Способ управления процессом лазерной сварки труб и устройство для его осуществления

 

( ( ( ( ( ч

Г (3

Е (тОЗ сОВетских циАлиСтических РеспуБлик

СУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1) 4901451/08

) 24.01.91

6) 30.12.93 Бюл. М 48-47

1) Научно-внедренческий центр "Развитие"

2) Гладков ЗА. Бродягин H.Н; Бобылев Ю.Н„Пана ВА; Фурса В.Г„Пономарев АК; Киселев О.Н„ адков А.З„Солдатов К.В„Феофилактов Н.В. Емв В.Ф.; Бродягина З.Э.

4) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЛАРНОЙ СВАРКИ ТРУБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ

О ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

7) Изобретение относится к машиностроению и таллургии и предназначено дпя автоматизации цесса лазерной сварки прямошовных труб. В особе. измеряют излучение из зоны сварки со ороны.корня шва и отклонение плоскости стыка и а относительно заданной базовой плоскости (ю) Я (и) 1@9135 А1 (s>) ОО пространства и устраняют возникшие рассогласования Кроме того, стабилизацию проплавления осуществляют только при отсутствии отклонения луча от стыка Устройство содержит лазер с источником литани фокусирующую систему с приводом перемещения луча. квадратурный датчик излучения с обратной стороны шва, датчик стыка с системой вращения трубной заготовки. Устройство включает также систему управления, которая совмещает луч со стыком и стабилизирует глубину проплавпения при отсутствии отклонения луча от стыка. Изобретение позволяет повысить cKopOcTb сварки и уменьшить вероятность образования подрезав путем использования систем геометрической и технологической адаптации процесса лазерной сварки. 2 с и

1 зл.ф-лы, 3 ил.

1839135

Изобретение относится к машиностро- плавления при смещении стыка, например, ению и металлургии и предназначено для в режиме системы автоматического регулиавтоматизации процесса лазер ой сварки рования по отклонению не обеспечивает в прямошовных труб. этом переходном режиме качества, так как

Наиболее близким по технической сущ- 5 в процессе относительно движения луча и ности к предлагаемому является способ ре- стыка, как правило, уменьшается светигулирования проплавления при лазерной мость корня шва, поскольку увеличивается сварке, заключающийся атом, что измеряют условная скорость сварки, что должно было температуру со стороны корня шва по ярко- бы увеличить сигнал управления мощности свечения сварочной ванны, сравнивают 10 стью излучения. Однако процесс коррекции с установкой и полученное рассогласование взаимного положения луча и стыка длится в используют в качестве управляющего сйгна- процессе сварки трубы короткие интервалы ла для регулирования параметров режима времени(не более 1 с) и изменение при этом (1l. мощности луча приводит только к дополниНедостатком этого способа является "5 тельному перегреву шва в этом месте, измениэкая точность при наведении луча на нению проплавления и ухудшению качества стык. шва, Поэтому в предлагаемом способе для

Наиболее близким потехническойсущ- исключения взаимного слияния контуров ности к предлагаемому является устройство управления в том случае, когда происходит для контроля и управления процесса лазер- 20 коррекция взаимного положения луча и стыной сварки труб, содержащее оптический ка, отключают обратную связь в системе детектор, установленный с обратной сторо- стабилизации глубины проплавления и осны шва, блок обработки и лазер с источни- тавляют мощность неизменной на время, ком питания (21. пока не закончится совмещение луча со стыНедостатком этого устройства является 25 ком, Кроме того, измерение излучения корниэкая точность стабилизации качества ня шва позволяет контролировать сварного шва; визуально его качество формирования.

Целью изобретения является повыше- На фиг,1 дана структурная схема систение качества сварки и производительности мы управления процессом лазерной сварки процесса. 30 труб; на фиг.2 — временные диаграммы раНовым в изобретении является то, что боты системы; на фиг,3 — схема установки совмещение луча со стыком производится датчиков луча и стыка. не непосредственным сравнением места Устройство содержит технологический взаимодействия луча со стыком, при кото- лазер1, излучение которого через поворотром трудно обеспечить точность из-за по- 35 ное отклоняющее зеркало 2 попадает на мех со стороны падения Луча, а раздельным фокусирующий объектив 3 Кассегрена, соподдержанием в одной плоскости стыка и стоящий из поворотного выпуклого зеркала луча с обратной стороны шва, где в трубе 4 и вогнутого зеркала 5. В свариваемой практически отсутствуют оптические поме- трубной заготовке установлен перископ 6 с хи. 40 выходным окном 7, зеркалом 8, делительСущность способа заключается в том, ным кубиком 9, окуляром 10 и квадратурным что устанавливают оси симметрии датчика фотоприемником 11, установленным в торстыка и датчика луча со стороны корня шва це перископа 6. Первый и второй выходы

B одной заданной базовой плоскости и дву- квадратурного фотоприемника 11 суммирумя различными контурами регулирования 45 ются первым сумматором 12, а третий и четсовмещают с этой плоскостью отдельно вертый выходы — вторым сумматором 13. стык и отдельно лазерный луч, Такой способ Выходы первого 12 и второго 13 сумматоров обладает более высокой точностью по срав- сравниваются на входах первого дифференнению с прототипом, так как система пере- циального усилителя 14 и полученное расмещения стыка может быть снабжена 50 согласование через третий сумматор 15 и специализированными датчиками, нечувст- первый усилитель-преобразователь 16 упвительными к оптическим помехам, напри- равляет приводом 17 вращения зеркала, мер электромагнитными, а система скорость движения которого измеряется перемещения луча получает информацию со первым датчи ом 18 скорости, выход котостороны корня шва, содержащую минимум 55 рого подается на второй вход третьего сумоптических помех, На их фоне выделяют матара 15. только положение наиболее яркой точки в- Выход датчика 19 стыка, закрепленного оптическом сигнале относительно заданной на фокусирующем объективе 3, подключен базовой плоскости, не фиксируя линию сты- через последовательно соединенные втока. Кроме того, стабилизация глубины про- рой дифференциальный усилитель 20. чет1839135 в о т р с м с в х с о р з л ю ч т н к

2, с е и ц о е и т о о порционально-интегрирующего регулятора

31 суммируется рассогласование с уставкой. При равенстве нулю рассогласования на вход регулятора 31 поступает только ус15 тавка. что соответствует устанавливающемуся режиму третьего контура управления.

Динамический сигнал с выхода регулятора

31 изображен на первой диаграмме фиг.2, на первол1 интервале времени 0 — t1 он уменьшается до уровня уставки по мере нарастания глубины проплавления.

В момент времени t> первый контур управления начинает обрабатывать возмущение по отклонению стыка относительно

25 базовой плоскости (см. фиг.3). В процессе коррекции второй датчик 25 скорости вырабатывает сигнал, отличный от нуля, на выходе дифференциатора 27 появляется сигнал логической "1" и электронный кл,оч 28 раэ30 мыкается {интервал t1...tg диаграммы на фиг.2). Пропорциональíо-интегрирующий регулятор 31 отключается от входных сигналов и в течение интервала времени t>.. tz запоминает последнее значение по управ35 лению, подававшееся на него в момент времени t>. По окончании режима коррекции стыка на интервале t2..Аз третий контур управления продолжает стабилизацию глубины проплавления.

40 В момент времени тэ возникает отклонение луча от стыка, связанное, например, с раэьюстировкой резонатора лазера 1. При этом возникает отличный от нуля разносгный сигнал правой и левой половин квадра5 турного фотоприемника 11, привод 17 вращения зеркала начинает его перемещать до тех пор, пока разностный сигнал не станет вновь равным нулю, На интервале

ta...tn коррекции луча сигнал с первого дат0 чика скорости также отключает электронный ключ 28 и система стабилизации глубины проплавления отключает<. .я от сигнала обратной связи. Таким образом с«»хн г клио

И эл чи ге ка кр

eq де со мо ст на эо

Элементы 19 — 25 образуют первый конуправления, назначение которого состово вращении трубной заготовки на 4 босварочном стыке до тех пор, пока плость стыка не совпадает с заданной базоплоскостью пространства.

Элементы 11-17, 4 и 18 образуют втоконтур управления, который совмещает 5 луча с заданной базовой плоскостью странства.

Элементы 26-32, 11, 1 образуют третий ур управления, стабилизирующий глуу проплавления, Временные диаграммы работы трех уров управления изображены на фиг.2.

На перемещающуюся трубную заготоводают лазерный луч, сфокусированный ктивом 3. при этом начальная мощту ит тр ск во ро ось пр кон би кон ку/ обь ртый сумматор 21, второй усилитель-преразователь 22 к приводу 23 вращения убной заготовки, на валу K()topofо уставлены геликоидальные ролики 24 и втой датчик 25 скорости. выход которого единен с вторым входом четвертого сумтора 21. Первый и второй входы пятого мматора 26 соединены соответственно с одами первого 18 и второго 25 датчиков рости, а выход пятого сумматора 26 чедифференциатор 27 соединен с управщим входом электронного ключа 28. Все

ыре выхода квадратурного фотоприем11 суммируются шестым сумматором выход которого через последовательно диненные третий дифференциальный литель 30, электронный ключ 28, пропорнально-интегрирующий регулятор 31 сонен с источником 32 питания нологического лазера 1. Позицией 33 значена свариваемая труба.

Второй вход третьего дифференциальо усилителя 30 подключен к уставке по бине проплавления и через электронный ч 28 к второму входу пропорциональноегрирующего регулятора 31, Датчик 19 стыка представляет собой ктромагнитный дифференциальный дат, содержащий магнитопровод с одной ераторной и четырьмя индикаторными ушками, нечувствительный K перекосу мок, зазору в стыке и высоте над изделивыполненный согласно авторскому свиел ьству (3).

Технологический лазер 1 представляет ой быстропроточный COz-лазер "Хебр" ностью до 3 кВт.

Система управления выполнена иэ ндартных преобразовательных блоков ериях микросхем К 140, К 561, Устройство работает следующим обраHость луча сooтветствует устав ке по Гll) ои не проплавления, и начинает формирс;влться шов с определенной rn, бинсй, Оптический сигнал от корня шва «оспринимается квадратурным фотоприемникам 11, условная схема которого из бражена на фиг.3. Интегральный сигнал фото п риемника 11 сравнивается с уставкой по глубине проплавления на входах третьего дифференциального усилителя 30, и на входах проронизируется работа трех контуров управления, Предлагаемое изобретение существенно повышает качество сварных швов за счет устранения подрезав и повышает скорость сварки, 1839135

Пример. Макет предложенного устройства испытывался при лазерной сварке прямошовных труб из нержавеющей стали диаметром 20-6д мм, толщиной 0,5-3 мм.

Использовался лазерный технологический комплекс "Хебр-2,5" мощностью 1,5 кВт.

При использовании только контроля за проплавлением со стороны корня шва (способ-прототип) при отклонении линии стыка более 0,25 мм наблюдались неправары и подрезы в корне шва, чта является следствием высокой "кинжальности" лазерной сварки и высокой чувствительности к отклонениям стыка, По технологии гибки и сварки труб, используемой на Московском трубном заводе, допускается отклонение линии стыка 1,5 мм. Компенсация этих отклонений производится за счет уменьшения скорости сварки и, следовательно, увеличения ширины корня шва, Формула изобретения-/

Способ управления процессом лазеР- 25 ной сварки труб. заключающийся в проплавлении стыка лазерным лучом и измерении излучения из эоны сварки со стороны корня шва, отличающийся тем, что, с целью повышения качества сварки и 30 производительности процесса, измеряют отклонение плоскости стыка со стороны падения лазерного луча относительно заданной базовой плоскости пространства, параллельной плоскости стыка, совмещают 35 плоскость стыка с заданной базовой плоскостью пространства путем вращения трубы, измеряют отклонение оси лазерного луча со стороны корня шва по излучению из зоны сварки относительна 40 заданной базовой плоскости пространства и совмещают ось лазерного луча с заданной базовой плоскостью пространства путем перемещения лазерного луча по направлению, перпендикулярному плоско- 45 сти стыка, 2. Способ no n.1, отличающийся тем, что измеряют скорости перемещения лазерного луча и стыка, суммируют их и при равенстве суммарной скорости нулю сиг50 нал измеренного излучения из зоны сварки со стороны корня шва сравнивают с уставкай и полученным рассогласованием управляют мощностью лазерного луча, при наличии. суммарной скорости мощность луча устанавливают на уровне, Равном предшествующему моменту.

3. Устройство для управления процессом лазерной сварки труб, содержащее

При испытаниях макета предложенного устройства отклонения линии стыка не превышали + 0,1 мм, непровары и подрезы в корне шва отсутствовали. При этом скорость сварки возросла по сравнению с известной технологией Московского трубного завода на 20-40 Я„ширина корня шва уменьшилась на 20, За счет уменьшения зоны термического влияния без снижения прочности соединения повысилась коррозионная стойкость труб.

Конкретный экономический эффект складывается из увеличения производительности процесса сварки и улучшения качества изделий. (56) 1, Заявка Японии N 60-83792, кл. B 23

К 26/00, 1985.

2. Заявка Франции М 2587513, кл. В 23

К 9/10, 1987.

3. Авторское свидетельство СССР

N 1166941, кл. В 23 К 9/10, 1983, технологический лазер с источником питания, оптический тракт, фокусирующий объектив, фотоприемник, установленный со стороны корня шва, отличающееся тем, что, с целью повышения качества сварки и производительности процесса. она снабжено поворотным зеркалом с приводом вращения, первым датчиком частоты вращения, геликоидальными роликами вращения трубы с приводом их вращения и вторым датчиком частоты вращения, двумя сумматорами, последовательно соединенными первым дифференциальным усилителем, третьим сумматором, первым усилителем-преобразователем, последовательно соединенными датчиком стыка, вторым дифференциальным усилителем, четвертым сумматором и вторым усилителем-преобразователем. последовательно соединенными пятым " 1матором и дифференциатором, а также последовательно соединенными шестым сумматором, третьим дифференциальным усилителем, электронным ключом, пропорционально-интегрирующим регулятором, подключенным к источнику питания технологического лазера, фотон риемник выполнен квадратурным, при этом выход первого датчика частоты вращения соединен с вторым входом третьего и первым входом пятого суммагаров, выход второго датчика частоты вращения подключен к вторым входам четвертого и пятого сумматоров, входы первого сумматора подключены к двум входам шестого сумматора и к первогlv и второму выходам Фотанриемни1839135

; ка.

,сое тог то су ди вх тел

| пл третий и четвертый выходы которого инены с двумя другими входами шессумматора и с входами второго суммавыходы первого и второго маторов подключены к входам первого ференциального усилителя, второй третьего дифференциального усилиподключен к уставке по глубине правления и через, электронный ключ к

Ю

Ъ второму входу пропорционально-интегрирующего регулятора, управляющий вход электронного ключа соединен с выходом дифференциатора, выходы первого и вто рого усилителей-преобразователей подключены к приводам вращения соответственно зеркала и геликоидальных роликов.

1839135 поданная &зо8оя

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3401

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Составитель 3. Гладков

Редактор М. СтРельникова Техред М.Моргентал Корректор П, Гереши