CN1062313A - 用激光焊接燃料棒或者类似物的设备和装置 - Google Patents

Abstract

这种设备包括一个被刚性固定到焊接罩子(5)上 的外壳(6)，在该设备中还刚性固定着各种光学元件， 这些元件对于把光学纤维(20)传输的激光束聚焦到 被焊接的连接处(1)是必要的。反射镜(16)允许被光 学能量探测器(8)测量的一小部分激光束通过。所生 产的燃料棒、导管、辅助棒用于核反应堆。

Description

本发明涉及到激光焊接，尤其是用于核反应堆中的燃料棒或者类似物的焊接。更具体地来说它涉及到一种激光焊接设备，该设备包括一个带有窗口的罩，一个激光源，以及包含把激光源发射出的激光束通过窗口传输到焊接区的几个机构，这几个机构由几个光学元件组成，其至少包括一个聚焦透镜和一个反射镜。“燃料棒或者类似物”就是指燃料棒，导管和辅助棒。

用于核反应堆的燃料棒由锆合金制造的包壳管形成，在管的两端用相同材料的两个塞子，靠压力把塞子塞入将其密封，然后进行焊接。

借助于处在易裂变的柱体和对面的塞子（上塞）之间的一个压缩弹簧，燃料棒在靠近一个塞子的部位（称为下塞）贮有大量燃料芯块。在进行焊接之前，上塞包括一个使燃料棒密封的小直径的孔，通过焊接把这个孔堵住，这个工序通常称为“密封焊接”。

燃料棒的长度约为4米，在厚度约为0.6毫米时直径约为10毫米。

由锆合金制做的管子形成了几个导管，在导管的两端分别安装上一个塞子（下端）和一个塞套（上端），把塞固定住，然后进行焊接。

对于一个长度约4米，厚度约0.5毫米的导管，其塞子端的直径约为12毫米，塞套端的直径约为14毫米。

辅助棒由一个长度约4米，直径约10毫米，厚度约0.4毫米的不锈钢包壳管制成，在棒的两端装上由同一种材料制成作密封用的两个塞子，把塞固定住然后进行焊接。

象导管一样，辅助棒不用密封，而仅包括两个圆环形焊缝。

因此，燃料棒或者类似物必须经受两个圆环形焊接操作，如果合适的话，还要经过一次密封焊接的点焊工序。对于锆合金制做的零件，在罩子里由中性气体保护才能焊好这些焊缝，以防止这种熔融金属的氧化。

圆环形的焊缝必须有一个大于或者等于包壳厚度的焊接熔深，焊缝的表面宽度不超过1.5毫米，在塞子与包壳或者塞套与包壳的交界面（配合直径）的宽度要尽可能大。

考虑到燃料棒或者类似物的用途以及所需要的质量要求，不允许任何破裂或者没焊透的现象存在。

要在一个大气压的高压氦中焊好密封的焊缝，而且，要求焊缝在一个小孔（典型情况下小于0.8毫米）的四周边呈收缩状。为保证高质量的焊接，它们的焊接熔深必须大于或等于管子的厚度。

为了达到这些目的，已有技术提出过使用激光焊接的设备原理（例如，见GB-A-2070998或者FR-A-2305827），但没有介绍实际的操作工艺。

本发明的目的是提供了一种在工业条件下能够焊接燃料棒或者类似物的设备。

为此目的，本发明所讨论的主题是一种用于激光焊接的设备，该设备的特征是：反射镜是使激光束可部分穿透的，并且所说的几个光学元件都被刚性地固定安装在一个外壳里，该外壳有一个激光束的进口支路，一个绕着罩子的窗口刚性地固定到罩子上的出口支路，以及一个对着入口支路并带有光能探测器的支路。

本发明的其他几个特征为：

把一个通道安装在外壳上，该外壳包括一个进入出口支路容积的气体入口，该出口支路的容积通过所述的窗口与罩子内部的容积连通。

把通道安装在外壳的出口支路上，气体的进入口正好在这个通道的下面，而且罩子上含有一个气体排放通路。

在出口支路通道的前面安装了一个聚焦透镜。

在外壳的入口支路上安装了一个准直透镜。

准直透镜和聚焦透镜构成了通道，这个通道被安装在外壳的入口支路上。

反射镜是可让可见光穿透的，而且在对着所述出口支路的外壳的一个支路上装备着一台摄象机。

所述的传输装置由光学纤维组成，光学纤维的终端在外壳的入口支路上，激光源为脉冲YAG型。

当该设备使用激光来焊接燃料棒或者类似物时，罩子由用于定位的，以及可任意选择地驱动一个燃料棒旋转的几个装置组成。

外壳的出口支路被直接地或在之间装有一个隔离阀的刚性固定到罩子上。

本发明的主题也是一个激光焊接装置，特别是一种焊接燃料棒或者类似物的激光焊接装置，该装置包括以上所述的几个设备，而对应的是一个单独激光源和一个用做激光源开关的装置，该开关装置把这个激光源转换到分属于这些设备之一的几个光学纤维中的一个上。

对于焊接燃料棒或类似物而言，具体地说所述的设备至少可以包括一个下塞焊接设备，一个上塞焊接设备，以及一个密封焊接设备。

现在参考附图对本发明的几个实施例加以介绍，其中：

图1以纵向剖视图的方式给出了本发明所述的激光焊接设备的一部分;

图2是另一个实施例的类似的剖视图;

图3以剖视图的方式给出了本发明的一个密封焊接设备。

图1中所示的焊接燃料棒或者类似物的激光焊接设备是想要在燃料棒3的管子2和安装在燃料棒一端的塞子4之间的连接处1的地方焊接一个圆环形焊缝。该设备基本上由一个罩子5，一个外壳6，一个400瓦功率的YAG型脉冲激光源7，一个表示整个持续时间累计信号的能量或功率探测器8，以及一个摄象机9组成。

罩子5包括一个假想的水平方向上沿X-X轴对称的腔体10，其中棒3可沿通路11插入腔体，在通路11处绕着管子2圆周有一圈校正好的环形间隙，罩子上还有一个窗口形式的侧面开口13。当棒3的塞子4与装在腔体10上的止动器14接触时，连接处1的平面与开口13处假想的Y-Y轴线相垂直。

假设外壳6放置在罩子5上，外壳包括一个平行六面中心体15，一个倾斜成45°角的反射镜16装在中心体中。这个外壳在四个面是开口的，并伸出四个支路：

平行于X-X轴且沿Z-Z轴线的一个入口支路17，它包括一个管形支承物18和一个与中心体15毗连的准直透镜19。光学纤维20从激光源7出发并终止在支承物18上，在这里它的终端沿Z-Z轴定位;

对称于Y-Y轴的一个出口支路21，从中心体15开始依次包括：一个聚焦透镜22，一个通道23和一个套筒24，套筒的末端口与罩子5的开口13连通，利用套筒的末端法兰盘25，以密封的方法把这个开口固定住。通道23在组装成一体的支路21的两个法兰盘之间被密封地安装着，而供给惰性保护气体的管子26正好在这个通道的下面进入套筒24，与此同时，气体的排放是通过上述的间隙12进行的;

沿Z-Z轴，位于支路17对面有一个激光束控制支路27。该支路27包括使激光束的直径适合于探测器8尺寸大小的会聚光学透镜28和扩散光学透镜29，探测器被固定在支路27的终端;以及

沿Y-Y轴对称，位于支路21对面的光学控制支路30。支路30包括使激光束的聚焦透镜的直径能适应摄像机目标的会聚光学透镜31和扩散光学透镜32，摄象机就被固定在支路30的终端上。

镜子16是一个分色镜，这个镜子反射入射激光束（λ＝1.06微米）的大部分（例如97%），只允许一小部分向前通过探测器8。另外，这个镜子可让可见光穿透，通过了透镜32，31和22，镜子16、通道23和开口13的棒3上的聚焦和控制反射光，让摄象机9作为监视器。

在操作中，把燃料棒3插进罩子5直到它与止动器14接触为止。然后通过没有画出的装置使棒绕着它的X-X轴旋转，接着通过管子26，套筒24和开口13把惰性保护气体引入到罩子里。经过保护气体的一个换气周期之后，通过光学纤维把脉冲激光束引入，激光束由透镜19校准后，由反射镜16反射，接着由透镜22聚焦，一直到连接处1。

由彼此刚性固定的金属元件组成的以及包括刚性固定到外壳6上的几个光学元件的整个设备的稳定性，以极简单的办法确保了在焊接部位的激光束的最佳聚焦以及高质量的焊缝和良好的重复性。当然，

该设备是可以拆卸的，并且可以容易地得到维修，特别容易拆卸和维修的是通道23。另外，气体实际上仅仅从通道23下面通过，这就有效地保护了通道23，防止了由焊接引起的烟粒进入通道，而这些烟粒，通过间隙12被排放气体带到罩子外边。

当圆环形焊缝焊好之后，棒就冷却下来，保护气体的流量减小，使罩子保持在惰性保护气体之下，而后把棒从罩子5中取出，并换上另一个棒进行焊接。

探测器8使激光束处于被监视状态，例如，当一个光学元件或者激光源不正常工作的偶然事件发生时，就触发报警器。摄象机9也一直检验着罩子5中的棒的位置情况，如发生情况变化，同样能触发报警器。

图2的另一个实施例不同于图1的情况，它实际上是把通道23和聚焦透镜22转移到外壳6的支路17上。于是，从中心体15开始，这个支路包括透镜22，通道23，以及透镜19，套筒24的内部直接与中心体15的内部相连接。

附图2所述的这个实施例的优点在于：不再需要自己的聚焦透镜的探测器8可以直接测量实际传输到燃料棒上的激光能量。结果测量的可靠性就能更好地保证加到燃料棒上的焊接能量。

如在图1中说明的，该装置的优点是包含几个并联的设备E，E′，E″和一个单独的激光源7。使用合适的开关装置，激光源就可以成功地通过连接各设备的光学纤维20，20′，20″来传输激光束;例如一个设备负责焊接工作，同时别的设备则承担上面所述的有关的各步骤工作，于是就得到一个高生产率的装置。

在用于焊接燃料棒的装置中，由于某些设备可以被指派焊接下面的塞子，而别的设备被分配焊接上面的塞子，还有的设备被用于进行密封焊接，而对这些工序中的每一个都是适合的。在密封焊接情况下，在压力下由氦气置换掉氩气，把罩子以这样的方式进行调整：激光束入口的窗口对着被塞住的密封焊接孔。该密封焊接罩子的体积大大地减小了，而且它不使用驱动棒旋转的装置。

图3给出了一种密封焊接设备E′。除了管子26被连接到大约30巴的氦气源以外，外壳6类似于图1的情况。通过带有球形阀35和旋转驱动轴36的止动阀34上的平行六面体33，把外壳的法兰盘25密封地固定在罩子5上。

在外壳6的侧边包括一个象套筒24一样的对称于Y-Y轴的罩子5，一个圆筒形的气道37通到向止动阀开口的阶梯式的埋头孔区38。在离埋头孔区不远的地方上，气道37装备了一个带有法兰盘的环纹垫圈39。

支撑板40被以密封的方法固定在外表面，即埋头孔区38的较大直径部分。这个支撑板在其中心含有一个收敛-扩散形的罩子的窗口13。这个窗口的内表面部分41形成了燃料棒的塞子4的连接座，燃料棒包括一个被封塞的中心密封焊接孔，用于封塞的塞子都是具有截头圆锥体形状的。

借助于定向控制阀（图中没有给出），进入埋头孔区38内部的罩子5的管道42可以有选择地连接到略微大于一个大气压的氦气源上，管道42还可以连接到真空泵上，或与空气相连接或者就被关闭。

在实际使用中，阀34是关闭的，在没有燃料棒时，罩子5必须有一个通过管道42，埋头孔区38和气道37的低压氦气换气过程。通过密封垫39，把燃料棒3插入进气道37，直到棒的塞子4压在座子41上为止，接着由罩子上带有的夹紧装置（图中没有示出）把棒夹紧。把管道42连接到真空泵，以对棒3内所含的空气进行抽真空，然后关闭。当然，抽真空的时间可以选择。

打开阀35，用大约30巴的氦气完全充满棒，并且通过阀塞的圆筒形通路43为激光束提供了一条到密封焊接孔的通路。然后关闭密封焊接孔，再次关闭阀34，管道42调整到大气下，对棒3抽气，用低压氦气给罩子换气，使系统重新处于准备工作状态。

由于在所述装置的外壳和罩子之间有一个阀34，塞子4和邻近棒部分的周围密封固定的氦气容积被减到最小限度，这种结构也可用到消耗氦气的装置中。

可以理解，依照本发明所做出的装置，使用一个激光源可用在所包含的任意个激光焊接设备上，该装置可用于各种类型的工业部件的高质量焊接上。

此外，这种设备之一也可适用于钻密封的焊接孔，因此，“焊接”这个词应以最广泛的概念去理解。

Claims (13)

1、用于激光焊接的设备，该设备包括：带有窗口(13)的一个罩子(5)，一个激光源(7)和把由激光源发射的激光束通过窗口传输到焊接区(1)的几个机构(16，19，20，22)，这些机构包括光学元件(16，19，22)，至少包括一个聚焦透镜(22)和一个反射镜(16)，其特征在于：反射镜(16)可让激光束部分穿透，其所述的光学元件被刚性地固定到带有一个激光束入口支路(17)的外壳(6)上，一个绕着罩子上的窗口(13)被刚性地固定到罩子(5)的出口支路(21)上，以及一个对着入口支路(17)并配备光学能量探测器(8)的支路(28)。

2、按照权利要求1所述的设备，其特征在于，通道（23）被装在外壳（6）上，这个外壳包括进入出口支路（21）容积的气体进口（26），通过所述的窗口（13）出口支路（21）的容积与罩子（5）的内部容积连通。

3、按照权利要求2所述的设备，其特征在于，通道（23）被装在外壳（6）的出口支路（21）上，气体进口（26）正好在该通道的下面，并且罩子（5）包括一个气体排放通道（12）。

4、按照权利要求3所述的设备，其特征在于，通道（23）的前面装在出口支路（21）上的聚焦透镜（22）。

5、按照权利要求4所述的设备，其特征在于，准直透镜（19）被装在外壳（6）的入口支路（17）上。

6、按照权利要求2所述的设备，其特征在于，准直透镜（19）和聚焦透镜（22）构成通道（23），并且被装在外壳（6）的入口支路（17）上。

7、按照权利要求5和6中任一个所述的设备，其特征在于，反射镜（16）可让可见光穿透，并且在所述的出口支路（21）对面的外壳（6）的一个支路（30）上装有一台摄象机（9）。

8、按照权利要求1-7中所述的任一个设备，其特征在于，所述的传输机构包括一个光学纤维（20），它的终端在外壳（6）的入口支路（17）上，激光源（7）是脉冲YAG型。

9、按照权利要求1-8中所述的任一个打算用激光焊接燃料棒或类似物的设备，其特征在于，罩子（5）包括用来定位的装置，如果适宜时，包括驱动燃料棒旋转的装置。

10、按照权利要求1-9中任一项所述的设备，其特征在于，外壳（6）的出口支路（21）被直接地刚性的固定到罩子（5）上。

11、按照权利要求1-9中任一项所述的设备，其特征在于，外壳（6）的出口支路（21）通过在其间的隔离阀（34）被刚性地固定到罩子（5）上。

12、一种激光焊接装置，特别是焊接燃料棒或者类似物的装置，其特征在于，它包括如权利要求8所述的几个设备，一个单独的激光源（7）以及用于激光源的开关装置，这个装置可以把这个激光源转换到分属于相应设备的几个光学纤维（20，20A，20B）中的一个上。

13、按照权利要求12所述的用于焊接燃料棒或者类似物的装置，其特征在于，所述的设备至少包括一个下塞焊接设备，一个上塞焊接设备，以及一个密封焊接设备。

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