DD297586A5 - DEVICE AND METHOD FOR WELDING METAL PARTS BY MEANS OF A LASER BEAM - 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}It is a method and a device for Verschweiszen two metal parts (2, 41) with each other by means of laser beam. The device includes an optical fiber (10) for transmitting the beam and a welding head * of the focusing means (29) for the beam emerging from the optical fiber, deflection means for the beam coming from the focusing means for focusing the deflected beam on the parts to be welded, a free space * separating the deflecting means (37) and the focal point (39) of the jet and containing gas flushing means (14) for flushing this space. Fig. 2 {device; Method; Schweiszen; Laser beam; optical fiber; Transmission of the beam; Schweiszkopf; focusing; deflection means; Gas}
Description
10mm und 50mm.10mm and 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.wherein heat exchange takes place between the primary coolant of a reactor such as a pressurized water nuclear reactor (REP) and liquid or vapor phase water forming the secondary coolant.
bleiben muß, durch den Primär-Kreislauf zu vermeiden, der eventuell mit radioaktiven Elementen versetzt sein kann.must remain, through the primary cycle to avoid, which may possibly be offset with radioactive elements.
beschädigt oder gerissen ist, ist schwierig durchzuführen. Der Innendurchmesser eines Rohres eines Austauschars mitdamaged or cracked is difficult to perform. The inner diameter of a tube of a Austauschars with
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.The welding devices of the prior art have disadvantages. They are unwieldy and / or have a high energy consumption and are therefore the cause of significant deformations in the plane of the tubesheet and the tubes, which are provided with Repara'urhülsen.
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.At this point, the usual solution used to address the shortcomings of the known welders is to shut off the leaking pipe by simply closing, rather than searching for and repairing the leak. This solution is by no means satisfactory because it has the disadvantage of reducing the number of tubes in service between the primary and secondary circuits.
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.The invention aims to provide a welding device and a weld seam for a sleeve inside a small diameter tube which more closely matches the requirements of the practice than previously known, in which, in particular, the welding device with a small footprint and excellent robustness enables good quality welds and wherein the welding process is quick and easy to start and has a lower energy consumption than previous methods.
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.To this end, the invention basically proposes a laser beam welding apparatus for welding two metal parts together, comprising a beam transmitting optical fiber and a welding head, which elongate an axis parallel to the axial direction of the laser beam emerging from the optical fiber Body, the welding head including focusing means for the beam emerging from the optical fiber and deflecting means for the beam emerging from the focusing means for focusing the deflected beam onto the parts to be welded, the beam deflection means providing a plane mirror for reflecting the beam Beam to the parts to be welded contains. The apparatus is characterized in that the welding head has an internal clearance separating the reflecting mirror and the focal point of the beam, the reflecting mirror for the beam being located at a distance substantially equal to or greater than the focal point as the distance d 0 , which separates the axis of the welding head from the focal point, and the purge gas for the clearance are provided to the metal vapors, or the welding fume, which arises during the melting of the metals during welding, from the Distribute area of the deflection.
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:The invention also proposes a laser beam welding apparatus for welding a metallic tubular sleeve to the interior of a metallic tube having a beam transmitting optical fiber and a welding head having a cylindrical body substantially parallel to the axial direction of the optical beam Fiber laser beam parallel axis, wherein the welding head is designed to cooperate with the inner wall of the tube and contains:
- Fokussiermittel für den aus der optischen Faser austretenden Strahl und- Focusing means for emerging from the optical fiber beam and
- 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.Deflection means for the beam emerging from the focusing means to focus the deflected beam onto the portion of the sleeve to be welded, the beam deflection means including a plane mirror for reflecting the beam to that portion.
inneren Querschnitt des zylindrischen Körpers hat, und daß Spülmittel für ein Spülgas für den Freiraum vorgesehen sind, um diehas internal cross section of the cylindrical body, and that flushing means are provided for a purge gas for the free space to the
der Ablenkmittel zu vertreiben.to expel the deflection.
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.on the parts to be welded, presents problems due to the formation of metal vapors, which immediately cover the deflection means during welding by laser beam and hinder the progress of the welding.
verwenden:use:
- Das Spülgas ist ein Neutral- oder Inert-Gas und vorzugsweise Argon.The purge gas is a neutral or inert gas, and preferably argon.
- Die kleinste Distanz, die die Ablenkmittel vom Brennpunkt trennt ist kleiner als ungefähr 30 mm und beträgt vorzugsweise zwischen 5 und 10mm.The smallest distance separating the deflection means from the focal point is less than about 30 mm and preferably between 5 and 10 mm.
- 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.The end of the optical fiber where the laser beam exits lies on the axis of the welding head and the focusing means comprise optical deflection means for the beam relative to the axis of the welding head to direct the beam onto the reflecting mirror.
- 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.The focusing means comprise, sequentially in the beam path of the beam emerging from the fiber, a meniscus lens, a plano-convex lens and optical means for deflecting the beam, the optical deflection means being formed by an asymmetrical lens. This may be formed by a cylindrical section formed by cylindrical cutting or "core drilling" of a spherical plano-convex lens in the vicinity of the axis of the spherical lens, the cylindrical section being parallel to the axis of the plano-convex spherical lens Lens makes it possible to increase the space between the deflecting means and the spot weld in order to get rid of the metal vapor emissions during welding.The optics unit is preferably anti-reflective treated to the laser wavelength.
- 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.- The flushing means for a gas have guide means formed by walls arranged symmetrically to a plane containing the axis of the welding head and for accelerating the velocity of the gas into the clearance and increasing the dynamic pressure forming in the clearance , is trained.
- 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.The apparatus additionally includes laser pulsed emission laser welding control and monitoring means during successive emission times of a duration of the order of 10ms to 50ms.
- Der Laserstrahl verwendet einen Strahl, der von einem Festkörperlaser vom Typ YAG ausgesandt wird.The laser beam uses a beam emitted by a YAG type solid-state laser.
- 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.The welding apparatus additionally includes means for automatically rotating the welding head about its axis and means for automatically displacing the welding head along an axis to longitudinally displace the head from the parts to be welded.
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:The invention also proposes a method for laser beam welding a metallic tubular sleeve inside θίηθ3 metal tube of an internal diameter of less than 50 mm, characterized by the following steps:
- 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),the tube to be welded to the tube, with which it is intended to cooperate with each other, is inserted therein (the inserted tube is preferably fastened to the tube, for example by rolling in, by hydraulic expansion or crimping),
- ein Schweißkopf mit um eine Achse langgestreckter Form wird in das Rohr bis zu einer bestimmten Position des Kopfes zur zu schweißenden Hülse eingeführt,a welding head with an elongated shape around an axis is inserted into the tube up to a certain position of the head to the sleeve to be welded,
- 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 unda laser beam is irradiated into an optical fiber system which is connected to the welding head and the light beam emerging from the optical fiber is focussed on the portion of the sleeve to be welded by means of deflection means fixedly connected to the head, and the welding of the sleeve performed with the tube by fusion welding and
- 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.- Simultaneously with the emission of the laser beam, the welding area is purged by a purge gas, which is blown into the interior of the welding head and is directed between the deflection means and the welding zone to metal fumes or • smoke, which emerge from the molten metal, from the region of the deflection dissipate.
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 ermöglichenIn an advantageous embodiment of the invention, the welding process is additionally characterized in that the welding head is rotated about its axis in order to carry out a continuous or discontinuous all-round welding of the sleeve to the inner wall of the rim. The emission of the laser beam can be carried out in a pulsed manner and, at the same time, it is possible to empty the inside of the tube through the end of the tube, which is opposite to that through which the welding head has been inserted, in order to remove the suction of the purge neutral or inert gas entering the tube Inside of the head was introduced to allow
Die Laseremission kann auch moduliert oder kontinuierlich durchgeführt werden. The laser emission can also be modulated or carried out continuously.
Die Erfindung wird anhand der folgenden Beschreibung erläutert, die besondere Ausführungsformen anhand nich'. beschränkender Beispiele enthält. Die Beschreibung bezieht sich auf beigefügte Zeichnungen, in denenThe invention will be explained with reference to the following description, the particular embodiments by way of non '. contains restrictive examples. The description refers to attached drawings, in which
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. 2: shows a schematic axial section on an enlarged scale of the welding head of the device according to Fig. 1. Fig. 3: shows a schematic diagram of a part of an optical system of the device according to 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 einerFig. 4a shows a variant in and a side view in section, of a lens forming the deflection means for the beam and Fig. 4b: belonging to the focusing means of the device according to the invention. Fig. 5: is a partially sectioned schematic view showing a part of the welding head of the device after a
Ausführungsform der Erfindung mit seitlichen Ablenkmitteln zeigtEmbodiment of the invention with lateral deflection means shows
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. 6: shows a schematic section along the line Vl-Vl in Fig. 5 in plan view. FIG. 7: is a vertical partial section along the line VII - VII in FIG. 2. FIG
Fig. 8: ist ein schematischer axialer Schnitt, in vergrößertem Maßstab, des Endes des Schweißkopfes nach einer anderen Fig. 8 is a schematic axial section, on an enlarged scale, of the end of the welding head after another
Ausführungsform der ErfindungEmbodiment of the invention
Fig. 9: ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Selbstzentrierungsmittel des Kopfes in 9 is a schematic perspective view of one embodiment of the self-centering means of the head in FIG
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 imthe tube and the sleeve or sleeve which can be used in the invention. 10 is a sectional view of another embodiment of the fixing means and the bypass of the lenses in FIG
Schweißkopf nach Fig. 2Welding head according to FIG. 2
Fig. 11: ist eine Schnittdarstellung nach der Linie Xl-Xl in Fig. 10. 11: is a sectional view along the line XI-XI in Fig. 10th
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.The heat exchanger shown schematically in Figure 1 is of the type commonly used in pressurized water reactors. It contains a jacket 1, which has a U-shaped tube bundle 2 whose end portions 3 pass through a tube plate 4. The diameter of a tube 2 is exaggerated in Figure 1 in relation to the jacket 1 and the tube plate 4. The tube sheet 4 bounded by a partition wall 5, a cold water chamber 6 and a hot water chamber 7, which is provided in accordance with an outlet port and an inlet port of the primary coolant of the reactor (not shown). The part of the primary circuit contained in the exchanger is to be separated and emptied in a manner known per se.
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.The section 8 of the exchanger, which is located between the tubes 2 and the shell 1, is occupied during operation by the secondary coolant of the reactor, which belongs to 1 secondary circuit.
langgestreckten (ζ. B. zylindrischen) Schweißkopf 9, der an einem seiner Enden an eine optische Faser für die Übertragung eineselongated (B. B. cylindrical) welding head 9, which at one of its ends to an optical fiber for the transmission of a
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.existing, usable. The fiber is connected at its outer end to a source 12 of coherent radiation emitted by a laser of known type.
5 MW/cm2, vorzugsweise im Bereich von 0,3 MW/cm2.5 MW / cm 2 , preferably in the range of 0.3 MW / cm 2 .
über die flexible Welle 13 zugeführten Gasmenge enthält.contains gas supplied via the flexible shaft 13.
automatischen Längsverschiebung des Schwaißkopfes längs seiner Achse.automatic longitudinal displacement of the Schwaißkopfes along its axis.
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 demarranged and consist in a known manner, for example, two gears η or pinions, one of which is attached to c em head and the other on a support 15. They engage each other about two parallel axes and are driven by a numerically controlled stepper motor, for example attached to the carrier. The Längsverstellmittel (also not shown) are of known type and include, for example, a motion screw which on the
betätigt wird.is pressed.
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.to which the welding head and its rotating and shifting means are easily adaptable. The apparatus is preferably of a type hereinafter referred to as a "spider." One finds possible formation of such spiders in US-A-4018345 (COMBUSTION ENGINEERING) and FR-A-2309314 (FRAMATOME), to which specific reference is made becomes.
eingeführt ist. Eine flexible Welle bzw. Leitung verbindet den Kopf 17 mit dem Evakuierungsmittel 16, der beispielsweise eineis introduced. A flexible shaft or line connects the head 17 with the evacuation means 16, for example, a
programmierbaren Automaten und ermöglichen die im folgenden beschriebene Funktion der Vorrichtung.programmable machines and allow the following described function of the device.
um mit der Bohrung bzw. der Innenwandung des Rohrs 2 des Austauschers zusammenzuwirken, deren Innendurchmesser dieto cooperate with the bore or the inner wall of the tube 2 of the exchanger, the inner diameter of the
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 imalso be provided. The shell 20 is open at one of its ends 22 and provided at its other end 23 with a metallic plug 24 which is pierced throughout with flushing gas supply channels 25, the flow of which in the
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).spherical lens meniscus lens 30, a plano-convex spherical lens 31, and a laser beam deflection means 32 formed by a plano-convex spherical half-lens formed by a cylindrical partial excavation (trepanation) of a large-diameter plano-convex lens (or as shown in FIG ).
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 deswelded parts, which, in the application described here, through the tube of the exchanger 2 and a cylindrical shell which abutting the inner wall of the tube into which it has preferably been introduced and to which it is fixed, for example by rolling, by expansion or hydraulic crimping or rolling is, are formed. The deflection angles of the laser beams between the respective incident and reflected beams are preferably between 80 and 100 °. They are determined depending on the inclination of the
zu schweißenden Teile bilden, das für eine gute Durchdringung der Schweißung vorteilhaft ist.forming parts to be welded, which is advantageous for a good penetration of the weld.
Nach der Erfindung enthält der Schweißkopf 9 einen Freiraum 42, der den Spiegel 37' vom Brennpunkt 39 des Strahls trennt.According to the invention, the welding head 9 includes a clearance 42 which separates the mirror 37 'from the focal point 39 of the beam.
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.This inner, or, as it is to be considered equally effective, partially located in the interior of the welding head space 42, depending on whether the shell 20 more or less goes over the mirror, represents a minimum portion for the passage of the gas, of the Purge gas means 14 comes. This minimum portion is advantageously greater than or equal to half the internal cross-section of the cylinder 20, which is achieved when the mirror for reflecting the beam with respect to the focal point is located entirely at a distance substantially equal to or greater than the distance d "is that separates the axis 21 of the welding head from the focal point 39. Advantageously, the distance d of the plane Pi, which is parallel to the axis 21 and the upper stop of the mirror 37 'tangentially or, aligemeiner, contains the point of the deflection means which is closest to the focal point, substantially equal to or smaller than (d) " intended.
Bei der Schweißvorrichtung nach der Erfindung, die insbesondere hier beschrieben ist, liegt die Distanz d0 in der Größenordnung von 10mm.In the welding device according to the invention, which is described in particular here, the distance d 0 is of the order of 10 mm.
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.In order to allow the clearance 42, which is close to the left end of the head 9, to allow the gas introduced into the head through the channels 25 at the other end, the purge gas means 14 have bypass means 43 for the gas around the focussing means 29 on. For example, these bypass means are partially formed by the circumferential grooves machined into the inside of the cylindrical shell 20 of the welding head.
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.A second cylindrical mounting jacket 44 for the focusing means 29 and deflecting means 37 is provided, inter alia. It is designed such that it allows a passage of purge gas and cooperates with the shell 20 adjacent to each other, in which it is rotatable with reduced friction. Holes 45 in the shell 44 at the grooves 43 constitute a second part of the bypass means. The gas follows the flow path indicated by the arrows 26 in FIG.
Andere Ausführungsformen dieser Befestigungsmittel und der Bypass-Mittel für die Linsen sind ebenfalls möglich.Other embodiments of these attachment means and the bypass means for the lenses are also possible.
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.For example, as shown in Figures 10 and 11, the lens 60 may be attached to a cylindrical portion 61 which cooperates with and is secured to the inner bore of the cylinder barrel 20.
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.This part 61 having an inner diameter of, for example, 16 mm includes a first portion 62 having a first inner diameter and a second portion 63 having a second inner diameter larger than the first, thereby providing a circular shoulder 64 against which the lens 60 is present and fixed. Two cylindrical holes 65, for example 8mm in diameter, are bladed transversely and perpendicular to the axis of member 61 and constitute gas bypass means 66, as shown in FIG. Such an arrangement allows a large passage area for the gas around the lenses, encourages their cooling and limits pressure losses.
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.Finally, the purge gas means of the welding head 9 include baffles 45 formed by planar walls extending symmetrically with respect to a plane which extends with the axis of the welding head and are secured together by a longitudinal stop 47 to form a V-angle profile, the inner Surfaces are preferably tangents of the beam 38 emanating from the focusing means, as shown in Figures 2 and 7. An opening 46 is provided in the stopper 47 to pass the laser beam to the part to be welded.
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.Another embodiment of guide devices is shown in FIGS. 5 and 6. The baffles are formed by walls that are symmetrically curved with respect to a plane through the axis 21 and form a type of venturi constriction to channel and accelerate the gas to the focal point and weld.
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.As already mentioned, the welding device (see Figure 2) includes external automatic turning means for the head (not shown) about the axis 21 of the welding head. These means are provided to allow the rotation of the cylinder 44 and, at the same time, the different parts of the head attached thereto, for example the plug 24, the focusing means 29, the mirror 37 and the guides 45, inside the cylindrical one Sheath 20 of the welding head.
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.An annular device 50, which is secured to the shell 20 and includes a seal 51 of known type (for example, a round cord seal), ensures the tightness against the jacket 20 during rotation, so that leakage of the under pressure in the head 9 through the channels 25th blown gas can be avoided.
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.Likewise, means for automatic longitudinal displacement are provided. They allow the longitudinal displacement of the head in the pipe to be repaired. They include a sealing member 52 which has substantially the shape of a bell whose base is provided with a seal 53 to the tube sheet 4 through. The bell is completely traversed by the tubular shell 20 of the head. The bell and the mantle are mutually displaceable. They cooperate by means of an annular or toric seal 54. The bell is held by means known per se (not shown) under pressure against the tube sheet 4.
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.FIG. 8 shows another embodiment of the end of the welding head according to the invention, which shows an improved effect of the purge gas in the vicinity of the focal point.
Das Ende 70 des Kopfes hat einen kleineren Außendurchmesser als der Innendurchmesser einer Hülse 71, in die sie eingeführt ist.The end 70 of the head has a smaller outer diameter than the inner diameter of a sleeve 71 into which it is inserted.
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.A lug 72 is secured to the cylindrical skirt 73 of the head, with respect to the course of the jet 75 upstream of the mirror 74. The mirror 74 is located entirely below the axial plane 77 of the head with respect to the focal point ,
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.The projection 72 forms a flat engagement surface 78 for the gas 79, which is inclined towards the mirror, for example, forming an angle of 60 ° with the mirror plane.
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.The lug 72 also has a bent back surface 80 in the form of a portion of a conical surface or plane with a direction substantially parallel to the nearby generatrix 81 of the laser beam 82 focused at 83.
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.The mirror is overbuilt by a second gas-channeling approach 84 which forms a chicane 85 between the back of the hub 72 and the front face 86 of the hub 84. This front side is, for example, flat or a conical section and essentially has a direction parallel to its next lateral surface 87 of the laser beam or beam 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.The respective heights of the mirror 74, tabs 84, and upper purge gas zone 88 are, for example, and preferably substantially equal to each other, for example, each equal to one third of the inner diameter of the weld head. Such an assembly in the form of a baffle makes it possible to extend the dynamic effect of the purge gas, which chases the welding smoke or dust downstream through the extension of the welding head. In the embodiment specifically described here, this is at its end 89 completely open.
dem Ende 89 vorgesehen ist, unter seitlichem Druck einzugreifen.the end 89 is intended to intervene under lateral pressure.
radiale flexible Haare (oder Borsten) 96 enthält. Der Durchmesser des Rades ist etwas größer, beispielsweise einige Zehntelradial flexible hair (or bristles) 96 contains. The diameter of the wheel is slightly larger, for example a few tenths
verringern. Beispielsweise kann in einer Hülse von 16mm Innendurchmesser der Durchmesser des Rades von einem Ende derto decrease. For example, in a sleeve of 16mm inner diameter, the diameter of the wheel may be from one end of the wheel
eines Kernreaktors.a nuclear reactor.
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. Derintroduced a location that was previously determined inside the tube, for example, in the vicinity of the tube sheet. It is also the support spider 15 of the welding head 9 in the chamber 6 in relation to the pipe to be repaired in position. The
wurde, beispielsweise in Anschlag gegen diese, wie es in Figur 2 dargestellt ist. Diese Tätigkeit wird ferngesteuert von denwas, for example, in attack against this, as shown in Figure 2. This activity is remotely controlled by the
des zu reparierenden Rohres 2 in der Kammer 7 angebracht wurde.of the pipe 2 to be repaired was mounted in the chamber 7.
dem Strömungsweg, der durch die Pfeile 26 in den Figuren 2,5 und 6 dargestellt is*, und führt die Druckspülung (unter demthe flow path, which is shown by the arrows 26 in Figures 2,5 and 6 is *, and performs the pressure purge (below the
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.preferably pulsed, wherein the emission times of the pulses preferably vary between 5 and 100 ms, for example 20 ms, for an energy of 10 to 50 J with a sequence of 1 to 10 "bumps" per second, for example 6 beats per second.
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 diesummarized, passed through an optical fiber 28 and focused by the means 29, then deflected at 37, reoriented and focused at a strong angle of attack (almost a normal) to meet the sleeve 41, where he
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, dieor in the middle of the cross-section of the welding head, this minimum portion being on the order of 100mm 2, for example, and with the end of the welding head open over a large portion of its surface, allows
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 dieand thus prevent the contamination of the mirror, which would otherwise be immediately covered with the recondensed metallic vapors. The dynamic pressure exerted on the welding point further limits even the
diskontinuierliche Durch-Schweißung der Hülse und des Rohres, das diese enthält, durchzuführen.perform intermittent through-welding of the sleeve and tube containing it.
automatische oder halbautomatisch durchgeführt.automatic or semi-automatic.
dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere werden Fälle umfaßt, bei denen der hintere Abschnitt deslimited embodiments shown. In particular, cases are included in which the rear portion of the
das Spülgas vorgesehen. Man könnte beispielsweise eine Leitung vorsehen, die längs den Schweißkopf durchdringt, um dasprovided the purge gas. For example, one could provide a conduit which penetrates the welding head along the length of the welding head
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