CN1128423A - 用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状接地容器及其相应的激光焊接装置 - Google Patents

Abstract

一在气体绝缘电器装置中使用的用于接地容器的长尺寸管状接地容器单元包括管筒10b和10c，每一部分都有一相应的长度，该长度对应于相应的运输限制，这些部分之间通过连接部分9b连接，连接是通过激光焊接而成的，从而形成一整体管状物件，管状构件上有一对法兰，相应的法兰端有一颈部，该颈部也通过激光焊接与管筒的对接部分相连接。

Description

用于气体绝缘电器装置的长尺寸 管状接地容器及其相应的激光焊接装置

本发明涉及一长尺寸管的、通常是接地的容器单元，该容器单元用于一气体绝缘电器装置，比如一气体绝缘母线和一气绝缘开关装置，另外，本发明也涉及用来制造该容器单元的激光焊接装置。

正如人们所知的像气体绝缘母线和气体绝缘开关装置这样的气体绝缘电器在装置通常包括一接地容器，该容器充满绝缘气体(比如SF₆(六氟化硫)气体)，同时也包括一导体，该导体上加有一预加电压，并且在电绝缘的条件下置于所说的接地容器中。

用于气体绝缘电器装置的传统的接地容器的例子公开在JP—A—59—189092(1984)中，其中，接地容器由一组管筒单元组成，每一管筒在其轴向两端均有一法兰，管筒单元之间通过对应的法兰分别用螺栓和螺母连接以形成一连体接地容器。后来，JP—A—59—189092(1984)进而又公开了通过激光焊接来连接各管筒单元的管筒部分和法兰部分，由此管筒单元便有了良好的尺寸准确度，同时在短时间内通过简单的对焊在很小的热变形条件下后可加工而成。

另一传统的接地容器是通过用电弧焊连接一组其端部没有法兰的管筒单元而形成的。

管筒单元各自的轴向尺寸定得稍短一些，因为受运输的限制，因此，通常需要许多的管筒单元才能形成一完整的符合所需要的轴向尺寸的接地容器。

此外，前面提到的接地容器，由于各管筒单元的两端带有法兰，同时这些法兰之间为了在连接时保持气密性不得不在法兰端提供用来安装O形密封圈的环槽，因此该种容器的制造成本较高。

后来提出的接地容器在制造成本上低于前者，但是，当一意外事故发生时，比如接地发生在所说的接地容器中，该接地容器作为气体绝缘电器装置的一部分，为了调换零部件，必须切断或拆卸事故发生区域的接地容器部分，因而，当使用后面提出的焊接式接地容器时，为了应付和解决事故就得花很长的时间。

JP—A—59—189092(1984)公开了激光焊接和相应的焊接装置，它是通过在相应的焊接装置上旋转管筒单元部分和法兰部分来实现焊接的。因此，该激光焊接装置不能用于一固定容器或不能被旋转的容器，比如，当一个加长尺寸的管状容器要通过激光焊接连接到一预先安装好的容器上时。

JP—A—3—128183(1991)公开了一激光焊接装置，其中，一个插入到一外圆柱形管中的内圆柱管通过激光焊接到所说的外圆柱管中，焊接时，激光束作为热源并沿相应的内圆周移动。

JP—A＝59—191584(1984)公开了一种管状本体的焊接装置，该装置通过使用激光束来实现焊接，其中，激光束通过调节是沿管状本体的外圆周方向移动的。

JP—A—3—128183(1991)公开的激光焊接装置使用一光纤来传输激光束，它适合于焊接直径较小、厚度较薄的管状本体，因此，如果将其用于长尺寸、大直径的管状容器时，要重新设计支撑构件的刚度，该支持构件用来支撑焊接头，焊接头包括一聚光镜和一反射镜，同时，在焊接工作前后，为了安装焊接工作头就需花费大量的人力工作时数和空间。

当使用JP—A—59—191584(1984)公开的激光束管状本体焊接装置时，其中，激光束从容器的外圆周发射到容器，并且在所有高度位置上实施，但必需控制激光束的聚焦位置，因为激光振荡器和工作头之间的距离在焊接工作期间是变化的，这就使得这种装置的机械结构很复杂。

再例如，在JP—A—3—9834(1991)中公开的一种激光焊接装置，它使用了一种光纤，这人们已经知道。但是，这种传统的装置不能马上就用来焊接那种需要在短时间内使用大输出激光能量的容器，因为这种装置在设计时没有考虑在光纤中能量的损失，实际上当激光束在通过一个弯曲的光纤时是要产生能量损失的。

用于气体绝缘电器装置的接地管状容器，其经激光焊接的连接部分必须承受一定的预压力，因此，该焊接部分必须进行压力测试和气密性测试，但是，没有提供特定的测试装置用于传统的长尺寸的管状容器。

本发明的目的之一就是提供一用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元，并且，该容器单元生产成本低，制造周期短，还容易在意外事故发生时(比如当接地发生在一接地管状容器中时，而该管状容器又是由一组长尺寸管状容器单元组合而成时)可以很方便地拆卸。

本发明的另一目的是提供一用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元，该单元使气密性测试的实现更加方便。

本发明的又一目的是提供一激光焊接装置，该装置在结构上适合于用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元。

根据本发明第一个目的的用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元包括两个第一管筒，每一管筒在其一端都有一法兰部分，其中，没有法兰的另一端通过至少一个焊接部分与另一管筒通过激光焊接相连，从而形成一长尺寸管状容器单元。更确切地说，根据本发明第一个目的的用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元包括两个第一管筒，每一管筒在其一端有一法兰，至少一个第二管筒在其两端没有法兰，其中，所说的第二管筒被插入到两个第一管筒之间，所说的第二管筒的相应端被连接到两个第一管筒的没有法兰的对应端，并且是通过激光焊接从而形成所说的长尺寸管状容器单元。

根据本发明第二目的的用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元包括两个第一管筒，每一管筒在其一端有一法兰部分，两个第一管筒的另一端通过焊接直接相连，或者通过一个两端没有法兰的至少一个第二管筒通过焊接与两个第一管筒相连，一气密腔相邻于激光焊接部分，一环状密封构件位于相邻的管筒中的至少一个管筒的内部，另外，一个用于气密性测试的通孔，位于相邻的管筒中的其中一个的激光焊接部分，该通孔用来导通所说的气密腔和外部大气。

根据本发明第三目的的适合于用来焊接用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元的激光焊接装置包括一激光振荡发生器，激光输出光学系统，它位于一离开通过激光焊接而连接起来的相邻的管筒的远程端，从激光振荡发生器产生的激光束与要被焊接的管筒的纵向平行，并且激光束围绕要被焊接的管筒的圆周方向，一个焊接头位于相邻管筒连接部分附近，该焊接头包括一个工作头，它用来对激光束进行聚焦并进行激光焊接，另外还包括相应的装置，该装置用来使工作头沿相应的管筒的圆周方向旋转，并且还有使从激光输出光学系统输出的激光束进入工作头的装置，在结构上这三部分相互独立。

在根据本发明的激光焊接装置中，由于考虑了工作头和连接部分之间的相应位置并对工作头进行相应的轨迹控制，因此，焊接的质量是比较稳定的。

另外，工作头最好带有一激光反射探测元件，该元件用来监测连接部分相应的间隙和位置是否正确，从监控元件来的输出信号被反馈到用来控制相应的焊接速度和激光束的能量输出大小，从而便可在连接部分形成均匀的焊缝。

在根据本发明的激光焊接装置中，当焊接头接收中心的激光束与来自激光输出光学系统的输出激光束轴线的中心相重合时，激光束焊接是最优的。据此，当焊接头和激光输出光学系统中的光学镜片被实时同步驱动时，以便相对于管筒的纵向在激光束焊接期间使两中心在一垂直截面上重合，根据本发明的激光焊接装置也适合于焊接具有矩形截面的管筒，此时，只要适当地选择激光束沿径向的通道长度就可以了。

然而，当相对于焊接线的轨迹追踪范围被确定的较宽时，即使连接部分相对于相应的管筒的纵向垂直截面稍有位移，焊接该连接部分也是可能的。

根据本发明第三目的的适合于焊接用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状容器单元的激光焊接装置包括一激光振荡发生器，一工作头，一个或几个柔性光学波导装置，它们位于激光振荡器和工作头之间，用来提供大功率输出的激光束，还包括相应的使工作头沿所要焊接的相应管筒的连接部分的圆周方向环绕的装置，另外，也包括追踪装置，它主要是使工作头相对连接部分处于最佳相对位置，还包括用来修正要被焊接的相应管筒的连接部分间隙和是否位于正确位置并对相应的位置进行固定的装置。

激光焊接装置还包括一螺旋轨道，它有一相对比较大的直径，所说的柔性光学波导装置(该装置形式上是光纤)通过该螺旋轨道在要被焊接的管筒上移动，因此，实现了所有高度的焊接，同时一对应大于输出功率的连续的激光焊接由于减少了在光纤形式的柔性光学波导装置中的能量损失从而被较好的进行。

由于根据本发明的长尺寸管状容器单元与结构上是通过连接一组管状子容器单元而形成的，其中，由于取消了传统的法兰式连接，代之于焊接，所以该长尺寸管状接地容器单元的结构成本得以降低。进而，由于长尺寸管状接地容器单元带有一对法兰(位于该容器的两端)，它们用来与其它的长尺寸管状接地容器单元相连，从而形成用于气体绝缘电器装置的管状接地容器。当一个意外事故发生(比如接地发生在管状接地容器中并且其作为气体绝缘电器装置一部分进行操作时)时，该管状接地容器在其用法兰连接的部分可以拆卸，这样，在事故发生后较短的时间里，事故发生点部分的零件便可迅速地更换。

由于根据本发明的长尺寸管状容器单元带有一气密腔，该气密腔位于相应的管筒的对应焊接部分，对于长尺寸管状容器单元的气密性测试后可很容易地完成，同时，测试的安全性也由于测试是在有限的空间内完成所以也被大大地改善。

另外，由于激光输出光学系统产生的激光束在方向上平行于要被焊接的管筒的纵向，随后又环绕要被焊接的管筒的圆周方向，焊接头包括工作头，该工作头用来将激光束聚焦到所说的连接部分并对连接部分进行焊接，还包括使工作头沿所要焊接的管筒的圆周方向移动的装置，还包括控制来自激光输出光学系统、进入所说的工作头的激光束的入射角的装置，上述的激光输出光学系统对应于激光束的输出单元，而工作头则对应于激光束的接收单元，它们在机械结构上是彼此独立的，该两单元可被控制而不受要被焊接的管筒长度以及形成激光束传输通道的光学系统的惯量和刚度的影响，因为激光束从激光输出光学系统到焊接头之间的传输是通过空气的。

由于代表激光束输出中心的信号从激光输出光学系统中被输出，相应的信号在焊接头端被接收，激光输出光学系统中的光学镜和焊接头中的光学镜又被实时同步驱动，以使得从激光输出光学系统中输出的激光束的中心和焊接头的激光束接收中心在同一垂直截面内重合，该垂直截面是相对于所要焊接的管筒的纵向而言的，因此，在激光焊接装置起点的激光束的对中操作便被简化。

在另一个根据本发明的激光焊接装置实施例中，一个或多个柔性光学波导装置(其形式上是光纤)被用来将激光振荡发生器产生的激光束传输到所说的工作头，其中，光纤沿要被焊接的管筒绕一次或多次，这对应于工作头在管筒整个圆周上的旋转，在这个例子中，光纤可以做成一次连续的或者有一光学耦合装置，比如在中途有透镜组。

使用根据本发明的焊接装置，使得管筒单元间连接部分在所有高度上的焊接可以一次连续完成。进一步，使用校正要被焊接的管筒连接部分间隙和位置的间隙校正和对位装置，管筒对接部分的间隙和管筒厚度方向的对位将会被设置到激光焊接允许的范围以内，此外，使用轨迹跟踪装置，该装置相对位于连接部分，在工作头上，处于焊接线和激光束聚焦点之间的关系和处于激光束聚焦点和管筒厚度间的关系均可以事先控制，从而保证激光焊接的质量是稳定的。

由于柔性光学波导装置(它在形式上是光纤并且通过该光纤连接激光振荡发生器和绕要被焊接的管筒的圆周方向旋转的工作头)环绕在管筒上，其方式是在所有的高度上进行焊接过程中，随着焊接的进行，沿一具有预定直径的螺旋轨道环绕。因此，光纤中激光束的能量损失被减少，使连续地完成焊接操作成为可能。

图1是根据本发明的长尺寸管状容器单元的一个实施例的轴侧图；

图2是图1所示的用于管筒连接部分的气密腔的一个实施例的截面图；

图3是在气密测试完成之后，图2所示气密腔的一个实施例的截面图；

图4是在图3的气密结构基础上进行改进的另一个气密结构的截面图；

图5是用于图1所示的管筒的连接部分气密腔的另一实施例的剖面图；

图6(a)是用于图1所示的管筒的一连接部分的对接结构实施例的剖面图；

图6(b)是激光束焊接完成之后图6(a)所示的对接部分的剖面图；

图7(a)是用于图1所示的管筒的一连接部分的对接结构的另一实施例的剖面图；

图7(b)激光束焊接完成之后图7(a)所示的对接部分的剖面图；

图8(a)是用于图1所示的管筒的一连接部分的对接结构的又一实施例的剖面图；

图8(b)是在激光束焊接完成之后图8(a)所示的对接部分的剖面图；

图9(a)是用于图1所示的管筒的一连接部分的对接结构的又一实施例的剖面图；

图9(b)是在激光束焊接完成之后图9(a)所示的对接部分的剖面图；

图10(a)是根据本发明的适合于连接管筒的激光焊接装置的一个实施例的原理图；

图11是用于图10所示的激光焊接装置的焊接头的一个实施例的剖面图；

图12是对应于图11所示的焊接头的螺旋光纤导向轨道的视图；

图13是一个工作头的剖面图；其中，有一对激光束进行聚焦的一光学系统，对相应的材料进行处理，它对应于图11所示的焊接头；

图14(a)是用于图10所示的激光焊接装置的一光纤馈给卷轴的一侧视图；

图14(b)是图14(a)所示的光纤馈给卷轴的一剖面图；

图15是根据本发明的适合于连接管筒的激光焊接装置的另一实施例的原理结构图；

图16是用于图15所示的激光焊接装置的一悬臂馈给装置的剖面图；

图17是用图16所示的悬臂馈给装置的悬臂的剖面图；

图18是根据本发明的适合于连接管筒的激光焊接装置的又一实施例的原理结构图；

图19是根据本发明的适合于连接管筒的激光焊接装置的又一实施例的原理结构图；

图20是用于图18和图19的两种激光焊接装置的一焊接头的一剖面轴侧图；

图21(a)是图18和图19所示的激光焊接装置的一侧视图，它表示了正在进行操作的管筒和相应支撑装置的一操作状态；

图21(b)是图21(a)所示的激光焊接装置的一前视图；

图22(a)是图18和图19所示的激光焊接装置的一侧视图，它表示了正在进行操作的管筒和相应支撑装置的一操作状态；

图22(b)是图22(a)所示的激光焊接装置的一前视图；

图23是与图20所示的焊接头相对应的一工作头的剖面图。

下面，本发明将参照相应的实施例进行详细的说明。

图1表示了一个用于气体绝缘电器装置的长尺寸管状接地容器单元的一个实施例。一组长尺寸管状接地容器单元被连接起来，从而形成一个接地容器，其中，一种绝缘气体(比如SF₆六氟化硫气体)充填在容器中，同时，一个事先加有预电势的导体也置于其中，因而，电绝缘便分布于整个绝缘支撑构件。

在该实施例中，一管筒10a，其左端有一法兰12a，其颈部通过激光焊接于对接部分11a，两管筒10b和10c，它们的两端没有法兰，另一管筒10d，在其右端有一法兰12b，其颈部也通过激光焊接于对接部分11b，所有这些管筒都有一共同的纵向轴线，彼此间于9a、9b、9c部分通过激光焊接机连结，从而形成一个长的管状接地容器单元。

图2是表示连接部分气密结构的剖面图，该气密结构位于相应的管筒之间，这些管筒用来形成一长接地容器单元。在图中标明，气密腔是18，它通过在接头9b内预置一套筒环14使其位于管筒10b和10c之间而形成，环14上有两密封构件15a和15b，该两密封构件安装在环14沿圆周方向形成的环槽中。有一孔16穿过管筒10c的壁面，邻近连接部分9b，该孔用来做气密性测试，孔16通过图3所示的焊接19在进行完气密性测试后来密封，从而将气密腔18封闭。

除了通过焊接19来密封孔16，孔16在进行气密性测试后，比如，孔16可以做成如图4标号23所示螺纹式的，孔16在完成气密性测试以后可以用螺栓20来密封。螺栓20可以带有一槽21，一密封构件22装在槽中，通过该两个密封构件，气密腔后会有良好的气密效果。

图5表示了另一气密结构，它也位于长尺寸管状接地容器单元相应管筒之间的连接部分处。

在图5中，管筒30的一端部直径事先通过相应的模压装置扩大，而一个有较小直径端的管筒插入所说的管筒30。一密封环构件32位于管筒30的内壁和管筒31的外壁之间的环形腔中，环34也位于管筒30端部附近的内部环形腔中，因此，将环34用激光焊接到管筒30及31后形成了一相应的气密腔36。一个通到气密腔36的用于气密测试的孔33形成于管筒30的壁上并穿透该壁面。在气密性测试完成之后，用于气密测试的孔33通过焊接来进行密封。但是，用于气密测试的孔33也可以按照上边如图4所示的密封方式来进行密封。

图6(a)，图7(a)，图8(a)和图9(a)分别表示相应管筒的对接部分的结构，对接后应用激光焊接。

图6(a)、图7(a)、图8(a)和图9(a)分别表示在焊接之后对接结构的状况，其中，相邻的管筒被移出彼此相对，使得接缝41、44、46和48的缝隙小于经聚焦以后激光束的直径。对于如图7(a)所示的对接结构，环43与管筒10a的内壁相连。

图6(b)，图7(b)，图8(b)和图9(b)分别表示在激光焊接已完成之后相应的对接部分的状况。一经聚焦后的激光束50被控制聚焦在对接部分，该对接部分位于管筒10a和10b之间，在激光束出现在管筒10a和10b的内壁面之后，激光束焊接即刻便进行，从而将管筒10a和10b焊接到一起。

在上述实施例中，由于一长尺寸管状接地容器单元是通过连接相应的管筒而形成的，并且这种连接是通过激光焊接而完成的，所以产生的变形小，而在传统的电弧焊以后，还需进行成形工作，并使用多种机器。另外，激光焊接以高速完成，这就使得，用于气体绝缘电器装置的接地容器的制造周期被大大地缩短，同时，由于有气密腔位于管筒的经焊接的连接部分附近，长尺寸管状容器单元的气密性测试也可很容易并且很安全地完成。

由于采用了上述的管筒单元经对接再焊接的相应的对接结构，在焊接过程中，不会有金属熔液滴入管筒，因此，传统的焊接的清理工作也不需要了。并且，由于采用激光焊接，可形成一个有非常小的内部变形(比如气孔和砂眼等)的高质量连接部分。

现在，根据本发明的适合于制造长尺寸管状接地容器单元的激光焊接装置的各种实施例将在下面进一步说明。

图10是一原理图，它表示根据本发明的一个实施例的一激光焊接装置的基本构造，其中，一焊接头102被固定连接到管筒1—A和10B的连接部分A，一光纤16A从孔6—W中拉出来，孔6—W位于构件6A的外圆周上，构件6A用来安装焊接头102，在激光振荡发生器104和光纤馈给卷轴103之间的激光束通道也通过一光纤16A来耦合，一控制单元101用来控制上述各个元件。

如图11所示，金属夹具2—1和2—2被均匀地排列在管筒1—A和1—B的圆周上。在金属夹具2—1和2—2上，有一环形基板3—1和3—2，金属夹具2—1和2—2被分别固定到管筒1—A和1—B上，连接方式是用螺栓4—1和4—2，它们被旋入环形基板3—1和3—2上相应的螺纹孔中。环形基板3—1上带有一轨道3—3，它沿筒筒1—A的纵向延伸，外圆周构件6A通过一可以滑动的构件3—4被连接到轨道3—3上，外圆周构件6A和环形基板3—1的位置可以在管筒1—A的纵向通过可以移动的螺栓5—1和阳螺栓5—2进行调节。

另一方面，一环形基板3—2被固定在外圆周构件6A上，3—2位于管筒1—B的外壁上，使得管筒1—A和1—B连接部分A的间隙距离可以通过旋转可移动的螺栓5—1进行调整。进一步，在外圆周构件6A的内表面上，固定一轨道基座7A，一个可以滑动的构件9A可移动地安装在固紧在轨道基座7A上的环形轨道8A上。一工作头基座10A被固定在一可移动的构件9A上，一垂直的轨道10—1连接到工作头基座10A上，一可移动构件10—2组装在轨道10—1上，该构件可沿垂直的轨道10—1移动。一金属板块11A固定到可移动的构件10—2上，在金属板块11A上，一纵向轨道12—1和一可移动构件12—2被装配连接在一起。进一步，一台板13A被连接到可移动的构件12—2上，在台板13A上，一聚焦光学系统14A被连接在上面，14A是为了焊接工作使用而设置的。一柔性光学波导装置(以后将称为光纤)16A)通过一金属夹具17A固定在台板11A上，该波导装置16A用于传输激光到聚焦光学系统14A。光纤16A通过一金属块总成18A保持，该金属块总成18A可以沿螺旋轨道19A滑动，该螺旋轨道19A是周向延伸的，并且被固定到外圆周构件6A上。

如图12所示，光纤16A设计成沿外圆周端16—E向外延伸，16—E是圆周螺旋轨道19A上的，轨道19A通过孔6—W离开金属块总成18A，孔6—W位于外圆周构件6A上。所说的金属块总成18—A包括一组金属块18—1，18—1包括一可滑动构件，它可以沿圆周向螺旋轨道19A滑动，还包括一保持构件，它松散地保持住光纤16A并且允许其沿相应的滑动方向滑动。金属块组分布于圆周向螺旋轨道19A的外圆周端16—E，直到金属夹具17A，17A位于台板11A上，这些金属块组通过肠形管18—2连接。

对照上述结构，光纤16A在外圆周构件6A中沿圆周向螺旋轨道19A并通过金属块总成18A，根据激光焊接的进行随金属夹具17A转动而环绕，由此，避免了光纤的极度弯曲，进一步由于通过旋转产生的反作用于金属块总成18A上的各种力被传递到肠形管18—2，这样就防止了外力作用于光纤16A上。

如图11所示，一马达31A和一齿轮31—1用来驱动工作头基座10A，它们被安装在外圆周构件6A上，齿轮31—1与齿条31—2啮合，齿条31—2被固定在工作头基座10A上，从而控制了基座的转动。类似地，由于一马达32A和一阳螺栓32—1位于工作头基座10A上，一阴螺母32—2位于金属板块11A上，金属板块11A可在垂直方向上被驱动而移动，同时，有一马达33A和一齿轮33—1位于金属板块11A上，一齿条33—2位于台板13A上，台板13A可沿管筒1—A和1—B的纵向被驱动而移动，由此，聚焦光学系统14A被驱动使得其沿连接部分相应的对接轨迹移动。

各部马达31A、32A和33A都是通过控制单元101控制的，在台板13A上有一个用来检测偏差的检测器15A，它用来检测管筒1—A在厚度方向的偏差，一个工业用摄像头20A(见图13)用来监测连接部分A，它被安装在相应位置，一自它的检测信号被传送到控制单元101，用于控制马达31A、32A和33A。

根据本发明的实施例，聚焦光学系统14A可以沿管筒1—A和1—B的连接部分进行跟踪，从而实现激光焊接。

图13表示了一个聚焦光学系统14A的例子，在激光焊接装置中使用的是二氧化碳激光，该系统使用了一组光纤16A，以便获得必要的激光束能量传输容量，也使用了一抛物柱面镜40A。

发自光纤16A的激光束被成形后形成平行光束进入一透镜41A，并且通过一反射镜40—1的反射到抛物面镜40A。通过螺栓42—1和弹簧42—2，光纤安置构件42A被保持在相应位置，构件42A被用来固定光纤，构件42A位于透镜保持圆柱43A内，光纤16A的光轴的倾斜、设置在透镜保持圆柱43A顶部的透镜41A可以分别进行调节，借助于螺栓41—1和一个弹簧41—2，它们将透镜保持圆柱43A和一个基座14—1连接在一起，基座14—1属于聚焦光学系统14A，平行激光束的光轴可以相对抛物面镜40A的光轴进行微调。由此，一组激光束通过抛物面镜40A便被聚焦在一个焦点上。

图14(a)和图14(b)是一个用于光纤16A的光纤馈给卷轴103的实施例，其中，从激光振荡发生器发出的激光形成平行光束，通过透镜50A平行光束进入光纤16A，此前还要通过一光接收透镜51。为了保持透镜50A和光接收透镜51A在光纤馈给卷轴103的光学系统中旋转，一保持构件50—1用来保持透镜50A，另一构件51—1用来保持光接收透镜51A，这两个构件通过一轴承52A连接。保持构件50—1被固定到基座构件53A上，保持构件51—1则被固定到一旋转鼓54A上，并且可以旋转。光纤16A缠绕在旋转鼓54A的圆周上，光纤16A的一端被抽出来通向焊接头102。

通过马达55A和齿轮55—1，旋转鼓54A被驱动旋转，55A和55—1位于基座53A和一固定在旋转鼓54A上的齿条上。由于焊接头102中的马达55A和马达31A被同步驱动，所以，没有外力加到光纤16A上。

图15是根据本发明的激光焊接装置另一实施例的原理结构图。

在图15中，光纤16A通过悬臂供给装置201从悬臂200供给到固定在管筒1—A和1—B上的焊接头，随着聚焦光学系统1 4A在焊接头内的旋转，光纤环绕管筒1—A和1—B连接部分A的弯曲半径可以粗略地表示为： $\sqrt{{\left(\mathrm{LL}\right)}^2+{\left(\mathrm{\πD}\right)}^2}/2\mathrm{\π}$

其中，LL是焊接头102和悬臂供给装置201之间的最大纵向距离，D是螺旋形悬臂20在相对于管筒纵向的垂直平面内的投影直径。激光振荡发生器104被连接到悬臂200的一端，并被设计成可以根据悬臂200的通过供给装置201的馈送相应地运动。

根据本发明的实施例，悬臂供给装置201在管筒1—A上移动并馈送出悬臂200，所以，没有任何外力施加到保持在悬臂200上的光纤16A上。

图16表示一悬臂200和相应的悬臂供给装置201的一个实施例的剖面图。

支撑光纤16A的悬臂200通过一组悬臂构件202—1来构成，这些悬臂构件202—1通过销钉203连接在一起，以便允许相对于光纤16A纵向的垂直横截面可以倾斜一小角度θ1。悬臂构件202—1的对应端202—A和202—B其结构均表示在图17中，其中，202—B端可以插入到202A端，孔E和孔F形成在相应端上，这两个相应端是相邻的两个悬臂构件202—1的，销钉203分别插入孔E和孔F。形成在202—A端的孔E结构上是椭圆形的，因此，通过将一金属块204—1插入到相应的空隙中，随后再插入销钉203，一悬臂构件202—1可以相对于另一悬臂构件沿它们的纵向轴线扭转一小角度θ2。

由悬臂构件202—1形成的悬臂200通过悬臂供给装置中的旋转滚轮205供给出来。在旋转的滚轮附近，有一插入机构(图中未表示出)，它用于金属块204—1，另一插入机构207用于金属块204—2，它们被插入到端面202—A和202—B之间的间隔中，由此，悬臂构件202—1相对于相邻的悬臂构件202—1可以倾斜一小角度θ1，也可以扭转一小角度θ2。结果，通过一连续的内通道，该通道形成于悬臂上，光纤16A后被连接到聚焦光学系统14A上。

现在，根据本发明的激光焊接装置的另一实施例可参照图18至图23来加以说明。

图18是根据本发明的激光焊接装置的一个实施例的基本原理结构图。

在图18中，管筒1—A和管筒1—B有一连接部分A，该管筒1—A和1—B通过一支撑装置102B支持。一焊接头103B围绕着管筒1—A和1—B的连接部分A，有一激光束供给到该焊接头，激光束来自激光束环绕光学系统，通过该环绕光学系统，来自激光振荡发生器的激光束被折射或被反射。一个控制单元10B实时控制这些元件，特别是，计算相对一参考信号的一接收光信号的偏差，该参考信号代表了一激光束理想的中心位置，并发出控制信号到马达，该控制信号完全基于偏差的大小，马达驱动一位于焊接头103B中的聚焦光学系统。

图19是图18的一个变换实施例，其中，焊接头103B和激光束环绕光学系统104B在位置上平行于管筒1—A，但是，激光振荡发生器则以另一方式设置，即输出的激光束进入激光束环绕光学系统104B的光轴的角度可以是任意的，由此，用来制造长尺寸管状接地容器单元的空间可以缩小。

图20表示图18和图19所示的焊接头103b的详细情况。

在管筒1—A和1—B连接部分A的附近，金属块2B被均匀地分布于管筒1—A的圆周方向上。在一个位于金属块2B上的环形构件上，一轨道3B纵向延伸并且平行于管筒1—A的纵向，一个可移动构件4b—1可移动地连接到轨道3B上。一挡板4B被连接到可移动的构件4b—1上，一个外圆周构件5B通过档板4B支撑，使得其包容管筒1—A和1—B的连接部分A。

一轨道6B沿圆周方向延伸，并被连接到外圆周构件5B的内壁面上，一个可移动构件7B沿圆周向轨道6B移动。可移动构件7B带有一轴8B，它被连接到一可旋转构件10B止，中间通过一轴承9B。由此，旋转构件10B可以在圆周轨道6B上沿外圆周构件5B旋转并根据可移动构件7B的卷动来转动，这种情况下，其轨迹便是一正确的圆。

通过一齿轮12b—1，该齿轮用于一旋转构件驱动马达11B，该马达被连接到外圆周构件5B上，从而旋转运动便被传输到一齿条12b—2，旋转构件10B被驱动沿圆周方向转动。一导向轨道14B，它沿着管筒的厚度方向延伸，14B被连接到旋转构件10B的内壁上，一个可滑动构件14b—1在导向轨道14B上滑动。光学聚焦系统的一个构件16b—1被固定到可移动构件14b—1上，一个内螺纹15b—1形成于用于光学聚焦系统的构件16b—1上。通过用于光学聚焦系统(它被连接到旋转构件10B上)的驱动马达15B的旋转，一个外螺纹15b—2被旋进内螺纹15b—1，由此，管筒1—A和1—B之间的连接部分A和用于光学聚焦系统的构件16b—1之间的距离便可以被置成任意大小。

一光学聚焦系统台板19B设在构件16b—1上，并且它被可移动地支撑在管筒1—A的纵向，中间通过轨道16b—2和一个齿条16b—3，光学聚焦台板19B的微小运动可以通过驱动马达16b—4，齿条16b—5和齿轮16b—6来完成。

用于工作头18B的一垂直导向轨道17B被固定在光学聚焦台板19B上，一个可移动构件17b—1被可滑动地安装在导向轨道17B上。固定在可移动构件17b—1上的工作头18B被支持，从而使得它可以在管筒厚度方向上通过一用于工作头18B的驱动马达20B，一内螺纹20b—1和一外螺纹20b—2进行微调。

在本实施例中，激光束进入反射镜13B，反射镜被固定在光学聚焦台板19B上，中间通过一形成于旋转构件10B上的入射窗W。在反射镜13B上，激光束被反射到一个方向，该方向垂直于管筒1—A和1—B的纵向中心轴线，然后进入工作头18B，然后反射光被聚焦到连接部分A，聚焦是通过抛物面镜21B(见图23)来实现的。一个光接收单元22B，它位于入射窗的圆周方向，22B接收一个代表输出激光束中心位置的信号(该激光束来自激光束环绕光学系统104B)，所接收的信号被连续地传送到控制单元101B，然后，控制单元101B发出一个控制信号到驱动马达15B，以修正基于接收信号和参考信号的偏差，从而使得激光束的中心轴和入射窗W的中心轴相重合。

一轨迹传感器23B被安装到工作头18B上，连接部分A和工作头18B之间沿管筒厚度方向的距离可以被检测，然后，检测信号被连续地传输到控制单元101B。控制单元101B发出一个控制信号到驱动马达20B，从而便可修正上述的距离。

一光接收单22b—1设置在入射窗W的圆周方向上，并位于反射镜13B旁边，在激光焊接过程中，反射激光束被监控，一个代表激光焊接状况的信号便被连续地传输到控制单元101B。通过处理该信号，象诸如激光能量和激光焊接速度等的各种变化便可由此而确定，从而对激光振荡发生器105B，激光束环绕光学系统104B和焊接头103B进行控制，便可大大地改善激光焊接的质量。

在本实施例中，用于光学聚焦系统的驱动马达15B被控制，从而使得激光束的中心轴线总是和入射窗的中心轴线相重合，但是，用于光学聚焦系统的驱动马达，以及用于使激光束在激光束环绕光学系统中环绕的致动器，例如电动机可以通过一共同的输出信号进行同步控制，或通过反馈旋转次数进行回送控制。

在上述的例子中，由于马达的转角必须被确定并实时控制，通过光纤传输和实时读取从编码器输出的数据可用来控制马达。

图21(a)、图21(b)、图22(a)和力22(b)用于解释管筒1—A和1—B在连接部分A连接时由支撑装置102B支撑管筒并进行操作的情况。

图21(a)和图21(b)分别是支撑在装置102B上的管筒的侧视和前视图，表示了管筒的支撑情况，此时，在旋转构件10B中的工作头18B正处于其激光焊接状态点上，其中，位置传感器201—1，201—2，201—3，和201—4均被安装在外圆周构件5B上，用来检测工作头18B的位置，从而达到防止激光束和支持在装置102B上的管筒间所发生的相互干扰。图22(a)和图22(b)分别是管筒支撑构件的侧视和前视图，它们表示处于支撑状态的管筒，此时，工作头18B到了一个位置，该位置位于传感器201—1和201—2之间，根据来自传感器201—1和201—2，201—3和201—4的信号，这些信号传送到控制单元101B，支撑构件102B的一只支撑脚放低，其目的是防止激光束和管筒支撑构件之间相互干扰。支撑构件装置102B的另一支脚在工作头刚好位于位置传感器201—3和201—4之间时也放低。

管筒支撑装置102B可以是悬挂式的，或者是直接或间接地采用夹具，这种夹具也可以使用磁力，真空力或者一种预先设置的支撑带。

图23表示了一旋转构件10B的例子，其中，在聚焦光学系统中使用一抛物面镜21B，连接部分A被用一工业摄像头301拍摄，根据监测的图像信号，激光束对应于坡口A—1的聚焦位置基于控制单元101B对信号的处理而修正。

根据本发明的一长尺寸管状接地容器单元，气密腔形成于连接部分，气密测试很容易并且很安全地便被完成。通过连接部分的咬合式对接，不会有金属熔液滴入管状容器单元内部，因此，焊接后也不需清理内部。通过激光焊接连接部分可以得到良好的焊接质量，而且内部变形，诸如气孔，砂眼等都很少。

使用适合于制造长尺寸管状接地容器单元的激光焊接装置，使用柔性光学波导装置时，比如一光纤，用于传输激光束的光轴容易对准；使用适合于制造长尺寸管状接地容器单元的激光焊接装置，不使用柔性光学波导装置时，激光振荡发生器和聚焦光学系统包括工作头，它们彼此之间各自独立，这样可以得到高的焊接质量，并且不受管状接地容器单元的长度的限制。

Claims (20)

1.一个长尺寸管状接地容器单元至少包括两个管筒，所说的每一管筒的长度基本上对应于是否受运输限制的长度，这两个管筒通过激光焊接相连接从而形成一整体管状构件，一对带有颈部的法兰，通过激光焊接颈部与整体管状构件的相应端使法兰连接到管状构件上。

2.根据权利要求1的长尺寸管状接地容器单元，包括一用来做气密测试的气密腔，气密腔位于管筒连接部分内，通过激光焊接将相应的管筒的相对端连接起来。

3.根据权利要求2的长尺寸管状接地容器单元，其中，所说的气密腔通过一环形成，该环横跨连接部分，连接部分是通过激光焊接形成的，从而在整体的管状构件和所说的环之间形成有限的环形空间，一密封构件位于所说的有限空间中使该空间保持在气密条件下。

4.根据权利要求2的长尺寸管状接地容器单元，其中，所说的气密腔这样构成的，扩大其中一个管筒的一端，将另一个管筒的一端插入前述管筒的相对端从而在相对的管筒单元之间形成一有限的环形空间，在环形空间内部设置一密封构件，外部设置一环，然后用激光焊接将该环分别连接在管筒的扩大端和插入端上。

5.根据权利要求2的长尺寸管状接地容器单元，其中，所说的气密腔上带有一通到大气的通孔，它用于气密测试，在完成气密测试后孔将被封闭。

6.根据权利要求5的长尺寸管状接地容器单元，其中，所说的通孔在气密性测试完成之后用焊接方式来封闭。

7.根据权利要求5的长尺寸管状接地容器单元，其中，所说的通孔可以带有螺纹，在完成气密性测试后通过将一螺栓旋进该带有螺纹的孔后可对该通孔进行封闭。

8.根据权利要求1的长尺寸管状接地容器单元，其中相应的管筒对接部分的结构在设计上要防止焊接过程的飞溅和金属熔液滴入要被连接的管筒内部。

9.根据权利要求8的长尺寸管状接地容器单元，其中，管筒对接部分的结构是适合于相互啮合的咬合结构。

10.根据权利要求9的长尺寸接地容器单元，其中咬合式结构通过一个环来构成，该环被焊接到要连接的其中一个管筒的内壁面上，并延伸通过连接部分朝向另一管筒。

11.用来制造长尺寸管状接地容器的激光焊接装置，包括：

一个焊接头，它被围绕放置在构成连接部分的管筒的相对端上，从而包容该连接部分；

一个工作头，它用来将激光束聚焦到连接部分，以便进行焊接，所说的工作头被置于所说的焊接头当中，使得其可以绕连接部分的外圆周旋转；

一个激光振荡发生器，它用来产生激光束

还有用来传输激光束的装置，将激光束从所说的激光振荡发生器传输到所说的工作头，并且与所说的工作头的旋转运动同步；

12.根据权利要求11的激光焊接装置，其中所说的激光束传输装置是一光学纤维(光纤)，它缠绕在一螺旋形轨道上，该轨道位于其中一个管筒的表面，使得根据激光焊接操作的程序，该光纤随着工作头的旋转可以相应地延伸。

13.根据权利要求11的激光焊接装置，其中，所说的激光束传输装置是一个组合装置，它用来从所说的激光振荡发生器输出激光束，输出的激光束的方向平行于要被焊接的管筒的纵向轴线，并且激光束还要环绕管筒的外圆周，在运动上与所说的工作头同步，工作头上相应的装置用来接收激光束和对激光束进行聚焦。

14.根据权利要求11的激光焊接装置，还包括用来监控来自工作头的激光束焦点在连接部分上的错位，并对所述的工作头的位置进行修正，以消除错位。

15.根据权利要求11的激光焊接装置，包括用来对来自工作头的激光束焦点位置是否偏离进行监控的装置，该偏离主要定指焦点相对于连接部分在管筒厚度方向的位置错位，还包括控制工作头位置的装置，这样就使得激光束聚焦点与连接部分之间的距离可以设定并保持在一个预定的距离上。

16.根据权利要求11的激光焊接装置，其中，所说的工作头包括一个抛物面镜，它用来对所接收到的来自激光束传输装置的激光束进行聚焦。

17.根据权利要求11的激光焊接装置，还包括在进行激光焊接之前，调整需通过激光焊接连接的管筒的相对端之间缝隙和错位的装置，以及将管筒设置在预定位置上的装置。

18.根据权利要求13的激光焊接装置，其中，可见射线光束，比如氦—氖(He—Ne)激光，叠加在从所说的激光束输出装置中输出的激光上。

19.根据权利要求18的激光焊接装置，还包括用来监控叠加在来自所述的激光输出装置的激光上的可见射线光束密度分布的装置，以及根据监控的密度分布，但是在不受待连接的管筒相应结构的影响下驱动工作头的装置，还包括一激光束输出功率源，激光束来自所说的激光束输出装置。

20.根据权利要求13的激光焊接装置，还包括周来支撑要被连接的管筒的装置，根据工作头的位置，支撑装置部分回缩从而可以避免从所说的激光束输出装置到激光束接收装置的激光束与相应的支撑结构间的相互干扰。

Images