности трубы 4, после чего по полученным данным в компьютере установки определяют точки наведения лазерного луча сварочной головки 5 и необходимый угол поворота сварочной головки 5 в данных точках наведения, после чего производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории в точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки 5.

На выше описанной установке лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра возможно производить сварку труб большого диаметра и другим оригинальным способом, который предусматривает нанесение маркерных линий 21 не только на внешней (верхней) стороне листа 22 трубной заготовки, как предыдущий, выше описанный способ, но и на внутренней (нижней) стороне листа трубной заготовки одновременно при помощи четырех лазеров, а после осуществлять проход верхней сварочной каретки 2 и внутритрубной каретки 3 для сбора данных о положении прихваточного шва 17 и кромок листа 22 с маркерными линиями 21 на трубе 4.

Данный способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра включает формирование трубы 4 из стального листа 22 трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17 при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки 5, установленной с наружной стороны трубы 4, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой 5 в режиме сварки, при этом до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий 21 на нижней стороне и верхней стороне листа 22 трубной заготовки при помощи четырех лазеров 20, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа 22 трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21 при помощи двух триангуляционных сканеров 23, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа 22, с привязкой к смещению относительно начала листа 22, а также пневматических средств для прижатия кромок листа, и датчика перемещения листа (на чертежах не показаны), после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа 22 разделки с маркерными линиями 21 в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа 22 разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа 22 с нанесенными маркерными линиями 21. Затем данный лист 22 изгибают, и из него формируют трубу 4, после чего соединяют кромки данной трубы 4 прихваточным сварным продольным швом 17, и размещают полученную трубу 4 на вращающиеся ролики 16 с автоматизированным приводом под порталом 1 установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва 17, который определяют с помощью трех камер 18 алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва 17, затем трубу 4 фиксируют в упорах 15 и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки 2 с триангуляционным сканером 9 и четвертой камерой машинного зрения 19, а также нижней внутритрубной каретки 3, в начале которого производят юстировку триангуляционных сканеров 7 и 9 данных кареток. При этом каретки 2 и 3 продвигаются при достижении каретками юстировочного образца 24, закрепленного внутри портала 1, каретки 2 и 3 останавливаются, триангуляционные сканеры 7 и 9 кареток 2 и 3 юстируются и рассчитываются коэффициенты перевода линейного перемещения и угла из системы координат внутритрубной каретки 3 в систему координат верхней сварочной каретки 2 в точке юстировки, и анализируется изображение на экране внутритрубной каретки 3 с второй камеры 13, для чего выполняют поиск алгоритмами машинного зрения лазерных линий на экране 14. При этом в качестве базового отсчета используется точка пересечения и наклон лазерных лучей. Затем движение кареток 2 и 3 продолжается, и с верхнего триангуляционного сканера 9 в компьютер передают профили поверхности трубы 4, и по ним компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, а первая камера 6 внутритрубной каретки 3 записывает изображения внутренней поверхности трубы 4 с маркерными линиями 21. Триангуляционный сканер 7 внутритрубной каретки 3 записывает профиль внутренней поверхности трубы 4, а вторая видеокамера 13 записывает изображение с экрана 14 проекции лучей нивелира 10. При этом для формирования изображения на первой видеокамере 6 используют коаксиальную подвеску 12 с устройством отражения лучей на 90 градусов, после чего полученные изображения и профили передают в компьютер, где производят поиск маркерных линий, затем определяют на прихваточном шве 17 опорные точки, координаты которых переводят в 3D координаты внутритрубной тележки 3, а для перевода в систему координат верхней каретки 2 опорных точек анализируют изображения, полученные со второй камеры 13 машинного зрения. При этом определяют место пересечения лучей и угол наклона лучей нивелира 10, и путем сравнения этих данных со значениями, полученными на этапе юстировки, определяют положение внутритрубной нижней каретки 3 и угол ее наклона относительно верхней каретки 2, после чего 3D координаты прихваточного шва 17 пересчитывают в компьютере установки в систему координат верхней каретки 2, затем для каждой опорной точки по аппроксимированным окружностям профиля наружной поверхности трубы 4 рассчитывают нормаль, при этом угол наклона сварочного лазерного луча в данной точке определяют равным углу наклона нормали. По завершению первого прохода внутритрубной каретки 3 и верхней сварочной каретки 2 вдоль трубы 4, а также расчета в компьютере установки точек наведения и углов наклона лазерных лучей для каждого сечения с выбранным шагом, производят передачу полученных данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой 5 при втором проходе верхней сварочной каретки 2 со сварочной головкой 5 в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории в точках наведения, и с заданным углом наклона лазерной головки 5.

Таким образом, использование представленной выше установки и способов лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра на данной установке позволяет обеспечить высокое качество сварки, повышение качества и прочности сварного шва, а также увеличить точность наведения сварного луча за счёт обеспечения регулировки угла наклона сварной головки 5 и лазерного сварочного луча в зависимости от отклонения шва от положения «в зените», а также за счет того, что для определения угла наклона лазерной головки используют анализ места стыка кромок внешней и внутренней поверхности трубы 4, для определения которых используют дополнительно верхний лазерный триангуляционный сканер 9, а также первую 6 и вторую 13 камеры машинного зрения на нижней внутритрубной каретке, и четвертую камеру 19 машинного зрения на верхней сварочной каретке.

Также задачей предложенного изобретения является повышение скорости сварки за счет применения специальной направляющей 8 для внутритрубной нижней каретки 3, которая обеспечивает более быстрое и плавное передвижение данной каретки 3.

При этом при сканировании стыка кромок трубы 4 используют верхнюю каретку 2 с лазерной головкой 5 и верхним триангуляционным сканером 9, а также нижнюю внутритрубную каретку 3 с нижним триангуляционным сканером 7, а также первую 6, вторую 13 и третью 18 камеры машинного зрения.

Как очевидно специалистам в данной области техники, данное изобретение легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данного изобретения.

При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем изобретения представлен его формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данного изобретения.

Claims (7)

1. Установка лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, содержащая перемещающиеся верхнюю сварочную каретку и нижнюю внутритрубную каретку, размещенную внутри свариваемой трубы большого диаметра, которая неподвижно закреплена в установке лазерно-гибридной сварки пневматическими упорами, при этом на верхней сварочной каретке установлена лазерная сварочная головка, а на нижней внутритрубной каретке установлены первая камера машинного зрения и нижний триангуляционный сканер, отличающаяся тем, что содержит портал, в котором закреплена горизонтальная направляющая, проходящая внутри трубы, при этом на направляющей размещена нижняя внутритрубная каретка с возможностью перемещения по направляющей внутри трубы, а на верхней внутренней поверхности портала размещена верхняя сварочная каретка с возможностью перемещения её по данной внутренней поверхности портала, при этом установка содержит также верхний триангуляционный сканер, установленный на верхней каретке, по меньшей мере один нивелир, установленный на внутренней боковой поверхности портала, а также зеркало, коаксиальную подсветку, вторую камеру машинного зрения и полупрозрачный экран, установленные на внутритрубной нижней каретке, а над порталом установлена по меньшей мере одна третья камера машинного зрения, выполненная с возможностью фиксации положения прихваточного шва, при этом установка также содержит четвертую камеру машинного зрения, которая установлена на верхней каретке, а также сварочную головку, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первую, вторую, третью и четвертую камеры машинного зрения, а в зоне обслуживания портала установлены четыре лазера, выполненные с возможностью нанесения маркерных линий на верхней стороне и на нижней стороне листа трубной заготовки, вблизи его кромок, при этом каждый из лазеров установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, при этом в зоне обслуживания также установлены два триангуляционных сканера, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа трубной заготовки и выполненных с возможностью сканирования кромок листа трубной заготовки, при этом сварочная головка, верхний и нижний триангуляционные сканеры, первая, вторая, третья и четвертая камеры машинного зрения, а также сварочная и внутритрубная каретки соединены с компьютером электронно-вычислительного комплекса установки лазерно-гибридной сварки с возможностью передачи в него данных для обработки и определения точки наведения лазерного луча и угла наклона сварочной головки, при этом компьютер соединен с системой автоматики с программируемым контроллером установки лазерно-гибридной сварки с возможностью управления вышеперечисленными устройствами установки лазерно-гибридной сварки.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит два нивелира, каждый из которых установлен на соответствующей внутренней боковой поверхности портала.

3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит внутри портала пневматические упоры и ролики, на которых размещается труба с возможностью её вращения вокруг оси для установки прихваточного шва в горизонтальное положение и дальнейшего закрепления трубы в пневматических упорах.

4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит несколько третьих камер машинного зрения, расположенных над сварочным порталом и выполненных с возможностью определения положения прихваточного шва трубы.

5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что содержит юстировочный образец, расположенный между внутритрубной кареткой и трубой и выполненный с возможностью юстировки, совмещения координат верхней и нижней кареток.

6. Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, включающий формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, отличающийся тем, что до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения вдоль виртуальной средней линии прихваточного шва, при котором, через определенные промежутки - шаги, с привязкой к смещению относительно начала листа, фиксируют верхним триангуляционным сканером, профиль верхней поверхности трубы, а четвертой камерой изображение верхней поверхности трубы, затем передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где по полученной информации компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, а с помощью алгоритмов машинного зрения от четвертой камеры машинного зрения распознает положение маркерных линий на внешней поверхности трубы, после чего по полученным данным в компьютере установки определяют точки наведения лазерного луча сварочной головки и необходимый угол поворота сварочной головки в данных точках наведения, затем производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории в определенных точках наведения и с заданным углом наклона лазерной головки.

7. Способ лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра, включающий формирование трубы из стального листа трубной заготовки с последующим соединением кромок данной трубы прихваточным сварным продольным швом при помощи лазерной или лазерно-дуговой сварной головки, установленной с наружной стороны трубы, при котором перед началом сварки осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с целью слежения за точкой воздействия лазерного луча на стык кромок трубы, после чего осуществляют второй проход верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки, отличающийся тем, что до начала сварки осуществляют в зоне обслуживания нанесение маркерных линий на нижней стороне и верхней стороне листа трубной заготовки при помощи двух лазеров, каждый из которых установлен на фиксированном расстоянии от кромки листа трубной заготовки, после чего производят измерение геометрических размеров боковых кромок листа с нанесенными маркерными линиями при помощи двух триангуляционных сканеров, расположенных напротив друг друга у соответствующей левой и правой кромок листа, с привязкой к смещению относительно начала листа, а также пневматических средств для прижатия кромок листа и датчика перемещения листа, после чего осуществляют передачу данной полученной информации о геометрических размерах кромок листа разделки с маркерными линиями в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где данной геометрической модели кромок листа разделки присваивают уникальный номер и сохраняют в базе данных о геометрической форме кромок листа с нанесенными маркерными линиями, после чего данный лист изгибают и из него формируют трубу, а затем соединяют кромки данной трубы прихваточным сварным продольным швом, далее размещают полученную трубу на вращающиеся ролики с автоматизированным приводом под порталом установки лазерно-гибридной сварки для установки в горизонтальное положение прихваточного шва, который определяют с помощью третьих камер алгоритмом машинного зрения, и передают данную информацию в компьютер установки лазерно-гибридной сварки, где определяют виртуальную среднюю линию прихваточного шва, затем трубу фиксируют в упорах и осуществляют первый проход верхней сварочной каретки с триангуляционным сканером и четвертой камерой машинного зрения, а также нижней внутритрубной каретки, в начале которого производят юстировку триангуляционных сканеров кареток, при этом при достижении каретками юстировочного образца, закрепленного на портале, каретки останавливаются, триангуляционные сканеры кареток юстируются и рассчитываются коэффициенты перевода линейного перемещения и угла из системы координат внутритрубной каретки в систему координат верхней сварочной каретки в точке юстировки, и анализируется изображение на экране внутритрубной каретки со второй камеры, для чего выполняют поиск алгоритмами машинного зрения лазерных линий на экране, при этом в качестве базового отсчета используется точка пересечения и наклон лазерных лучей, после чего движение кареток продолжается, и с верхнего триангуляционного сканера в компьютер передают профили поверхности трубы, и по ним компьютер производит построение аппроксимированных окружностей, при этом первая камера внутритрубной каретки записывает изображения внутренней поверхности трубы с маркерными линиями, второй триангуляционный сканер внутритрубной каретки записывает профиль внутренней поверхности трубы, вторая видеокамера записывает изображение с экрана проекции лучей нивелира, при этом для формирования изображения на первой видеокамере используют коаксиальную подвеску с устройством отражения лучей на 90 градусов, после чего полученные изображения и профили передают в компьютер, где производят поиск маркерных линий, затем определяют на прихваточном шве опорные точки, координаты которых переводят в 3D координаты внутритрубной тележки, а для перевода в систему координат верхней каретки опорных точек анализируют изображения, полученные со второй камеры машинного зрения, определяют место пересечения лучей и угол наклона лучей нивелира, и путем сравнения этих данных со значениями, полученными на этапе юстировки, определяют положение внутритрубной нижней каретки и угол ее наклона относительно верхней каретки, после чего 3D координаты прихваточного шва пересчитывают в компьютере установки в систему координат верхней каретки, затем для каждой опорной точки по аппроксимированным окружностям профиля наружной поверхности рассчитывают нормаль, при этом угол наклона сварочного лазерного луча в данной точке определяют равным углу наклона нормали, а по завершению первого прохода внутритрубной каретки и верхней сварочной каретки вдоль трубы, расчета в компьютере установки точек наведения и углов наклона лазерных лучей для каждого сечения с выбранным шагом затем производят передачу этих данных в контроллер автоматики установки, который осуществляет управление лазерной головкой при втором проходе верхней сварочной каретки со сварочной головкой в режиме сварки с наведением лазерного луча по полученной траектории и с заданным углом наклона лазерной головки.