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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE
BREVET D'INVENTION
FORMÉE PAR
WESTINGHOUSE ELECTRIC CORPORATION pour Appareil pour usinage au laser.
Demande de brevet aux Etats-Unis d'Amérique NO 414. 205 du 1er septembre 1982 en faveur de R. F. ANTOL, R. W. KALKBRENNER et R. M. KOBUCK
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Appareil pour usinage au laser.
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La présente invention concerne d'une façon générale un appareil pour. au laser une pièce d'usinage et elle a trait, plus particulièrement, à un appareil pour focaliser et diriger un faisceau laser sur la pièce d'usinage.
L'appareil d'usinage de précision à laser de la présente invention concerne, d'une façon générale, la fabrication d'assemblages de combustible nucléaire, tels que représentés sur la figure 1 des dessins. Comme on peut le voir, l'assemblage combustible nucléaire 10 est un ensemble autonome constituepar un embout supérieur 12 et un embout inférieur 14, entre'lesquels est disposée matrice de barres 18 de combustible nucléaire disposées en rangée et en colonne et maintenues dans cette configuration par une pluralité de. grilles 16 de barres de combustible. Bien qu'elles ne soient pas représentées sur la figure 1, les barres de commande sont incluses dans des positions choisies à l'intérieur du réseau de barres 18 de combustible nucléaire.
Les assemblages 12 et 14 et les grilles 16-de de combustible constituent un bâti formant pour supporter les barres 18 de combustible et les barres de commande. Les assemblages 10 de faisceauxd'éléments de combustible nucléaire sont chargés, c'est-à-dire mis en place, dans des endroits prédéterminés à l'intérieur d'un réacteur nucléaire et, par conséquent, l'orientation des barres 18 de combustible les unes par
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rapport aux autres est réglée de façon rigoureuse.
L'appareil de soudage de précision à laser selon la présente invention se rapporte, dans un des exemples de mode de réalisation de cette dernière, à la fabrication de grilles 16 de barres de combustible telles que représentées sur les figures 2A à 2C. La grille 16 de barres de combustible a une configuration à peu près carrée, dont la périphérie est formée par quatre lames ou bandes extérieures 22 de grille. Chaque extrémité d'une lame extérieure 22 de grille est soudée par une soudure linéaire 30 d'angle à l'extrémité d'une lame extérieure de grille disposée perpendiculairement.
Une pluralité de lames intérieures 20 de grille sont disposées en rangées et en colonnes perpendiculaires les unes aux autres, ce qui fait qu'une pluralité de cellules sont formées de manière à recevoir les barres de commande et les barres 18 de combustible nucléaire. Les lames intérieures 20 de grille disposées le long des rangées et des colonnes comportent des fentes complémentaires à chacun des points 24 d'intersection pour recevoir une lame intérieure 20 de grille, disposée perpendiculairement. Une soudure 32 d'intersection est effectuée à chacun des points 24 d'intersection, ce qui fait qu'une structure à clairevoie rigide est formée.
En outre, chacune des lames intérieures 20 de grille comprend à chaque extrémité une paire de pattes 26 qui ont une taille et une configuration prévues pour qu'elles soient logées sans jeu soit dans une rangée supérieure, soit dans une rangée inférieure de fentes 28 ménagées dans les lames extérieures 22 de grille, comme représenté sur la figure 2A. Une soudure 34 de fentes et de pattes est effectuée le long des rangées supérieure et inférieure formées par les fentes 28 dans les lames extérieures 22 de grille. Les extrémités coudées des lames extérieures 22 de grille sont soudées les unes aux autres par des soudures linéaires 32 d'angle.
En outre, une pluralité de manchons de guidage 36 sont disposés sur la surface
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latérale de manchons de la grille 16 de. barres de combustible pour recevoir et guider les barres de. commande dis- \ posées dans cette grille. Une série de soudures linéaires 40 d'encoche fixent solidement les manchons de guidage 36 aux encoches correspondantes 38 formées dans les lames intérieures 20 de grille. L'appareil de soudage de précision à laser de la présente invention non seulement commande les divers paramètres de génération de faisceau laser en ce qui concerne la largeur. d'impulsion et la hauteur d'impulsion de chaque impulsion laser ainsi que le nombre d'impulsions devant être appliquées à chaque soudure mais commande également le positionnement séquentiel des grilles 16 de barres de combustible par rapport au faisceau laser.
On comprendra qu'après chacune de ces soudures, la grille 16 de barres de combustible est positionnée de nouveau et/ou le foyer du faisceau laser est modifié pour effectuer le type particulier de soudure désirée.
En se référant maintenant aux figures 2B et 2C, on voit qu'une pluralité de doigts élastiques 44 sont disposés dans le sens longitudinal des lames intérieures 20 de grille parallèlement les uns aux autres. Une paire de doigts d'espacement 46 sont disposés de part et d'autre d'un doigt élastique correspondant 44 et servent, conjointement avec ce doigt élastique 44, a assurer un agrippement ou prise élastique des barres 18 de combustible nucléaire qui sont disposées dans la cellule formée par les lames intérieures de la grille qui s'intersectent. Un doigt élastique 44a est disposé à droite, comme on peut le voir sur la figure 2C, dans une position opposée par rapport au doigt, d'espacement 46a, ce qui fait qu'une barre 18 de combustible nucléaire se trouve maintenue élastiquement entre les doigts.
La grille 16 de barres de combustible est usinée et, en particulier, soudée. Pour effectuer les soudures d'intersection 32, on déplace par incréments la grille 16
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de barres de combustible le long de chacun de ses axes X et Y, en l'arrêtant à chaque position d'une pluralité de positions dans lesquelles le faisceau laser est aligné avec chacune des intersections des lames intérieures 20 de grille. Lorsque la grille a été positionnée, on met sous tension une source laser de manière que celle-ci émette un faisceau laser sur le point d'intersection aligné pour effectuer de cette façon une soudure d'intersection 32.
Ensuite, on déplace la grille 16 de barres de combustible jusqu'à la position suivante et on effectue une autre soudure d'intersection 32. 0n effectue les soudures 34 de fentes et de pattes ainsi que les soudures linéaires 30 d'angle en faisant tourner la grille 16 de barres de combustible autour de son axe Y de manière que chacune de ses lames extérieures 22 de grille soit présentée au faisceau laser en vue d'un soudage. De plus, on effectue les soudures linéaires 40 d'encoche fixant les manchons de guidage 36 dans les encoches 38 de lames intérieures 20 de grille en faisant tourner la grille 16 de barres de combustible jusqu'à une position disposée suivant un angle de 45 par rapport au faisceau laser de manière à exposer ainsi au faisceau laser l'interface entre les manchons de guidage 36 et les fentes 38.
On envisage dans la présente invention de focaliser initialement le faisceau laser pour effectuer les soudures d'intersection 32 réalisées dans un seul plan dans lequel se trouvent les soudures d'intersection. Afin d'effectuer les soudures linéaires 30 d'angle et les soudures 34 de fentes et de pattes, il est nécessaire de faire tourner la grille 16 de barres de combustible hors du Dlan des soudures d'intersection 32, ce qui exige une nouvelle focalisation du faisceau laser. D'une façon similaire, on fait tourner la grille 16 de barres de combustible à partir du plan des soudures d'intersection jusqu'à sa position angulaire de par rapport au faisceau laser, ce qui exige également une nouvelle focalisation du faisceau
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laser avant que le soudage de précision puisse être exécuté.
Comme décrit dans la demande de brevet belqe déposé ce même jour sous le titre de"UNE CHAMBRE D'USINAGE MOBILE AVEC MONTURE TOURNANTE POUR LA PIECE", la grille 16 de barres de combustible est formée d'une matière volatile sous la forme de l'alliage de zirconium connu sous la dénomination de Zircaloy. La grille 16 de barres de combustible est usinée et en particulier soudée dans un environnement de gaz inerte pour éviter la contamination des soudures qui se produirait si le. soudage avait lieu en présence d'un milieu réactif tel que l'oxygène ou l'eau. Le danger de soudures contaminées est bien connu dans la technique, spécialement lorsque la structure soudée, telle que la grille 16 de barres de combustible, doit être dans un environnement hostile comme celui que l'on trouve à l'intérieur d'un réacteur à combustible nucléaire.
Un tel environnement soumet les soudures à des températures relativement élevées en présence d'un réfrigérant, tel que de l'eau qui s'écoule, d'où il résulte une aggravation de toute contamination des soudures, ce qui entraîne finalement la rupture de ces soudures. Dans cet exemple particulier, la rupture d'une soudure supprime le support
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structural maintenant l'espacement des barres 18 de combus- tible, ce qui fait que ces barres sont sujettes à des vibrations intenses par suite du débit élevé du réfrigérant.
Il en résulte que les barres 18 de combustible se rompent avec pour conséquence une libération de leur oxyde d'uranium dans le réfrigérant. Il est donc important d'effectuer l'usinage, et en particulier le soudage, dans un environnement inerte tout en permettant en même temps le déplacement de la grille 16 de barres de combustible dans trois dimensions et une nouvelle focalisation du faisceau laser sur la grille 16 de barres de combustible pour effectuer différents types de soudure comme expliqué ci-dessus.
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Les brevets US 3 422 246. et 4. 190 J59 décrivent un appareil d'usinage à laser dans lequel on effectue un mouvement relatif entre la source laser, dans au moins les dimensions X et Y, par rapport au faisceau laser. Le brevet US précité 4 190 759 décrit particulièrement l'utilisation de tables X et Y destinées à recevoir la pièce d'usinage, c'est-à-dire un substrat semi-conducteur, et d'un dispositif d'exploration destiné à faire tourner le faisceau laser dirigé sur la pièce d'usinage. Toutefois, dans ce brevet, il n'est fait mention nulle part d'un usinage dans un environnement non réactif ou d'une nouvelle focalisation du faisceau laser par suite du déplacement de la pièce d'usinage à partir des axes X et Y le long desquels elle est déplacée.
Le brevet US précité 3 422 246 décrit une plateforme destinée à recevoir la pièce d'usinage à usiner, c'est-à-dire à découper, pendantque la source laser est déplacée le long d'un axe Y transversal à l'axe X. Il est suggéré un mécanisme compliqué de manipulation de faisceau au moyen duquel le faisceau est profilé de façon rectangulaire-et entraîné en rotation de manière à maintenir un bord de la configuration rectangulaire du faisceau aligné par rapport au déplacement de la pièce d'usinage.
Les brevets US 4 027 137 et 4 162 390 concernent l'usinage au laser d'une pièce d'usinage dans un environnement contrôlé. Le brevet US précité 4 027 137 suggère un agencement destiné à supporter une buse métallique qui est actionnée par un ressort et qui porte contre la pièce d'usinage à souder et un moyen pour diriger un jet d'air comprimé sur la buse, grâce à quoi. les débris provenant du perçage au laser sont évacués à partir de la buse. A cette fin, la zone entourant immédiatement la buse est mise sous vide par une pompe à vide afin d'évacuer encore mieux les débris de perçage. Le brevet US précité 4 162 390 décrit une chambre similaire grâce à laquelle un courant de gaz est dirigé dans une chambre dont l'environnement est contrôlé
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et est mis sous vide par une pompe à vide.
La chambre comprend un miroir de transmission de lumière par l'intermédiaire duquel un faisceau laser est dirigé sur la pièce d'usinage. En particulier, le courant d'un gaz, tel que l'argon, est dirigé sur le miroir de transmission de lumière pour évacuer de ce dernier les débris de soudage.
Un problème particulier concernant la présente invention a trait à l'atténuation du faisceau laser par les débris projetés au cours du soudage laser de la grille 16 de barres de combustible. Comme on va le décrire ci-après, le faisceau laser est focalisé à l'aide d'une lentille qui est disposée très près de la grille 16 de barres de combustible à souder et sur laquelle se dépose, pendant le soudage, les débris projetés à partir de la grille 16 de barres de combustible. Les débris se déposant sur la lentille ont donc tendance à atténuer l'intensité du faisceau laser et, de ce fait, l'énergie appliquée à une soudure.
Il est nécessaire de nettoyer périodiquement la lentille du laser rapidement tout en permettant à cette lentille d'être réintroduite dans le trajet du faisceau laser en un point précis pour assurer une focalisation de précision du faisceau laser.
L'objet principal de la présente invention concerne une réduction de l'atténuation du faisceau laser.
L'invention réside d'une façon générale dans un appareil pour un usinage au laser comprenant :-a) une lentille de laser pour focaliser le faisceau laser sur une pièce d'usinage ; b) une base ou support pour définir un trajet le long duquel le faisceau laser atteint la pièce d'usinage ; c) un élément de montage destiné à recevoir ladite lentille laser et adapté pour être séparé de ladite base de manière à permettre le nettoyage des débris projetés à partir de la pièce d'usinage pendant l'usinage ; et d) un élément de blocage libérable pouvant venir en prise avec ladite base pour fixer de façon libérable ledit élément
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de montage à ladite base et pour solliciter de façon élas- tique ledit élément de montage et ladite lentille de laser.
C'est pourquoi, un objet de la présente invention est de réaliser un appareil d'usinage à laser nouveau et perfectionné dans lequel la lentille servant à focaliser et à diriger le faisceau laser peut être enlevée facilement pour être nettoyée de tous débris d'usinage qu'elle recueille pendant l'opération d'usinage.
Un objet plus particulier de la présente invention est de réaliser un appareil d'usinage à laser nouveau et perfectionné comprenant une lentille de laser qui est montée de façon libérable par rapport à la pièce d'usinage d'une manière qui assure sa remise en place d'une façon précise par rapport à la pièce d'usinage.
Un autre objet encore de la présente invention est de réaliser un appareil d'usinage à laser nouveau et perfectionné qui facilite le montage d'une source de lumière visible pour permettre l'éclairement de la pièce d'usinage.
En conformité avec ces objets ainsi qu'avec d'autres objets de la présente invention, on réalise un appareil pour usiner au laser une pièce d'usinage, cet appareil comprenant une lentille de laser adaptée pour être montée de façon libérable de manière que l'on puisse la nettoyer pour enlever tous débris qui s'y déposent pendant l'usinage au laser. Le montage comprend une base cylindrique pour délimiter un trajet le long duquel le faisceau laser émis par la source laser est dirigé sur la pièce d'usinage, et un élément de montage destiné au montage de la lentille de laser par rapport à la base cylindrique et adapté pour être monté de façon libérable sur la base cylindrique d'une manière grâce à laquelle la lentille se trouve à une certaine position par rapport à la base cylindrique.
A cette fin, on a inclus un élément de blocage venant en prise avec. la base cylindrique et solli-
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citant l'élément de montage et sa lentille de laser vers ladite certaine position par rapport à la base cylindrique.
Dans un exemple de mode de réalisation dela présente invention, l'élément de blocage comprend au moins une rainure pouvant coopérer avec un doigt ou axe correspondant fixé à la base cylindrique et pouvant être placé dans ladite rainure. Lors du déplacement et en particulier de la rotation de l'élément de blocage dans une première direction, le doigt pénètre dans la rainure de l'élément de blocage de manière à accoupler l'élément de blocage avec la base cylindrique et à solliciter la lentille de laser vers ladite certaine position.
Suivant un autre aspect de la présente invention, l'élément de montage comprend au moins un passage qui y est formé à travers lequel un gaz est pompé pour former un jet gazeux dirigé sur la lentille du laser et tendant à évacuer tous débris qui s'y déposent pendant l'usinage. A titre illustratif, l'élément de montage peut comprendre un espace annulaire en communication avec chaque passage d'une pluralité de passages, grâce à quoi l'écoulement gazeux dirigé sur l'espace annulaire traverse chaque passage de ladite pluralité de passages de manière à former une pluralité analogue de jets gazeux dirigés sur la la lentille de laser.
Suivant une autre caractéristique de la présente invention, une lampe est montée sur l'élément de montage pour diriger sur la pièce d'usinage une radiation visible grâce à laquelle on peut aligner la pièce d'usinage par rapport au faisceau laser, un connecteur électrique étant inclus qui comprend des parties mâle et femelle montées sur les parties opposées de l'élément de blocage et de la base cylindrique pour fournir l'alimentation électrique à la lampe.
Suivant un autre aspect de la présente invention, un mécanisme de retenue se présentant sous la forme d'une cheville et d'une ouverture correspondante est disposé sur
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des parties correspondantes de l'élément de blocage de la base cylindrique pour empêcher la rotation de l'élément de montage une fois que les parties mâle et femelle du connecteur électrique ont été accouplées tout en permettant la rotation de l'élément de blocage pour amener la lentille de laser jusqu'à ladite certaine position.
On va maintenant décrire de façon détaillée ciaprès un mode de réalisation préféré de la présente invention en se référant aux dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue en perspective d'un assemblage combustible nucléaire comprenant une pluralité de grilles réalisées selon les enseignements de la présente invention ;
les figures 2A-2C sont, respectivement, une vue en perspective, une vue en plan et une vue latérale en coupe d'une grille de barres de combustible réalisée selon les enseignements de la présente invention et incorporée à l'assemblage de la figure 1 : la figure 3 est une représentation schématique en perspective du système laser pour engendrer et pour diriger, en se basant sur une utilisation en temps partagé, un faisceau laser émis par une source laser unique sur chacune de deux pièces d'usinage, par exemple des grilles de barres de combustible nucléaire ; la figure 4 est une vue en élévation frontale partielle du système de, soudage à laser représenté sur la figure 3 ; la figure 5 est une vue en coupe du dispositif optique de focalisation de laser représenté d'une façon générale sur la figure 3 ;
les figures 6A et 6B sont respectivement une vue en plan de l'élément de montage et une vue latérale partiellement arrachée de la bague de blocage représentée sur la figure 5 ; et la figure 7 est une représentation schématique
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d'un système d'alimentation d'argon grâce auquel un gaz inerte approprié, par exemple de l'argon, est envoyé. à partir d'un réservoir de ce système à chacune des. chambres de soudage et des dispositifs optiques de focalisation de laser.
Les grilles 16 de barres de combustible sont constituées comme décrit ci-dessus des lames intérieure et extérieure 20 et 22 de grilles qui sont assemblées et soudées les unes aux autres comme représenté sur les figures 2A à 2C. Chacune des lames 20 et 22 de grille est découpée à la presse dans un rouleau continu d'un matériau fendu et une certaine quantité d'huile s'accumule sur sa surface lors de l'opération de découpage à la presse.
On nettoie la pellicule d'huile et, ensuite, la lame est soumise à un traitement thermique puis assemblée dans un dispositif d'assemblage comme décrit dans la demande de brevet français déposéece même jour au nom de la demanderesse sous le titre de"Dispositif, bande de retenue et procédé pour l'assemblage de grilles de support de barres de combustible nucléaire" (demande de brevet américain n 49 722). Ensuite, la grille 16 est soudée par le système de soudage 102 à laser de la présente invention qui effectue chacune des soudures d'intersection 32, des soudures linéaires 30 d'angle, et des soudures 34 de fentes de pattes, et des soudures linéaires 40 d'encoche dans une atmosphère pure d'un gaz inerte.
La grille 16 de barres de combustible est déplacée le long de ses axes X-et Y, qui définissent un plan, en une séquence de mouvements par incréments de manière à positionner chaque intersection des lames intérieures 22 de grille en-dessous d'un faisceau laser 178, comme représenté sur la figure 3.
Lorsque chacune des soudures d'intersection a été terminée, la grille 16 de barres de combustible est entraînée en rotation autour de son axe. Y pour présenter la surface de chaque lame extérieure 22 de grille au faisceau laser 178.
Bien que le faisceau laser pulsé 178 soit dirigé sur la lame
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extérieure 22 de grille, un système-288 de positionnement X-Y représenté sur la figure 4 déplace la grille 16 de barres de combustible le long de son axe-X pour permettre au faisceau laser 178 d'effectuer chacune des soudures linéaires 30 d'angle et des soudures 34 de fenteset de pattes.
Un dispositif 238 d'entraînement autour d'un axe B, repré- sente sur la figure 4, peut venir en prise avec un dispositif de support rotatif 242 destiné à recevoir la grille 16 de barres de combustible, comme représenté sur la figure 3, et peut être actionné de. manière à faire tourner la grille 16 de barres de combustible depuis une première position dans laquelle la surface supérieure de la grille 16 est disposée de façon sensiblement perpendiculaire au faisceau laser 178, jusqu'à une seconde position, dans laquelle la surface supérieure de la grille 16 est disposée sensiblement à 900 par rapport à sa première position, et la surface de la lame extérieure 22 est disposée de façon sensiblement perpendiculaire au faisceau laser 178.
Le dispositif 238 d'entraînement autour de l'axe B peut également être actionné de manière à déplacer le dispositif de support rotatif 242 et la grille 16 de barres de combustible montée sur ce dernier jusqu'à une troisième position, dans laquelle la surface supérieure de la grille 16 est disposée suivant un angle de 450 par rapport à sa position initiale, grâce à quoi le faisceau laser 178 peut être dirigé sur l'interface entre chacune des encoches 38 (voir figures 2A et 2C), formées dans les lames intérieure$ 20 de la grille, et le manchon de guidage 36 qui y est disposé, de manière à effectuer les soudures linéaires 40 d'encoche. En particulier, le système 288 de positionnement X-Y déplace la grille 16 de barres de combustible le long de son axe Y pour effectuer la soudure linéaire 40 d'encoche.
Le procédé pas à pas utilisé pour réaliser chacune des soudures d'intersection 32, des soudures linéaires 30 d'angle, des soudures 34 de fentes et de pattes et des soudures linéaires 40 d'encoche est décrit de façon
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plus spécifique dans les demandes de brevets belges déposées ce même jour au nom de la demanderesse sous les titres respectifs :"GRILLE A BARREAUX COMBUSTIBLES AVEC DES MANCHONS SOUDES DANS DES BANDES ENCOCHEES"'et "DISPOSITIF, BANDE DE RETENUE ET PROCEDE POUR L'ASSEMBLAGE DE GRILLES DE SUPPORT DE BARRES DE COMBUSTIBLE NUCLEAIRE".
Comme représenté sur la figure 3, le système laser 102 peut, dans un exemple de mode de réalisation de la présente invention, se présenter sous la forme du système laser fabriqué par Raytheon sous le numéro de désignation modèleSS500. Le système laser 102 comprend un bart-eau 170 de laser se présentant sous la forme par exemple d'un laser à cristal YAG dopé au Nd et une paire de lampes linéaires à éclairs au crypton placées dans une tête de laser à haut rendement. La tête de laser comprend un miroir 182 à réflexion totale et un miroir 184 à réflexion partielle disposés respectivement sur l'une et l'autre des extrémités du barreau 170 de laser.
Un obturateur 188 de cavité intérieure est disposé entre le barreau 170 de laser et le miroir 182 à réflexion totale et est commandé sélectivement de manière à libérer un nombre choisi d'impulsions laser, grâce à quoi l'énergie communiquée pour effectuer la soudure au laser peut être réglée avec précisiond'me manière que l'on va expliquer ci-après. La tête de laser a une structure modulaire pour que l'on puisse remplacer facilement et indépendamment tous ses éléments optiques comprenant le barreau 170 de laser, les lampes d'excitation 186 et les miroirs 182 et 184. Les lampes d'excitation 186 doivent être remplacées rapidement sans perturber l'alignement optique.
En outre, les lampes d'excitation ou lampes à éclairsl86 sont refroidies par eau sur la totalité de leur longueur, y compris leurs connecteurs d'extrémité. Un déclenchement des lampes assure une pulsation parallèle des lampes d'excitation 186 par excitation de la cavité. Le barreau 170 de laser doit
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être choisi, par exemple, de manière qu'une puissance moyenne de 400 watts soit obtenue à l'endroit de la pièce d'usinage avec une puissance d'entrée appliquée au circuit de formation d'impulsions ne dépassant pas 18 KW lors d'un fonctionnement à des largeurs d'impulsion de 6 ms et 2 ms et des fréquences d'impulsion de 20 Hz et 50 Hz respectivement.
Un obturateur 190 de décharge peut être amené dans une première position pour diriger le faisceau laser 177 le long d'un trajet détourné 196 jusqu'à un dispositif 194 d'absorption de faisceau pendant les périodes durant lesquelles les pièces d'usinage, se présentant sous la forme de grilles 16 de barres de combustible, sont changées à l'intérieur des chambres 108. Un mécanisme d'actionnement 192 sert à faire passer l'obturateur 190 de sa première position d'intersection de faisceau jusqu'à une seconde position dans laquelle le faisceau 177 est focalisé par un dispositif optique 198 de dilatation de faisceau sur un mécanisme d'orientation de faisceau constitué par le miroir mobile 172 de commutation de faisceau et le miroir fixe 174.
Lorsque le miroir de commutation 172 est disposé de manière à intercepter le faisceau laser 177, celui-ci est dévié le long du trajet 178a vers le miroir 176a d'orientation verticale pour être dirigé verticalement. Le dispositif optique 204a de focalisation de laser intercepte et focalise le faisceau laser 178a sur la grille 16 de barres de combustible à l'intérieur de la chambre 108a. Comme représenté, le dispositif optique 204 de focalisation de laser, ainsi qu'on le décrira de façon détaillée par la suite, comprend une lentille 202 et un tube 200 de support de lentille positionné de façon rectiligne dans le dispositif 222 de positionnement de laser suivant l'axe Z, comme représenté sur la figure 4.
Lorsque le miroir réflecteur. 172 est entraîné en rotation par le moteur 175 à partir d'une position où il intercepte le faisceau laser 177, ce faisceau est dévié par le miroir réflecteur fixe 174 de manière à former le faisceau
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laser 178b dirigé par le miroir d'orientation verticale 176b vers la chambre de soudage 108b.
Les lampes d'excitation 186 sont alimentées par une source d'énergie. Cette source d'énergie 120 comprend, à titre illustratif, une source de courant continu régulée
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en tension qui charge un circuit de formation d'impulsions (PFN) à travers une bobine d'induction de charge. Le CNC associé 126 ferme alternativement les interrupteurs (re- dresseurs au silicium commandés) qui chargent le PFN à partir de la batterie de condensateur d'emmagasinage de décharge de la source de courant continu et déchargent le PFN dans les lampes d'excitation 186 de manière à exciter ainsi le barreau 170 de laser pour émettre une série d'impulsions laser.
Les lampes d'excitation 186 doivent fonctionner en mode"modéré"dans lequel les lampes 186 fonctionnent avec un niveau faible de courant continu endessous du seuil d'émission laser et des impulsions de courant de forte intensité sont superposées au courant "modéré"pour engendrer les impulsions laser. Le PFN doit fournir des impulsions d'une largeur de 2 ms et 6 ms.
Pour favoriser l'alignement initial de la chambre de soudage 108, et, en particulier, de la grille 16 de barres de combustible par rapport au faisceau laser 178, on a prévu un moyen pour observer ou viser la grille 16 et, en particulier, pour déterminer sa position exacte par rapport au faisceau laser 178, ce moyen se présentant sous la forme d'une caméra TV 206 d'alignement qui est alignée de manière à établir un trajet 214 d'image qui coïncide avec le trajet du faisceau laser 178a. Comme on peut le voir sur la figure 3, le trajet 214 d'image est focalisé par une lentille 210, transmis sélectivement par un obturateur agréé par le Bureau de la Santé Radiologique (BRH) ou obturateur de sécurité 212 et dirigé à travers le miroir 176 à transmission partielle vers la caméra TV 206.
La lentille 202, en plus de focaliser le faisceau laser 178 sur la grille 16 de barres de combus-
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tible, focalise également, à l'aide de la lentille 210, l'image de la grille 16 sur la caméra TV 206. Comme on va l'expliquer ci-dessous, le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser comprend également une lampe d'éclairage qui est alimentée sélectivement pour éclairer la grille 16 à des fins d'alignement.
L'obturateur BRH 212 est ouvert et fermé sélectivement pour permettre l'alignement de la grille 16 par rapport au faisceau laser 178 et il demeure fermé pendant toutes les autres périodes à titre de mesure de sécurité.,
Comme illustré sur la figure 3, chacune des chambres de soudage 108 peut être déplacée d'une première position ou position de soudage représentée en traitsmixtes jusqu'à une seconde position ou position sortie. Lorsque la chambre de soudage 108 se trouve dans sa seconde position, le faisceau laser 178 est dirigé par son miroir 176 d'orientation verticale sur un dispositif de mesure de puissance ou thermopile 218, supporté dans un tube de protection 216.
Comme on le verra par la suite, le tube de protection 216 est monté sur une partie arrière de la chambre de soudage 108 et comprend une ouverture réduite 220 au moyen de laquelle le faisceau laser 178 peut être confiné de façon efficace à l'intérieur dutube de protection 216. Périodiquement, la chambre de soudage 108 est amenée dans sa seconde position. ou position sortie et le faisceau laser 178 est dirigé sur la thermopile 218 pour fournir une indication de la puissance de sortie du barreau 170 de laser qui est communiquas en réalité a la grille 16 de barres de combustible.
Dans le cas où une charge intensive est imposée au système laser 102, il faut envisager une atténuation du rendement du laser par suite de l'épuisement du barreau 170 de laser et/ou de ses lampes d'excitation 186 et en raison également de la présence de la fumée et des débris engendrés pendant le soudage au laser. De ce fait, pour obtenir des soudures précises et reproductibles, on
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augmente la tension appliquée aux lampes d'excitation 186 au-delà de la durée de vie utile du système laser 102 selon les indications de la thermopile.
En se référant maintenant à la figure 4, on voit que l'on y a représenté une table coulissante 262 qui permet à la chambre de soudage 108 d'être évacuée de sa première position ou position de soudage, dans laquelle le faisceau laser 178 est dirigé dans la chambre de soudage 108, jusqu'à sa seconde position ou position de sortie dans laquelle l'opérateur de la machine peut retirer la grille 16 de barres de combustible de la chambre de soudage 108. A cette fin, une table coulissante 262 est montée sur une plateforme X-Y 244 positionnée avec précision, cela de manière à être entraînée positivement par un moteur 266 d'entraînement coulissant d'une façon rectiligne entre sa première position ou position de soudage et sa seconde position ou position-sortie par rapport à l'armoirel04.
La table coulissante 262 comprend un rail de sécurité 264 qui fait saillie en avant du bord avant de la table coulissante 262 pour empêcher que l'opérateur puisse être blessé.
Le moteur 266 d'entraînement coulissant est couplé, par une chaîne d'entraînement 272, à un dispositif d'entraînement 268 à vis destiné à entraîner de façon rectiligne la table coulissante 262-
En se référant à la figure 4, on voit que l'on y a représenté des moyens pour positionner avec précision la plateforme X-Y 244 et, par conséquent, la chambre de soudage 108a dans sa première position ou position de soudage à l'intérieur de son module de positionnement 106a et dans sa seconde position ou position sortie. Il est capital que la chambre de soudage-108 et, en particulier, sa grille 16 de barres de combustible soient disposées de façon précise par rapport au faisceau laser 178.
A cette fin, un dispositif avant de repérage 284 dirige sélectivement son axe ou doigt de repérage 316 depuis une première position
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ou position rappelée jusqu'à une seconde position ou position de blocage dans laquelle il est disposé à l'intérieur d'une ouverture 318 d'un élément de positionnement 317 fixé à demeure à la table coulissante 262 de manière à positionner ainsi avec précision la table coulissante 262 par rapport au faisceau laser 178.
Un élément de positionnement similaire (non représenté) est disposé à la partie arrière de la table coulissante. 262 et est fixé à demeure à cette table de manière à coopérer avec le doigt ou axe de repérage 316 du dispositif de repérage avant 284 pour positionner et maintenir de cette façon la table coulissante 262 et, par conséquent, la chambre de soudage 108 dans sa seconde position ou position sortie. Bien que cela n'ait pas été représenté, on a également inclus un dispositif de repérage arrière qui est assujetti de façon fixe par rapport au module de positionnement 106 en vue d'actionner un doigt ou axe de repérage similaire de manière qu'il vienne en prise avec la table coulissante 262 dans sa première position ou position de soudage et la maintienne dans cette position.
On comprendra que le dispositif de repérage avant 284 et le dispositif de repérage arrière viennent en prise avec la table coulissante 262 de manière à placer la table coulissante 262 et sa chambre de soudage 108 avec la grille 16 de barres de combustible qui s'y trouve dans une position fixe par rapport au faisceau laser 178, grâce à quoi un usinage de précision peut être effectué sur la grille 16 de barres de combustible. Les dispositifs de repérage avant et arrière peuvent, par exemple, se présenter sous la forme des mécanismes à plongeurs fabriqués par DeStaco.
Comme représenté sur la figure 4, chacun des modules de positionnement 106 comprend des moyens pour positionner avec précision la chambre de soudage 108 et, en particulier, la grille 16 de barres de combustible qui y est contenue, dans une pluralité de positions réglées avec précision le long des axes X et Y d'un plan, et à faire
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tourner ce plan suivant un anale réglé avec précision autour de l'axe Y, grâce à quoi une grande diversité de soudures peut être effectuée par le faisceau laser 178.
Le système 288 de positionnement X-Y est monté sur la table coulissante 262 pour supporter et positionner la chambre de soudage 108. Le système 288 de positionnement X-Y comprend une table 290 de positionnement X et une table 292 de positionnement Y montée sur cette dernière. Les tables 290 et 292 de positionnement X et Y peuvent se présenter sous la forme du mécanisme fabriqué par la Shaum Manufacturing Company sous le numéro de désignation de produit
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DC1212. La table 290 de positionnement X sert à déplacer la chambre 108 dans une direction sensiblement perpendiculaire au plan de la figure 4, tandis que la table 292 de positionnement Y déplace la chambre 108 le long d'une direction perpendiculaire à la surface d'un côté 152 du module de positionnement 106.
La table 292 de positionnement Y est associée à un moteur 296 d'entraînement Y qui comprend un résolveur (ou dispositif d'asservissement de position) et un tachymètre, grâce à quoi des distances précises par incréments peuvent être communiquées à la chambre de soudage 108. De façon similaire, la table 290 de positionnement X est associée à un moteur d'entraînement X, à un résolveur et à-un tachymètre (non représenté).
Le dispositif 238 d'entraînement en rotation autour de l'axe B représenté d'une façon générale sur la figure 4 peut venir en prise avec la chambre de soudage 108 et, en particulier, avec un dispositif de support 242 monté de façon tournante à l'intérieur de la chambre de soudage 108 de manière à positionner par rotation la grille 16 de barres de combustible par rapport au faisceau laser 178, comme représenté sur la figure 3. On comprendra que la grille 16 de barres de combustible peut être fixée au dispositif de support rotatif 242, grâce à quoi elle peut être disposée de façon tournante autour de l'axe Y.
Le fonctionnement et
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la structure du système de positionnement X-Y comprenant la table 290 de positionnement X et la table 282 de positionnement Y avec les moteurs d'entraînement associés, la table coulissante 262 avec son moteur 266 d'entraînement coulissant, et le dispositif 138 d'entraînement en rotation autour de l'axe B et le dispositif de support rotatif 242 sont décrits de façon complète dans la demande de brevet belge déposéece même jour au nom de la demanderesse sous le titre de"UNE CHAMBRE D'USINAGE MOBILE AVEC MONTURE TOURNANTE POUR LA PIECE".
En se référant maintenant à la figure 5, on voit que l'on y a représenté en détail le dispositif optique 204 de focalisation de laser monté sur le dispositif 222 de positionnement de laser suivant l'axe Z en vue d'un déplacement rectiligne le long de l'axe Z jusqu'à la chambre de soudage 108 et depuis cette chambre et, en particulier, son chapeau de protection 422, pour permettre de refocaliser le faisceau laser 178 sur la grille de barres de combustible. Le dispositif 204 comprend le tube 200 de support de lentille disposé verticalement et aligné concentriquement au faisceau laser 178. Une base 430 de tube est disposée au fond du tube 200 de support de lentille et est raccordée à ce dernier pour loger de façon amovible un élément 440 de montage de lentille.
Comme représenté dans le croquis détaillé de la figure 5, l'élément de montage 440 est configuré de manière à recevoir une bague de blocage 436 comportant une pluralité de rainures hélicoïdales 434, par exemple trois rainures, disposées de manière à recevoir une pluralité correspondante de doigts ou axes de blocage 432. Lors de sa rotation, la bague de blocage 436 et son élément de montage 440 peuvent être bloqués sur la base 430 de tube. Un capot 438 de sécurité est réalisé suivant une configuration conique pour diriger le faisceau laser focalisé 178 sur la pièce d'usinage et comporte une partie périphérique filetée destinée à se visser
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sur un filetage se trouvant sur la partie périphérique intérieure de l'élément de montage 440.
D'une façon similaire, la lentille 202 est supportée à l'intérieur d'une ouverture centrale d'un élément de montage 440 et est retenue dans ce dernier par une bague de retenue 442 filetée périphériquement pour se visser dans un filetage se trouvant sur l'élément de montage 440, grâce à quoi la bague de retenue peut être vissée sur l'élément de montage 440 pour retenir en position de façon libérable la lentille de focalisation 202.
Le capot de sécurité 438 est disposé dans une ouverture d'un capot 446 de lampe pour fixer ce capot 446 à l'élément de montage 440. Une paire de lampes 428 à halogène et à quartz est disposée à l'intérieur du capot 446 de lampe pour éclairer la pièce d'usinage de manière à permettre l'alignement de cette pièce par rapport à l'axe Z, c'est-à-dire au faisceau laser 178. La température de fonctionnement des lampes 428 empêche les débris de soudage de se déposer sur ces dernières.
Comme on va le décrire en détail ci-après, l'opérateur aligne la pièce d'usinage par rapport au faisceau laser 178 en observant un CRT affichant l'image prise par la caméra TV 206, grâce à quoi l'opérateur peut placer son réticule électronique associé à la caméra TV 206 sur un emplacement initial de soudure pour déterminer un décalage ou écart entre une position de référence et le premier emplacement de soudure visé ; ce décalage est ensuite incorporé automatiquement aux signaux de commande appliqués au système 288 de positionnement X-Y, grâce à quoi chacune des soudures se trouve positionnée avec précision par rapport au faisceau laser 178.
Les lampes 428 sont alimentées par des conducteurs s'étendant jusqu'au capot 446 de lentille via un orifice 449 d'entrée électrique et insérés-dans une partie 201 de montage de tube et un conduit 451 s'étendant depuis la partie 201 jusqu'à la base 430 de tube. De façon similaire, un écoulement de gaz inerte,
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par exemple de l'argon, est introduit dans l'espace formé par le capot de sécurité 438 et la lentille 202 par un orifice 438 d'admission d'argon vissé dans une ouverture de la partie 201 de montage de tube et depuis cette dernière via un conduit 450 aboutissant à l'élément de montage 440.
L'élément de montage 440 comporte un injecteur d'argon formé en alignement avec le conduit 450, grâce à quoi l'écoulement d'argon forme un jet pénétrant dans le capot 438, ce qui fait que les débris ou contaminants engendrés pendant l'opération de soudage sont évacués efficacement de manière à ne pas atténuer le faisceau laser 178 focalisé sur la pièce d'usinage. Comme représenté sur la figure 5, l'écoulement d'argon s'échappe du capot de sécurité 438 et pénètre dans l'espace confiné par la bague de protection 420 et le chapeau 422 pour s'échapper par l'orifice de sortie 454.
En se référant maintenant à la figure 6A, on voit que l'on y a montré une vue en plan détaillée de l'élément de montage 440 représenté d'une façon générale sur la figure 5. En particulier, on voit que l'on y a représenté un espace annulaire 453 formé dans une surface supérieure de l'élément de montage 440 et s'étendant sur plus de 2700 de la circonférence de l'élément de montage 440, de manière à recevoir le gaz argon à partir du conduit 450 et CL distr-lbuer ce gaz à chaque passage d'une pluralité de passages 452a-k qui communiquent avec l'espace annulaire 453.
Le gaz argon est acheminé à travers le conduit 450 et l'espace annulaire 453 jusqu'à chacun des passages 452 pour être dirigé sur la lentille 202 de manière à empêcher le dépôt des débris de soudage sur la lentille 202 de laser.
En outre, une ouverture 457 reçoit une partie mâle 455b d'un connecteur électrique 455 pour permettre l'accouplement de cette partie avec une partie femelle 455a montée sur la base 430 de tube, comme représenté sur la figure 5. L'élément de montage 440 peut être séparé facilement de la base 430 de tube pour que l'on puisse nettoyer de la lentille 202 de
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laser les débris de soudage. Lors du remontage, on aligne l'élément de montage 440 avec la base 430 de tube de telle sorte que les parties mâle et femelle des connecteurs électriques 455 soient alignées l'une avec l'autre pour permettre l'application de l'énergie électrique aux lampes 428 à quartz.
Pour favoriser l'alignement du connecteur, un axe ou cheville 447 est fixé à la surface supérieure de l'élément de montage 440 de telle sorte que lorsque l'on presse l'élément de montage 440 contre la base 430 de tube, l'axe ou cheville 447 pénètre dans une ouverture (non représentée) d'ajustement sans jeu que comporte la base 430 de tube, grâce à quoi les forces de rotation appliquées à la bague de blocage 436 ne sont pas transmises au connecteur électrique 455.
Sur la figure 6B, on a représenté une vue latérale de la bague de blocage 436, cette vue illustrant plus clairement la rainure hélicoïdale 434 usinée dans un bord de cette bague. Comme on le voit sur la figure 5, la bague de blocage 436 assujettit l'élément de montage 440 à la base 430 de tube et est fixée de façon libérable à cette dernière pour permettre l'enlèvement de l'élément de montage 440 et le nettoyage de la lentille 202 de laser. On fait tourner la bague de blocage 436 dans une première direction de manière que ces trois rainures 434 viennent en prise avec une pluralité analogue d'axes ou doigts de blocage équi- distants 432.
Au fur et à mesure que l'on fait tourner la bague 436 dans la première direction, elle est tirée axialement vers le haut par rapport à la figure 5, ce qui fait venir la lentille 202 de laser dans sa position correcte.
On comprendra que le positionnement précis de la lentille 202 de laser est nécessaire pour effectuer le soudage de précision de la grille 16 de barres de combustible. Au fur et à mesure que l'on fait tourner la bague de blocage 436 dans la première direction, l'axe ou doigt de blocage 432 se déplace vers le bas dans la rainure 434 et parvient à
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l'extrémité de la rainure 434 qui a été légèrement agrandie pour former une ouverture d'encliquetage 435 de dimension critique.
Une pluralité de joint toriques 445 sont disposés entre un rebord 443 de la bague de blocage 436 et une partie extrudée de l'élément de montage 440 pour constituer un moyen sollicitant de façon élastique. les, axes ou doigts de blocage 432 dans leurs ouvertures d'encliquetage respectives 455. Les ouvertures d'encliquetage 435 ont été usinées avec soin de manière que lorsque l'on fait tourner la bague de blocage 436 jusqu'à sa position extrême dans la première direction, chaque axe ou doigt de blocage 432 vienne dans son ouverture d'encliquetage 435 et soit. poussé par les joints toriques 445 vers le bas de manière que l'axe ou doigt de blocage 432 porte contre la surface la plus haute de l'ouverture d'encliquetage 435, grâce à quoi on peut positionner de façon répétée et précise la lentille 202 par rapport à la base 430 de tube.
De cette manière, on peut démonter de façon répétée l'élément de montage 440 pour pouvoir nettoyer périodiquement la lentille 202 de laser, puis remonter l'élément de montage sur la base 430 de tube de manière à positionner de nouveau avec précision la lentille 202 de laser à l'aide de cet élément.
Le tube 200 de support de lentille et, en parti- culier, la partie 201 de montage du tube, est montée à l'aide d'un dispositif de montage 460 sur le dispositif 222 de positionnement de laser suivant l'axe Z, comme représenté de façon plus complète sur. la figure 4. Un soufflet 456 est fixé à la partie la plus haute du tube 200 de support de lentille pour assurer une protection du faisceau laser dirigé à travers ce tube tout en permettant au dispositif 222 de positionnement de laser suivant l'axe Z de déplacer le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser d'une façon rectiligne le long du trajet du faisceau laser 178, comme représenté en traits mixtes sur la figure 5.
De cette façon, la lentille 202 peut être disposée demanière
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variable le long de l'axe Z afin de permettre une focalisation précise du faisceau laser 178 sur la pièce d'usinage dont on peut modifier la position par rapport au faisceau laser 178, par exemple en faisant tourner le dispositif de support rotatif 242 pour effectuer une soudure linéaire 40 d'encoche.
Comme représenté sur la figure 4, le soufflet extensible 456 est fixé à la partie supérieure extrême du tube 200 de support de lentille et à l'enceinte protectrice 461 à l'aide d'une pièce 464 de fixation de soufflet. Le dispositif 222 de positionnement de laser suivant l'axe Z comprend une table 458 d'axe Z sur laquelle le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser est monté à l'aide du dispositif 460 de montage de lentille et est entraîné par incrénentsde façon sélective par un moteur (non représenté) d'entraînement suivant l'axe Z. D'une manière similaire au moteur d'entraînement suivant les axes X et Y, le moteur d'entraînement suivant l'axe Z comprend également un résolveur et un tachymètre pour fournir des signaux de sortie indiquant la position précise de la table 458 de déplacement suivant l'axe Z.
De cette manière, le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser représenté en détail sur la figure 5 peut être positionné de nouveau de manière à focaliser avec précision le faisceau laser 178 sur la grille 16 de barres de combustible. La table 458 de déplacement suivant l'axe Z est montée dans une position verticale en imposant ainsi au moteur 470 d'entraînement suivant l'axe Z une force qui est compensée par une paire de poulies 466 qui sont actionnées par des ressorts et qui sont accouplées respectivement à la table 458 de déplacement suivant l'axe Z par des câbles 472 passant autour des poulies 466 et fixées à cette table par un moyen de fixation appropriée.
La table 458 de déplacement suivant l'axe Z peut, dans un exemple de mode de réalisation de la présente invention,
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se présenter sous la forme d'une table fabriquée par Design Components, Inc¯, sous la désignation SA100. L'accouplement entre le moteur d'entraînement suivant l'axe Z et la table 458 de déplacement suivant l'axe Z peut, à titre d'exemple, se présenter sous la forme des composants fabriqués par Shaum Manufacturing, Inc. sous les désignations "Heli-Cal"nos 3477-16-8 et 5085-8-8. Le moteur d'entraînement suivant l'axe Z peut, a titre d'exemple, se présenter sous la forme du dispositif de servo-commande à courant continu fabriqué par Control Systems Research, Inc., sous la désignation SM706RH.
Un système 473 d'alimentation d'argon est représenté sur la figure 7 et sert à fournir un écoulement d'un gaz inerte approprié, par exemple de l'argon, à la chambre de soudage 108 et au dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser à des débits choisis variables. Le soudage au laser de matériaux volatils, tel que le Zircaloy, dont sont constituées les lames intérieureset extérieures 20 et 22 de grille doit être effectué dans une atmosphère inerte en raison de la nature extrêmement réactive du Zircaloy vis-à-vis de l'oxygène, de l'azote et de l'eau.
Des essais de soudure ont démontré qu'un écoulement de gaz inerte autour de la zone de soudure immédiate d'une pièce d'usinage n'assure pas vis-à-vis de l'oxygène et de l'eau um protection adequate pour l'obtention de la qualité élevée recherchée des soudures qui auront à supporter l'environnement hostile d'un réacteur nucléaire sans rupture. Le système 473 d'alimentation d'argon représenté sur la figure 6 comprend la chambre de soudage 108 ainsi que le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser représenté particulièrement sur la figure 5. Le système 473 d'alimentation d'argon comprend un réservoir 474 d'alimentation d'argon qui est couplé à une valve d'écoulement 476 qui sépare le réservoir 474 d'alimentation d'argon du restant du système 473.
Cette valve 476 est
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maintenue entièrement ouverte sauf lorsqu'il est nécessaire de mettre hors fonction le système complet. L'argon s'écoule du réservoir 474 à travers la valve 476 jusqu'à un régulateur 478 qui établit la pression du système de manière qu'elle ne dépasse pas le niveau maximal, par exemple 3,6 kg/cm2 (50psi). Il est envisagé de régler l'écoulement d'argon jusqu'à chacune des chambres de soudage 108a et 108b jusqu'au dispositif optique 204 de focalisation de laser à une pluralité de débits différents selon que la grille 16 est ou n'est pas en, cours de mise en place dans la chambre. 16, selon que la chambre 108 est en cours de purge ou selon qu'une opération de soudage est en cours.
Par exemple, la purge de la chambre de soudage 108 exige un débit relativement élevé de gaz, inerte, la pression ne devant pas dépasser à ce moment le niveau maximal. A cette fin, une valve de décharge 482 est couplée à un manifold 480 destiné à recevoir l'écoulement de gaz et à le distribuer à chaque dispositif de commande d'écoulement massique d'une pluralité de dispositifs 484,486 et 488 de commande d'écoulement massique. Les dispositifs 484,486 et 488 de commande d'écoulement massique sont raccordés respectivement à la chambre de soudage 108, au dispositif de support rotatif 242 et au dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser.
En particulier, un débit réglé d'écoulement de gaz est fourni par le dispositif 484 d'écoulement massique par l'intermédiaire d'un tuyau souple 490 et à travers une plaque de diffusion 330 disposée dans la partie inférieure de la chambre de soudage 108 pour établir un écoulement laminaire du gaz inerte à l'intérieur de cette chambre de soudage 108. D'une façon similaire, l'écoulement de gaz provenant du dispositif. 486 de commande d'écoulement massique est dirigé par l'intermédiaire du tuyau souple 490 sur l'orifice 500 d'admission d'argon, grâce à quoi l'argon est déchargé à travers les orifices de sortie 506 du dispositif de support rotatif 242.
On
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comprendra que les tuyaux souples 490 sont utilisés pour permettre le déplacement de la chambre de soudage 108 pendant qu'elle est introduite dans son module de positionnement 106 et extraite de ce module par la table coulissante 262. L'écoulement de gaz est envoyé à partir du dispositif 488 de commande d'écoulement massique par l'intermédiaire d'un tuyau souple 490 au dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser et, en particulier, à l'orifice 448 d'admission d'argon, grâce à quoi l'argon peut être introduit par l'intermédiaire du conduit 450 et d'une pluralité d'injecteurs 452 dans l'espace qui est situé immédiatement en-dessous de la lentille de focalisation 202.
Cet écoulement d'argon empêche les oxydes submicromiques engendrés par le soudage laser à l'intérieur de la chambre de soudage 108 de contaminer la lentille 202.
Le détecteur 410 d'humidité (H20) est disposé à l'intérieur de la chambre de soudage 108 et est couplé à un dispositif 492 de contrôle d'humidité. L'opérateur et le CNC 126 vérifient le niveau d'humidité à l'intérieur de la chambre de soudage 108 pendant les opérations de purge et de soudage, grâce à quoi le soudage au laser peut être empêché si la teneur en humidité est supérieure à un niveau spécifié, par exemple 10 ppm. De plus, une sonde 496 de détaction d'oxygène est disposée dans la plaque 156 de fermeture étanche pour échantillonner l'argon aspiré à travers l'ouverture périphérique entre le rebord supérieur 331 (voir figure 4) de la chambre de soudage 108 et la plaque 156 de fermeture étanche.
On comprendra que la sortie de la sonde 496 de détection d'oxygène sert également à fournir une indication de la teneur en azote dans la chambre 108. Le contrôle de l'atmosphère présent dans la chambre de soudage 108 commence lorsque la chambre de soudage 108 se trouve dans sa première position ou position de soudage.
Chaque sonde de détection d'oxygène ou dispositif de contrôle 496 comprend une admission de gaz d'étalonnage
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de sorte qu'il se produit un écoulement direct du gaz jusqu'à la sonde 496. La sortie de sonde 496 est couplée L laà un analyseur 494 d'oxygène dont la sortie en parties par millions (ppm) peut être affichée sur l'instrument de mesure 498 du dispositif de contrôle. Le système d'ordinateur peut être programmé de manière que la séquence de soudage ne soit pas déclenchée tant que le niveau d'oxygène ne se trouve-pas en-dessous d'une valeur programmée, par exemple 7 ppm. Pendant le soudage, l'échantillonnage de l'oxygène est interrompu automatiquement pour éviter une contamination de la sonde 496 par les débris de soudage.
Le système 473 d'alimentation d'argon fournit à la chambre de soudage 108 un écoulement de gaz inerte, par exemple d'argon, à un débit sensiblement constant pour maintenir l'atmosphère à l'intérieur de cette chambre sensi-
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blement pure, c'est-à-dire en-dessous des limites de contamination par l'oxygène et par l'eau tels qu'on les a définies ci-dessus. Ce débit est fixé selon que le système de soudage 102 à laser et, en particulier, sa chambre de soudage 108 se trouve dans son cycle de chargement et de déchargement, dans son cycle de purge, ou dans son cycle de soudage. Comme on va l'expliquer, le système d'ordinateur associé à la chambre de soudage 108 règle directement l'écoulement massique du dispositif de commande 484,486 et 488 sur l'un de plusieurs débits.
En particulier, on prévoit quatre potentiomètres pour chaque dispositif de commande d'écoulement massique. Le système d'ordinateur actionne un potentiomètre choisi pour obtenir le débit de gaz nécessaire pour chacun des cycles de chargement et de déchargement, de purge et de soudage. Pour changer le débit du programme, le CNC 126 adresse le potentiomètre, grâce à quoi l'opérateur peut alors régler le potentiomètre pour obtenir le débit voulu. Le débit apparaît sur un affichage numérique approprié du dispositif de commande. Les dispositifs de commande d'écoulement massique sont étalonnés en
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litres normaux par minute (SLPM).
Lorsque l'on ouvre la chambre de soudage 108 pour mettre en place et retirer une grille 16, il faut faire glisser la chambre de soudage 108 sur la table coulissante 262 par rapport à la plaque de fermeture étanche 156 et non pas. ouvrir la plaque 156 de fermeture étanche en la faisant pivoter comme une porte. Cette technique faisant appel à un glissement réduit la turbulence air/argon et réduit à un minimum les courants d'air qui, sans cela, auraient tendance à mélanger l'air avec l'argon se trouvant dans la chambre de soudage 108. Pendant le cycle chargement/déchargement, l'écoulement d'argon est réglé sur un faible débit pour maintenir l'atmosphère d'argon aussi pure que possible, de façon typique, un débit de l'ordre de 61 dm3/h (30 CFH).
Un débit élevé pendant le cycle de chargement/déchargement entraînerait une turbulence qui aspirerait de l'air dans la chambre de soudage 108.
Le chargement/déchargement de la grille 16 devrait être effectué à l'aide d'un disposifif de préhension mécanique tel que celui décrit dans la demande de brevet belge déposéece même jour au nom de la demanderesse sous le titre de"APPAREIL DE SAISIE ET DE MANIPULATION DE PIECES D'USINAGE POUR SYSTEMES DE SOUDAGE AU LASER ET AUTRES SYSTEMES ANALOGUES". Si un tel dispositif de préhension ou de saisie n'était pas utilisé, l'opérateur placerait ses mains sur la chambre 108 en augmentant ainsi le mélange de l'air et de l'argon et en introduisant une humidité supplémentaire indésirable dans l'atmosphère d'argon.
Immédiatement avant le cycle de soudage et après que la chambre de soudage 108 a été ramenée dans sa première, position ou position de soudage, c'est-à-dire en-dessous de la plaque 156 de fermeture étanche, les dispositifs 484 et 486 de commande d'écoulement massique sont commandés par leur CNC 126 de manière à communiquer au gaz inerte un débit
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relativement élevé de l'ordre de 1080 drn3/h (400 CFH), grâce à quoi une chambre de soudage 108 telle que celle représentée sur la figure 16 et mesurant approximativement 3, 6 dm x 4 dm x 4 dm (14 x 16 x 16 pouces) peut être purgée, c'est-à-dire vidangée, de manière à abaisser le niveau d'oxygène à une valeur inférieure à 6 ppm environ en une minute.
Quand le cycle de purge est terminé, le système de soudage 100 à laser et en particulier son système d'ordinateur, sont préparés en vue du déclenchement du cycle de soudage au laser durant lequel un débit de gaz sensiblement plus faible réglé par les dispositifs 484 et 486 de commande d'écoulement massique peut être introduit dans la chambre de soudage 108. De plus, les pompes d'échantillonnage et de gaz de soudure pour la sonde 496 de détection d'oxygène sont arrêtées automatiquement pour empêcher une contamination par les débris de soudage. Un débit relativement faible de l'ordre de 80 dm3/h (30 CFH) s'est révélé suffisant pour maintenir l'atmosphère de la chambre de soudage en-dessous des niveaux de la pureté définis ci-dessus.
Comme représenté sur la figure 7, le gaz argon est introduit dans la base de la chambre de soudage 108 et s'écoule à travers la plaque de diffusion 330 de manière à créer un écoulement de gaz laminaire qui"chasse"l'air de la chambre de soudage 108.
La densité plus élevée de l'argon et le débit sensiblement constant de ce dernier excluent l'air de la chambre de soudage 108. La plaque de diffusion 330 est en fibre d'acier inoxydable frittée et a une densité d'environ 60% et une épaisseur de 3,2 mm (0,125 pouce).. En outre, la plaque de diffusion 330 recouvre sensiblement la totalité de la section droite inférieure de la chambre de soudage 108 avec une structure de support non diffusante aussi petite que possible.
Plus la superficie de la plaque de diffusion diminue par rapport à la superficie de section droite de la chambre 108, plus il faut de temps et plus la quantité
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d'argon est grande pour purger d'air la chambre de sondage 108 ; ceci est un point important à prendre en considération lorsqu'il faut réaliser des grilles 16 à des carences de production rapides. En outre, il faut que la plaque de diffusion 330 soit rendue étanche de façon adéquate vis-à-vis des côtés de la chambre. de soudage 108 pour que le gaz entrant soit obligé de diffuser à travers la plaque 330 et qu'il ne contourne pas simplement la, plaque de diffusion 330 et remonte vers le haut le long des parois de la chambre.
De la même façon, il n'est pas nécessaire que le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser représenté sur la figure 5 soit parfaitement étanche par rapport au chapeau 422. L'intervalle entre ce dispositif et ce chapeau constitue une ouverture permettant à l'argon de s'échapper de la chambre de soudage 108 lorsque l'on utilise un débit élevé d'argon pour purger d'air la chambre de soudage 108. Du fait que tous les gaz diffusent les uns vers les autres, un écoulement constant de gaz est particulièrement nécessaire pendant les cycles de soudure et de purge pour maintenir une atmosphère pure.
Bien qu'un petit intervalle soit de préférence nécessaire entre la chambre 108 et la plaque 156 de fermeture étanche ainsi qu'entre le chapeau 422 et le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser, le reste de la chambre de soudage 108 doit être exempt de toute fuite. Bien que l'argon soit plus lourd que l'air et aurait tendance à s'écouler, vers l'extérieur à travers ces"fuites"de la chambre 108, l'air peut être également aspiré dans la chambre 108 par ce même trou en contaminant ainsi l'atmosphère de la chambre de soudage 108.
Il est entendu que le système de soudage 102 à laser décrit ci-dessus est sous la commande d'un ordinateur numérique programmé. Bien que cela n'entre pas dans le cadre de la présente invention, le système d'ordinateur commande le déplacement par incréments communiqué par le système 288 de positionnement X-Y à la chambre de soudage 108 et à la
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grille 16 de barres de combustible qui y est disposée et, en particulier, applique des signaux de commande discrets à chacun des moteurs d'entraînement X et Y couplés. aux tables X et Y du système 288. D'une façon similaire, les signaux de commande sont fournis par le système d'ordinateur au moteur d'entraînement couplé mécaniquement à la table coulissante 262 pour entraîner celle-ci entre sa première position ou position de soudage et sa seconde position ou position de sortie.
De façon, similaire, le dispositif 238 d'entraînement en rotation. autour de l'axe B est sous la commande du système d'ordinateur au moyen duquel il peut être. mis en prise avec. le dispositif de support rotatif 242. non seulement pour détecter la position de ce dispositif rotatif 242, mais pour le déplacer en même temps que la grille 16 de barres de combustible qu'il supporte jusqu'à la position correcte en vue de la prochaine phase de soudage.
Le barreau 170 de laser et, plus particulièrement, une source d'énergie et un circuit de formation d'impulsions'associé aux lampes d'excitation 186 de ce barreau sont sous la commande-du système d'ordinateur de manière que soit réglé le niveau de puissance la largeur et la fréquence d'impulsion de la tension fournie aux lampes d'excitation 178 de telle sorte que des impulsions laser correspondantes soient dirigées sur la grille 16 de barres de combustible.
Le système 473 d'alimentation d'argon représenté sur la figure 7 et, en particulier, ses dispositifs 584,586 et 588 de commande d'écoulement massique sont couplés au système d'ordinateur et sont. sous la commande de ce système pour effectuer un débit voulu d'introduction de l'argon dans chacune des chambres de soudage 108, dans le dispositif de support rotatif 242 et. dans le dispositif optique 204 de focalisation de faisceau laser. Le système de calculateur est décrit de façon plus complète dans la demande de brevet belae déposée ce même jour au nom de la demanderesse sous le titre de"SYSTEME D'USINAGE A LASER".
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On a donc décrit un dispositif optique pour un appareil d'usinage au.. laser qui permet d'enlever rapidement la lentille du laser en vue de son nettoyage et de son remontage dans les positions précises par rapport à la source laser et à la pièce à usiner. De cette manière, l'usinage et, en particulier, les débris de. soudage projetés pendant le déroulement du soudage de la pièce d'usinage peuvent être enlevés facilement afin d'empêcher de cette façon une atténuation importante du niveau de puissance du faisceau laser dirigé sur la pièce d'usinage.
Le dispositif optique de focalisation de faisceau laser est monté sur une table en vue de son déplacement le long du trajet du faisceau laser pour permettre de cette façon au faisceau laser d'être focalisé de nouveau lorsque la pièce d'usinage est déplacée dans une dimension s'étendant le long du trajet du laser.
Selon un autre aspect de la présente invention, le dispositif optique de focalisation de. faisceau laser est associé à une chambre de soudage destinée à recevoir la pièce d'usinage et à maintenir cette pièce d'usinage dans un environnement non réactif. A titre d'exemple, on établit l'environnement non réactif en envoyant, à des débits spécifiés, un gaz inerte tel que l'argon dans la chambre d'usinage et en permettant à ce gaz de s'échapper de la chambre par une
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ouverture formée entre la chambre et le dispositif optique de focalisation-. faisceau laser à un débit qui empêche l'introduction de gaz réactif dans la chambre. deIl est bien entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre purement illustratif et non limitatif et que des variantes ou des modifications peuvent y être apportées dans le cadre de la présente invention.