CN108500456B - 一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，包括第一焊接室端部、塞阀头、塞阀座、第二焊接室端部、焊接室颈部、第一激光焊接头、第二激光焊接头及第三激光焊接头，该设备具有生产效率高、自动化水平高、集成度高、设备投资成本低、能源消耗及氦气消耗少的特点。

Description

一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备
技术领域
本发明属于激光焊接技术领域和核燃料组件加工领域，涉及一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备。
背景技术
核燃料棒主要由核燃料芯体和包壳结构组成，燃料包壳作为核反应堆的第一道安全屏障，承担包容燃料芯体和裂变产物的作用，服役在高温、高压、腐蚀和强中子辐照环境中，是反应堆中服役工况最苛刻的部件之一。燃料包壳在封装时需要进行焊接的位置共有3处，分别是包壳管与上下端塞间的两处环焊缝和位于上端塞顶部的一处密封焊点。其中，为了置换包壳内部的空气，提升换热效率，平衡包壳内外压力，一般需要在包壳中充入压力为2～3MPa的氦气，因此密封焊点的焊接就需要在2～3MPa的高压氦气环境中进行。
目前，燃料包壳的焊接方法主要为电子束焊和TIG焊。电子束焊接一般需要在真空环境中进行，这与燃料包壳需在高压氦气中进行密封焊接的生产要求相冲突，同时，由于燃料棒的长度可达4米，一般电子束焊设备真空室的尺寸难以满足要求，加之电子束焊设备动辄上千万的价格，使电子束焊在燃料棒包壳焊接封装中的使用受到限制。TIG焊焊接热输入大，容易损伤燃料芯体或使包壳结构发生变形，同时，焊接效率低、高压氦气环境中会出现引弧困难和电弧不稳定等问题，也使TIG焊的应用受限。
激光焊作为一种高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接热输入小、焊缝宽度窄、焊接热影响区小、焊接过程洁净高效和无需真空环境等诸多优点，可以满足燃料棒焊接封装的各项要求。
此外，燃料棒作为核反应堆的能量来源，消耗量十分巨大。以AP1000型百万千瓦级压水堆为例，一座AP1000反应堆每年会消耗上万根核燃料棒。我国现有并网核电站30座，在建核电站24座，我国每年将新建核电站6至8座，因此，核电行业对燃料包壳的需求量非常可观。如此巨大的市场需求，对生产效率高、自动化水平高、集成度高、设备投资成本低、能源消耗和氦气消耗少的新型成套焊接设备的需求也日益凸显。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，该设备具有生产效率高、自动化水平高、集成度高、设备投资成本低、能源消耗及氦气消耗少的特点。
为达到上述目的，本发明所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备包括第一焊接室端部、塞阀头、塞阀座、第二焊接室端部、焊接室颈部、第一激光焊接头、第二激光焊接头及第三激光焊接头；
第一焊接室端部的端面设置有上下料口，塞阀头通过塞阀座固定于上下料口处，第一焊接室端部的侧面设置有第一激光入射窗口、第一进气道及真空泵接口，第一焊接室端部内安装有传送滚轮以及用于驱动传送滚轮的第一伺服电机；
第二焊接室端部的侧面设置有第二激光入射窗口、第二进气道、第三进气道及压力表接口，第二焊接室端部的端面设置有第三激光入射窗口，第二焊接室端部内安装有旋转液压卡盘以及用于驱动旋转液压卡盘的第二伺服电机，第一焊接室端部与第二焊接室端部之间通过焊接室颈部相连通，待焊接核燃料棒的一端卡接于旋转液压卡盘上，待焊接核燃料棒的另一端穿过焊接室颈部插入于第一焊接室端部内后位于传送滚轮上；
第一激光焊接头发出的激光束经第一激光入射窗口照射于待焊接核燃料棒上；第二激光焊接头发出的激光束经第二激光入射窗口照射于待焊接核燃料棒上；第三激光焊接头发出的激光束经第三激光入射窗口照射于待焊接核燃料棒上。
还包括第一支座及第二支座，其中，第一激光焊接头通过第一三维滑台垂直安装于第一支座的横梁上，第二激光焊接头通过第二三维滑台垂直安装于第二支座的横梁上，第三激光焊接头通过第三三维滑台水平安装于第二支座的立柱上。
第一激光焊接头、第二激光焊接头及第三激光焊接头上分别安装有第一CCD相机、第二CCD相机及第三CCD相机。
第一焊接室端部的侧面还设置有第一线缆接口及背压阀接口；
第二焊接室端部的侧面还设置有第二线缆接口。
第一伺服电机通过第一传动齿轮驱动传送滚轮转动；
第二伺服电机通过第二传动齿轮驱动旋转液压卡盘转动；
焊接室颈部的内壁与待焊接核燃料棒之间设置有若干支承滚轮。
第一激光入射窗口包括第一主镜片、第一盖板、第一法兰及第一保护镜片，其中，第一主镜片通过第一法兰固定于第一盖板的底部，第一保护镜片设置于第一法兰的底部，第一激光焊接头发出的激光束依次经第一主镜片及第一保护镜片照射于待焊接核燃料棒上。
第二激光入射窗口包括第二主镜片、第二盖板、第二法兰及第二保护镜片，其中，第二主镜片通过第二法兰固定于第二盖板的底部，第二保护镜片位于第二法兰的底部，第二激光焊接头发出的激光束依次经第二主镜片及第二保护镜片照射于待焊接核燃料棒上。
第三激光入射窗口包括第三主镜片、第三盖板、第三法兰及第三保护镜片，第三主镜片夹持于第三盖板与第三法兰的一侧之间，第三保护镜片位于第三法兰的另一侧，第三激光焊接头发出的激光束依次经第三主镜片及第三保护镜片照射于待焊接核燃料棒上。
第一法兰与第一盖板之间、第二法兰与第二盖板之间、以及第三法兰与第三盖板之间均通过螺栓及垫圈密封连接。
待焊接核燃料棒包括下端塞、上端塞、包壳管及核燃料棒本体，上端塞的端部及下端塞的端部分别插入于包壳管的两端，上端塞上沿轴向开设有充气孔，核燃料棒本体位于包壳管内，核燃料棒本体与上端塞之间设置有压紧弹簧，压紧弹簧与上端塞之间设置有挡光块，第一激光焊接头发出的激光束用于在下端塞的侧面与包壳管一端的端面之间形成第一环焊缝，第二激光焊接头发出的激光束用于在上端塞的侧面与包壳管另一端的端面之间形成第二环焊缝，第三激光焊接头发出的激光束用于在充气孔内形成密封焊点。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备在具体操作时，以激光束作为焊接热源，焊接热输入小，能量消耗低，可操控性能较好，同时激光器的采购及维护成本较低。另外，本发明在焊接过程中，在第一焊接室端部及第二焊接室端部内完成焊接，实现在同一设备内完成核燃料棒的一次性焊接；第一焊接室端部与第二焊接室端部之间通过焊接室颈部相连通，整体容积较小，焊接前抽真空时间短，所需充氦量小。另外，焊接后通过背压阀进行泄压，可以将背压阀与气体回收装置相连通，以实现氦气的回收再利用，氦气消耗较小。此外，通过第一伺服电机驱动传送滚轮实现待焊接核燃料棒的送入及送出，同时在焊接时，第二伺服电机驱动旋转液压卡盘，旋转液压卡盘驱动待焊接核燃料棒进行转动，实现核燃料棒的环焊，自动化程度、生产效率及集成度较高。
进一步，各激光焊接头均通过三维滑台进行调节，激光束的对中和调焦精度较高。
进一步，各激光焊接头上均装有CCD相机，可对激光束光斑及焊接熔池进行同轴观察，实现焊前的光斑精确对中和对焊接过程的在线质量监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中第一焊接室端部13的结构示意图；
图3为本发明中第二焊接室端部14的结构示意图；
图4为本发明中待焊接核燃料棒47的结构示意图。
其中，1为第一支座、2为第二支座、3为第一激光焊接头、4为第二激光焊接头、5为第三激光焊接头、6为第一三维滑台、7为第二三维滑台、8为第三三维滑台、9为第一CCD相机、10为第二CCD相机、11为第三CCD相机、12为焊接室颈部、13为第一焊接室端部、14为第二焊接室端部、15为上下料口、16为第一激光入射窗口、17为第二激光入射窗口、18为第三激光入射窗口、19为塞阀头、20为塞阀座、21为第一主镜片、22为第一盖板、23为第一法兰、24为第一保护镜片、25为第一进气道、26为真空泵接口、27为第一线缆接口、28为背压阀接口、29为第一伺服电机、30为第一传动齿轮、31为传送滚轮、32为第二主镜片、33为第二盖板、34为第二法兰、35为第二保护镜片、36为第三主镜片、37为第三盖板、38为第三法兰、39为第三保护镜片、40为第二进气道、41为第三进气道、42为第二线缆接口、43为压力表接口、44为第二伺服电机、45为第二传动齿轮、46为旋转液压卡盘、47为待焊接核燃料棒、48为支承滚轮、49为下端塞、50为上端塞、51为包壳管、52为压紧弹簧、53为挡光块、54为充气孔、55为第一环焊缝、56为第二环焊缝、57为密封焊点。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1、图2及图3，本发明所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备包括第一焊接室端部13、塞阀头19、塞阀座20、第二焊接室端部14、焊接室颈部12、第一激光焊接头3、第二激光焊接头4及第三激光焊接头5；第一焊接室端部13的端面设置有上下料口15，塞阀头19通过塞阀座20固定于上下料口15处，第一焊接室端部13的侧面设置有第一激光入射窗口16、第一进气道25及真空泵接口26，第一焊接室端部13内安装有传送滚轮31以及用于驱动传送滚轮31的第一伺服电机29；第二焊接室端部14的侧面设置有第二激光入射窗口17、第二进气道40、第三进气道41及压力表接口43，第二焊接室端部14的端面设置有第三激光入射窗口18，第二焊接室端部14内安装有旋转液压卡盘46以及用于驱动旋转液压卡盘46的第二伺服电机44，第一焊接室端部13与第二焊接室端部14之间通过焊接室颈部12相连通，待焊接核燃料棒47的一端卡接于旋转液压卡盘46上，待焊接核燃料棒47的另一端穿过焊接室颈部12插入于第一焊接室端部13内后位于传送滚轮31上；第一激光焊接头3发出的激光束经第一激光入射窗口16照射于待焊接核燃料棒47上；第二激光焊接头4发出的激光束经第二激光入射窗口17照射于待焊接核燃料棒47上；第三激光焊接头5发出的激光束经第三激光入射窗口18照射于待焊接核燃料棒47上。其中，第一激光焊接头3、第二激光焊接头4及第三激光焊接头5上分别安装有第一CCD相机9、第二CCD相机10及第三CCD相机11。
其中，焊接室颈部12的长度能满足将待焊接核燃料棒47装夹到位后待焊接位置正好与激光束光斑重合，焊接室颈部12的内径尽量小，以减少抽真空时间并节约氦气；第一进气道25、第二进气道40及第三进气道41在作为进气道的同时，还起到风刀的作用，通过侧吹高压气流，能有效防止焊接金属蒸汽和光致等离子体破坏保护镜片及主镜片；激光束通过第一激光入射窗口16、第二激光入射窗口17及第三激光入射窗口18时的透过率不低于90％。
另外，第一伺服电机29的转速能够进行定量无级调节，旋转方向既可以正向转动又可以反向转动，能通过第一传动齿轮30控制传送滚轮31将待焊接核燃料棒47送进或退出焊接室；第二伺服电机44的转速可以定量无级调节，能够通过第二传动齿轮45控制旋转液压卡盘46进行旋转，其中，所述旋转液压卡盘46的夹紧与松开通过液压进行控制，夹紧力设置为既能带动待焊接核燃料棒47旋转，又不至于破坏燃料包壳结构。
待焊接核燃料棒47经传送滚轮31、旋转液压卡盘46和若干支承滚轮48的装夹及支承，在以焊接所需转速旋转时，不发生轴向位移，且环焊位置的径向跳动不超过0.1mm。
本发明还包括第一支座1及第二支座2，其中，第一激光焊接头3通过第一三维滑台6垂直安装于第一支座1的横梁上，第二激光焊接头4通过第二三维滑台7垂直安装于第二支座2的横梁上，第三激光焊接头5通过第三三维滑台8水平安装于第二支座2的立柱上。第一三维滑台6、第二三维滑台7、第三三维滑台8可以分别控制第一激光焊接头3、第二激光焊接头4及第三激光焊接头5在x、y、z三个方向平移，控制精度高于0.1mm，各方向行程不小于100mm。
第一焊接室端部13的侧面还设置有第一线缆接口27及背压阀接口28；第二焊接室端部14的侧面还设置有第二线缆接口42；第一线缆接口27和第二线缆接口42用于将电缆及液压管等导入第一焊接室端部13及第二焊接室端部14，具有良好的密封性，可以承受高于5Pa的真空度和不低于4MPa的内部压力。
第一伺服电机29通过第一传动齿轮30驱动传送滚轮31转动；第二伺服电机44通过第二传动齿轮45驱动旋转液压卡盘46转动；焊接室颈部12的内壁与待焊接核燃料棒47之间设置有若干支承滚轮48。
第一激光入射窗口16包括第一主镜片21、第一盖板22、第一法兰23及第一保护镜片24，其中，第一主镜片21通过第一法兰23固定于第一盖板22的底部，第一保护镜片24设置于第一法兰23的底部，第一激光焊接头3发出的激光束依次经第一主镜片21及第一保护镜片24照射于待焊接核燃料棒47上；第二激光入射窗口17包括第二主镜片32、第二盖板33、第二法兰34及第二保护镜片35，其中，第二主镜片32通过第二法兰34固定于第二盖板33的底部，第二保护镜片35位于第二法兰34的底部，第二激光焊接头4发出的激光束依次经第二主镜片32及第二保护镜片35照射于待焊接核燃料棒47上；第三激光入射窗口18包括第三主镜片36、第三盖板37、第三法兰38及第三保护镜片39，第三主镜片36夹持于第三盖板37与第三法兰38的一侧之间，第三保护镜片39位于第三法兰38的另一侧，第三激光焊接头5发出的激光束依次经第三主镜片36及第三保护镜片39照射于待焊接核燃料棒47上。其中，第一法兰23与第一盖板22之间、第二法兰34与第二盖板33之间、以及第三法兰38与第三盖板37之间均通过螺栓及垫圈密封连接。
参考图4，待焊接核燃料棒47包括下端塞49、上端塞50、包壳管51及核燃料棒本体，上端塞50的端部及下端塞49的端部分别插入于包壳管51的两端，上端塞50上沿轴向开设有充气孔54，核燃料棒本体位于包壳管51内，核燃料棒本体与上端塞50之间设置有压紧弹簧52，压紧弹簧52与上端塞50之间设置有挡光块53，第一激光焊接头3发出的激光束用于在下端塞49的侧面与包壳管51一端的端面之间形成第一环焊缝55，第二激光焊接头4发出的激光束用于在上端塞50的侧面与包壳管51另一端的端面之间形成第二环焊缝56，第三激光焊接头5发出的激光束用于在充气孔54内形成密封焊点57。
焊接室的材料、壁厚及结构能承受高于5Pa的真空度及不低于4MPa的内部压力；塞阀头19和塞阀座20闭合后，可对焊接室进行密封并承受不低于4MPa的内部压力；真空泵接口26所接真空泵能够在不超过1min内使焊接室的真空度高于5Pa。
背压阀接口28所接背压阀能够实现对焊接室内部压力的定量控制，调节范围为0.1MPa～4MPa，其出气口与气体回收装置连通，可实现对高压氦气的回收再利用；压力表接口43所接压力表的量程为0.1MPa～4MPa。
本发明的具体使用过程为：
1)将塞阀头19与塞阀座20分离，上下料口15打开；
2)将装配好的待焊接核燃料棒47从上下料口15送进焊接室中，第一伺服电机29正向旋转，带动传送滚轮31将待焊接核燃料棒47送进到焊接工位并被旋转液压卡盘46夹紧；
3)将塞阀头19与塞阀座20闭合，上下料口15关闭；第一CCD相机9、第二CCD相机10、第三CCD相机11、第一三维滑台6、第二三维滑台7及第三三维滑台8使各激光焊接头发出的激光束正对焊接位置；
4)启动真空泵，使焊接室中的真空度高于5Pa；
5)关闭真空泵，向焊接室中持续通入高压氦气，同时通过背压阀排除多余气体，借助压力表将焊接室中的压力控制在所需压力，例如，3MPa；
6)启动第二伺服电机44，第二伺服电机44带动旋转液压卡盘46旋转；
7)开启第一激光焊接头3、第二激光焊接头4及第三激光焊接头5，通过第一激光焊接头3发出的激光束形成第一环焊缝55焊接，通过第二激光焊接头4发出的激光束形成第二环焊缝56焊接，通过第三激光焊接头5发出的激光束形成密封焊点57，然后关闭第一伺服电机29、第二伺服电机44、第一激光焊接头3、第二激光焊接头4及第三激光焊接头5；
8)停止向焊接室内进气，通过背压阀排除焊接室内的气体，使焊接室内的气压降至大气压水平；
9)将塞阀头19与塞阀座20分离，上下料口15打开，第一伺服电机29反向旋转，带动传送滚轮31将待焊接核燃料棒47退出焊接室，整个焊接过程结束。

Claims (8)

1.一种核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，包括第一焊接室端部(13)、塞阀头(19)、塞阀座(20)、第二焊接室端部(14)、焊接室颈部(12)、第一激光焊接头(3)、第二激光焊接头(4)及第三激光焊接头(5)；
第一焊接室端部(13)的端面设置有上下料口(15)，塞阀头(19)通过塞阀座(20)固定于上下料口(15)处，第一焊接室端部(13)的侧面设置有第一激光入射窗口(16)、第一进气道(25)及真空泵接口(26)，第一焊接室端部(13)内安装有传送滚轮(31)以及用于驱动传送滚轮(31)的第一伺服电机(29)；
第二焊接室端部(14)的侧面设置有第二激光入射窗口(17)、第二进气道(40)、第三进气道(41)及压力表接口(43)，第二焊接室端部(14)的端面设置有第三激光入射窗口(18)，第二焊接室端部(14)内安装有旋转液压卡盘(46)以及用于驱动旋转液压卡盘(46)的第二伺服电机(44)，第一焊接室端部(13)与第二焊接室端部(14)之间通过焊接室颈部(12)相连通，待焊接核燃料棒(47)的一端卡接于旋转液压卡盘(46)上，待焊接核燃料棒(47)的另一端穿过焊接室颈部(12)插入于第一焊接室端部(13)内后位于传送滚轮(31)上；
第一激光焊接头(3)发出的激光束经第一激光入射窗口(16)照射于待焊接核燃料棒(47)上；第二激光焊接头(4)发出的激光束经第二激光入射窗口(17)照射于待焊接核燃料棒(47)上；第三激光焊接头(5)发出的激光束经第三激光入射窗口(18)照射于待焊接核燃料棒(47)上；
第一激光入射窗口(16)包括第一主镜片(21)、第一盖板(22)、第一法兰(23)及第一保护镜片(24)，其中，第一主镜片(21)通过第一法兰(23)固定于第一盖板(22)的底部，第一保护镜片(24)设置于第一法兰(23)的底部，第一激光焊接头(3)发出的激光束依次经第一主镜片(21)及第一保护镜片(24)照射于待焊接核燃料棒(47)上；
第二激光入射窗口(17)包括第二主镜片(32)、第二盖板(33)、第二法兰(34)及第二保护镜片(35)，其中，第二主镜片(32)通过第二法兰(34)固定于第二盖板(33)的底部，第二保护镜片(35)位于第二法兰(34)的底部，第二激光焊接头(4)发出的激光束依次经第二主镜片(32)及第二保护镜片(35)照射于待焊接核燃料棒(47)上。
2.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，还包括第一支座(1)及第二支座(2)，其中，第一激光焊接头(3)通过第一三维滑台(6)垂直安装于第一支座(1)的横梁上，第二激光焊接头(4)通过第二三维滑台(7)垂直安装于第二支座(2)的横梁上，第三激光焊接头(5)通过第三三维滑台(8)水平安装于第二支座(2)的立柱上。
3.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，第一激光焊接头(3)、第二激光焊接头(4)及第三激光焊接头(5)上分别安装有第一CCD相机(9)、第二CCD相机(10)及第三CCD相机(11)。
4.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，
第一焊接室端部(13)的侧面还设置有第一线缆接口(27)及背压阀接口(28)；
第二焊接室端部(14)的侧面还设置有第二线缆接口(42)。
5.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，
第一伺服电机(29)通过第一传动齿轮(30)驱动传送滚轮(31)转动；
第二伺服电机(44)通过第二传动齿轮(45)驱动旋转液压卡盘(46)转动；
焊接室颈部(12)的内壁与待焊接核燃料棒(47)之间设置有若干支承滚轮(48)。
6.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，第三激光入射窗口(18)包括第三主镜片(36)、第三盖板(37)、第三法兰(38)及第三保护镜片(39)，第三主镜片(36)夹持于第三盖板(37)与第三法兰(38)的一侧之间，第三保护镜片(39)位于第三法兰(38)的另一侧，第三激光焊接头(5)发出的激光束依次经第三主镜片(36)及第三保护镜片(39)照射于待焊接核燃料棒(47)上。
7.根据权利要求6所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，第一法兰(23)与第一盖板(22)之间、第二法兰(34)与第二盖板(33)之间、以及第三法兰(38)与第三盖板(37)之间均通过螺栓及垫圈密封连接。
8.根据权利要求1所述的核燃料棒包壳高压充氦与激光焊接成套焊接设备，其特征在于，待焊接核燃料棒(47)包括下端塞(49)、上端塞(50)、包壳管(51)及核燃料棒本体，上端塞(50)的端部及下端塞(49)的端部分别插入于包壳管(51)的两端，上端塞(50)上沿轴向开设有充气孔(54)，核燃料棒本体位于包壳管(51)内，核燃料棒本体与上端塞(50)之间设置有压紧弹簧(52)，压紧弹簧(52)与上端塞(50)之间设置有挡光块(53)，第一激光焊接头(3)发出的激光束用于在下端塞(49)的侧面与包壳管(51)一端的端面之间形成第一环焊缝(55)，第二激光焊接头(4)发出的激光束用于在上端塞(50)的侧面与包壳管(51)另一端的端面之间形成第二环焊缝(56)，第三激光焊接头(5)发出的激光束用于在充气孔(54)内形成密封焊点(57)。
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