DD297586A5 - Vorrichtung und verfahren zum schweissen von metallteilen mittels laserstrahl - Google Patents
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Abstract
Es handelt sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verschweiszen zweier Metallteile (2, 41) miteinander mittels Laserstrahl. Die Vorrichtung enthaelt eine optische Faser (10) zur Transmission des Strahls und einen Schweiszkopf * der Fokussiermittel (29) fuer den aus der optischen Faser herauskommenden Strahl, Ablenkmittel fuer den von den Fokussiermitteln kommenden Strahl zur Fokussierung des abgelenkten Strahls auf den zu schweiszenden Teilen, einen Freiraum * der die Ablenkmittel (37) und den Brennpunkt (39) des Strahls voneinander trennt und Spuelmittel (14) fuer ein Gas zum Spuelen dieses Freiraums enthaelt. Fig. 2{Vorrichtung; Verfahren; Schweiszen; Laserstrahl; optische Faser; Transmission des Strahls; Schweiszkopf; Fokussiermittel; Ablenkmittel; Gas}
Description
10mm und 50mm.
wobei der Wärmeaustausch zwischen uem Primärkühlmittel eines Reaktors, wie beispielsweise eines Druckwasser-Kernreaktors(REP) und Wasser in Flüssig- oder Dampfphase stattfindet, das das Sekundärkühlmittel bildet.
bleiben muß, durch den Primär-Kreislauf zu vermeiden, der eventuell mit radioaktiven Elementen versetzt sein kann.
beschädigt oder gerissen ist, ist schwierig durchzuführen. Der Innendurchmesser eines Rohres eines Austauschars mit
Die Schweißvorrichtungen nach dem Stand der Technik haben Nachteile. Sie sind unhandlich und/oder haben einen hohen Energieverbrauch und sind aus diesem Grund Ursache für wesentliche Deformationen in der Ebene des Rohrbodens und der Rohre, die mit Repara'.urhülsen versehen sind.
An diesem Punkt besteht die übliche, zur Bemäntelung der Nachteile der bekannten Schweißgeräte verwendete Lösung im Ausschalten des undichten Rohres durch einfaches Verschließen, statt das Leck zu suchen und zu reparieren. Diese Lösung ist keinesfalls zufriedenstellend, weil sie den Nachteil hat, daß sie die Zahl der in Betrieb befindlichen Rohre zwischen dem Primär- und Sekundär-Kreislauf verringert.
Die Erfindung zielt auf die Schaffung einer Schweißvorrichtung und eines Schweißvei falirens für eine Hülse im Inneren eines Rohres von geringem Durchmesser, die den Forderungen der Praxis mehr entsprechen als die bisher bekannten, bei der insbesondere die Schweißvorrichtung mit geringem Platzbedarf und hervorragender Robustheit Schweißungen guter Qualität ermöglicht und wobei das Schweißverfahren schnell und leicht in Gang zu ratzen ist und einen geringeren Energieverbrauch als die bisherigen Verfahren aufweist.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung im wesentlichen eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung zur Verschweißung zweier Metallteile miteinander vor, die eine optische Transmissionsfaser für den Strahl und einen Schweißkopf aufweist, der einen um eine im wesentlichen parallel zur Achsrichtung des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls parallele Achse langgestreckten Körper enthält, wobei der Schweißkopf Fokussiermittel für den aus der optischen Faser austretenden Strahl und Ablenkmittel für den aus den Fokussiermitteln austretenden Strahl enthält, um den abgelenkten Strahl auf die zu verschweißenden Teile zu fokussieren, wobei die Ablenkmittel für den Strahl einen ebenen Spiegel zum Reflektieren des Strahls zu den zu verschweißenden Teilen enthält. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf einen inneren Freiraum aufweist, der den Reflexionsspiegel und den Brennpunkt des Strahls voneinander trennt, wobei der Reflexionsspiegel für den Strahl, bezogen auf den Brennpunkt, gänzlich in einem Abstand liegt, der im wesentlichen gleich oder größer ist als die Distanz d0, die die Achse des Schweißkopfes von dem Brennpunkt trennt, und das Spülmittel für ein Spülgas für den Freiraum vorgesehen sind, um die Metalldämpfe, bzw. den Schweißrauch, der bei dem Schmelzen der Metalle während der Schweißung entsteht, aus dem Bereich der Ablenkmittel zu vertreiben.
Die Erfindung schlägt auch eine Laserstrahl-Schweißvorrichtung vor zur Verschweißung einer metallischen, rohrförmigen Hülse mit dem Inneren eines metallischen Rohres, die eine optische Transmissionsfaser für den Strahl und einen Schweißkopf aufweist, der einen zylindrischen Körper mit einer im wesentlichen parallel zur Achsrichtung des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls parallele Achse enthält, wobei der Schweißkopf zum Zusammenwirken mit der Innenwandung des Rohres ausgebildet ist und enthält:
- Fokussiermittel für den aus der optischen Faser austretenden Strahl und
- Ablenkmif.ei für den aus dem Fokussiermittel austretenden Strahl, um den abgelenkten Strahl auf den zu schweißenden Abschnitt der Hülse zu fokussieren, wobei das Ablenkmittel für den Strahl einen ebenen Spiegel zum Reflektieren des Strahls zu diesem Abschnitt enthält.
inneren Querschnitt des zylindrischen Körpers hat, und daß Spülmittel für ein Spülgas für den Freiraum vorgesehen sind, um die
der Ablenkmittel zu vertreiben.
auf die zu schweißenden Teile aufweist, bietet Probleme wegen des Entstehens von Metalldämpfen, die sofort die Ablenkmittelwährend der Schweißung mittels Laserstrahl bedecken und den Fortgang der Schweißung behindern.
verwenden:
- Das Spülgas ist ein Neutral- oder Inert-Gas und vorzugsweise Argon.
- Die kleinste Distanz, die die Ablenkmittel vom Brennpunkt trennt ist kleiner als ungefähr 30 mm und beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 10mm.
- Das Ende der optischen Faser, wo der Laserstrahl austritt, liegt auf der Achse des Schweißkopfes und die Fokussiermittel enthalten optische Ablenkmittel für den Strahl gegenüber der Achse des Schweißkopfes, um den Strahl auf den Reflexionsspiegel zu lenken.
- Die Fokussiermittel enthalten, aufeinanderfolgend im Strahlenverlauf des aus der Faser austretenden Strahls, eine Meniskuslinse, eine plankonvexe Linse und optische Mittel zur Ablenkung des Strahls, wobei die optischen Ablenkmittel durch eine asymmetrische Linse gebildet ist. Diese kann durch einen zylindrischen Abschnitt gebildet sein, der durch zylindrisches Ausschneiden oder „Kernbohren" einer sphärischen, plankonvexen Linse in der Nachbarschaft der Achse der sphärischen Linse gebildet ist, wobei der zylindrische Ausschnitt parallel zur Achse der plankonvexen sphärischen Linse erfolgt. Die Verwendung dieser asymmetrischen Linse ermöglicht es, den Raum zwischen den Ablenkmitteln und dem Schweißpunkt zu vergrößern, um sich von den Metalldampf-Ausstrahlungen während der Schweißung zu befreien. Die Optil'.einheit ist vorzugsweise auf die Laser-Wellenlänge anti-reflektierend behandelt.
- Die Spülmittel für ein Gas weisen Leiteinrichtungen auf, die durch Wände gebildet sind, die symmetrisch zu einer die Achse des Schweißkopfes enthaltentenen Ebene angeordnet und zur Beschleunigung der Geschwindigkeit des Gases in den Freiraum und zur Erhöhung des dynamischen Druckes, der sich in dem Freiraum bildet, ausgebildet ist.
- Die Vorrichtung enthält zusätzlich Steuer- und Kontrollmittel für die Laserschweißung mit gepulster Emission des Lasers während aufeinanderfolgender Emissionszeiten von einer Dauer in der Größenordnung zwischen 10ms und 50ms.
- Der Laserstrahl verwendet einen Strahl, der von einem Festkörperlaser vom Typ YAG ausgesandt wird.
- Die Schweißvorrichtung enthält zusätzlich Mittel zur automatischen Drehung des Schweißkopfes um seine Achse und Mittel zur automatischen Verschiebung des Schweißkopfes entlang einer Achse, um den Kopf gegenüber den zu schweißenden Teilen längs zu verschieben.
Die Erfindung schlägt auch ein Verfahren zur Laserstrahl-Verschweißung einer metallischen, rohrförmigen Hülse im Inneren θίηθ3 Metallrohrs von einem Innendurchmesser unter 50mm vor, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist:
- die mit dem Rohr zu verschweißende Hülse, mit der sie aneinander anstoßend zusammenarbeiten soll, wird in dieses eingeführt (die eingeführte Hülse wird vorzugsweise an dem Rohr beispielsweise durch Einwalzen, durch hydraulisches Expandieren oder Bördeln bzw. Falzen befestigt),
- ein Schweißkopf mit um eine Achse langgestreckter Form wird in das Rohr bis zu einer bestimmten Position des Kopfes zur zu schweißenden Hülse eingeführt,
- ein Laserstrabi wird in ein optisches Fasersystem eingestrahlt, das mit dem Schweißkopf verbunden ist und der aus der optischen Faser austretende Lichtstrahl wird auf dem zu schweißenden Abschnitt der Hülse mittels Ablenkmitteln, die fest mit dem Kopf verbunden sind, fokalisiert, und die Verschweißung der Hülse mit dem Rohr durch Schmelzschweißung durchgeführt und
- gleichzeitig mit der Aussendung des Laserstrahls wird der Schweißbereich durch ein Spülgas gespült, das ins Innere des Schweißkopfes eingeblasen wird und zwischen die Ablenkmittel und die Schweißzone gelenkt wird, um Metalldämpfe bzw. •rauch, die aus der Metallschmelze austreten, aus dem Bereich der Ablenkmittel abzuführen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Schweißverfahren zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf um seine Achse gedreht wird, um eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Rundum-Verschweißung der Hülse mit der Innenwand des Rnhres durchzuführen. Die Aussendung des Laserstrahls kann gepulst durchgeführt werden und man kann gleichzeitig das Innere des Rohres durch das Rohrende, das demjenigen, durch das der Schweißkopf eingeführt wurde, gegenüberliegt, leersaugen, um die Absaugung des Spül-Neutral- bzw. Inert-Gases, das ins Innere des Kopfes eingebracht wurde, zu ermöglichen
Die Laseremission kann auch moduliert oder kontinuierlich durchgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung erläutert, die besondere Ausführungsformen anhand nich'. beschränkender Beispiele enthält. Die Beschreibung bezieht sich auf beigefügte Zeichnungen, in denen
Fig. 2: zeigt einen schematischen Axialschnitt in vergrößertem Maßstab des Schweißkopfes der Vorrichtung nach Fig. 1. Fig. 3: zeigt ein Prinzipschema eines Teils eines optischen Systems der Vorrichtung nach Fig. 1.
Fig. 4a zeigen eine Ausführungsvariante in und Seitenansicht im Schnitt, einer Linse, die die Ablenkungsmittel für den Strahl und4b: bildet, derzu den Fokussierungsmitteln der Vorrichtung nach der Erfindung gehört. Fig. 5: ist eine teilgeschnittene schematische Darstellung, die einen Teil des Schweißkopfes der Vorrichtung nach einer
Ausführungsform der Erfindung mit seitlichen Ablenkmitteln zeigt
Fig. 6: zeigt einen schematischen Schnitt nach der Linie Vl-Vl in Fig. 5 in Draufsicht. Fig. 7: ist ein vertikaler Teilschnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 2
Fig. 8: ist ein schematischer axialer Schnitt, in vergrößertem Maßstab, des Endes des Schweißkopfes nach einer anderen
Ausführungsform der Erfindung
Fig. 9: ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Selbstzentrierungsmittel des Kopfes in
dem Rohr und der Muffe bzw. Hülse, die bei der Erfindung verwendbar sind. Fig. 10: ist eine Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der Fixierungsmittel und des Bypasses der Linsen im
Schweißkopf nach Fig. 2
Fig. 11: ist eine Schnittdarstellung nach der Linie Xl-Xl in Fig. 10.
Der in Figur 1 schematisch dargestellte Wärmetauscher ist von der Art, wie er üblicherweise in Druckwasserreaktoren verwendet wird. Er enthält einen Mantel 1, der ein U-förmiges Rohrbündel 2 aufweist, dessen Endabschnitte 3 einen Rohrboden 4 durchsetzen. Der Durchmesser eines Rohres 2 ist in Figur 1 im Verhältnis zum Mantel 1 und dem Rohrboden 4 übertrieben dargestellt. Der Rohrboden 4 begrenzt mittels einer Trennwand 5 eine Kaltwasserkammer 6 und eine Warmwasserkammer 7, die entsprechend mit einem Auslaßanschluß und einem Einlaßanschluß vom Primärkühlmittel des Reaktors (nicht dargestellt) versehen ist. Der Teil des Primär-Kreislaufs, der in dem Tauscher enthalten ist, ist in an sich bekannter Weise abzutrennen und zu entleeren.
Der Abschnitt 8 des Tauschers, der sich zwischen den Rohren 2 und dem Mantel 1 befindet, ist während des Betriebes von dem Sekundärkühlmittel des Reaktors eingenommen, das ZUn1 Sekundar-Kreislauf gehört.
langgestreckten (ζ. B. zylindrischen) Schweißkopf 9, der an einem seiner Enden an eine optische Faser für die Übertragung eines
bestehende, verwendbar. Die Faser ist an ihrem äußeren Ende mit einer Quelle 12 kohäre.iter Strahlung, die von einem Laser ansich bekannter Bauart ausgesandt wird, verbunden.
5 MW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 0,3 MW/cm2.
über die flexible Welle 13 zugeführten Gasmenge enthält.
automatischen Längsverschiebung des Schwaißkopfes längs seiner Achse.
angeordnet und bestehen in bekannter Weise beispielsweise aus zwei Zahnrädm η bzw. Ritzeln, von denen eines an c em Kopfund das andere an einem Träger 15 befestigt ist. Sie greifen um zwei parallele Achsen ineinander ein und werden von einemnumerisch gesteuerten Schrittmotor angetrieben, der beispielsweise an dem Träger angebracht ist. Die Längsverstellmittel(ebenfalls nicht dargestellt) sind von bekannter Art und enthalten beispielsweise eine Bewegungsschraube, die an dem
betätigt wird.
wird, an den der Schweißkopf und seine Dreh- und Verschiebungsmittel leicht anpaßbar sind. Das Gerät ist vorzugsweise voneiner Art, die im folgenden als „Spinne" bezeichnet wird. Man findet mögliche Ausbildung derartiger Spinnen in der US-A-4018345 (COMBUSTION ENGINEERING) und der FR-A-2309314 (FRAMATOME), auf die besonders Bezug genommen wird.
eingeführt ist. Eine flexible Welle bzw. Leitung verbindet den Kopf 17 mit dem Evakuierungsmittel 16, der beispielsweise eine
programmierbaren Automaten und ermöglichen die im folgenden beschriebene Funktion der Vorrichtung.
um mit der Bohrung bzw. der Innenwandung des Rohrs 2 des Austauschers zusammenzuwirken, deren Innendurchmesser die
ebenfalls vorgesehen sein. Der Mantel 20 ist an einer seiner Enden 22 offen und an seinem anderen Ende 23 mit einemmetallischen Stopfen 24 versehen, der durchgehend mit Zuführkanälen 25 für Spülgas durchbohrt ist, deren Strömung im
sphärische Meniskus-Linse 30 enthalten, eine plankonvexe sphärische Linse 31 und optische Ablenkmittel 32 für dan Strahl, diedurch eine plankonvex sphärische Halblinse gebildet sind, die durch einen zylindrischen Teilaussciinitt (Trepanation) einerplankonvexen Linse großen Durchmessers entstanden ist (bzw. wie in Figur 3 ausgeschnitten).
verschweißenden Teilen, die, bei dem hier beschriebenen Anwendungsfall, durch das Rohr des Austauschers 2 und einemzylindrischen Mantel, der aneinanderstoßend mit der Innenwandung des Rohres zusammenwirkt, in das er vorzugsweiseeingeführt wurde und an dem er beispielsweise durch Einwalzen, durch Aufweiten oder hydraulisches Bördeln oder Walzenfestgelegt ist, gebildet sind. Die Ablenkungswinkel der Laserstrahlbündel zwischen den entsprechenden einfallenden undreflektierten Strahlen liegen vorzugsweise zwischen 80 und 100°. Sie bestimmen sich in Abhängigkeit von der Neigung des
zu schweißenden Teile bilden, das für eine gute Durchdringung der Schweißung vorteilhaft ist.
Nach der Erfindung enthält der Schweißkopf 9 einen Freiraum 42, der den Spiegel 37' vom Brennpunkt 39 des Strahls trennt.
Dieser innere, oder, wie es gleichwirkend zu betrachten ist, teilweise im Inneren des Schweißkopfes liegende Freiraum 42, je nachdem, ob der Mantel 20 mehr oder weniger über dem Spiegel zugeht, stellt einen Minimum-Abschnitt zum Durchlaß des Gases dar, das von den Spülgas-Mitteln 14 kommt. Dieser Minimum-Abschnitt ist vorteilhaft größer oder gleich groß wie der halbe innere Querschnitt des Zylinders 20, was dann erreicht wird, wenn der Spiegel zum Zurückwerfen des Strahls in bezug auf den Brennpunkt gänzlich in einer Distanz angeordnet ist, die im wesentlichen gleich oder größer als die Distanz d„ ist, die die Achse 21 des Schweißkopfes, vom Brennpunkt 39 trennt. Vorteilhaft ist der Abstand d der Ebene Pi, die parallel zur Achse 21 ist und den oberen Anschlag des Spiegels 37' tangiert oder, aligemeiner, den Punkt der Ablenkungsmittel enthält, der dem Brennpunkt am nächsten ist, im wesentlichen gleich oder kleiner (über) d„ vorgesehen.
Bei der Schweißvorrichtung nach der Erfindung, die insbesondere hier beschrieben ist, liegt die Distanz d0 in der Größenordnung von 10mm.
Um zum Freiraum 42, der nahe an 'linem Endo des Kopfes 9 liegt, den Zugang des in den Kopf durch die Kanäle 25 am anderen Ende eingeführten Gases zu ermöglichen, weisen die Spülgasmittel 14 Bypass-Mittel 43 für das Gas um die Fokussierungsmittel 29 herum auf. Diese Bypass-Mittel werden beispielsweise teilweise durch die Umfangs-Kehlen gebildet, die in die Innenseite des zylindrischen Mantels 20 des Schweißkopfes eingearbeitet sind.
Ein zweiter zylindrischer Befestigungsmantel 44 für die Fokussiermittel 29 und Ablenkmittel 37 ist unter anderem vorgesehen. Er ist derart ausgebildet, daß er einen Durchlaß von Spülgas ermöglicht und mit dem Mantel 20 aneinander angrenzend zusammenwirkt, in dem er mit reduzierter Reibung drehbar ist. Löcher 45 im Mantel 44 bei den Kehlen 43 stellen einen zweiten Teilder Bypass-Mittel dar. Das Gas folgt dem von den Pfeilen 26 in Figur 2 bezeichneten Strömungsweg.
Andere Ausführungsformen dieser Befestigungsmittel und der Bypass-Mittel für die Linsen sind ebenfalls möglich.
Beispielsweise kann, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt, die Linse 60 an einem zylindrischen Teil 61 befestigt sein, das mit der inneren Bohrung des Zylindermantels 20 zusammenwirkt und an dem sie befestigt ist.
Dieses Teil 61 mit einem inneren Durchmesser von beispielsweise 16mm enthält einen ersten Abschnitt 62 mil einem ersten Innendurchmesser und eine im zweiten Abschnitt 63 mit einem zweiten Innendurchmesser, der größer ist als der erste, wodurch eine kreisförmige Schulter 64 geschaffen wird, an der die Linse 60 anliegt und fixiert ist. Zwei zylindrische Löcher 65, beispielsweiser von 8mm Durchmesser, sind quer und rechtwinklig zur Achse des Teils 61 gebohlt und stellen Bypass-Mittel 66 für Gas dar, wie in Figur 10 dargestellt. Eine solche Anordnung erlaubt einen großen Durchgangsquerschnitt für das Gas um die Linsen herum, begünstigt ihre Kühlung und begrenzt Druckverluste.
Schließlich enthalten die Spülgasmittel des Schweißkopfes 9 Leiteinrichtungen 45, die durch ebene Wände gebildet sind, die symmetrisch zj einer Ebene verlaufen, die mit der Achse des Schweißkopfes verläuft und aneinander durch einen Längsanschlag 47 befestigt sind, um ein V-Winkelprofil zu bilden, dessen innere Flächen vorzugsweise Tangenten des Strahls 38 sind, der von den Fokussierungsmitteln ausgeht, wie es in den Figuren 2 und 7 dargestellt ist. Eine Öffnung 46 ist in dem Anschlag 47 vorgesehen, um den Laserstrahl zu dem zu schweißenden Teil durchzulassen.
Eine andere Ausführungsform von Leiteinrichtungen ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Die Leiteinrichtungen sind durch Wandungen gebildet, die, bezogen auf eine Ebene durch die Achse 21, symmetrisch gekrümmt sind und eine Art von Venturi-Einschnürung bilden, um das Gas zum Brennpunkt und zur Schweißung hin zu kanalisieren und zu beschleunigen.
Wie bereits erwähnt, enthält die Schweißvorrichtung (s. Figur 2) externe automatische Drehmittel für den Kopf (nicht dargestellt) um die Achse 21 des Schweißkopfes. Diese Mittel sind vorgesehen, um die Drehung des Zylinders 44 und gleichzeitig der unterschiedlichen Teile des Kopfes, die daran befestigt sind, beispielsweise des Stopfens 24, der Fokussierungsmittel 29, des Spiegels 37 und der Leiteinrichtungen 45, zu ermöglichen, und zwar im Inneren des zylindrischen Mantels 20 des Schweißkopfes.
Eine ringförmige Vorrichtung 50, die am Mantel 20 befestigt ist und eine Dichtung 51 bekannter Bauart enthält (beispielsweise eine Rundschnurdichtung), sorgt für die Dichtigkeit gegenüber dem Mantel 20 während der Drehung, so daß Leckagen des unter Druck in den Kopf 9 durch die Kanäle 25 eingeblasenen Gases vermieden werden.
Ebenso sind Mittel zur automatischen Längsverschiebung vorgesehen. Sie ermöglichen die Längsverschiebung des Kopfes in dem zu reparierenden Rohr. Sie enthalten ein Dichtungsteil 52, das im wesentlichen die Form einer Glocke hat, deren Basis mit einer Dichtung 53 zum Rohrboden 4 hin versehen ist. Die Glocke wird gänzlich von dem rohrförmigen Mantel 20 des Kopfes durchquert. Die Glocke und der Mantel sind zueinander verschiebbar. Sie wirken mittels einer ringförmigen bzw. torischen Dichtung 54 zusammen. Die Glocke wird durch an sich bekannte Mittel (nicht dargestellt) unter Druck gegen den Rohrboden 4 gehalten.
In Figur 8 ist eine andere Ausführungsform des Endes des Schweißkopfes nach der Erfindung dargestellt, die eine verbesserte Einwirkung des Spülgases in der Nähe des Brennpunktes zeigt.
Das Ende 70 des Kopfes hat einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser einer Hülse 71, in die sie eingeführt ist.
Ein Ansatz bzw. eine Nase 72 ist an dem zylindrischen Mantel 73 des Kopfes befestigt, und zwar in bezug auf den Verlauf des Strahls 75 stromauf des Spiegels 74. Der Spiegel 74 ist, bezogen auf den Brennpunkt, gänzlich unterhalb der Aaxialebene 77 des Kopfes angeordnet.
Der Ansatz 72 bildet eine ebene Angriffsfläche 78 für das Gas 79, die zum Spiegel hin geneigt ist, beispielsweise unter Bildung eines Winkels von 60° mit der Spiegelebene.
Der Ansatz 72 hat auch eine zurückgebogene Rückseite 80 in Form eines Abschnitts einer Konusfläche oder einer Ebene mit einer Richtung, die im wesentlichen parallel der nahegelegenen Mantellinie 81 des auf 83 fokussieren Laserstrahls 82 ist.
Der Spiegel ist von einem zweiten Ansatz 84 zur Kanalisierung von Gas überbaut, der eine Schikane 85 zwischen der Rückseite des Ansatzes 72 und der Vorderseite 86 des Ansatzes 84 bildet. Diese Vorderseite ist beispielsweise eben oder ein Kegelabschnitt und hat im wesentlichen eine Richtung, die parallel zu ihr nächsten Mantelfläche 87 des Laserstrahls bzw. Strahlenbündels 82.
Die entsprechenden Höhen des Spiegels 74, der Ansätze 84 und der oberen Spülgaszone 88 s>nd beispielsweise und vorzugsweise im wesentlichen zueinander gleich, beispielsweise jede gleich einem Drittel des Innendurchmessers des Schweißkopfes. Eine solche Montage in Form einer Schikane ermöglicht es, die dynamische Wirkung des Spülgases zu verlängern, die den Schweißrauch bzw. -staub stromab durch die Verlängerung des Schweißkopfes jagt. Bei der hier speziell beschriebenen Ausführungsform ist diese an ihrem Ende 89 gänzlich offen.
dem Ende 89 vorgesehen ist, unter seitlichem Druck einzugreifen.
radiale flexible Haare (oder Borsten) 96 enthält. Der Durchmesser des Rades ist etwas größer, beispielsweise einige Zehntel
verringern. Beispielsweise kann in einer Hülse von 16mm Innendurchmesser der Durchmesser des Rades von einem Ende der
eines Kernreaktors.
eine Stelle eingeführt, die vorher im Inneren des Rohres bestimmt wurde, beispielsweise in der Nähe des Rohrbodens. Es wirdauch die Tragspinne 15 des Schweißkopfes 9 in der Kammer 6 gegenüber dem zu reparierenden Rohr in Position gebracht. Der
wurde, beispielsweise in Anschlag gegen diese, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Diese Tätigkeit wird ferngesteuert von den
des zu reparierenden Rohres 2 in der Kammer 7 angebracht wurde.
dem Strömungsweg, der durch die Pfeile 26 in den Figuren 2,5 und 6 dargestellt is*, und führt die Druckspülung (unter dem
vorzugsweise gepulst vorgenommen, wobei die Emissionszeiten der Impulse vorzugsweise zwischen 5 und 100ms variieren,beispielsweise 20 ms, für eine Energie von 10 bis 50 J mit einer Aufeinanderfolge von 1 bis 10 „Stößen" je Sekunde,beispielsweise 6 Stößen je Sekunde.
zusammengefaßt, durch eine optische Faser 28 weitergeleitet und durch die Mittel 29 fokussiert, dann bei 37 abgelenkt,umgerichtet und fokussiert unter einen starken Anstellwinkel (nahezu einer Normalen) auf die Hülse 41 zu treffen, wo er die
oder in der Mitte des Querschnitts des Schweißkopfes, wobei dieser Minimalabschnitt beispielsweise in der Größenordnung von100mm2 liegt und wobei das Ende des Schweißkopfes über einen großen Abschnitt seiner Fläche offen ist, erlaubt es, die
vertreiben und damit die Verschmutzung des Spiegels zu verhindern, der sich anderenfalls sofort mit den rückkondensiertenmetallischen Dämpfen bedeckt. Der dynamische Druck, der auf den Schweißpunkt ausgeübt wird, begrenzt ferner selbst die
diskontinuierliche Durch-Schweißung der Hülse und des Rohres, das diese enthält, durchzuführen.
automatische oder halbautomatisch durchgeführt.
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere werden Fälle umfaßt, bei denen der hintere Abschnitt des
das Spülgas vorgesehen. Man könnte beispielsweise eine Leitung vorsehen, die längs den Schweißkopf durchdringt, um das
Claims (12)
1. Laserstrahl-Schweißvorrichtung zur Verschweißung zweier Metallteile (2,41) miteinander, die eine optische Transmissionsfaser (10) für den Strahl und einen Schweißkopf (9) aufweist, der einen um eine im wesentlichen parallel zur Achsrichtung des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls parallele Achse (21) langgestreckten Körper enthält, wobei der Schweißkopf Fokussiermittel (29) für den aus der optischen Faser austretenden Strahl und Ablenkmittel (37) für den aus den Fokussiermitteln (29) austretenden Strahl enthält, um den abgelenkten Strahl auf die zu verschweißenden Teile zu fokussieren, wobei die Ablenkmittel für den Strahl einen ebenen Spiegel (37') zum Reflektieren des Strahls zu den zu verschweißenden Teilen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf einen inneren Freiraum (42) aufweist, der den Reflexionsspiegel (37') und den Brennpunkt (39) des Strahls voneinander trennt, wobei der Reflexionsspiegel (37') für den Strahl, bezogen auf den Brennpunkt (39) gänzlich in einem Abstand liegt, der im wesentlichen gleich oder größer ist als die Distanz (d0), die die Achse (21) des Schweißkopfes von dem Brennpunkt (39) trennt, und daß Spülmittel (14) für ein Spülgas für den Freiraum vorgesehen sind, um die Metalidämpfe, bzw. den Schweißrauch, der bei dem Schmelzen der Metalle während der Schweißung entsteht, aus dem Bereich der Ablenkmittel (37) zu vertreiben.
2. Laserstrahl-Schweißvorrichtung zur Verschweißung einer metallischen rohrförmigen Hülse (41) mit dem Inneren eines metallischen Rohres (2), die eine optische Transmissionsfaser (10) für den Strahl und einen Schweißkopf (9) aufweist, der einen zylindrischen Körper (20) mit einer im wesentlichen parallel zur Achsrichtung des aus der optischen Faser austretenden Laserstrahls parallele Achse enthält, wobei der Schweißkopf zum Zusammenwirken mit der Innenwandung des Rohres ausgebildet ist und enthält.
- Fokussiermittel (29) für den aus der optischen Faser austretenden Strahl und
- Ablenkmittel für den aus dem Fokussiermittel (29) austretenden Strahl, um den abgelenkten Strahl auf den zu schweißenden Abschnitt der Hülse zu fokussieren, wobei das Ablenkmittel für den Strahl einen ebenen Spiegel (37') zum Reflektieren des Strahls zu diesem Abschnitt enthält,
dadurch gekennzeichnet, daß der Schweißkopf einen inneren Freiraum (42) aufweist, der den Reflexionsspiegel (37') und den Brennpunkt (39) des Strahls voneinander trennt, der einen Querschnitt größer oder gleich dem halben inneren Querschnitt des zylindrischen Körpers (20) hat, und daß Spülmittel (14) für ein Spü-gas für den Freiraum vorgesehen sind, um die Metalldämpfe, bzw. den Schweißrauch, der bei dem Schmelzen der Metalle während der Schweißung entsteht, aus dem Bereich der Ablenkmittel (37) zu vertreiben.
3. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Distanz, die die Ablenkmittel (37) vom Brennpunkt (39) trennt, unter 30 mm liegt.
4. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der optischen Faser (28), aus der der Laserstrahl austritt, in der Achse (21) des Schweißkopfes (29) liegt, und daß die Fokussiermittel (29) optische Mittel (32) zur Ablenkung des Strahls in bezug auf die Achse (21) des Schweißkopfes enthalten, um den Strahl auf den Reflexionsspiegel (37') zu lenken.
5. Schweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokussiermittel (29) aufeinanderfolgend im Strahlenverlauf des aus der Faser austretenden Strahls eine Meniskuslinse (30), eine plankonvexe Linse und optische Mittel (32) zur Ablenkung des Strahls aufweisen, wobei die optischen Ablenkmittel durrh einen Teil einer sphärischen, plankonvexen Linse gebildet sind, der durch einen Linsenausschnitt der sphärischen Linse um eine Achse parallel zur Achse der sphärischen Linse gebildet ist.
6. Schweißvorrichtung mit einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülmittel (14) für ein Gas Leiteinrichtungen (45) aufweisen, die durch Wände gebildet sind, die symmetrisch zu einer die Achse des Schweißkopfes enthaltenden Ebene angeordnet sind und zur Beschleunigung der Geschwindigkeit des Gases in dem Freiraum und zur Erhöhung des dynamischen Druckes, der sich in dem Freiraum bildet, ausgebildet ist.
7. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich Steuer- und Kontrollmittel (17) für die Laserschweißung mit gepulster Emission des Lasers während aufeinanderfolgender Emissionszeiten von einer Dauer in der Größenordnung zwischen 10ms und 50ms enthält.
8. Schweißvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendete Quelle des Laserstrahls ein Fest-Laser vom Typ YAG ist.
9. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich Mittel zur automatischen Drehung des Schweißkopfes um seine Achse und Mittel zur automatisierten Verschiebung des Schweißkopfes entlang seiner Achse aufweist, die vorgesehen sind, um den Kopf gegenüber den zu schweißenden Teilen längs zu verschieben.
10. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Spülgas ein Inert- oder Neutral-Gas ist.
11. Schweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spülmittel Bypass-Mittel (43) enthalten, die teilweise durch Umfangs-Kehlen gebildet sind, die in die Innenfläche des zylindrischen Körpers um die Fokussiermittel herum eingearbeitet sind.
12. Verfahren zur Laserstrahl-Schweißung einer metallischen, rohrförmigen Hülse (41) im Inneren eines Metallrohres (2) von einem Innendurchmesser unterhalb der Größenordnung von 50 mm, bei dem:
- die mit dem Rohr zu verschweißenden Hülse, mit der sie aneinander anstoßend zusammenarbeiten soll, in dieses eingeführt wird,
- ein Schweißkopf (9) mit um eine Achse (21) langgestreckter Form in das Rohr bis zu einer bestimmten Position des Kopfes in Relation zur zu schweißenden Hülse eingeführt wird,
- ein Laserstrahl in ein optisches Fasersystem eingestrahlt wird, das mit dem Schweißkopf verbunden ist und der aus der optischen Faser (10) austretende Laserstrahl auf dem Abschnitt der zu schweißenden Hülse mittels Ablenkmittel (37), die fest im Kopf angeordnet sind, fokalisiert werden und die Verschweißung der Hülse dem Rohr durch Schmel/schweißung durchgeführt wird, und
- der Schweißkopf (9) um seine Achse gedreht wird, um eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Rundumverschweißung der Hülse mit der Innenwand des Rohres durchzuführen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- die Aussendung des Laserstrahls gepulst durchgeführt wird,
- gleichzeitig mit der Aussendung des Laserstrahls der Schweißbereich durch ein Spülgas gespült wird, das in das Innere des Schweißkopfes eingeführt und zwischen die Ablenkmittel (37) und die Schweißzone gelenkt wird, um Metalldämpfe bzw. -rauch, die von der Metallschmelze austreten, aus dem Bereich der Ablenkmittel abzuführen, und
- daß gleichzeitig das Innere des Rohres durch das Rohrende, das demjenigen, durch das der Schweißkopf eingeführt ist, gegenüberliegt, leergesaugt wird, um die Absaugung des Spül-Neutral- bzw. Inert-Gases, das ins Innere des Kopfes eingebracht wurde, zu ermöglichen.
Hierzu 4 Seiten Zeichnungen
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