專利名稱:用于激光焊接系統(tǒng)的光束調(diào)整系統(tǒng)的制作方法
本發(fā)明一般與用于激光加工工件的裝置有關(guān)，據(jù)此，尤其與激光束調(diào)整設(shè)備有關(guān)。
在特定工件上進行各種激光加工(如激光焊接)通常需要光束聚焦透鏡以不同的焦點針對所要進行的各個機械加工反復(fù)聚焦。激光焊接為橫向支撐燃棒而使用在核燃料系統(tǒng)中的燃料棒格柵就是需要這樣反復(fù)聚焦的典型例子。眾所周知，在此技術(shù)范圍，這些格柵由許多金屬片組成，這些金屬片相互交錯形成一個有許多格子供各燃料棒貫穿通過的雞旦箱狀的結(jié)構(gòu)，而每個格柵都要完成很多焊接裝配，也就是說每個格柵內(nèi)的金屬片要彼此交叉;每個格柵內(nèi)金屬片的端部要與外部或外圍的金屬片相連格柵外圍的金屬片要在格柵的拐角相接而且用于控制棒的導(dǎo)向套管的套筒又要與格柵內(nèi)金屬片連接。在一個格柵上完成如此眾多的焊接，需要把激光束反復(fù)聚焦于不同的焦平面上，這通過一個激光聚焦透鏡的相應(yīng)運動來完成。
這種激光加工裝置迄今都存在這樣一個問題，改變聚焦透鏡的高度時。激光束聚焦光斑橫向偏離其正確位置，這種偏離會使焊接的質(zhì)量低劣。
本發(fā)明主要旨在克服上述問題，因此屬于用來進行大量激光加工操作的裝置，它包括發(fā)射激光束的設(shè)備;還包括引導(dǎo)發(fā)射出的光束至少沿一條在其中安裝有可沿一個軸移動、為適應(yīng)各種加工操作而把光束聚焦在不同焦點上的聚焦設(shè)備的預(yù)定軌跡傳輸?shù)脑O(shè)備，其特征是用于把至少部分上述的或各個光束軌跡同安裝在其中的聚焦設(shè)備的運動軸調(diào)準(zhǔn)的光束調(diào)整設(shè)備，這種光束調(diào)整設(shè)備包括調(diào)整靶設(shè)備，與上述的或各個光束軌跡有關(guān)、在光束軌跡中可拆裝地支撐調(diào)整靶設(shè)備從而使靶設(shè)備攔截激光束并投射一個形狀依據(jù)光束軌跡的該部相對于聚焦設(shè)備的運動軸調(diào)準(zhǔn)或失調(diào)而變化的陰影的安裝設(shè)備，以及在所述或各個光束軌跡中用于調(diào)節(jié)后者的所述部位的可調(diào)節(jié)設(shè)備，調(diào)節(jié)方式采用允許被所述的調(diào)整靶設(shè)備所投的影從一個表征失調(diào)的形狀回復(fù)到一個表征調(diào)準(zhǔn)的形狀，從而調(diào)準(zhǔn)光束軌跡的所述部位和安裝在其中的聚焦設(shè)備的所述運動軸。
采用包括上述光束調(diào)整設(shè)備的這臺裝置可以把激光束以高精度聚焦在很多激光加工位置上并且沒有有害的焦點偏移。
在將要詳述的本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，調(diào)整整靶設(shè)備包括兩個靶部件。通過安裝設(shè)備便于將它們以一定的間隔分別定位在各個光束軌跡中，并使它們投射一個在特殊的光束軌跡部位與聚焦設(shè)備的運動軸分別表征為調(diào)準(zhǔn)和失調(diào)的規(guī)則形狀與非規(guī)則形狀之間變化的合成陰影。在上述或每一條光束軌跡中的靶安裝設(shè)備適合于把兩個靶部件定位在靶部件之間沒有諸如像透鏡或反射鏡那樣的光學(xué)元件的一段光束軌跡中。體現(xiàn)本發(fā)明的這種裝置的可調(diào)節(jié)設(shè)備包括一個在有關(guān)的光束軌跡中用于阻斷和使激光束改變方向的換向反射鏡，此換向反射鏡對于基本上相互垂直的兩個軸可以轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)?？烧{(diào)節(jié)設(shè)備還包括一個圍繞基本上相互垂直的兩個軸可作轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)的第二個換向反射鏡，安裝第二個換向反射鏡是阻斷被第一個提到的反射鏡改變了方向的激光束，并使阻斷了的光束沿相對于聚焦設(shè)備的運動軸調(diào)準(zhǔn)了的光束軌跡段反射。
現(xiàn)在請參考附圖，僅通過舉例的方式說明本發(fā)明優(yōu)選的實施例，其中圖1是一個核燃料系統(tǒng)的透視圖;
圖2A，2B和2C分別是使用在圖1系統(tǒng)中的一段燃料棒格柵的透視圖、平面圖和剖面圖;
圖3表明未采用本發(fā)明時，激光束聚焦透鏡向不同聚焦位置的移動怎樣引起焦點偏離其正確位置;
圖4是體現(xiàn)本發(fā)明的激光焊接裝置的結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的部件分解、透視圖;
圖5是本激光焊接裝置的光學(xué)系統(tǒng)透視簡圖;
圖6表示圖3的激光聚焦透鏡以及它如何折射來自激光器的光線的實例;
圖7A和7B分別是圖4和圖5的激光焊接系統(tǒng)的正視圖和俯視圖;
圖8A和8B分別是把水平取向的激光束改變成沿相對于一個垂直軸線或Z-Z′軸精確調(diào)準(zhǔn)的垂直取向的換向反射鏡的側(cè)視圖和正視圖;
圖9A和9B分別是根據(jù)本發(fā)明所使用的光束調(diào)整靶的平面圖和沿圖9A的9B-9B線所取的剖面圖;
圖10是使用在圖7B，8A和8B指出的激光焊接系統(tǒng)中的換向反射鏡系統(tǒng)的正視圖;
圖11是圖5和7A所示激光聚焦系統(tǒng)的剖面圖;和圖12A和12B分別是當(dāng)激光束和Z-Z′軸調(diào)整好時和當(dāng)激光束和Z-Z′軸失調(diào)時，通過一對如圖9A和9B所示的光束調(diào)整靶的激光束產(chǎn)生的投影圖;
現(xiàn)在參考諸圖，尤其是圖1，后者示出一種在制造過程中可以使用體現(xiàn)本發(fā)明的精密激光加工裝置的核燃料系統(tǒng)。此燃料系統(tǒng)，大體上用數(shù)字10表示，是一個獨立單元，包括頂端噴嘴12，底端噴嘴14，和在此間延伸的通過格柵16定位的一組核燃料棒13。兩個噴嘴12和14與格柵16一起構(gòu)成支撐燃料棒18和控制棒(未標(biāo)出)的框架。象系統(tǒng)10那樣的核燃料系統(tǒng)裝入核反應(yīng)堆內(nèi)的預(yù)定位置，這樣各個燃料棒18之間相對取向即被嚴格控制。
體現(xiàn)本發(fā)明的精密激光焊接裝置將與燃料棒格柵16的制造一起討論。在圖2A至2C中，示出其中的一個格柵當(dāng)以平面圖方式觀察時，它近似為一個正方形，它的周邊由四片端部通過角縫焊30連接在一起的外格柵片22形成。很多內(nèi)格柵片20形成一個雞旦箱狀結(jié)構(gòu)，以限定為接收燃料棒18和控制棒的導(dǎo)向套管的(未標(biāo)出)的格子。相互交叉的內(nèi)格柵片20在交叉點有余縫，參見24，使它們相互咬合，在每一個交叉點24完成交叉焊32，使相互交叉的內(nèi)格柵片段彼此連接在一起。每一個內(nèi)格柵片20在它的每一個端部都有一對翼片26，它們被安裝在外格柵片22的相應(yīng)槽28中，并通過沿上、下排翼片26和槽28完成的槽和翼片焊接34加以固定。用于控制棒的導(dǎo)向套管的套筒36以預(yù)定的圖案安裝在格柵16的一個表面上。每一個套筒36都放在確定與各自的套筒36有關(guān)的格柵格子的內(nèi)片段的邊緣部分形成的凹槽38中，并通過切口線焊40把套筒36固定在上述的內(nèi)片段上。
體現(xiàn)本發(fā)明的并且還要在本文所敘述的精密激光焊接裝置特別適宜在一系統(tǒng)控制焊接操作過程中進行焊接30、32、34和40。應(yīng)該這樣理解，即在完成每一次這樣的燥接后，格柵16便改變位置而且/或者激光束的焦點發(fā)生變化以完成所期望的特殊類型的焊接。
現(xiàn)在參考圖2B和2C，在每一個內(nèi)格柵片20上都有很多安裝成彼此間隔開關(guān)大體平行的彈性銷44，而且每一個內(nèi)片20上也都有許多分別靠近各個彈性銷44另一端的間隔銷46，這樣安排的目的是使內(nèi)格柵片上的銷44和46相互配合，有彈性地夾緊貫穿由內(nèi)片形成的各個格柵格子的燃料棒18并對其提供橫向支撐。
在格柵16的制創(chuàng)中，首先組裝上述部件，爾后焊接。當(dāng)進行交叉焊接32時，格柵16沿各自的X軸和Y軸遞增移動，并在激光束調(diào)整與格柵片20的每個交叉點的每個位置上停頓，于是激勵激光源把激光束發(fā)射到調(diào)準(zhǔn)好的交叉點上完成焊接。此后，格柵16行進到下一個位置，進行另一次交叉焊32。槽和翼片焊接34與角縫焊接30通過把格柵16沿其Y軸轉(zhuǎn)動完成，此轉(zhuǎn)動使每一個外格柵片22都呈現(xiàn)在激光束前以便焊接。為了把套筒36固定在內(nèi)格柵片20的凹槽或切口38上而進行的切口線焊接40，是通過把格柵16轉(zhuǎn)動到與激光束成45度角的位置并使激光束照射到套管筒36和切口38的交界面上而完成。激光束聚焦首先是進行位于一個單一平面內(nèi)的交叉焊接32。為了完成角縫焊接30與槽和翼片焊接34，需要轉(zhuǎn)動格柵16脫離交叉焊接32的平面，此時需要重新聚焦激光束。同樣，使格柵16從交叉焊接32的平面轉(zhuǎn)動到與激光束成45度角的位置，也需要重新聚焦激光束。
現(xiàn)在參考圖4，在這里展示了一個激光焊接系統(tǒng)102，它適用于為了構(gòu)成格柵16而需要把內(nèi)、外格柵片20、22連接成一個整體結(jié)構(gòu)并且為了控制棒的導(dǎo)向套管(未標(biāo)出)把套筒36固定在構(gòu)成的格柵16上而進行的一系統(tǒng)諸如需要執(zhí)行交叉焊接32，槽和翼片焊接34，角縫焊接30和切口線焊接40的焊接操作。
與激光焊接系統(tǒng)102有關(guān)的是一對定位艙106a和106b。其作用是將工件(例如格柵16)移動到逐次的焊接位置。每一個定位艙106都與一個焊接箱108(例如圖5中所示的焊接箱108a)有關(guān)，需要焊接的格柵16放在其中，此箱適于保持一種環(huán)境，諸如保持能使激光焊接得以進行的惰性氣體，例如氬氣的氣氛。主框架122相對于兩個定位艙106a和106b調(diào)準(zhǔn)的位置可調(diào)節(jié)地支撐激光系統(tǒng)102。激光系統(tǒng)102一經(jīng)調(diào)準(zhǔn)，就把定位艙106a和106b相對于主框架122也即相對于激光系統(tǒng)102牢牢固定，以便保證對于每一個定位艙106a和106b也即相對于所攜帶的燃料棒格柵16，能夠精確控制激光束169的調(diào)節(jié)。主框架122由一個頂板142和一個底板(未標(biāo)出)組成，均焊接在矩型管的框架上。當(dāng)頂板142焊接在矩型管的框架后被加工成平面，以便為安裝在其上的系統(tǒng)部件提供參考平面，并且適當(dāng)將其固定(例如用螺栓固定或用暗銷連接)。
運動支架140被螺栓固定在頂板142上，它由一對支腳141和139組成，每一個支腳都有一個與頂板142相固定的定位銷。定位艙106安裝在主框架122上，每一個定位都由底座150、側(cè)壁152和154以及一塊頂板或密封板156組成，其中，底座150的四角用螺栓固定在頂板142上;側(cè)壁152和154都用螺栓固定在底座150上，頂板或密封板156安裝得與各個焊接箱108a和108b開啟時所形成的密封凸緣109和109b的間隔很小(小于1毫米)，如圖5所示。
正如參考圖4和圖5將要進一步詳述的那樣，運動支架140確定了激光系統(tǒng)102的位置，特別是確定了相對于主框架122的參考表面和燃料棒格柵16的由激光棒170和相關(guān)的光學(xué)元件構(gòu)成的激光發(fā)射源位置。激光棒170安裝在激光頭罩166內(nèi)(見圖4)，此罩裝在已經(jīng)機械加工成平面性很好的一塊光學(xué)加工平板168上，光學(xué)加工平板168安裝在一個激光底盤座162上，再依次由屬于運動支架140一部分的主橫梁157和水平桿159所支撐。同樣安裝在光學(xué)加工平板168上的還有一個與傳動裝置相聯(lián)的可移動的光束轉(zhuǎn)向反射鏡172(見圖5)，以及由反射鏡176a、176b和174、177a、177b構(gòu)成的固定光束換向裝置。如圖7B所示，光束轉(zhuǎn)向反射鏡172安裝在又由反射鏡轉(zhuǎn)向平臺175所支撐的轉(zhuǎn)向反射鏡支座331上。此平臺可以做直線運動，方向如箭頭327所示，其位置在阻斷激光束169的位置(圖中用實線表示)與使激光束169能夠射到固定光束換向器174的第二個位置(圖中用點劃線表示)之間，激光束169由此射向左邊，見圖5或圖7B。用于趨動反射鏡轉(zhuǎn)向平臺175的傳動裝置可以是一個能夠用電激勵的線圈，其作用就象阿娜羅德公司(Anorad Inc.)生產(chǎn)的線性感應(yīng)電動機一樣。
與激光底盤座162一起支撐光學(xué)加工平板168的運動支架140(見圖4)是一個由矩形型管制造的焊件，它為保持從激光棒170發(fā)射的激光束169(見圖5)和燃料棒格柵16之間的臨界調(diào)整提供了必要的剛度要求。激光底盤座162用螺栓固定在一對水平千斤頂158a和158b上，它們被安裝在鄰近主橫梁157相對的兩端上。球形支座160安裝在水平桿159的后部，對激光底盤座162提供單點支撐，這樣，當(dāng)前面的水平千斤頂158a和158b分別升高或降低時，激光底盤座162即可繞軸線164轉(zhuǎn)動。球形支座160以固定高度安裝，以提供一個支點，使激光底盤座162通過水平千斤頂158a和158b可垂直上升或傾斜到所需要的角度。
在最初調(diào)節(jié)激光焊接系統(tǒng)102的過程中，當(dāng)施加由水平千斤頂158a和158b產(chǎn)生的頂力時，必須嚴格保持激光底盤座162的平面。此激光底盤座162也支撐一對激光聚焦透視鏡系統(tǒng)204(見圖5、7A和11)，它們是直線可調(diào)的，以便把激光束169聚焦到相應(yīng)的焊接箱108內(nèi)的燃料棒格柵16上，由激光底盤座162提供支撐的目的在于，可以調(diào)節(jié)激光聚焦透鏡系統(tǒng)204，使它的Z軸與激光底盤座162的上表面相垂直。因此正如從圖4和圖5看到的那樣，一條由激光棒170發(fā)出的激光束，例如光束169，射到光束轉(zhuǎn)向反射鏡172，使光束由此交替轉(zhuǎn)向，首先沿軌跡178a射向一對換向反射鏡176a和176b，然后沿軌跡178b射向另一對換向反射鏡177a和177b，沿軌跡178a傳輸?shù)募す馐藭r穿過定位艙106a中的窗口180a;而沿軌跡178b傳輸?shù)募す馐藭r則穿過定位艙106b中的窗口180b。
在圖5中舉例說明的激光系統(tǒng)可以是雷桑(Raytheon)制造的型號為SS500的那種類型。此激光系統(tǒng)包括由一個摻釹釔鋁柘榴石(NdYAG)晶體構(gòu)成的激光棒170，以及一對安裝高效率激光頭中的直線氪閃光燈186。激光頭包括安裝在激光棒170相對端的全反射鏡184。安裝在激光棒170和全反射鏡182之間的內(nèi)腔式光閘188易于控制，以便依據(jù)各個焊接所需要的能量釋放出數(shù)量可供選擇的激光脈沖。激光頭由標(biāo)準(zhǔn)件構(gòu)成可使所有光學(xué)元件，包括激光棒170、激勵燈186和反射鏡182與184的更換即簡單又互不干擾，激勵燈186也可在不干擾光學(xué)調(diào)節(jié)的情況下迅速更換。此外，激勵燈或閃光燈186包括其端部接頭在其整個長度范圍內(nèi)為水冷。燈觸發(fā)通過激勵腔體為激勵燈186的并聯(lián)脈沖作準(zhǔn)備。激光棒170可以這樣選擇，當(dāng)分別工作在脈寬6毫秒和2毫秒而脈沖速率是20赫茲和50赫茲時，工件上所獲得的平均功率為400瓦特，對脈沖成形網(wǎng)絡(luò)的輸入功率不超過18千瓦特。
圖5表示在第一個位置或光束阻斷位置的一個放泄光閘190，在這個位置上，它使激光束169轉(zhuǎn)向沿軌跡196射到光束吸收器194上;改變焊接箱108內(nèi)的工件即燃料棒格柵16就是在這個光束阻斷位置上進行的。趨動機構(gòu)192用于把光閘190從它的第一個位置移動到第二個位置或非阻斷位置，在此，光束169直接通過一個光束擴束器透鏡系統(tǒng)198射向由可移動的光束轉(zhuǎn)向反射鏡172和固定反射鏡174組成的光束導(dǎo)向機構(gòu)。當(dāng)轉(zhuǎn)向反射鏡172位于阻斷激光束169的位置上時，則使光束沿軌跡178a射到一對換向反射鏡176a和176b，然后使光束垂直射入適宜把激光束聚焦在焊接箱108a內(nèi)的燃料棒格柵16上的激光聚焦透鏡系統(tǒng)204a。正如在下文中將要詳述的那樣，每一個激光聚焦透鏡系統(tǒng)204都由激光聚焦透鏡202和透鏡支托管200組成。當(dāng)通過反射鏡轉(zhuǎn)向平臺175把轉(zhuǎn)向反射鏡172從光束阻斷位置移動到非阻斷位置時，激光束169射到固定反射鏡174上，由此射向換向反射鏡177a和177b，然后垂直射到焊接箱108b。
現(xiàn)在參考圖6，它顯示一個通過聚焦透鏡202，折射激光束169產(chǎn)生一個聚焦光斑的實例。如圖所示，假定激光聚焦透鏡202相對于Z-Z′軸失調(diào)，透鏡系統(tǒng)204與在其中的激光聚焦透鏡202一起在反復(fù)聚焦時要沿此軸移動;也就是說，假定激光聚焦透鏡202的實際光軸Y-Y′稍微有些偏心而且相對Z-Z′軸傾斜一個角度θ′。激光束169的光線X-X′以與Z-Z′軸的夾角θ入射到聚焦透鏡202上。為簡單起見，圖6所示的線Z-Z′、Y-Y′和X-X′都在同一個平面內(nèi)，但是一般來說，這些線取向各不相同，因此它們中的任何兩條都不會在同一個平面內(nèi)。
圖6示出了被聚焦透鏡202聚焦到一個共同焦點X′上的激光束的光線，共同焦點X′與聚焦透鏡202的距離是f(焦距)，與Z-Z′軸的橫向距離為X。如果Z-Z′和X-X′失調(diào)，則焦點X′的橫向位移X隨激光聚焦透鏡202沿Z-Z′軸的移動而變化。圖3的取樣光線跟蹤草圖顯示出聚焦透鏡202三個不同的垂直位置，以及相應(yīng)地有三個不同的用X1、X2和X3表示的焦點的橫向位移。由幾何光學(xué)知識得出橫向位置X相對于透鏡在某一垂直參考位置對應(yīng)的位移X0的變化可以描述為X-XO= (fZ△θMSinθcosθ)/(d-Z△θMcosθ)
式中f是透鏡的焦距，Z是距離參考位置的垂直位移，△θM是由擴束器198帶來的光束發(fā)散，θ是入射激光束169相對軸Z-Z′的夾角，d是在聚焦透鏡202位置處的激光束直徑。
對上述方程下面將討論兩種特殊情況。第一種情況，假定θ＝0，這相當(dāng)于入射激光束169與Z-Z′軸完全對準(zhǔn)。此時，對所有的Z值來說，位移X-X0＝0，這是理想情況。第二種情況，假定激光束169不發(fā)散，即△θM＝0。此時，對所有的Z值來說，又得出X-X0＝0。
焊接點的橫向位移X-X0是聚焦透鏡202垂直位移Z的函數(shù)。所以如圖6所示，使Z-Z′軸和激光束169的光線X-X′之間的夾角θ減至最小，最好為零，將本質(zhì)上減小當(dāng)聚焦透鏡202的位置改變時出現(xiàn)的焦點的橫向位移X-X0。
體現(xiàn)本發(fā)明的并如圖5示意的激光焊接系統(tǒng)102，允許激光束169相對Z-Z′軸(圖6)調(diào)節(jié)，激光聚焦透鏡系統(tǒng)204要沿此軸移動。如圖5所示，在第一種工作模式中，激光束169通過轉(zhuǎn)向反射鏡172沿軌跡178a傳輸，經(jīng)過一對換向反射鏡176a和176b，沿著一條垂直向下的軌跡178c入射到聚焦透鏡202a上。并經(jīng)它把激光束聚焦到右邊焊接箱108a內(nèi)安放的燃料棒格柵16上。在第二種工作模式中，轉(zhuǎn)向反射鏡172處于它的第二位置即非阻斷位置，則激光束169被固定反射鏡174反射，沿軌跡178a傳輸，經(jīng)過一對換向反射鏡177a和177b改變方向，沿垂直向下的軌跡178d傳輸。
在激光焊接的正常工作過程中，沿軌跡178c傳輸?shù)募す馐?69被聚焦透鏡202a聚焦到燃料棒格柵16上。具有代表性的是，在焊接操作之前，有必要相對Z-Z′軸(見圖6)調(diào)整激光束169，即把夾角θ減至零。如圖5所示，關(guān)于垂直光束軌跡178d，可在其中插入一對調(diào)整靶179b和181b，它們將在激光束169中把一個陰影投射到激光光束調(diào)整顯示系統(tǒng)310上。在調(diào)整過程中，正如下文將詳述的那樣，不需要聚焦透鏡202b，而用位于下部的調(diào)整靶181b替代。換向反射鏡177a和177b可以精確調(diào)節(jié)，正如本文后面要說明的那樣，使激光束169的分段軌跡178d定中心于兩個調(diào)整靶179b和181b上。如果在換向反射鏡177b和下部調(diào)整靶181b之間的光束段178d與聚焦透鏡系統(tǒng)204b的Z-Z′軸平行，如果相對Z-Z′軸正確調(diào)準(zhǔn)激光束169，則夾角θ(見圖6)將減至零，此時，當(dāng)透鏡系統(tǒng)204上下移動以完成不同的焊接時，焦點的橫向位移將最小。
與每一個聚焦透鏡相關(guān)聯(lián)的是一對換向反射鏡176a、176b或者是177a、177b，而不是一個單一垂直導(dǎo)向反射鏡，其優(yōu)點是，只要激光束169相對轉(zhuǎn)向反射鏡172和固定反射鏡174調(diào)整完畢，則可以把它們定位，而激光束沿垂直分段軌跡178c和178d的重新取向完全通過各個換向反射鏡對176a、176b和177a、177b來完成。
通過調(diào)整固定反射鏡174，在來自激光束軌跡178a或178b的最大偏差極限內(nèi)，調(diào)整激光束169是可能的。最大偏差的范圍取決于激光束169、相對固定反射鏡174或轉(zhuǎn)向反射鏡172的入射角。由于激光束169沿著第二分段軌跡178c或178d其中之一傳輸，這樣的調(diào)整可以產(chǎn)生一個重要的角度偏差。為了提供激光束169的精細調(diào)整，只要使用兩個調(diào)整靶179和181，必須把它們放在光束軌跡的相同分段中，在其中不附加任何諸如反射鏡、透鏡等的光學(xué)元件。在所示的本發(fā)明的優(yōu)選的實施例中，調(diào)整靶179和181放在第二個分段軌跡178d中(或178c中，視情況而定)。
現(xiàn)在參考圖7A和7B，轉(zhuǎn)向反射鏡172和換向反射鏡對176a、176b和177a、177b安裝在光學(xué)加工平板168上(也可參見圖4)。特別是固定反射鏡174和轉(zhuǎn)向反射鏡172安裝在支撐于光學(xué)加工平板168上的轉(zhuǎn)向反射鏡盒302中。轉(zhuǎn)向反射鏡盒302通過和波紋管307相連接的伸縮套管306與激光頭罩166偶接。激光束169通過管304傳輸，在第一種工作模式中，射到轉(zhuǎn)向反射鏡172后改變方向，沿第一或水平分段軌跡178a傳輸，通過由波紋管308a相連接的伸縮套管304a后，經(jīng)開口301a射入裝有一對換向反射鏡176a和176b的換向反射鏡盒300a中。在第二種工作模式中，轉(zhuǎn)向反射鏡172處于非阻斷位置時，激光束169射向固定反射鏡174，經(jīng)反射沿第一或水平分段軌跡178b傳輸，通過由波紋管308b相連接的伸縮套管304b經(jīng)開口301b射入裝有一對換向反射鏡177a和177b的換向反射鏡盒300b中。
如圖7B所示，轉(zhuǎn)向反射鏡172位于安裝在反射鏡轉(zhuǎn)向平臺175上的支撐架331上，反射鏡轉(zhuǎn)向平臺175通過一個適當(dāng)?shù)内厔悠鳎绻ぷ鞣绞较缶€性感應(yīng)電動機一樣的線圈裝置(圖中未標(biāo)出)，可作直線運動，方向如箭頭327所示。固定反射鏡174安裝在包括一個可調(diào)微米軸332的系統(tǒng)328中，并通過支撐架330座落在光學(xué)加工平板168上，微米軸332允許固定反射鏡174以相對于圖7B垂直的軸做轉(zhuǎn)動精細調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)微米軸332，可以精確建立水平分段軌跡178b，引導(dǎo)激光束射入換向反射鏡盒300b并射到換向反射鏡177a上。
現(xiàn)在參考圖7A，激光束169分別通過透鏡系統(tǒng)204a和204b射入定位艙106a和106b中。激光束169沿下部分段軌跡178c射到安裝在滑動平臺262a上的屏蔽管216a內(nèi)的熱堆218a上，滑動平臺262a由支承軸278a和軸臺282a支撐，可做直線運動，從定位艙106a中進出。正如在申請人的比利時專利號897，643中更全面描述的那樣，熱堆218a提供表征入射激光束169功率的輸出信號，并可用來控制激光棒170的激勵，使入射光束169的功率保持恒定。
激光束169通過透鏡系統(tǒng)204b沿下部分段軌跡178d射入定位艙106b中并投射在激光束調(diào)整顯示系統(tǒng)310上，此系統(tǒng)310用于完成下部分段軌跡178d相對Z-Z′軸(透鏡系統(tǒng)204沿此軸移動)的精確調(diào)節(jié)。如圖7A所示，系統(tǒng)310由光束圖案顯示部件320組成，安裝在支撐架322上的燈324發(fā)出紫外輻射照明此顯示部件320。支撐架322和光束圖案顯示部件320都安裝在顯示平臺316上，此平臺包括座落于滑動平臺262b上的一對支撐柱311上可隨意支撐平臺316的安裝架312。固定在滑動平臺262b下邊的一對支承軸278b在一對軸臺282b上，可支撐滑動平臺262b做直線運動從定位艙106b中進出。為了執(zhí)行由定位艙106a和106b代表的兩個焊接工位中任何一個有關(guān)的光束調(diào)整分別與各個定位艙有關(guān)的滑動平臺262可從艙中退出，激光束調(diào)整顯示系統(tǒng)310安裝在滑動平臺上，隨后與顯示系統(tǒng)一起回復(fù)到定位艙中的原位，使激光束169能夠沿著下部分段軌跡178d，射到光束圖案顯示部件320上，如圖7A所示。
現(xiàn)在參考圖8A和8B，詳細描述換向反射鏡176a和176b特別是換向反射鏡系統(tǒng)340a和344a。如圖8A所示，激光束169沿上部分段軌跡178a(位于與圖8A相垂直的線中)入射在換向反射鏡176a上，經(jīng)反射到換向反射鏡176b后沿下部分段軌跡178a向下傳輸，通過光束出射口303a進入聚焦透鏡202a，使激光束聚焦在燃料棒格柵16上，如圖5所示。正如下面參考圖10將更加全面闡述的那樣，換向反射鏡176b安裝在包括一對微米軸346和348的換向反射鏡系統(tǒng)344中，這對微米軸可分別用來調(diào)節(jié)換向反射鏡176b的方位和俯仰位置。換向反射鏡176a安裝在包括一對微米軸342和343的與344相似但不完全一樣的換向反射鏡系統(tǒng)340中，這對微米軸可分別用來調(diào)節(jié)換向反射鏡176a的方位和俯仰。換向反射鏡系統(tǒng)344固定在支撐座338上的垂直支撐部件352上。一個T形安裝架378支撐換向反射鏡系統(tǒng)340。
從圖8A可知，支撐座338具有一個靶開口371，用于放置上調(diào)整靶179a(見圖5)的靶系統(tǒng)370。靶系統(tǒng)370有一個周邊凸緣373，它位于開口371內(nèi)被支撐座338限定的環(huán)狀凸緣部分上。靶開口371的大小、形狀和位置應(yīng)是放在靶開口371內(nèi)的靶系統(tǒng)370中的靶179a相對于激光束169的垂直下部分段軌跡178a定中心。調(diào)整靶179通過靶系統(tǒng)370內(nèi)部的卡環(huán)375固定在靶系統(tǒng)370內(nèi)。在為調(diào)整過程作準(zhǔn)備時，拿開通常封閉換向反射鏡盒300a開口的蓋板334(見圖8B)，把包括靶179在內(nèi)的靶系統(tǒng)370通過適當(dāng)?shù)墓ぞ叻湃氚虚_口371內(nèi)，如374所示，此工具有一個叉腳狀的端部，因此可以寬松地卡入靶系統(tǒng)370的環(huán)形周邊槽372。應(yīng)該這樣理解，完成調(diào)整過程后和在任何激光焊接操作重新開始前，應(yīng)把靶系統(tǒng)370連同調(diào)整靶179a一起，從靶開口371和換向反射鏡盒300中取出。反射鏡防護屏376安裝在支撐部件352a上，位于靶開口371和換向反射鏡系統(tǒng)344a之間，以避免在操作過程中，換向反射鏡176b與靶系統(tǒng)370相接觸。
如圖9A和9B所示，每一個調(diào)整靶179和181都包括環(huán)狀輪緣382和一對安裝在分別由輪緣382向內(nèi)、徑向延伸的兩個支撐桿384a和384b的內(nèi)端上彼此相對的環(huán)段386a和386b，每一節(jié)環(huán)段都基本上是與環(huán)狀輪緣382同心圓光束開口388周長的四分之一。
現(xiàn)在回到圖8B，固定在支撐座338a并相對于支撐部件352a直角安裝的撐臂350a，給部件352a以及裝在其上的換向反射鏡系統(tǒng)344a增加支撐和剛性，為了保護操作者在調(diào)節(jié)換向反射鏡系統(tǒng)上的微米軸時不受激光輻射的傷害，與換向反射鏡系統(tǒng)344a的換向反射鏡176b相關(guān)的微米軸346a和348a，又分別聯(lián)結(jié)了延伸軸354a和364a。延伸軸354具有一個插座狀的端部，通過定位螺釘356a，可與微米軸346a的滾花端部相銜接，并通過換向反射鏡盒300a側(cè)壁上的一個開口延伸出去。安裝并固定在換向反射鏡盒300a側(cè)壁外部的是一個支撐防護帽360a的支撐架358a，防護帽可從支撐架上拿下，使延伸軸354a露出，并且固定帶362a把此帽栓在盒300a上。延伸軸364a延伸穿過延伸套366a，當(dāng)不需要調(diào)節(jié)時，用一個可卸下的防護帽368a加以保護，防護帽368a的支撐方式與防護帽360a相似。
圖8B標(biāo)出了在激光束調(diào)整過程中使用的一個安裝在換向反射鏡盒300a上的電視攝像機206(見圖5和8B)，如圖5所示，電視攝像機206沿下部分段軌跡178C所調(diào)準(zhǔn)的軸線214取向。安裝一個安全光門212以截斷軸線214，使用透鏡210將激光束調(diào)整顯示系統(tǒng)310上由上、下該調(diào)整靶179和181所形成的像，聚焦在電視攝像機206上，使操作人員可以在陰極射線管(CRT)上進行觀察，正如以后將說明的那樣，這將有助于操作人員調(diào)節(jié)換向反射鏡176和177。
圖10詳細說明了在圖8A和8B中簡單所示的換向反射鏡系統(tǒng)344a。不言而喻，換向反射鏡系統(tǒng)340和固定反射鏡系統(tǒng)328雖然與換向反射鏡系統(tǒng)344不同，但很相似。換向反射鏡系統(tǒng)344包括一個外平衡環(huán)347和一個內(nèi)平衡環(huán)351。外平衡環(huán)347通過一對軸承349a和349b安裝在系統(tǒng)344上，允許圍繞水平軸轉(zhuǎn)動以提供俯仰調(diào)節(jié)。微米軸348用來精細調(diào)節(jié)外平衡環(huán)347的位置，因此也是換向反射鏡176的位置。內(nèi)平衡環(huán)351由一對軸承353a和353b支撐，使內(nèi)平衡環(huán)351和換向反射鏡176繞垂直軸轉(zhuǎn)動，如圖10所示。微米軸346用來精細調(diào)節(jié)內(nèi)平衡環(huán)351和換向反射鏡鏡176的方位位置。換向反射鏡系統(tǒng)344和340(見圖8A)可以分別采用依林公司(Ealing Corporation)制造的型號為22-2125和22-2117兩種產(chǎn)品。
現(xiàn)在參考圖11，這是附加了一個防護帽422的激光聚焦透鏡系統(tǒng)204，可用來把激光束169重復(fù)聚焦在工件上，例如燃料棒格柵16上。該系統(tǒng)204包括在與光程分段178C或178d軸向調(diào)準(zhǔn)方位上垂直安裝在透鏡載管200。該管200的座430適合于接納一個與鎖定圈436相結(jié)合的透鏡安裝部件440并且可拆裝，鎖定圈436有數(shù)圈(例如3圈)螺旋槽434，用于接納相應(yīng)數(shù)量的鎖定銷432。轉(zhuǎn)動時，鎖定圈436和安裝部件440可以鎖定在管座430上。用于將聚焦激光束169引到工件上的圓錐形安全罩438具有一個外部車有螺紋的端部，可螺旋擰入安裝部件440內(nèi)部有螺紋的部分。安裝部件440具有一個中心貫穿的開口，形成一個用于安放透鏡202(見圖5)或下調(diào)整靶181(如圖11所示)的透鏡座，當(dāng)把兩個元件中的任意一個安裝在座中時，都通過一個外表面有螺紋的卡環(huán)442卡緊，以環(huán)可螺旋擰入安放透鏡202或靶181的座的內(nèi)部有螺紋的部分并可拆卸。不言而喻，在正常情況下，即在激光焊接操作過程中，聚焦透鏡202被裝入安裝部件440的透鏡座內(nèi)，而僅當(dāng)執(zhí)行激光調(diào)整操作時，才把調(diào)整靶181裝入座內(nèi)，調(diào)整過程結(jié)束以后，從座中拿走靶，并放入聚焦透鏡。
如圖11所示，安全罩438延伸通過燈罩446上的開口并把燈罩固定在安裝部件440上。安裝在燈罩446內(nèi)的是一對用來照明工件的石英-鹵素?zé)?28，此燈的工作溫度使焊接碎屑不致在工件上聚集起來。操作者通過在陰極射線管上觀察由電視攝像機206所成的像調(diào)整工件和激光束169，據(jù)此作者可把與電視攝像機206有關(guān)的電子標(biāo)線片放在最初的焊接位置之上，以確定在原來位置和設(shè)置的第一個焊接位置之間的偏離;此偏離隨即被自動輸入到控制信號中并施加到X-Y定位系統(tǒng)(圖中未標(biāo)出)上，這樣每一次焊接都用激光束169精確定位。通過穿過放在透鏡載管200的安裝部分201的套管449和由安裝部分201通往管座430的導(dǎo)管451的導(dǎo)線激勵燈428。此外，管安裝部分201備有一個進氣口，其中具有一個可拆卸的進氣口接頭448，用來吸入惰性氣體，例如氬氣，使其傳輸通過導(dǎo)管450進入在安裝部件440中形成的通道452、453。惰性氣體從通道452中噴射進安全罩438和透鏡202之間的空間，這股射入罩438內(nèi)的氣體噴流沖洗干凈了在焊接過程中可能產(chǎn)生的任何碎屑和雜質(zhì)。噴射進安全罩438內(nèi)的惰性氣體從其中通過，進入由保護和支撐環(huán)420限定的空間中，并從此空間通過在環(huán)420中形成的噴口454排出。
現(xiàn)在參考圖5、7A、12A和12B，將說明對于光程分段178b和178d(見圖5)的光束調(diào)整技術(shù)的步驟，當(dāng)然可以理解，光程分段178a和178c可采用同樣的調(diào)整技術(shù)。首先，從定位艙106中取出滑動平臺262，把激光束調(diào)整顯示系統(tǒng)310裝在滑動平臺262b上，如圖7A和圖5所示，裝有上調(diào)整靶179的靶系統(tǒng)370如參考圖8A和8B所敘述的那樣放入，下調(diào)整靶181代替聚焦透鏡系統(tǒng)204中的聚焦透鏡202，方法遵循連同圖11一起所作的說明。與電視攝像機206有關(guān)的聚焦透鏡210，此時，聚焦產(chǎn)生靶179和181造成的投影的一個清晰成像，并投射在光束圖案顯示部件320上，如圖12A和圖12B所示。來自燈324的紫外輻射照明了光束圖案顯示部件320。射在光束圖案顯示部件320上的激光束169表現(xiàn)為一個黑區(qū)，而投影390和392則象圖12A和12B所示的那樣表現(xiàn)為白區(qū)或亮區(qū)。支撐桿384的陰影384″和384″與環(huán)段386的陰影386′和386″也表現(xiàn)為白區(qū)，調(diào)整靶179和181的使用以下述條件為基礎(chǔ)，即上調(diào)整靶179a相對Z-Z′軸同心安裝，同樣，下調(diào)整靶181也相對Z-Z′軸同心安裝。此外，激光束169基本不發(fā)散，因此，兩個調(diào)整靶179和181的弧段386a和386b的直徑近乎相等。圖12B說明了激光束169的下部分段軌跡178c或178d和激光聚焦透鏡系統(tǒng)204的垂直軸Z-Z′彼此失調(diào)的情況，適當(dāng)?shù)募す馐{(diào)整通過調(diào)節(jié)換向反射鏡176a和176b或177a和177b來完成，調(diào)整完成后，在光束圖案顯示部件320上的陰影成像如圖12A所示，即上、下調(diào)整靶179和181的環(huán)段386的陰影386′和386″形成一個完整的圓，此完整的圓周圖案的圓周與調(diào)整靶179和181的弧段386相應(yīng)的圓形陰影386′和386″共心。在此條件下，激光束169與激光聚焦透鏡系統(tǒng)204的垂直軸Z-Z′正確調(diào)準(zhǔn)，以至當(dāng)聚焦透鏡202為適應(yīng)各種焊接操作上下移動時，只有最小的偏差或者說最小的焦點的橫向位移。
電視攝像機206有相應(yīng)于調(diào)整靶179和181的環(huán)狀輪緣382厚度的四分之一到八分之一的傳感移動能力。這些移動相應(yīng)于激光束169的小于0.05度的角偏差。當(dāng)激光聚焦透鏡系統(tǒng)204的垂直位移最高達12.7厘米時，焦點X′(如圖6所示)的橫向位移小于25.5微米。
至此，已經(jīng)描述了一個新的、改變的裝置和方法，用以進行激光束相對光軸為完成不同的激光加工步驟而處于不同俯仰位置的激光束一起的調(diào)整。為此，換向反射鏡的機構(gòu)安裝方式是可調(diào)的，允許精細調(diào)整反射鏡的俯仰和方位位置以達到所希望的調(diào)整。至少在激光束的軌跡中放入兩個調(diào)整靶，以便在顯示部件上投影，這些投影可在通過電視攝像機觀察到的顯示部件上成像。激光束與透鏡運動軸的精確調(diào)整，產(chǎn)生一個理想圖案，使操作者分辨出正確的調(diào)整已經(jīng)完成。
權(quán)利要求
1.用于進行多個激光加工操作的裝置，包括發(fā)射激光束的設(shè)備，還包括引導(dǎo)發(fā)射出的光束至少沿一條預(yù)定軌跡上傳輸?shù)脑O(shè)備，其中安裝有可沿一個軸移動、為適應(yīng)各種加工操作而把光束聚焦在不同焦點上的聚焦設(shè)備，其特征是用于把至少部分上述的或各個光束軌跡同安裝在其中的聚焦設(shè)備的運動軸調(diào)準(zhǔn)的光束調(diào)整設(shè)備，上述光束調(diào)整設(shè)備包括調(diào)整靶設(shè)備(179，181)，與上述的或各個光束軌跡有關(guān)，在光束軌跡中可拆裝在支撐調(diào)整靶設(shè)備從而使靶設(shè)備攔截激光束并投射一個形狀依據(jù)光束軌跡的該部相對于聚焦設(shè)備(204)的運動軸調(diào)準(zhǔn)或失調(diào)而變化的陰影的安裝設(shè)備(371，440)，以及在所述或各個光束軌跡中用于調(diào)節(jié)后者的所述部位的可調(diào)節(jié)設(shè)備(176或177)，調(diào)節(jié)方式采用允許被所述的調(diào)整靶設(shè)備所投的影從一個表征失調(diào)的形狀回復(fù)到一個表征調(diào)準(zhǔn)的形狀，從而調(diào)準(zhǔn)光束軌跡的所述部位和安裝在其中的聚焦設(shè)備的所述運動軸。
2.依據(jù)權(quán)項1的裝置，其特征是上述的調(diào)整設(shè)備包括一個可定位接收和顯示由上述調(diào)整靶設(shè)備(179，181)所投的陰影的顯示器件(310)。
3.依據(jù)權(quán)項1或2的裝置，其特征是上述的調(diào)整靶設(shè)備包括兩個靶部件(179，181)，上述的安裝設(shè)備(371，440)在所述或每一條光束軌跡中適于把上述的靶部件之間以一定的間隔定位，其方式使靶部件投射一個合成陰影，這個陰影在光束軌跡的所述部位與安裝在其中的聚焦設(shè)備(204)的所述運動軸的分別表征為調(diào)準(zhǔn)和失調(diào)的規(guī)則形狀與非規(guī)則形狀之間變化。
4.依據(jù)權(quán)項3的裝置，其特征是每一個上述的靶部件(179、181)包括一個環(huán)狀輪緣(382)，還包括一對投影環(huán)段(386)，投影環(huán)段位于環(huán)狀輪緣內(nèi)部并由它支撐、彼此以一定間隔相對并確定了在環(huán)段之間形成的一個光束開口(388)的周邊部位，在所述或每一條光束軌跡中的上述安裝設(shè)備適于把上述的靶部件定位，當(dāng)光束軌跡的所述部位與所述運動軸調(diào)準(zhǔn)時，使環(huán)段投射一個構(gòu)成完整圓形的合成陰影。
5.依據(jù)權(quán)項3或4的裝置，其特征是在所述或每一條光束軌跡中的上述安裝設(shè)備(371，440)適合于把兩個靶部件(179，181)定位在靶部件之間沒有光學(xué)元件的一段光束軌跡中。
6.依據(jù)權(quán)項3、4或5的裝置，其特征是在所述或每一條光束軌跡中的上述聚焦設(shè)備(204)由一個激光聚焦透鏡系統(tǒng)組成，此系統(tǒng)包括一個透鏡安裝部件(440)和一個可拆裝地安于其上的聚焦透鏡(202)，上述的透鏡安裝部件在拿去其中的上述聚焦透鏡后，適合于安放和支撐上述的靶部件中的一個(181)。
7.依據(jù)權(quán)項6的裝置，其特征是在所述或每一條光束軌跡中的上述可調(diào)節(jié)設(shè)備(176或177)安裝在一個包括可拆裝地安置上述靶部件中的另一個(179)設(shè)備(338，371)的盒(300)內(nèi)。
8.依據(jù)任何一個前述權(quán)項的裝置，其特征是在所述或每一條光束軌跡中的上述可調(diào)節(jié)設(shè)備，包括一個用于阻斷激光束并使其改變方向的換向反射鏡(176a或177a)，上述的換向反射鏡圍繞基本上相互垂直的兩個軸做轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)。
9.依據(jù)權(quán)項8的裝置，其特征是在所述或每一條光束軌跡中的上述可調(diào)節(jié)設(shè)備，包括圍繞基本上相互垂直的兩個軸可做轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)的一個第二換向反射鏡(176b或177b)，安裝該第二換向反射鏡以阻斷第一個提到的換向反射鏡改變了方向的激光束并使光束沿光束軌跡的所述部位反射。
10.依據(jù)任何一個前述權(quán)項的裝置，其特征是用于引導(dǎo)發(fā)射光束的上述設(shè)備包括一個可在一個所述的光束軌跡(178a)和另一個所述的光束軌跡(178b)之間轉(zhuǎn)換發(fā)射激光束的光束轉(zhuǎn)向反射鏡。
專利摘要
本發(fā)明涉及激光加工，特別是激光焊接核燃料系統(tǒng)的燃棒格柵等工件的裝置，尤其與光束調(diào)整設(shè)備有關(guān)。光束調(diào)整設(shè)備包括調(diào)整靶(179、181)，它們適于放在光束軌跡中攔截光束并投射一個形狀依據(jù)特定分段的光束軌跡(178d)相對于此段軌跡有關(guān)的激光聚焦透鏡(202)的運動軸調(diào)準(zhǔn)或失調(diào)而變化的陰影。調(diào)整設(shè)備還包括可調(diào)節(jié)的換向反射鏡(176或177)，可使靶所投的陰影按照從表征失調(diào)的形狀改變到表征調(diào)準(zhǔn)的形狀的方式，調(diào)節(jié)上述的光束軌跡分段，從而正確地調(diào)整光束軌跡分段和上述的運動軸。
文檔編號B23K26/02GK85105136SQ85105136
公開日1986年12月31日 申請日期1985年7月5日
發(fā)明者威廉·亨利·卡斯納, 理查德·阿爾伯特·米勒, 溫森特·安德魯·托斯 申請人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan