CN85105136A - 用于激光焊接系统的光束调整系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光加工，特别是激光焊接核燃料系统的燃棒格栅等工件的装置，尤其与光束调整设备有关。光束调整设备包括调整靶(179、181)，它们适于放在光束轨迹中拦截光束并投射一个形状依据特定分段的光束轨迹(178d)相对于此段轨迹有关的激光聚焦透镜(202)的运动轴调准或失调而变化的阴影。调整设备还包括可调节的换向反射镜(176或177)，可使靶所投的阴影按照从表征失调的形状改变到表征调准的形状的方式，调节上述的光束轨迹分段，从而正确地调整光束轨迹分段和上述的运动轴。

Description

本发明一般与用于激光加工工件的装置有关，据此，尤其与激光束调整设备有关。

在特定工件上进行各种激光加工（如激光焊接）通常需要光束聚焦透镜以不同的焦点针对所要进行的各个机械加工反复聚焦。激光焊接为横向支撑燃棒而使用在核燃料系统中的燃料棒格栅就是需要这样反复聚焦的典型例子。众所周知，在此技术范围，这些格栅由许多金属片组成，这些金属片相互交错形成一个有许多格子供各燃料棒贯穿通过的鸡旦箱状的结构，而每个格栅都要完成很多焊接装配，也就是说：每个格栅内的金属片要彼此交叉;每个格栅内金属片的端部要与外部或外围的金属片相连：格栅外围的金属片要在格栅的拐角相接：而且用于控制棒的导向套管的套筒又要与格栅内金属片连接。在一个格栅上完成如此众多的焊接，需要把激光束反复聚焦于不同的焦平面上，这通过一个激光聚焦透镜的相应运动来完成。

这种激光加工装置迄今都存在这样一个问题，改变聚焦透镜的高度时。激光束聚焦光斑横向偏离其正确位置，这种偏离会使焊接的质量低劣。

本发明主要旨在克服上述问题，因此属于用来进行大量激光加工操作的装置，它包括发射激光束的设备;还包括引导发射出的光束至少沿一条在其中安装有可沿一个轴移动、为适应各种加工操作而把光束聚焦在不同焦点上的聚焦设备的预定轨迹传输的设备，其特征是：用于把至少部分上述的或各个光束轨迹同安装在其中的聚焦设备的运动轴调准的光束调整设备，这种光束调整设备包括调整靶设备，与上述的或各个光束轨迹有关、在光束轨迹中可拆装地支撑调整靶设备从而使靶设备拦截激光束并投射一个形状依据光束轨迹的该部相对于聚焦设备的运动轴调准或失调而变化的阴影的安装设备，以及在所述或各个光束轨迹中用于调节后者的所述部位的可调节设备，调节方式采用允许被所述的调整靶设备所投的影从一个表征失调的形状回复到一个表征调准的形状，从而调准光束轨迹的所述部位和安装在其中的聚焦设备的所述运动轴。

采用包括上述光束调整设备的这台装置可以把激光束以高精度聚焦在很多激光加工位置上并且没有有害的焦点偏移。

在将要详述的本发明的优选实施例中，调整整靶设备包括两个靶部件。通过安装设备便于将它们以一定的间隔分别定位在各个光束轨迹中，并使它们投射一个在特殊的光束轨迹部位与聚焦设备的运动轴分别表征为调准和失调的规则形状与非规则形状之间变化的合成阴影。在上述或每一条光束轨迹中的靶安装设备适合于把两个靶部件定位在靶部件之间没有诸如像透镜或反射镜那样的光学元件的一段光束轨迹中。体现本发明的这种装置的可调节设备包括一个在有关的光束轨迹中用于阻断和使激光束改变方向的换向反射镜，此换向反射镜对于基本上相互垂直的两个轴可以转动调节。可调节设备还包括一个围绕基本上相互垂直的两个轴可作转动调节的第二个换向反射镜，安装第二个换向反射镜是阻断被第一个提到的反射镜改变了方向的激光束，并使阻断了的光束沿相对于聚焦设备的运动轴调准了的光束轨迹段反射。

现在请参考附图，仅通过举例的方式说明本发明优选的实施例，其中：

图1是一个核燃料系统的透视图;

图2A，2B和2C分别是使用在图1系统中的一段燃料棒格栅的透视图、平面图和剖面图;

图3表明未采用本发明时，激光束聚焦透镜向不同聚焦位置的移动怎样引起焦点偏离其正确位置;

图4是体现本发明的激光焊接装置的结构支撑系统的部件分解、透视图;

图5是本激光焊接装置的光学系统透视简图;

图6表示图3的激光聚焦透镜以及它如何折射来自激光器的光线的实例;

图7A和7B分别是图4和图5的激光焊接系统的正视图和俯视图;

图8A和8B分别是把水平取向的激光束改变成沿相对于一个垂直轴线或Z-Z′轴精确调准的垂直取向的换向反射镜的侧视图和正视图;

图9A和9B分别是根据本发明所使用的光束调整靶的平面图和沿图9A的9B-9B线所取的剖面图;

图10是使用在图7B，8A和8B指出的激光焊接系统中的换向反射镜系统的正视图;

图11是图5和7A所示激光聚焦系统的剖面图;和

图12A和12B分别是当激光束和Z-Z′轴调整好时和当激光束和Z-Z′轴失调时，通过一对如图9A和9B所示的光束调整靶的激光束产生的投影图;

现在参考诸图，尤其是图1，后者示出一种在制造过程中可以使用体现本发明的精密激光加工装置的核燃料系统。此燃料系统，大体上用数字10表示，是一个独立单元，包括顶端喷嘴12，底端喷嘴14，和在此间延伸的通过格栅16定位的一组核燃料棒13。两个喷嘴12和14与格栅16一起构成支撑燃料棒18和控制棒（未标出）的框架。象系统10那样的核燃料系统装入核反应堆内的预定位置，这样各个燃料棒18之间相对取向即被严格控制。

体现本发明的精密激光焊接装置将与燃料棒格栅16的制造一起讨论。在图2A至2C中，示出其中的一个格栅：当以平面图方式观察时，它近似为一个正方形，它的周边由四片端部通过角缝焊30连接在一起的外格栅片22形成。很多内格栅片20形成一个鸡旦箱状结构，以限定为接收燃料棒18和控制棒的导向套管的（未标出）的格子。相互交叉的内格栅片20在交叉点有余缝，参见24，使它们相互咬合，在每一个交叉点24完成交叉焊32，使相互交叉的内格栅片段彼此连接在一起。每一个内格栅片20在它的每一个端部都有一对翼片26，它们被安装在外格栅片22的相应槽28中，并通过沿上、下排翼片26和槽28完成的槽和翼片焊接34加以固定。用于控制棒的导向套管的套筒36以预定的图案安装在格栅16的一个表面上。每一个套筒36都放在确定与各自的套筒36有关的格栅格子的内片段的边缘部分形成的凹槽38中，并通过切口线焊40把套筒36固定在上述的内片段上。

体现本发明的并且还要在本文所叙述的精密激光焊接装置特别适宜在一系统控制焊接操作过程中进行焊接30、32、34和40。应该这样理解，即在完成每一次这样的燥接后，格栅16便改变位置而且/或者激光束的焦点发生变化以完成所期望的特殊类型的焊接。

现在参考图2B和2C，在每一个内格栅片20上都有很多安装成彼此间隔开关大体平行的弹性销44，而且每一个内片20上也都有许多分别靠近各个弹性销44另一端的间隔销46，这样安排的目的是使内格栅片上的销44和46相互配合，有弹性地夹紧贯穿由内片形成的各个格栅格子的燃料棒18并对其提供横向支撑。

在格栅16的制创中，首先组装上述部件，尔后焊接。当进行交叉焊接32时，格栅16沿各自的X轴和Y轴递增移动，并在激光束调整与格栅片20的每个交叉点的每个位置上停顿，于是激励激光源把激光束发射到调准好的交叉点上完成焊接。此后，格栅16行进到下一个位置，进行另一次交叉焊32。槽和翼片焊接34与角缝焊接30通过把格栅16沿其Y轴转动完成，此转动使每一个外格栅片22都呈现在激光束前以便焊接。为了把套筒36固定在内格栅片20的凹槽或切口38上而进行的切口线焊接40，是通过把格栅16转动到与激光束成45度角的位置并使激光束照射到套管筒36和切口38的交界面上而完成。激光束聚焦首先是进行位于一个单一平面内的交叉焊接32。为了完成角缝焊接30与槽和翼片焊接34，需要转动格栅16脱离交叉焊接32的平面，此时需要重新聚焦激光束。同样，使格栅16从交叉焊接32的平面转动到与激光束成45度角的位置，也需要重新聚焦激光束。

现在参考图4，在这里展示了一个激光焊接系统102，它适用于为了构成格栅16而需要把内、外格栅片20、22连接成一个整体结构并且为了控制棒的导向套管（未标出）把套筒36固定在构成的格栅16上而进行的一系统诸如需要执行交叉焊接32，槽和翼片焊接34，角缝焊接30和切口线焊接40的焊接操作。

与激光焊接系统102有关的是一对定位舱106a和106b。其作用是将工件（例如格栅16）移动到逐次的焊接位置。每一个定位舱106都与一个焊接箱108（例如图5中所示的焊接箱108a）有关，需要焊接的格栅16放在其中，此箱适于保持一种环境，诸如保持能使激光焊接得以进行的惰性气体，例如氩气的气氛。主框架122相对于两个定位舱106a和106b调准的位置可调节地支撑激光系统102。激光系统102一经调准，就把定位舱106a和106b相对于主框架122也即相对于激光系统102牢牢固定，以便保证对于每一个定位舱106a和106b也即相对于所携带的燃料棒格栅16，能够精确控制激光束169的调节。主框架122由一个顶板142和一个底板（未标出）组成，均焊接在矩型管的框架上。当顶板142焊接在矩型管的框架后被加工成平面，以便为安装在其上的系统部件提供参考平面，并且适当将其固定（例如用螺栓固定或用暗销连接）。

运动支架140被螺栓固定在顶板142上，它由一对支脚141和139组成，每一个支脚都有一个与顶板142相固定的定位销。定位舱106安装在主框架122上，每一个定位都由底座150、侧壁152和154以及一块顶板或密封板156组成，其中，底座150的四角用螺栓固定在顶板142上;侧壁152和154都用螺栓固定在底座150上，顶板或密封板156安装得与各个焊接箱108a和108b开启时所形成的密封凸缘109和109b的间隔很小（小于1毫米），如图5所示。

正如参考图4和图5将要进一步详述的那样，运动支架140确定了激光系统102的位置，特别是确定了相对于主框架122的参考表面和燃料棒格栅16的由激光棒170和相关的光学元件构成的激光发射源位置。激光棒170安装在激光头罩166内（见图4），此罩装在已经机械加工成平面性很好的一块光学加工平板168上，光学加工平板168安装在一个激光底盘座162上，再依次由属于运动支架140一部分的主横梁157和水平杆159所支撑。同样安装在光学加工平板168上的还有一个与传动装置相联的可移动的光束转向反射镜172（见图5），以及由反射镜176a、176b和174、177a、177b构成的固定光束换向装置。如图7B所示，光束转向反射镜172安装在又由反射镜转向平台175所支撑的转向反射镜支座331上。此平台可以做直线运动，方向如箭头327所示，其位置在阻断激光束169的位置（图中用实线表示）与使激光束169能够射到固定光束换向器174的第二个位置（图中用点划线表示）之间，激光束169由此射向左边，见图5或图7B。用于趋动反射镜转向平台175的传动装置可以是一个能够用电激励的线圈，其作用就象阿娜罗德公司（Anorad    Inc.）生产的线性感应电动机一样。

与激光底盘座162一起支撑光学加工平板168的运动支架140（见图4）是一个由矩形型管制造的焊件，它为保持从激光棒170发射的激光束169（见图5）和燃料棒格栅16之间的临界调整提供了必要的刚度要求。激光底盘座162用螺栓固定在一对水平千斤顶158a和158b上，它们被安装在邻近主横梁157相对的两端上。球形支座160安装在水平杆159的后部，对激光底盘座162提供单点支撑，这样，当前面的水平千斤顶158a和158b分别升高或降低时，激光底盘座162即可绕轴线164转动。球形支座160以固定高度安装，以提供一个支点，使激光底盘座162通过水平千斤顶158a和158b可垂直上升或倾斜到所需要的角度。

在最初调节激光焊接系统102的过程中，当施加由水平千斤顶158a和158b产生的顶力时，必须严格保持激光底盘座162的平面。此激光底盘座162也支撑一对激光聚焦透视镜系统204（见图5、7A和11），它们是直线可调的，以便把激光束169聚焦到相应的焊接箱108内的燃料棒格栅16上，由激光底盘座162提供支撑的目的在于，可以调节激光聚焦透镜系统204，使它的Z轴与激光底盘座162的上表面相垂直。因此正如从图4和图5看到的那样，一条由激光棒170发出的激光束，例如光束169，射到光束转向反射镜172，使光束由此交替转向，首先沿轨迹178a射向一对换向反射镜176a和176b，然后沿轨迹178b射向另一对换向反射镜177a和177b，沿轨迹178a传输的激光束此时穿过定位舱106a中的窗口180a;而沿轨迹178b传输的激光束此时则穿过定位舱106b中的窗口180b。

在图5中举例说明的激光系统可以是雷桑（Raytheon）制造的型号为SS500的那种类型。此激光系统包括由一个掺钕钇铝柘榴石（Nd：YAG）晶体构成的激光棒170，以及一对安装高效率激光头中的直线氪闪光灯186。激光头包括安装在激光棒170相对端的全反射镜184。安装在激光棒170和全反射镜182之间的内腔式光闸188易于控制，以便依据各个焊接所需要的能量释放出数量可供选择的激光脉冲。激光头由标准件构成可使所有光学元件，包括激光棒170、激励灯186和反射镜182与184的更换即简单又互不干扰，激励灯186也可在不干扰光学调节的情况下迅速更换。此外，激励灯或闪光灯186包括其端部接头在其整个长度范围内为水冷。灯触发通过激励腔体为激励灯186的并联脉冲作准备。激光棒170可以这样选择，当分别工作在脉宽6毫秒和2毫秒而脉冲速率是20赫兹和50赫兹时，工件上所获得的平均功率为400瓦特，对脉冲成形网络的输入功率不超过18千瓦特。

图5表示在第一个位置或光束阻断位置的一个放泄光闸190，在这个位置上，它使激光束169转向沿轨迹196射到光束吸收器194上;改变焊接箱108内的工件即燃料棒格栅16就是在这个光束阻断位置上进行的。趋动机构192用于把光闸190从它的第一个位置移动到第二个位置或非阻断位置，在此，光束169直接通过一个光束扩束器透镜系统198射向由可移动的光束转向反射镜172和固定反射镜174组成的光束导向机构。当转向反射镜172位于阻断激光束169的位置上时，则使光束沿轨迹178a射到一对换向反射镜176a和176b，然后使光束垂直射入适宜把激光束聚焦在焊接箱108a内的燃料棒格栅16上的激光聚焦透镜系统204a。正如在下文中将要详述的那样，每一个激光聚焦透镜系统204都由激光聚焦透镜202和透镜支托管200组成。当通过反射镜转向平台175把转向反射镜172从光束阻断位置移动到非阻断位置时，激光束169射到固定反射镜174上，由此射向换向反射镜177a和177b，然后垂直射到焊接箱108b。

现在参考图6，它显示一个通过聚焦透镜202，折射激光束169产生一个聚焦光斑的实例。如图所示，假定激光聚焦透镜202相对于Z-Z′轴失调，透镜系统204与在其中的激光聚焦透镜202一起在反复聚焦时要沿此轴移动;也就是说，假定激光聚焦透镜202的实际光轴Y-Y′稍微有些偏心而且相对Z-Z′轴倾斜一个角度θ′。激光束169的光线X-X′以与Z-Z′轴的夹角θ入射到聚焦透镜202上。为简单起见，图6所示的线Z-Z′、Y-Y′和X-X′都在同一个平面内，但是一般来说，这些线取向各不相同，因此它们中的任何两条都不会在同一个平面内。

图6示出了被聚焦透镜202聚焦到一个共同焦点X′上的激光束的光线，共同焦点X′与聚焦透镜202的距离是f（焦距），与Z-Z′轴的横向距离为X。如果Z-Z′和X-X′失调，则焦点X′的横向位移X随激光聚焦透镜202沿Z-Z′轴的移动而变化。图3的取样光线跟踪草图显示出聚焦透镜202三个不同的垂直位置，以及相应地有三个不同的用X₁、X₂和X₃表示的焦点的横向位移。由几何光学知识得出横向位置X相对于透镜在某一垂直参考位置对应的位移X₀的变化可以描述为：

X-X_O= (fZ△θ_MSinθcosθ)/(d-Z△θ_Mcosθ)

式中f是透镜的焦距，Z是距离参考位置的垂直位移，△θ_M是由扩束器198带来的光束发散，θ是入射激光束169相对轴Z-Z′的夹角，d是在聚焦透镜202位置处的激光束直径。

对上述方程下面将讨论两种特殊情况。第一种情况，假定θ＝0，这相当于入射激光束169与Z-Z′轴完全对准。此时，对所有的Z值来说，位移X-X₀＝0，这是理想情况。第二种情况，假定激光束169不发散，即△θ_M＝0。此时，对所有的Z值来说，又得出X-X₀＝0。

焊接点的横向位移X-X₀是聚焦透镜202垂直位移Z的函数。所以如图6所示，使Z-Z′轴和激光束169的光线X-X′之间的夹角θ减至最小，最好为零，将本质上减小当聚焦透镜202的位置改变时出现的焦点的横向位移X-X₀。

体现本发明的并如图5示意的激光焊接系统102，允许激光束169相对Z-Z′轴（图6）调节，激光聚焦透镜系统204要沿此轴移动。如图5所示，在第一种工作模式中，激光束169通过转向反射镜172沿轨迹178a传输，经过一对换向反射镜176a和176b，沿着一条垂直向下的轨迹178c入射到聚焦透镜202a上。并经它把激光束聚焦到右边焊接箱108a内安放的燃料棒格栅16上。在第二种工作模式中，转向反射镜172处于它的第二位置即非阻断位置，则激光束169被固定反射镜174反射，沿轨迹178a传输，经过一对换向反射镜177a和177b改变方向，沿垂直向下的轨迹178d传输。

在激光焊接的正常工作过程中，沿轨迹178c传输的激光束169被聚焦透镜202a聚焦到燃料棒格栅16上。具有代表性的是，在焊接操作之前，有必要相对Z-Z′轴（见图6）调整激光束169，即把夹角θ减至零。如图5所示，关于垂直光束轨迹178d，可在其中插入一对调整靶179b和181b，它们将在激光束169中把一个阴影投射到激光光束调整显示系统310上。在调整过程中，正如下文将详述的那样，不需要聚焦透镜202b，而用位于下部的调整靶181b替代。换向反射镜177a和177b可以精确调节，正如本文后面要说明的那样，使激光束169的分段轨迹178d定中心于两个调整靶179b和181b上。如果在换向反射镜177b和下部调整靶181b之间的光束段178d与聚焦透镜系统204b的Z-Z′轴平行，如果相对Z-Z′轴正确调准激光束169，则夹角θ（见图6）将减至零，此时，当透镜系统204上下移动以完成不同的焊接时，焦点的横向位移将最小。

与每一个聚焦透镜相关联的是一对换向反射镜176a、176b或者是177a、177b，而不是一个单一垂直导向反射镜，其优点是，只要激光束169相对转向反射镜172和固定反射镜174调整完毕，则可以把它们定位，而激光束沿垂直分段轨迹178c和178d的重新取向完全通过各个换向反射镜对176a、176b和177a、177b来完成。

通过调整固定反射镜174，在来自激光束轨迹178a或178b的最大偏差极限内，调整激光束169是可能的。最大偏差的范围取决于激光束169、相对固定反射镜174或转向反射镜172的入射角。由于激光束169沿着第二分段轨迹178c或178d其中之一传输，这样的调整可以产生一个重要的角度偏差。为了提供激光束169的精细调整，只要使用两个调整靶179和181，必须把它们放在光束轨迹的相同分段中，在其中不附加任何诸如反射镜、透镜等的光学元件。在所示的本发明的优选的实施例中，调整靶179和181放在第二个分段轨迹178d中（或178c中，视情况而定）。

现在参考图7A和7B，转向反射镜172和换向反射镜对176a、176b和177a、177b安装在光学加工平板168上（也可参见图4）。特别是固定反射镜174和转向反射镜172安装在支撑于光学加工平板168上的转向反射镜盒302中。转向反射镜盒302通过和波纹管307相连接的伸缩套管306与激光头罩166偶接。激光束169通过管304传输，在第一种工作模式中，射到转向反射镜172后改变方向，沿第一或水平分段轨迹178a传输，通过由波纹管308a相连接的伸缩套管304a后，经开口301a射入装有一对换向反射镜176a和176b的换向反射镜盒300a中。在第二种工作模式中，转向反射镜172处于非阻断位置时，激光束169射向固定反射镜174，经反射沿第一或水平分段轨迹178b传输，通过由波纹管308b相连接的伸缩套管304b经开口301b射入装有一对换向反射镜177a和177b的换向反射镜盒300b中。

如图7B所示，转向反射镜172位于安装在反射镜转向平台175上的支撑架331上，反射镜转向平台175通过一个适当的趋动器，例如工作方式象线性感应电动机一样的线圈装置（图中未标出），可作直线运动，方向如箭头327所示。固定反射镜174安装在包括一个可调微米轴332的系统328中，并通过支撑架330座落在光学加工平板168上，微米轴332允许固定反射镜174以相对于图7B垂直的轴做转动精细调节。通过调节微米轴332，可以精确建立水平分段轨迹178b，引导激光束射入换向反射镜盒300b并射到换向反射镜177a上。

现在参考图7A，激光束169分别通过透镜系统204a和204b射入定位舱106a和106b中。激光束169沿下部分段轨迹178c射到安装在滑动平台262a上的屏蔽管216a内的热堆218a上，滑动平台262a由支承轴278a和轴台282a支撑，可做直线运动，从定位舱106a中进出。正如在申请人的比利时专利号897，643中更全面描述的那样，热堆218a提供表征入射激光束169功率的输出信号，并可用来控制激光棒170的激励，使入射光束169的功率保持恒定。

激光束169通过透镜系统204b沿下部分段轨迹178d射入定位舱106b中并投射在激光束调整显示系统310上，此系统310用于完成下部分段轨迹178d相对Z-Z′轴（透镜系统204沿此轴移动）的精确调节。如图7A所示，系统310由光束图案显示部件320组成，安装在支撑架322上的灯324发出紫外辐射照明此显示部件320。支撑架322和光束图案显示部件320都安装在显示平台316上，此平台包括座落于滑动平台262b上的一对支撑柱311上可随意支撑平台316的安装架312。固定在滑动平台262b下边的一对支承轴278b在一对轴台282b上，可支撑滑动平台262b做直线运动从定位舱106b中进出。为了执行由定位舱106a和106b代表的两个焊接工位中任何一个有关的光束调整分别与各个定位舱有关的滑动平台262可从舱中退出，激光束调整显示系统310安装在滑动平台上，随后与显示系统一起回复到定位舱中的原位，使激光束169能够沿着下部分段轨迹178d，射到光束图案显示部件320上，如图7A所示。

现在参考图8A和8B，详细描述换向反射镜176a和176b特别是换向反射镜系统340a和344a。如图8A所示，激光束169沿上部分段轨迹178a（位于与图8A相垂直的线中）入射在换向反射镜176a上，经反射到换向反射镜176b后沿下部分段轨迹178a向下传输，通过光束出射口303a进入聚焦透镜202a，使激光束聚焦在燃料棒格栅16上，如图5所示。正如下面参考图10将更加全面阐述的那样，换向反射镜176b安装在包括一对微米轴346和348的换向反射镜系统344中，这对微米轴可分别用来调节换向反射镜176b的方位和俯仰位置。换向反射镜176a安装在包括一对微米轴342和343的与344相似但不完全一样的换向反射镜系统340中，这对微米轴可分别用来调节换向反射镜176a的方位和俯仰。换向反射镜系统344固定在支撑座338上的垂直支撑部件352上。一个T形安装架378支撑换向反射镜系统340。

从图8A可知，支撑座338具有一个靶开口371，用于放置上调整靶179a（见图5）的靶系统370。靶系统370有一个周边凸缘373，它位于开口371内被支撑座338限定的环状凸缘部分上。靶开口371的大小、形状和位置应是放在靶开口371内的靶系统370中的靶179a相对于激光束169的垂直下部分段轨迹178a定中心。调整靶179通过靶系统370内部的卡环375固定在靶系统370内。在为调整过程作准备时，拿开通常封闭换向反射镜盒300a开口的盖板334（见图8B），把包括靶179在内的靶系统370通过适当的工具放入靶开口371内，如374所示，此工具有一个叉脚状的端部，因此可以宽松地卡入靶系统370的环形周边槽372。应该这样理解，完成调整过程后和在任何激光焊接操作重新开始前，应把靶系统370连同调整靶179a一起，从靶开口371和换向反射镜盒300中取出。反射镜防护屏376安装在支撑部件352a上，位于靶开口371和换向反射镜系统344a之间，以避免在操作过程中，换向反射镜176b与靶系统370相接触。

如图9A和9B所示，每一个调整靶179和181都包括环状轮缘382和一对安装在分别由轮缘382向内、径向延伸的两个支撑杆384a和384b的内端上彼此相对的环段386a和386b，每一节环段都基本上是与环状轮缘382同心圆光束开口388周长的四分之一。

现在回到图8B，固定在支撑座338a并相对于支撑部件352a直角安装的撑臂350a，给部件352a以及装在其上的换向反射镜系统344a增加支撑和刚性，为了保护操作者在调节换向反射镜系统上的微米轴时不受激光辐射的伤害，与换向反射镜系统344a的换向反射镜176b相关的微米轴346a和348a，又分别联结了延伸轴354a和364a。延伸轴354具有一个插座状的端部，通过定位螺钉356a，可与微米轴346a的滚花端部相衔接，并通过换向反射镜盒300a侧壁上的一个开口延伸出去。安装并固定在换向反射镜盒300a侧壁外部的是一个支撑防护帽360a的支撑架358a，防护帽可从支撑架上拿下，使延伸轴354a露出，并且固定带362a把此帽栓在盒300a上。延伸轴364a延伸穿过延伸套366a，当不需要调节时，用一个可卸下的防护帽368a加以保护，防护帽368a的支撑方式与防护帽360a相似。

图8B标出了在激光束调整过程中使用的一个安装在换向反射镜盒300a上的电视摄像机206（见图5和8B），如图5所示，电视摄像机206沿下部分段轨迹178C所调准的轴线214取向。安装一个安全光门212以截断轴线214，使用透镜210将激光束调整显示系统310上由上、下该调整靶179和181所形成的像，聚焦在电视摄像机206上，使操作人员可以在阴极射线管（CRT）上进行观察，正如以后将说明的那样，这将有助于操作人员调节换向反射镜176和177。

图10详细说明了在图8A和8B中简单所示的换向反射镜系统344a。不言而喻，换向反射镜系统340和固定反射镜系统328虽然与换向反射镜系统344不同，但很相似。换向反射镜系统344包括一个外平衡环347和一个内平衡环351。外平衡环347通过一对轴承349a和349b安装在系统344上，允许围绕水平轴转动以提供俯仰调节。微米轴348用来精细调节外平衡环347的位置，因此也是换向反射镜176的位置。内平衡环351由一对轴承353a和353b支撑，使内平衡环351和换向反射镜176绕垂直轴转动，如图10所示。微米轴346用来精细调节内平衡环351和换向反射镜镜176的方位位置。换向反射镜系统344和340（见图8A）可以分别采用依林公司（Ealing    Corporation）制造的型号为22-2125和22-2117两种产品。

现在参考图11，这是附加了一个防护帽422的激光聚焦透镜系统204，可用来把激光束169重复聚焦在工件上，例如燃料棒格栅16上。该系统204包括在与光程分段178C或178d轴向调准方位上垂直安装在透镜载管200。该管200的座430适合于接纳一个与锁定圈436相结合的透镜安装部件440并且可拆装，锁定圈436有数圈（例如3圈）螺旋槽434，用于接纳相应数量的锁定销432。转动时，锁定圈436和安装部件440可以锁定在管座430上。用于将聚焦激光束169引到工件上的圆锥形安全罩438具有一个外部车有螺纹的端部，可螺旋拧入安装部件440内部有螺纹的部分。安装部件440具有一个中心贯穿的开口，形成一个用于安放透镜202（见图5）或下调整靶181（如图11所示）的透镜座，当把两个元件中的任意一个安装在座中时，都通过一个外表面有螺纹的卡环442卡紧，以环可螺旋拧入安放透镜202或靶181的座的内部有螺纹的部分并可拆卸。不言而喻，在正常情况下，即在激光焊接操作过程中，聚焦透镜202被装入安装部件440的透镜座内，而仅当执行激光调整操作时，才把调整靶181装入座内，调整过程结束以后，从座中拿走靶，并放入聚焦透镜。

如图11所示，安全罩438延伸通过灯罩446上的开口并把灯罩固定在安装部件440上。安装在灯罩446内的是一对用来照明工件的石英-卤素灯428，此灯的工作温度使焊接碎屑不致在工件上聚集起来。操作者通过在阴极射线管上观察由电视摄像机206所成的像调整工件和激光束169，据此作者可把与电视摄像机206有关的电子标线片放在最初的焊接位置之上，以确定在原来位置和设置的第一个焊接位置之间的偏离;此偏离随即被自动输入到控制信号中并施加到X-Y定位系统（图中未标出）上，这样每一次焊接都用激光束169精确定位。通过穿过放在透镜载管200的安装部分201的套管449和由安装部分201通往管座430的导管451的导线激励灯428。此外，管安装部分201备有一个进气口，其中具有一个可拆卸的进气口接头448，用来吸入惰性气体，例如氩气，使其传输通过导管450进入在安装部件440中形成的通道452、453。惰性气体从通道452中喷射进安全罩438和透镜202之间的空间，这股射入罩438内的气体喷流冲洗干净了在焊接过程中可能产生的任何碎屑和杂质。喷射进安全罩438内的惰性气体从其中通过，进入由保护和支撑环420限定的空间中，并从此空间通过在环420中形成的喷口454排出。

现在参考图5、7A、12A和12B，将说明对于光程分段178b和178d（见图5）的光束调整技术的步骤，当然可以理解，光程分段178a和178c可采用同样的调整技术。首先，从定位舱106中取出滑动平台262，把激光束调整显示系统310装在滑动平台262b上，如图7A和图5所示，装有上调整靶179的靶系统370如参考图8A和8B所叙述的那样放入，下调整靶181代替聚焦透镜系统204中的聚焦透镜202，方法遵循连同图11一起所作的说明。与电视摄像机206有关的聚焦透镜210，此时，聚焦产生靶179和181造成的投影的一个清晰成像，并投射在光束图案显示部件320上，如图12A和图12B所示。来自灯324的紫外辐射照明了光束图案显示部件320。射在光束图案显示部件320上的激光束169表现为一个黑区，而投影390和392则象图12A和12B所示的那样表现为白区或亮区。支撑杆384的阴影384″和384″与环段386的阴影386′和386″也表现为白区，调整靶179和181的使用以下述条件为基础，即：上调整靶179a相对Z-Z′轴同心安装，同样，下调整靶181也相对Z-Z′轴同心安装。此外，激光束169基本不发散，因此，两个调整靶179和181的弧段386a和386b的直径近乎相等。图12B说明了激光束169的下部分段轨迹178c或178d和激光聚焦透镜系统204的垂直轴Z-Z′彼此失调的情况，适当的激光束调整通过调节换向反射镜176a和176b或177a和177b来完成，调整完成后，在光束图案显示部件320上的阴影成像如图12A所示，即：上、下调整靶179和181的环段386的阴影386′和386″形成一个完整的圆，此完整的圆周图案的圆周与调整靶179和181的弧段386相应的圆形阴影386′和386″共心。在此条件下，激光束169与激光聚焦透镜系统204的垂直轴Z-Z′正确调准，以至当聚焦透镜202为适应各种焊接操作上下移动时，只有最小的偏差或者说最小的焦点的横向位移。

电视摄像机206有相应于调整靶179和181的环状轮缘382厚度的四分之一到八分之一的传感移动能力。这些移动相应于激光束169的小于0.05度的角偏差。当激光聚焦透镜系统204的垂直位移最高达12.7厘米时，焦点X′（如图6所示）的横向位移小于25.5微米。

至此，已经描述了一个新的、改变的装置和方法，用以进行激光束相对光轴为完成不同的激光加工步骤而处于不同俯仰位置的激光束一起的调整。为此，换向反射镜的机构安装方式是可调的，允许精细调整反射镜的俯仰和方位位置以达到所希望的调整。至少在激光束的轨迹中放入两个调整靶，以便在显示部件上投影，这些投影可在通过电视摄像机观察到的显示部件上成像。激光束与透镜运动轴的精确调整，产生一个理想图案，使操作者分辨出正确的调整已经完成。

Claims (10)

1、用于进行多个激光加工操作的装置，包括发射激光束的设备，还包括引导发射出的光束至少沿一条预定轨迹上传输的设备，其中安装有可沿一个轴移动、为适应各种加工操作而把光束聚焦在不同焦点上的聚焦设备，其特征是：用于把至少部分上述的或各个光束轨迹同安装在其中的聚焦设备的运动轴调准的光束调整设备，上述光束调整设备包括调整靶设备(179，181)，与上述的或各个光束轨迹有关，在光束轨迹中可拆装在支撑调整靶设备从而使靶设备拦截激光束并投射一个形状依据光束轨迹的该部相对于聚焦设备(204)的运动轴调准或失调而变化的阴影的安装设备(371，440)，以及在所述或各个光束轨迹中用于调节后者的所述部位的可调节设备(176或177)，调节方式采用允许被所述的调整靶设备所投的影从一个表征失调的形状回复到一个表征调准的形状，从而调准光束轨迹的所述部位和安装在其中的聚焦设备的所述运动轴。

2、依据权项1的装置，其特征是：上述的调整设备包括一个可定位接收和显示由上述调整靶设备（179，181）所投的阴影的显示器件（310）。

3、依据权项1或2的装置，其特征是：上述的调整靶设备包括两个靶部件（179，181），上述的安装设备（371，440）在所述或每一条光束轨迹中适于把上述的靶部件之间以一定的间隔定位，其方式使靶部件投射一个合成阴影，这个阴影在光束轨迹的所述部位与安装在其中的聚焦设备（204）的所述运动轴的分别表征为调准和失调的规则形状与非规则形状之间变化。

4、依据权项3的装置，其特征是：每一个上述的靶部件（179、181）包括一个环状轮缘（382），还包括一对投影环段（386），投影环段位于环状轮缘内部并由它支撑、彼此以一定间隔相对并确定了在环段之间形成的一个光束开口（388）的周边部位，在所述或每一条光束轨迹中的上述安装设备适于把上述的靶部件定位，当光束轨迹的所述部位与所述运动轴调准时，使环段投射一个构成完整圆形的合成阴影。

5、依据权项3或4的装置，其特征是：在所述或每一条光束轨迹中的上述安装设备（371，440）适合于把两个靶部件（179，181）定位在靶部件之间没有光学元件的一段光束轨迹中。

6、依据权项3、4或5的装置，其特征是：在所述或每一条光束轨迹中的上述聚焦设备（204）由一个激光聚焦透镜系统组成，此系统包括一个透镜安装部件（440）和一个可拆装地安于其上的聚焦透镜（202），上述的透镜安装部件在拿去其中的上述聚焦透镜后，适合于安放和支撑上述的靶部件中的一个（181）。

7、依据权项6的装置，其特征是：在所述或每一条光束轨迹中的上述可调节设备（176或177）安装在一个包括可拆装地安置上述靶部件中的另一个（179）设备（338，371）的盒（300）内。

8、依据任何一个前述权项的装置，其特征是：在所述或每一条光束轨迹中的上述可调节设备，包括一个用于阻断激光束并使其改变方向的换向反射镜（176a或177a），上述的换向反射镜围绕基本上相互垂直的两个轴做转动调节。

9、依据权项8的装置，其特征是：在所述或每一条光束轨迹中的上述可调节设备，包括围绕基本上相互垂直的两个轴可做转动调节的一个第二换向反射镜（176b或177b），安装该第二换向反射镜以阻断第一个提到的换向反射镜改变了方向的激光束并使光束沿光束轨迹的所述部位反射。

10、依据任何一个前述权项的装置，其特征是：用于引导发射光束的上述设备包括一个可在一个所述的光束轨迹（178a）和另一个所述的光束轨迹（178b）之间转换发射激光束的光束转向反射镜。

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