專利名稱：用激光焊接燃料棒或者類似物的設(shè)備和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到激光焊接，尤其是用于核反應(yīng)堆中的燃料棒或者類似物的焊接。更具體地來(lái)說(shuō)它涉及到一種激光焊接設(shè)備，該設(shè)備包括一個(gè)帶有窗口的罩，一個(gè)激光源，以及包含把激光源發(fā)射出的激光束通過(guò)窗口傳輸?shù)胶附訁^(qū)的幾個(gè)機(jī)構(gòu)，這幾個(gè)機(jī)構(gòu)由幾個(gè)光學(xué)元件組成，其至少包括一個(gè)聚焦透鏡和一個(gè)反射鏡?！叭剂习艋蛘哳愃莆铩本褪侵溉剂习簦瑢?dǎo)管和輔助棒。
用于核反應(yīng)堆的燃料棒由鋯合金制造的包殼管形成，在管的兩端用相同材料的兩個(gè)塞子，靠壓力把塞子塞入將其密封，然后進(jìn)行焊接。
借助于處在易裂變的柱體和對(duì)面的塞子(上塞)之間的一個(gè)壓縮彈簧，燃料棒在靠近一個(gè)塞子的部位(稱為下塞)貯有大量燃料芯塊。在進(jìn)行焊接之前，上塞包括一個(gè)使燃料棒密封的小直徑的孔，通過(guò)焊接把這個(gè)孔堵住，這個(gè)工序通常稱為“密封焊接”。
燃料棒的長(zhǎng)度約為4米，在厚度約為0.6毫米時(shí)直徑約為10毫米。
由鋯合金制做的管子形成了幾個(gè)導(dǎo)管，在導(dǎo)管的兩端分別安裝上一個(gè)塞子(下端)和一個(gè)塞套(上端)，把塞固定住，然后進(jìn)行焊接。
對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)度約4米，厚度約0.5毫米的導(dǎo)管，其塞子端的直徑約為12毫米，塞套端的直徑約為14毫米。
輔助棒由一個(gè)長(zhǎng)度約4米，直徑約10毫米，厚度約0.4毫米的不銹鋼包殼管制成，在棒的兩端裝上由同一種材料制成作密封用的兩個(gè)塞子，把塞固定住然后進(jìn)行焊接。
象導(dǎo)管一樣，輔助棒不用密封，而僅包括兩個(gè)圓環(huán)形焊縫。
因此，燃料棒或者類似物必須經(jīng)受兩個(gè)圓環(huán)形焊接操作，如果合適的話，還要經(jīng)過(guò)一次密封焊接的點(diǎn)焊工序。對(duì)于鋯合金制做的零件，在罩子里由中性氣體保護(hù)才能焊好這些焊縫，以防止這種熔融金屬的氧化。
圓環(huán)形的焊縫必須有一個(gè)大于或者等于包殼厚度的焊接熔深，焊縫的表面寬度不超過(guò)1.5毫米，在塞子與包殼或者塞套與包殼的交界面(配合直徑)的寬度要盡可能大。
考慮到燃料棒或者類似物的用途以及所需要的質(zhì)量要求，不允許任何破裂或者沒焊透的現(xiàn)象存在。
要在一個(gè)大氣壓的高壓氦中焊好密封的焊縫，而且，要求焊縫在一個(gè)小孔(典型情況下小于0.8毫米)的四周邊呈收縮狀。為保證高質(zhì)量的焊接，它們的焊接熔深必須大于或等于管子的厚度。
為了達(dá)到這些目的，已有技術(shù)提出過(guò)使用激光焊接的設(shè)備原理(例如，見GB-A-2070998或者FR-A-2305827)，但沒有介紹實(shí)際的操作工藝。
本發(fā)明的目的是提供了一種在工業(yè)條件下能夠焊接燃料棒或者類似物的設(shè)備。
為此目的，本發(fā)明所討論的主題是一種用于激光焊接的設(shè)備，該設(shè)備的特征是反射鏡是使激光束可部分穿透的，并且所說(shuō)的幾個(gè)光學(xué)元件都被剛性地固定安裝在一個(gè)外殼里，該外殼有一個(gè)激光束的進(jìn)口支路，一個(gè)繞著罩子的窗口剛性地固定到罩子上的出口支路，以及一個(gè)對(duì)著入口支路并帶有光能探測(cè)器的支路。
本發(fā)明的其他幾個(gè)特征為把一個(gè)通道安裝在外殼上，該外殼包括一個(gè)進(jìn)入出口支路容積的氣體入口，該出口支路的容積通過(guò)所述的窗口與罩子內(nèi)部的容積連通。
把通道安裝在外殼的出口支路上，氣體的進(jìn)入口正好在這個(gè)通道的下面，而且罩子上含有一個(gè)氣體排放通路。
在出口支路通道的前面安裝了一個(gè)聚焦透鏡。
在外殼的入口支路上安裝了一個(gè)準(zhǔn)直透鏡。
準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡構(gòu)成了通道，這個(gè)通道被安裝在外殼的入口支路上。
反射鏡是可讓可見光穿透的，而且在對(duì)著所述出口支路的外殼的一個(gè)支路上裝備著一臺(tái)攝象機(jī)。
所述的傳輸裝置由光學(xué)纖維組成，光學(xué)纖維的終端在外殼的入口支路上，激光源為脈沖YAG型。
當(dāng)該設(shè)備使用激光來(lái)焊接燃料棒或者類似物時(shí)，罩子由用于定位的，以及可任意選擇地驅(qū)動(dòng)一個(gè)燃料棒旋轉(zhuǎn)的幾個(gè)裝置組成。
外殼的出口支路被直接地或在之間裝有一個(gè)隔離閥的剛性固定到罩子上。
本發(fā)明的主題也是一個(gè)激光焊接裝置，特別是一種焊接燃料棒或者類似物的激光焊接裝置，該裝置包括以上所述的幾個(gè)設(shè)備，而對(duì)應(yīng)的是一個(gè)單獨(dú)激光源和一個(gè)用做激光源開關(guān)的裝置，該開關(guān)裝置把這個(gè)激光源轉(zhuǎn)換到分屬于這些設(shè)備之一的幾個(gè)光學(xué)纖維中的一個(gè)上。
對(duì)于焊接燃料棒或類似物而言，具體地說(shuō)所述的設(shè)備至少可以包括一個(gè)下塞焊接設(shè)備，一個(gè)上塞焊接設(shè)備，以及一個(gè)密封焊接設(shè)備。
現(xiàn)在參考附圖對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施例加以介紹，其中


圖1以縱向剖視圖的方式給出了本發(fā)明所述的激光焊接設(shè)備的一部分;
圖2是另一個(gè)實(shí)施例的類似的剖視圖;
圖3以剖視圖的方式給出了本發(fā)明的一個(gè)密封焊接設(shè)備。
圖1中所示的焊接燃料棒或者類似物的激光焊接設(shè)備是想要在燃料棒3的管子2和安裝在燃料棒一端的塞子4之間的連接處1的地方焊接一個(gè)圓環(huán)形焊縫。該設(shè)備基本上由一個(gè)罩子5，一個(gè)外殼6，一個(gè)400瓦功率的YAG型脈沖激光源7，一個(gè)表示整個(gè)持續(xù)時(shí)間累計(jì)信號(hào)的能量或功率探測(cè)器8，以及一個(gè)攝象機(jī)9組成。
罩子5包括一個(gè)假想的水平方向上沿X-X軸對(duì)稱的腔體10，其中棒3可沿通路11插入腔體，在通路11處繞著管子2圓周有一圈校正好的環(huán)形間隙，罩子上還有一個(gè)窗口形式的側(cè)面開口13。當(dāng)棒3的塞子4與裝在腔體10上的止動(dòng)器14接觸時(shí)，連接處1的平面與開口13處假想的Y-Y軸線相垂直。
假設(shè)外殼6放置在罩子5上，外殼包括一個(gè)平行六面中心體15，一個(gè)傾斜成45°角的反射鏡16裝在中心體中。這個(gè)外殼在四個(gè)面是開口的，并伸出四個(gè)支路平行于X-X軸且沿Z-Z軸線的一個(gè)入口支路17，它包括一個(gè)管形支承物18和一個(gè)與中心體15毗連的準(zhǔn)直透鏡19。光學(xué)纖維20從激光源7出發(fā)并終止在支承物18上，在這里它的終端沿Z-Z軸定位;
對(duì)稱于Y-Y軸的一個(gè)出口支路21，從中心體15開始依次包括一個(gè)聚焦透鏡22，一個(gè)通道23和一個(gè)套筒24，套筒的末端口與罩子5的開口13連通，利用套筒的末端法蘭盤25，以密封的方法把這個(gè)開口固定住。通道23在組裝成一體的支路21的兩個(gè)法蘭盤之間被密封地安裝著，而供給惰性保護(hù)氣體的管子26正好在這個(gè)通道的下面進(jìn)入套筒24，與此同時(shí)，氣體的排放是通過(guò)上述的間隙12進(jìn)行的;
沿Z-Z軸，位于支路17對(duì)面有一個(gè)激光束控制支路27。該支路27包括使激光束的直徑適合于探測(cè)器8尺寸大小的會(huì)聚光學(xué)透鏡28和擴(kuò)散光學(xué)透鏡29，探測(cè)器被固定在支路27的終端;以及沿Y-Y軸對(duì)稱，位于支路21對(duì)面的光學(xué)控制支路30。支路30包括使激光束的聚焦透鏡的直徑能適應(yīng)攝像機(jī)目標(biāo)的會(huì)聚光學(xué)透鏡31和擴(kuò)散光學(xué)透鏡32，攝象機(jī)就被固定在支路30的終端上。
鏡子16是一個(gè)分色鏡，這個(gè)鏡子反射入射激光束(λ＝1.06微米)的大部分(例如97%)，只允許一小部分向前通過(guò)探測(cè)器8。另外，這個(gè)鏡子可讓可見光穿透，通過(guò)了透鏡32，31和22，鏡子16、通道23和開口13的棒3上的聚焦和控制反射光，讓攝象機(jī)9作為監(jiān)視器。
在操作中，把燃料棒3插進(jìn)罩子5直到它與止動(dòng)器14接觸為止。然后通過(guò)沒有畫出的裝置使棒繞著它的X-X軸旋轉(zhuǎn)，接著通過(guò)管子26，套筒24和開口13把惰性保護(hù)氣體引入到罩子里。經(jīng)過(guò)保護(hù)氣體的一個(gè)換氣周期之后，通過(guò)光學(xué)纖維把脈沖激光束引入，激光束由透鏡19校準(zhǔn)后，由反射鏡16反射，接著由透鏡22聚焦，一直到連接處1。
由彼此剛性固定的金屬元件組成的以及包括剛性固定到外殼6上的幾個(gè)光學(xué)元件的整個(gè)設(shè)備的穩(wěn)定性，以極簡(jiǎn)單的辦法確保了在焊接部位的激光束的最佳聚焦以及高質(zhì)量的焊縫和良好的重復(fù)性。當(dāng)然，
該設(shè)備是可以拆卸的，并且可以容易地得到維修，特別容易拆卸和維修的是通道23。另外，氣體實(shí)際上僅僅從通道23下面通過(guò)，這就有效地保護(hù)了通道23，防止了由焊接引起的煙粒進(jìn)入通道，而這些煙粒，通過(guò)間隙12被排放氣體帶到罩子外邊。
當(dāng)圓環(huán)形焊縫焊好之后，棒就冷卻下來(lái)，保護(hù)氣體的流量減小，使罩子保持在惰性保護(hù)氣體之下，而后把棒從罩子5中取出，并換上另一個(gè)棒進(jìn)行焊接。
探測(cè)器8使激光束處于被監(jiān)視狀態(tài)，例如，當(dāng)一個(gè)光學(xué)元件或者激光源不正常工作的偶然事件發(fā)生時(shí)，就觸發(fā)報(bào)警器。攝象機(jī)9也一直檢驗(yàn)著罩子5中的棒的位置情況，如發(fā)生情況變化，同樣能觸發(fā)報(bào)警器。
圖2的另一個(gè)實(shí)施例不同于圖1的情況，它實(shí)際上是把通道23和聚焦透鏡22轉(zhuǎn)移到外殼6的支路17上。于是，從中心體15開始，這個(gè)支路包括透鏡22，通道23，以及透鏡19，套筒24的內(nèi)部直接與中心體15的內(nèi)部相連接。
附圖2所述的這個(gè)實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于不再需要自己的聚焦透鏡的探測(cè)器8可以直接測(cè)量實(shí)際傳輸?shù)饺剂习羯系募す饽芰?。結(jié)果測(cè)量的可靠性就能更好地保證加到燃料棒上的焊接能量。
如在圖1中說(shuō)明的，該裝置的優(yōu)點(diǎn)是包含幾個(gè)并聯(lián)的設(shè)備E，E′，E″和一個(gè)單獨(dú)的激光源7。使用合適的開關(guān)裝置，激光源就可以成功地通過(guò)連接各設(shè)備的光學(xué)纖維20，20′，20″來(lái)傳輸激光束;例如一個(gè)設(shè)備負(fù)責(zé)焊接工作，同時(shí)別的設(shè)備則承擔(dān)上面所述的有關(guān)的各步驟工作，于是就得到一個(gè)高生產(chǎn)率的裝置。
在用于焊接燃料棒的裝置中，由于某些設(shè)備可以被指派焊接下面的塞子，而別的設(shè)備被分配焊接上面的塞子，還有的設(shè)備被用于進(jìn)行密封焊接，而對(duì)這些工序中的每一個(gè)都是適合的。在密封焊接情況下，在壓力下由氦氣置換掉氬氣，把罩子以這樣的方式進(jìn)行調(diào)整激光束入口的窗口對(duì)著被塞住的密封焊接孔。該密封焊接罩子的體積大大地減小了，而且它不使用驅(qū)動(dòng)棒旋轉(zhuǎn)的裝置。
圖3給出了一種密封焊接設(shè)備E′。除了管子26被連接到大約30巴的氦氣源以外，外殼6類似于圖1的情況。通過(guò)帶有球形閥35和旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸36的止動(dòng)閥34上的平行六面體33，把外殼的法蘭盤25密封地固定在罩子5上。
在外殼6的側(cè)邊包括一個(gè)象套筒24一樣的對(duì)稱于Y-Y軸的罩子5，一個(gè)圓筒形的氣道37通到向止動(dòng)閥開口的階梯式的埋頭孔區(qū)38。在離埋頭孔區(qū)不遠(yuǎn)的地方上，氣道37裝備了一個(gè)帶有法蘭盤的環(huán)紋墊圈39。
支撐板40被以密封的方法固定在外表面，即埋頭孔區(qū)38的較大直徑部分。這個(gè)支撐板在其中心含有一個(gè)收斂-擴(kuò)散形的罩子的窗口13。這個(gè)窗口的內(nèi)表面部分41形成了燃料棒的塞子4的連接座，燃料棒包括一個(gè)被封塞的中心密封焊接孔，用于封塞的塞子都是具有截頭圓錐體形狀的。
借助于定向控制閥(圖中沒有給出)，進(jìn)入埋頭孔區(qū)38內(nèi)部的罩子5的管道42可以有選擇地連接到略微大于一個(gè)大氣壓的氦氣源上，管道42還可以連接到真空泵上，或與空氣相連接或者就被關(guān)閉。
在實(shí)際使用中，閥34是關(guān)閉的，在沒有燃料棒時(shí)，罩子5必須有一個(gè)通過(guò)管道42，埋頭孔區(qū)38和氣道37的低壓氦氣換氣過(guò)程。通過(guò)密封墊39，把燃料棒3插入進(jìn)氣道37，直到棒的塞子4壓在座子41上為止，接著由罩子上帶有的夾緊裝置(圖中沒有示出)把棒夾緊。把管道42連接到真空泵，以對(duì)棒3內(nèi)所含的空氣進(jìn)行抽真空，然后關(guān)閉。當(dāng)然，抽真空的時(shí)間可以選擇。
打開閥35，用大約30巴的氦氣完全充滿棒，并且通過(guò)閥塞的圓筒形通路43為激光束提供了一條到密封焊接孔的通路。然后關(guān)閉密封焊接孔，再次關(guān)閉閥34，管道42調(diào)整到大氣下，對(duì)棒3抽氣，用低壓氦氣給罩子換氣，使系統(tǒng)重新處于準(zhǔn)備工作狀態(tài)。
由于在所述裝置的外殼和罩子之間有一個(gè)閥34，塞子4和鄰近棒部分的周圍密封固定的氦氣容積被減到最小限度，這種結(jié)構(gòu)也可用到消耗氦氣的裝置中。
可以理解，依照本發(fā)明所做出的裝置，使用一個(gè)激光源可用在所包含的任意個(gè)激光焊接設(shè)備上，該裝置可用于各種類型的工業(yè)部件的高質(zhì)量焊接上。
此外，這種設(shè)備之一也可適用于鉆密封的焊接孔，因此，“焊接”這個(gè)詞應(yīng)以最廣泛的概念去理解。
權(quán)利要求
1.用于激光焊接的設(shè)備，該設(shè)備包括帶有窗口(13)的一個(gè)罩子(5)，一個(gè)激光源(7)和把由激光源發(fā)射的激光束通過(guò)窗口傳輸?shù)胶附訁^(qū)(1)的幾個(gè)機(jī)構(gòu)(16，19，20，22)，這些機(jī)構(gòu)包括光學(xué)元件(16，19，22)，至少包括一個(gè)聚焦透鏡(22)和一個(gè)反射鏡(16)，其特征在于反射鏡(16)可讓激光束部分穿透，其所述的光學(xué)元件被剛性地固定到帶有一個(gè)激光束入口支路(17)的外殼(6)上，一個(gè)繞著罩子上的窗口(13)被剛性地固定到罩子(5)的出口支路(21)上，以及一個(gè)對(duì)著入口支路(17)并配備光學(xué)能量探測(cè)器(8)的支路(28)。
2.按照權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，通道(23)被裝在外殼(6)上，這個(gè)外殼包括進(jìn)入出口支路(21)容積的氣體進(jìn)口(26)，通過(guò)所述的窗口(13)出口支路(21)的容積與罩子(5)的內(nèi)部容積連通。
3.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，通道(23)被裝在外殼(6)的出口支路(21)上，氣體進(jìn)口(26)正好在該通道的下面，并且罩子(5)包括一個(gè)氣體排放通道(12)。
4.按照權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于，通道(23)的前面裝在出口支路(21)上的聚焦透鏡(22)。
5.按照權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，準(zhǔn)直透鏡(19)被裝在外殼(6)的入口支路(17)上。
6.按照權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，準(zhǔn)直透鏡(19)和聚焦透鏡(22)構(gòu)成通道(23)，并且被裝在外殼(6)的入口支路(17)上。
7.按照權(quán)利要求5和6中任一個(gè)所述的設(shè)備，其特征在于，反射鏡(16)可讓可見光穿透，并且在所述的出口支路(21)對(duì)面的外殼(6)的一個(gè)支路(30)上裝有一臺(tái)攝象機(jī)(9)。
8.按照權(quán)利要求1-7中所述的任一個(gè)設(shè)備，其特征在于，所述的傳輸機(jī)構(gòu)包括一個(gè)光學(xué)纖維(20)，它的終端在外殼(6)的入口支路(17)上，激光源(7)是脈沖YAG型。
9.按照權(quán)利要求1-8中所述的任一個(gè)打算用激光焊接燃料棒或類似物的設(shè)備，其特征在于，罩子(5)包括用來(lái)定位的裝置，如果適宜時(shí)，包括驅(qū)動(dòng)燃料棒旋轉(zhuǎn)的裝置。
10.按照權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，外殼(6)的出口支路(21)被直接地剛性的固定到罩子(5)上。
11.按照權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于，外殼(6)的出口支路(21)通過(guò)在其間的隔離閥(34)被剛性地固定到罩子(5)上。
12.一種激光焊接裝置，特別是焊接燃料棒或者類似物的裝置，其特征在于，它包括如權(quán)利要求8所述的幾個(gè)設(shè)備，一個(gè)單獨(dú)的激光源(7)以及用于激光源的開關(guān)裝置，這個(gè)裝置可以把這個(gè)激光源轉(zhuǎn)換到分屬于相應(yīng)設(shè)備的幾個(gè)光學(xué)纖維(20，20A，20B)中的一個(gè)上。
13.按照權(quán)利要求12所述的用于焊接燃料棒或者類似物的裝置，其特征在于，所述的設(shè)備至少包括一個(gè)下塞焊接設(shè)備，一個(gè)上塞焊接設(shè)備，以及一個(gè)密封焊接設(shè)備。
全文摘要
這種設(shè)備包括一個(gè)被剛性固定到焊接罩子(5)上的外殼(6)，在該設(shè)備中還剛性固定著各種光學(xué)元件，這些元件對(duì)于把光學(xué)纖維(20)傳輸?shù)募す馐劢沟奖缓附拥倪B接處(1)是必要的。反射鏡(16)允許被光學(xué)能量探測(cè)器(8)測(cè)量的一小部分激光束通過(guò)。所生產(chǎn)的燃料棒、導(dǎo)管、輔助棒用于核反應(yīng)堆。
文檔編號(hào)B23K26/28GK1062313SQ9111083
公開日1992年7月1日 申請(qǐng)日期1991年10月7日 優(yōu)先權(quán)日1990年10月8日
發(fā)明者杜索·多來(lái)尼克 申請(qǐng)人:弗蘭克巴爾日燃料制造公司