Патент на изобретение №2229367
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) СВЕТОВОД И СПОСОБ ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
(57) Реферат: Изобретение относится к лазерной обработке, в частности к сварке и резке, и может найти применение в машиностроении при сварке или резке неповоротных стыков трубопроводов при проведении ремонтных работ и строительстве заводских и магистральных трубопроводов. Световод содержит пять поворотных зеркал, корпус, подшипники качения, бандажный обруч, газодинамическое сопло с закрепленной в его полости газоподводящей трубкой, струбцину и транспортирующее устройство. Кинематические пары выполнены сферическими. Первое и второе звенья световода выполнены в виде S-образных трубок, а третье звено – в виде Г-образной трубки с газодинамическим соплом. Крепление поворотных зеркал выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью винтов. Первая S-образная трубка с одной стороны с помощью подшипника качения установлена в корпусе, закрепленном бандажным обручем на внешней поверхности трубной секции, а с другой стороны соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения со второй S-образной трубкой. Эта трубка вторым своим концом соединена с возможностью вращения с помощью подшипника качения с Г-образной трубкой с газодинамическим соплом, которое с одной стороны закреплено с Г-образной трубкой, а со второй – струбциной. Струбцина установлена на транспортирующем устройстве, на котором установлен дополнительный источник нагрева. Сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению: 0,25L 108 Па. За 10 минут до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода на трубопровод до легкого прикосновенья звеньев световода к поверхности трубопровода. После этого параллельно с включением лазера включают реверсивно транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию. Одновременно с включением лазера и дополнительного источника нагрева через газодинамическое сопло подают технологический газ. Технический результат заключается в повышении мобильности технологического оборудования, сокращении затрат на установку, закрепление и юстировку световода, в повышении качества сварки и резки. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил. .
Кроме того, согласно с первой задачей изобретения поворотные зеркала выполнены охлаждаемыми.
Кроме того, согласно с первой задачей изобретения одно из зеркал выполнено фокусирующим, например последнее.
В качестве сферической кинематической пары возможно использование самоустанавливающегося подшипника качения.
В качестве дополнительного источника нагрева можно использовать дуговую сварку, сварку токами высокой частоты или другой источник нагрева.
Вторая поставленная задача решается тем, что в способе использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, согласно которому пучок лазерного излучения фокусируется на внешнюю длину окружности кольцевого стыка трубной секции. Согласно с изобретением световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов устанавливают на внешней поверхности трубопровода, закрепляют на внешней поверхности трубопровода, включают охлаждение зеркал, проводят юстировку поворотных зеркал, заполняют внутреннюю полость световода азотом, наматывают звенья световода на трубопровод, параллельно с включением лазера и дополнительного источника нагрева включают реверсивное транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию.
Установка световода на внешней поверхности трубопровода вместе с наматыванием его звеньев на трубопровод, который обрабатывается, с последующим их реверсивным движением обеспечивает относительное движение поворотных зеркал одних относительно других над внешней поверхностью трубопровода, что обеспечивает возможность проведения технологического процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов. Включение охлаждения зеркал позволяет с одной стороны повысить коэффициент полезного действия каждого зеркала и всего световода за счет уменьшения поглощения лазерного излучения на каждом из зеркал, а с второго – обеспечивает стабильность транспортирующей способности световода, что в свою очередь обеспечивает стабильность параметров лазерной обработки и повышает их качество. Проведение юстирования поворотных зеркал позволяет точно и качественно транспортировать пучок лазерного излучения к месту обработки, что приводит к качественному формированию сварного шва или реза при проведении процесса лазерного сваривания или резания. Заполнение внутренней полости световода азотом позволяет с одной стороны защитить зеркальные поверхности поворотных зеркал световода от действия внешних факторов, таких как пыль, паров материалов, которые образовываются при лазерной обработке, действия влаги и газов, а с второго – обеспечивает стабильное транспортирование световодом пучка лазерного излучения к месту обработки за счет создания внутренней среды световода, которая не поглощает лазерное излучение. При использовании дополнительного источника нагрева в качестве предварительной обработки перед использованием лазерного излучения удается повысить температуру обрабатываемого материала, что в свою очередь вызывает повышение поглощения лазерного излучения обрабатываемым материалом и тем самым повышает коэффициент полезного действия проплавляющей способности лазерного излучения, повышает общий коэффициент полезного действия использования термических источников нагрева в процессах лазерной обработки (лазерной сварки, лазерной резки). Использование комбинированного нагрева, лазерным излучением и дополнительным источником нагрева, увеличивает объем сварочной ванны жидкого металла, вследствие чего падает скорость охлаждения, что вызывает уменьшение образования трещин после проведения процесса сварки. Также использование комбинированного нагрева, лазерным излучением и дополнительным источником нагрева, за счет увеличения скорости нарастания фронта температуры позволяет увеличить скорость сварки или резки.
Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания звенья световода наматывают так, чтобы они охватывали больше половины длины окружности трубопровода.
Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания через газодинамическое сопло соосно со сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением от 1 102 до 1 109 Па.
В качестве технологического газа могут быть использованы, например: гелий, или аргон, или азот, или кислород, или СО2, или смесь этих газов, или другие газы.
Суть изобретения поясняется чертежами, где изображены:
– на фиг.1 – заявленный световод, продольный разрез;
– на фиг.2 – вид А фиг.1.
Как показано на фиг.1, световод содержит поворотные зеркала 1, 2, 3, 4, 5, каждое из которых закреплено на собственной сферической кинематической паре 6, которая может быть выполнена в виде самоустанавливающегося подшипника качения, установленного под углом 45 градусов к оси лазерного пучка с отклонением от номинального значения ±40 , а последнее поворотное зеркало 5, например, может быть выполнено фокусирующим, причем поворотные зеркала 1, 2, 3, 4, 5 выполнены охлаждаемыми (на фиг.1 не показано), которые установлены в местах изменения направления осей каждой из двух S-образных трубок 7 и 8 и одной Г-образной трубки 9, причем крепление поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5 выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью котировочного устройства 10, в качестве юстировочного устройства может быть использован винт 10, первая S-образная трубка 7, которая представляет собой первое звено световода, с одной стороны установлена с возможностью вращения в корпусе 12, для обеспечения вращательного движения S-образной трубки 7 относительно корпуса 12 может быть использован подшипник качения 11, корпус 12 установлен на внешнюю поверхность трубной секции 13 и закреплен на ней крепежным устройством 14, в качестве крепежного устройства 14, например, может быть использован бандажный обруч 14, а с второй стороны S-образная трубка 7, соединенная с возможностью вращения с второй S-образной трубкой 8, для обеспечения вращательного движения первого звена световода 7 (первой S-образной трубки 7) относительно второго звена световода 8 (второй S-образной трубки 8) может быть использован подшипник качения 15, который представляет собой второе звено световода 8, S-образная трубка 8 вторым своим концом соединена с возможностью вращения с Г-образной трубкой 9, для обеспечения вращательного движения второго звена световода 8 (второй S-образной трубки 8) относительно третьего звена световода 9 (третьей Г-образной трубки 9) может быть использован подшипник качения 16, который представляет собой вместе с газодинамическим соплом 17 третье звено световода, газодинамическое сопло 17, которое имеет полость 18 с закрепленной газоподводящей трубкой 19, с одной стороны соединено с Г-образной трубкой 9, а со второй – крепежным устройством 20, в качестве крепежного устройства может быть использована струбцина 20, которая закреплена на транспортирующем устройстве 21, на котором закреплен дополнительный источник нагрева 22. Сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению
0,25L 102 до 1 108 Па, до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода на трубопровод, как показано на фиг.2, причем намотанные звенья световода охватывают больше половины внешней длины окружности трубопровода, после чего параллельно с включением лазера и дополнительного источника нагрева включают реверсивно транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию, причем вместе с включением лазера через газодинамическое сопло соосно со сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением от 1 102 до 1 109 Па, в качестве технологического газа могут быть использованы или гелий, или аргон, или азот, или кислород, или СО2, или смесь этих газов.
Устройство работает таким образом.
Корпус 12 устанавливают на внешней поверхности трубопровода 13 и закрепляют на трубопроводе 13 с помощью крепежного устройства 14. Также на трубопроводе 13 устанавливают и закрепляют транспортирующее устройство 21. Вращая юстировочное устройство 10, которое, контактируя с поворотными зеркалами 1, 2, 3, 4, 5, придает им пространственное движение на сферической кинематической паре 6. Юстирование поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5 проводят до тех пор, пока они не займут пространственное положение, при котором их зеркальная поверхность будет установлена под углом 45±40 градусов к оси лазерного пучка. Через газоподводящую трубку (на фиг.1 не показано) заполняют внутреннюю полость световода избыточным давлением азота от 1 102 до 1 108 Па. До начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал (на фиг.1 не показано). Вращают вокруг трубопровода 13 транспортирующее устройство 21 и с помощью крепежного устройства 20 вращают Г-образную трубку 9 вместе с газодинамическим соплом 17 и дополнительным источником нагрева 22. При вращении Г-образная трубка 9 передает движение S-образной трубке 8, которая двигается плоскопараллельно. S-образная трубка 8, двигаясь плоскопараллельно, передает движение S-образной трубке 7. Вращение вокруг трубопровода 13 транспортирующего устройства 21 проводят так, чтобы намотанные трубки 7, 8, 9 охватывали больше половины внешней длины окружности трубопровода 13 (фиг.2). Параллельно включают лазер с дополнительным источником нагрева 22 (на фиг.1 не показано), реверсивно включают транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию, и через газоподводящую трубку 19 в полость 18 подают технологический газ под давлением от 1 102 до 1 109 Па. Через газодинамическое сопло 17 соосно со сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ, в качестве которого могут быть использованы или гелий, или аргон, или азот, или кислород, или СО2. Пучок лазерного излучения, отражаясь от поворотных зеркал 1, 2, 3, 4, 5, фокусируется зеркалом 5 на внешнюю поверхность трубопровода 13, расплавляя материал трубопровода, проводит процесс лазерного сваривания или резания.
Источники информации
1. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка материалов. – М.: Высшая школа, 1988, (рис. 3.3з), стр. 104.
2. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная резка материалов. – М.: Высшая школа, 1988, (рис. 3.3и), стр. 104.
3. Зиновьев В.А. Курс теории механизмов и машин. – М.: Наука, 1972, стр. 14.
4. Шмелева И.А., Шейкин М.З. и др. Дуговая сварка стальных трубных конструкций. – М.: Машиностроение, 1985, стр. 50-150.
Формула изобретения 1. Световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, содержащий поворотные зеркала, каждое из которых закреплено на кинематической паре, установленной в местах изменения направления осей звеньев световода, отличающийся тем, что он содержит пять поворотных зеркал, корпус, юстировочные устройства, крепежное устройство, газодинамическое сопло с закрепленной в его полости газоподводящей трубкой, транспортирующее устройство и дополнительный источник нагрева, при этом кинематические пары выполнены сферическими, первое и второе звенья световода выполнены в виде S-образных трубок, а третье звено – в виде Г-образной трубки с газодинамическим соплом, крепление поворотных зеркал выполнено с возможностью их пространственного юстирования с помощью юстировочных устройств, первая S-образная трубка с одной стороны установлена с возможностью вращения в корпусе, закрепленном крепежным устройством на внешней поверхности трубной секции, а с другой стороны соединена с возможностью вращения со второй S-образной трубкой, которая вторым своим концом соединена с возможностью вращения с Г-образной трубкой с газодинамическим соплом, которое с одной стороны закреплено с Г-образной трубкой, а со второй – крепежным устройством, которое установлено на транспортирующем устройстве, на котором установлен дополнительный источник нагрева, причем сумма длин трех звеньев световода удовлетворяет соотношению 0,25L к оси лазерного пучка с допускаемым отклонением от заданной величены ±40 .
3. Световод по п.1, отличающийся тем, что поворотные зеркала выполнены охлаждаемыми.
4. Световод по п.1, отличающийся тем, что одно из поворотных зеркал выполнено фокусирующим.
5. Способ использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, при котором пучок лазерного излучения фокусируют на внешний периметр кольцевого стыка трубной секции, отличающийся тем, что световод устанавливают и закрепляют на внешней поверхности трубопровода, проводят юстировку поворотных зеркал, заполняют внутреннюю полость световода избыточным давлением азота 1 102-1 108 Па, до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода в виде трубок на трубопровод, после чего параллельно с включением лазера и дополнительного источника нагрева включают реверсивно транспортирующее устройство для вращения световода в направлении, противоположном предыдущему наматыванию, причем одновременно с включением лазера и дополнительного источника нагрева через газодинамическое сопло подают технологический газ.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания звенья световода наматывают так, чтобы они охватывали больше половины внешней длины окружности трубопровода.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания через газодинамическое сопло соосно с сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением 1 102-1 109 Па.
8. Способ по п.5, отличающийся тем, что в качестве технологического газа используют гелий, или аргон, или азот, или кислород, или СО2, или смесь этих газов.
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 09.07.2004
Извещение опубликовано: 10.06.2006 БИ: 16/2006
|
||||||||||||||||||||||||||

108 Па. За 10 минут до начала лазерной обработки включают охлаждение зеркал, наматывают звенья световода на трубопровод до легкого прикосновенья звеньев световода к поверхности трубопровода. После этого параллельно с включением лазера включают реверсивно транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию. Одновременно с включением лазера и дополнительного источника нагрева через газодинамическое сопло подают технологический газ. Технический результат заключается в повышении мобильности технологического оборудования, сокращении затрат на установку, закрепление и юстировку световода, в повышении качества сварки и резки. 2 с. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.
.
Кроме того, согласно с первой задачей изобретения поворотные зеркала выполнены охлаждаемыми.
Кроме того, согласно с первой задачей изобретения одно из зеркал выполнено фокусирующим, например последнее.
В качестве сферической кинематической пары возможно использование самоустанавливающегося подшипника качения.
В качестве дополнительного источника нагрева можно использовать дуговую сварку, сварку токами высокой частоты или другой источник нагрева.
Вторая поставленная задача решается тем, что в способе использования световода для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов, согласно которому пучок лазерного излучения фокусируется на внешнюю длину окружности кольцевого стыка трубной секции. Согласно с изобретением световод для лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов устанавливают на внешней поверхности трубопровода, закрепляют на внешней поверхности трубопровода, включают охлаждение зеркал, проводят юстировку поворотных зеркал, заполняют внутреннюю полость световода азотом, наматывают звенья световода на трубопровод, параллельно с включением лазера и дополнительного источника нагрева включают реверсивное транспортирующее устройство, которое вращает световод в направлении, противоположном предыдущему наматыванию.
Установка световода на внешней поверхности трубопровода вместе с наматыванием его звеньев на трубопровод, который обрабатывается, с последующим их реверсивным движением обеспечивает относительное движение поворотных зеркал одних относительно других над внешней поверхностью трубопровода, что обеспечивает возможность проведения технологического процесса лазерного сваривания или резания неподвижных кольцевых стыков трубопроводов как при их сооружении, так и при проведении ремонтных работ построенных трубопроводов. Включение охлаждения зеркал позволяет с одной стороны повысить коэффициент полезного действия каждого зеркала и всего световода за счет уменьшения поглощения лазерного излучения на каждом из зеркал, а с второго – обеспечивает стабильность транспортирующей способности световода, что в свою очередь обеспечивает стабильность параметров лазерной обработки и повышает их качество. Проведение юстирования поворотных зеркал позволяет точно и качественно транспортировать пучок лазерного излучения к месту обработки, что приводит к качественному формированию сварного шва или реза при проведении процесса лазерного сваривания или резания. Заполнение внутренней полости световода азотом позволяет с одной стороны защитить зеркальные поверхности поворотных зеркал световода от действия внешних факторов, таких как пыль, паров материалов, которые образовываются при лазерной обработке, действия влаги и газов, а с второго – обеспечивает стабильное транспортирование световодом пучка лазерного излучения к месту обработки за счет создания внутренней среды световода, которая не поглощает лазерное излучение. При использовании дополнительного источника нагрева в качестве предварительной обработки перед использованием лазерного излучения удается повысить температуру обрабатываемого материала, что в свою очередь вызывает повышение поглощения лазерного излучения обрабатываемым материалом и тем самым повышает коэффициент полезного действия проплавляющей способности лазерного излучения, повышает общий коэффициент полезного действия использования термических источников нагрева в процессах лазерной обработки (лазерной сварки, лазерной резки). Использование комбинированного нагрева, лазерным излучением и дополнительным источником нагрева, увеличивает объем сварочной ванны жидкого металла, вследствие чего падает скорость охлаждения, что вызывает уменьшение образования трещин после проведения процесса сварки. Также использование комбинированного нагрева, лазерным излучением и дополнительным источником нагрева, за счет увеличения скорости нарастания фронта температуры позволяет увеличить скорость сварки или резки.
Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания звенья световода наматывают так, чтобы они охватывали больше половины длины окружности трубопровода.
Кроме того, согласно с второй задачей изобретения при проведении технологического процесса лазерного сваривания или резания через газодинамическое сопло соосно со сфокусированным лазерным пучком или под установленным углом к нему подают технологический газ под давлением от 1