DE1615367C3 - Lichtbogenschweißvorrichtung zum Verschweißen von Kernreaktor-Brennelement-Hüllrohren mit Endstopfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtbogenschweißvorrichtung zum Verschweißen eines Endstopfens mit einem Ende eines in eine mit Inertgas gefüllte Schweißkammer, um seine Längsachse drehbaren, hineinragenden Kernreaktor-Brennelement-Hüllrohres, mit einem mit der Schweißkammer verbundenen Lichtbogenschweißbrenner, einer das Entweichen von Inertgas verhindernden Dichtung an der öffnung der Schweißkammer, durch die das andere Ende des Hüllrohres aus der Schweißkammer herausragt.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DT-AS 12 00 966 bekannt. Diese Vorrichtung weist eine feststehende Schweißkammer mit einer lediglich in einer Richtung verschiebbaren Elektrode auf. Für den Schweißvorgang ist dort lediglich eine Drehbewegung um die Brennstabachse vorgesehen.

Es gibt jedoch auch Fälle, beispielsweise bei Brennstäben für Überhitzerreaktoren, bei denen serienmäßig mehrere bzw. verschiedenartige Schweißnähte beim Verschweißen der Endverschlüsse mit den Hüllrohren ausgeführt werden müssen. Dabei können diese verschiedenen Schweißnähte in Rohrlängsachse verschoben und von unterschiedlichem Durchmesser sein; außerdem können unterschiedliche Schweißnahttypen, nämlich Rundnähte, Stirnnähte und Längsnähte gefordert sein. All diesen variablen Bedingungen kann die bekannte Schweißmaschine nicht genügen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die bekannte Schweißmaschine dahingehend zu verbessern, daß bei einem einzigen Spann- bzw. Zentriervorgang für das Brennstab-Hüllrohr und bei beliebiger Form der zu verschweißenden Teile mehr als eine dieser Schweißnahttypen ausführbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die Maschine nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 ausgebildet ist.

Die Verwendung von Verstellvorrichtungen für Lichtbogen-Schweißbrenner in Schweißkammern ist an sich aus der GB-PS 8 44 201 bekannt; jedoch ist die in dieser Druckschrift enthaltene Vorrichtung gegenüber der Erfindung prinzipiell anders aufgebaut und für eine serienmäßige Verschweißung von Brennstabhüllen mit Endverschlüssen deshalb ungeeignet; denn es ist die Verstellvorrichtung für den Brenner dort lediglich linear bewegbar, wodurch die Zahl der möglichen Schweißnahtausbildungen eingeschränkt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig.l zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Schweißmaschine;

F i g. 2 zeigt einen Teilschnitt durch die Schweißkammer mit Brennverstellsystem dieser Maschine;

F i g. 3 zeigt eine Ansicht des Brennerverstellsystems;

Fig.4 zeigt schematisch den Aufbau der Schweißmaschine in einem Längsschnitt;

F i g. 5 zeigt schematisch den Aufbau der Schweißkammer mit Brennverstellsystem.

F i g. 1 zeigt die Schweißkammer 13, die auf einer Seite vom vorderen Spannvorrichtungslager 58 der Hüllrohrspannvorrichtung 17 am Ende des Aufnahmerohres 10 (vgl. Fig.4) und auf der anderen Seite von einem fluchtenden Vakuumansaugstutzen 18 gehalten ist. Die Schweißkammer, Hüllrohrspannvorrichtung und Vakuumabsaugstutzen sind fluchtend angeordnet. Die Schweißkammer trägt ein hier nicht dargestelltes Brennerverstellsystem mit Brennerkopf 16 und Schweißelektrode 60 und weist Schaugläser 45 zur Beobachtung der Schweißstelle sowie einen Innenanschlag 22 auf, damit die Brennelementhüllen definiert weit in die Kammer geschoben werden können. Der Innenanschlag ist beispielsweise pneumatisch betätigt. Um die Schweißstelle genau beobachten zu können ist es möglich, das Innere der Schweißkammer mittels eines fest montierten Beleuchtungseinsatzes blendungsfrei auszuleuchten. Die Schweißkammerstirnflansche 41 werden mittels der Bajonettverschlüsse 42 am vorderen Spannvorrichtungslager 58 bzw. am Vakuumansaugstutzen 55 festgeklemmt. Nach dem Lösen der Bajonettverschlüsse 42 ist die Schweißkammer um 180° schwenkbar. Die Größe der Schwenkung ist ablesbar.

Der Vakuumansaugstutzen 18 wird von einem Vakuumansaugstutzengehäuse 25 gebildet und stellt die Verbindung von der Vakuumpumpe zur Schweißkammer her, wie durch den Pfeil 61 angedeutet. Das Vakuumansaugstutzengehäuse 25 besitzt Anschlußflansche 26 für Vakuummeßröhren, Druckmeßgeräte usw. und einen Inertgasanschluß 27.

Die Führungswelle 23 der Endstopfenaufpreßvorrichtung ist gleichachsig mit der Schweißkammerlängsachse 14 angeordnet und verschiebbar im Vakuumansaugstutzen 55 und im Führungslager 44 gelagert. Die Führungswelle ragt mit einem Ende, weiches das Stopfenaufnahmestück 24 trägt, in die Schweißkammer 13 und mit dem anderen Ende abgedichtet aus dem Vakuumansaugstutzengehäuse 25 hinaus. Auf dieses hinausragende Ende der Führungswelle wirkt ein Druckbock, der beispielsweise pneumatisch arbeitet. Die in das Stopfenaufnahmestück 24 eingesetzten Endstopfen können so mit bestimmten einstellbaren Aufpreßkräften auf die Brennelementhüllen gepreßt werden.

Die Hüllrohrspannvorrichtung 17 besteht aus dem auf der Hohlwelle 20 befestigten Spannfutter 19. Die Hohlwelle ist über Zentrierflansch 35 und Zentrierkupplung 11 mit dem Aufnahmerohr verbunden und trägt außerhalb der Hüllrohrspannvorrichtung 17 das Kettenrad 21, über das die Hohlwelle gedreht wird. Das Spannfutter 19 wird von einem die Hohlwelle umgebenden Spannkolben 62 beaufschlagt. Innerhalb des Spannkolbens 62 ist eine die Hohlwelle umgebende Spannfeder 38 derart angeordnet, daß der Spannkolben im nicht beaufschlagten Zustand vom Spannfutter weggedrückt ist. Der Federkeil 63 überträgt die Drehbewegung der Hohlwelle auf den Spannkolben. Die Hüllrohrspannvorrichtung weist ein vorderes Spannvorrichtungslager 58 und ein hinteres Spannvorrichtungslager 37 auf, das die Schweißkammer 13 bzw. die Hohlwelle 20 trägt. Hinteres Spannvorrichtungslager 37 und vorderes Spannvorrichtungslager 58 sind über ein an diesem befestigtes Balgenstück 39 und den Federbalg 40 miteinander verbunden, so daß die inneren Teile der Hüllrohrspannvorrichtung 17 abgedichtet sind. Der Spannkolben 62 ist im hinteren und vorderen Spannvorrichtungslager beweglich gelagert und wird von Hand oder über den Druckluftanschluß 57 beaufschlagt. Das hintere Spannvorrichtungslager 37 ist mittels Spannvorrichtungslagerschlitten 53 beweglich auf dem Spannvorrichtungssupport 54 befestigt. Wird das hintere Spannvorrichtungslager 37 auf die Schweißkammer 13 zubewegt, so wird die Hohlwelle 20 mit gespannter Brennelementhülle in die Schweißkammer hineinbewegt, da das hintere Spannvorrichtungslager über den Seegerring 59 und das Antriebslager 36 axial unverschieblich mit der Hohlwelle verbunden ist, und es kann die Anschlaglage 43 erreicht werden. Nach dem Lösen der Bajonettverschlüsse 42 vom linken Schweißkammerflansch 41 kann die Hüllrohrspannvorrichtung durch den Spannvorrichtungssupport 54 von der Schweißkammer weggefahren werden. Da unter Inertgas geschweißt werden soll, müssen die Innenräume des Vakuumansaugstutzen 18, der Schweißkammer 13 und der Hüllrohrspannvorrichtung 17 gegen das Eindringen von Außenluft abgedichtet sein.

F i g. 2 zeigt die Schweißkammer 13 mit dem am Schweißkammerflansch 28 befestigten Brennerverstellsystem 15. Das Brennerverstellsystem trägt den Brennertragarm 31 mit Brennnerkopf 16, Schweißelektrode 60 sowie den Bauteilen zum Verstellen der Brennerlage. Das Brennerverstellsystem 15 besteht aus einem an einem Schweißkammerflansch 28 drehbaren Zentrierflansch 29 und ist gegen diesen abgedichtet und über einen Spannring 49 mit diesem Schweißkammerflansch verspannbar. Nach dem Lösen des Spannringes 49 ist das gesamte Brennerverstellsystem 15 drehbar, indem der Zentrierflansch 29 gedreht wird. Der Brennertragarm 31 ist an der Brennerhalteplatte 30 befestigt, die flach an dem Zentrierflansch 29 anliegt. Die Befestigung des Brennertragsarmes 31 erfolgt über die Brennertragarmführung 32 mit Horizontal-Verstellvorrichtung 33, durch die der Brennerkopf 16 in Richtung der Längsachse des Brennertragarmes 31 verschiebbar ist. Der Brennerkopf ist außerdem um diese Längsachse des Brennertragarmes durch das Brennerschwenkrad 64 schwenkbar, und er ist schwenkbar am Brennertragarm 31 befestigt, und zwar in einer Ebene in Längsrichtung des Brennertragarmes. Der Brenner muß gegen die Schweißkammer 13 isoliert sein, da er der Stromzuführung zur Schweißelektrode dient. Der Brenner ist gasgekühlt, indem Inertgaszuführung durch Brennertragarm 31 und Brennerkopf 16 erfolgt.

Fig.3 läßt erkennen, wie die Brennerhalteplatte 13

und damit der Brennerkopf 16 in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Der Brennerabhebzylinder 48 ist über die Befestigungsbügel 24 mit dem Zentrierflansch 29 verbunden. Die Kolbenstange 73 des Brennabhebezylinders beaufschlagt über die untere Säulentraverse 70 die beiden Führungssäulen 67, die durch den Zentrierflansch 29 geführt sind und oberhalb dieses Zentrierflansches durch die oberen Säulentraverse 71 miteinander verbunden sind. Die Brennerhalteplatte 30 ist durch ein oberes Plattenführungsstück 69 und ein unteres Plattenführungsstück 68 an den Führungssäulen 67 geführt. Das obere Plattenführungsstück 69 ist über die Vertikalverstellspindel 72 mit der Vertikalverstellvorrichtung 34 verbunden, die ihrerseits von der oberen Säulentraverse 71 getragen wird. Wird nun der Brennerabhebzylinder 48 beispielsweise pneumatisch beaufschlagt, so wird die Brennerhalteplatte 30 und damit der Brennerkopf 16 um einen bestimmten Betrag angehoben. Wird der Brennerabhebzylinder 48 entlastet, so erfolgt eine Anstellung des Brennerkopfes derart, daß er die in F i g. 2 dargestellte Lage zur Hüllenlage 50 einnimmt. Der Zentrierflansch 29 muß eine Abhebausnehmung 51 entsprechend dem Brennerhub von beispielsweise 10 mm aufweisen. Wird die Vertikalverstellvorrichtung 34 betätigt, so wird die Brennerhalteplatte 30 über die Vertikalverstellspindel 72 dementsprechend nach oben oder unten verstellt, die Plattenführungsstücke 68,69 sind durch die Führungssäulen 67 geführt, so daß die Brennerhalteplatte 30 stets flach am Zentrierflansch 29 anliegt.

Aus F i g. 4 sind die Bewegungsrichtungen der Bauteile gemäß F i g. 1 zu entnehmen. Insbesondere ist dargestellt, daß das Aufnahmerohr 10 aus mehreren Zwischenstücken 12 aufgebaut ist, so daß sich eine Anpassung der Schweißmaschine an die verschiedenen möglichen Längen der Brennelemente erzielen läßt. Das Aufnahmerohr 10 wird von nicht dargestellten Stützböcken unterstützt und ist in diesen drehbar und verschiebbar. Die Zwischenstücke 12 sind durch die Zentrierkupplungen 11 miteinander verbunden, so daß die erforderliche zentrische Lage der Brennelementhüllen erzielt werden kann. Am freien Ende des Aufnahmerohres 10 befindet sich das Gegenlager 52 mit dem Lagerstopfen 56. Das Gegenlager soll die Kräfte der Endstopfenaufpressvorrichtung 18 aufnehmen und gestatten, daß die Brennelementhüllen innerhalb des Aufnahmerohres 10 verschiebbar sind. Ist ein Endstopfen mit einer Brennelementhülle bereits verschweißt, so muß bei der Verschweißung des zweiten Endstopfens der erste Endstopfen vom Gegenlager aufgenommen werden können. Das Gegenlager muß mit dem Aufnahmerohr gasdicht verbunden sein, ebenso wie die Zwischenstücke mit den Zentrierkupplungen gasdicht verbunden sein müssen.

F i g. 5 zeigt die Einstellrichtungen am Brennerver-Stellsystem 15 bzw. die Einstellrichtungen 6 der Schweißkammer 13. Die einander entsprechenden Bauteile der F i g. 2, 3 und 5 sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Die Bewegungsrichtungen am Brenner bzw. am Brennerverstellsystem sind mit dem Bezugszeichen der sie verursachenden Bauteile gekennzeichnet, jedoch in Klammern gesetzt.

Im folgenden wird der Funktionsablauf bei der Fertigung eines Brennelementes mit der Schweißmaschine beschrieben. Es wird dabei vorausgesetzt, daß das Brennelement aus zwei Hüllrohren, nämlich einem Außen- und einem Innenrohr aufgebaut ist, welche durch Endstopfen so verschlossen werden sollen, daß Außenhüllrohr und Endstopfen mit einer Rundnaht und Innenhüllrohr und Endstopfen mit einer Stirnnaht zu verschweißen sind.

Die in die Schweißkammer hineinragende Hüllrohrspannvorrichtung 17 wird vor der Rundnahtschweißung um den Abstand der beiden Schweißnähte aus der Schweißkammer 13 herausgefahren. Außen- und Innenhüllrohr werden mit einem Endstopfen versehen und bis zum Gegenlager in das Aufnahmerohr hineingeschoben. Es wird zentriert, das Aufnahmerohr wird in die Unterstützungsböcke eingelegt und mittels einer Zentrierkupplung an die Hüllrohrspannvorrichtung 17 angeschlossen. Sodann werden die Hüllrohre mit dem Lagerstopfen 56 des Gegenlagers bis zum in die Schweißkammer hineingefahrenen Innenanschlag 22 vorgeschoben und mit dem Spannfutter 19 gespannt.

Der Lagerstopfen 56 muß Endstopfenform aufweisen, damit die Hüllrohre während des Schweißvorganges in der endgültigen Lage zueinander bleiben. Der Innenanschlag wird zurückgefahren und die Schweißkammer wird mehrmals abwechselnd evakuiert und mit Inertgas gefüllt. Dann wird die Schweißkammer mit Intertgas gefüllt und der Brenner bis auf Elektrodenabstand an das Werkstück herangefahren. Die Einstellbewegungen mit Hilfe des Brennerverstellsystems 15 folgten bereits vorher, so daß zum Heranfahren des Brennerkopfes 16 an das Werkstück lediglich Beaufschlagung des Brennerabhebezylinders 48 erforderlich ist. Danach wird die Hohlwelle 20 angetrieben und der Lichtbogen gezündet. Nach Beendigung der Schweißung der Rundnaht wird der Brennerkopf von der Schweißnaht abgehoben und Hüllrohrspannvorrichtung 17 und Aufnahmerohr 20 werden aus der Schweißkammer 13 soweit herausgefahren, bis sich die Stirnnaht in der gewünschten Stellung befindet. Der Brennerkopf wird geschwenkt, in Zustellrichtung genau eingestellt und auf Elektrodenabstand an das Werkstück herangefahren. Nach der Schweißung hebt der Brennerkopf von der Schweißnaht ab und das Spannfutter 19 wird geöffnet. Sodann wird die Inertgaszufuhr gesperrt und die Kammer belüftet. Das Aufnahmerohr 10 wird von der Hüllrohrspannvorrichtung 17 abgekuppelt und das mit einem Endstopfen verschweißte Hüllrohr kann entnommen werden.

Es ist auch möglich, das Gegenlager 52 vom Aufnahmerohr 10 zu trennen und die Hüllrohre zu entnehmen. In diesem Fall braucht die Intertgaszufuhr nicht unterbrochen und die Kamer nicht belüftet zu werden, da die weitere Beschickung der Schweißmaschine durch das Aufnahmerohr 10 erfolgen kann. Wegen des abströmenden Intertgases kann keine Luft in die Schweißkammer eindringen und der Vorgang des Evakuierens, Spülens und Flutens kann entfallen. Nach dem Umdrehen der Brennelementhüllen wird das Gegenlager wieder angebracht. Zuvor wurde der zweite Endstopfen in das Stopfenaufnahmestück 24 eingesetzt. Nachdem die Endstopfaufpreßvorrichtung 18 betriebsbereit ist, werden die Brennelementhüllrohre mittels Innenanschlag 22 in eine bestimmte Lage gebracht und gespannt. Es wird mehrmals abwechselnd evakuiert und mit Intertgas gespült. Der Endstopfen wird nun mittels eines auf die Führungswelle 23 einwirkenden Druckbockes auf die vorher mit Brennstoff gefüllten Brennelementhüllrohre gedrückt. Nach der Entlastung der Führungswelle dient das Stopfenaufnahmestück 24 als Zentrierung und der Schweißvorgang läuft wie beschrieben ab.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Lichtbogenschweißvorrichtung zum Verschweißen eines Endstopfens mit einem Ende eines in eine mit Inertgas gefüllte Schweißkammer, um seine Längsachse drehbar hineinragenden Kernreaktor-Brennelement-Hüllrohres, mit einem mit der Schweißkammer verbundenen Lichtbogenschweißbrenner, einer das Entweichen von Inertgas verhindernden Dichtung an der Öffnung der Schweißkammer, durch die das andere Ende des Hüllrohres aus der Schweißkammer herausragt, dadurch gekennzeichnet, daß ein um die Hüllrohrlängsachse (14) drehbares und in Rohrlängsachse verschiebbares, auf einer Seite gasdicht abgeschlossenes Aufnahmerohr (10) mit Spann- und Zentriervorrichtungen (11, 17, 35) zur Aufnahme des anderen Endes des Hüllrohres, an der anderen Seite mit der ebenfalls um die Hüllrohrlängsachse schwenkbaren Schweißkammer (13) gasdicht verbunden und der Lichtbogenschweißbrenner an einem an der Schweißkammer (13) angebrachten Brennerverstellsystem (15) in Richtung auf die Hüllrohrlängsachse (14) verstellbar und in bezug auf die Hüllrohrlängsachse (14) in mindestens einer Ebene verschwenkbar befestigt ist.

2. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißkammer (13) auf einer Seite von der Hüllrohrspannvorrichtung (17) am Ende des Aufnahmerohres (10) und auf der anderen Seite von einem fluchtenden Vakuumsaugstutzen (18) gehalten ist.

3. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmerohr (10) in über Zentrierkupplungen (11) verbundene Zwischenstücke (12) unterteilt ist.

4. Lichtbogenschweißvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohrspannvorrichtung ein Spannfutter (19) aufweist, das an einer mit dem Aufnahmerohr (10) verbundenen Hohlwelle (20) befestigt und durch einen die Hohlwelle umgebenden Spannkolben (62) betätigbar ist.

5. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hohlwelle (20) außerhalb der Hüllrohrspannvorrichtung ein Kettenrad (21) befestigt ist.

6. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hüllrohrspannvorrichtung (17) ein hinteres und ein vorderes Spannvorrichtungslager (37, 58) aufweist, das die Hohlwelle (20) bzw. die Schweißkammer (13) trägt, und daß beide Lager durch einen das Innere der Spannvorrichtung abdichtenden Faltenbalg (40) miteinander verbunden sind.

7. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das hintere Spannvorrichtungslager (37) längsbeweglich auf einem Spannvorrichtungssupport (54) des vorderen Spannvorrichtungslagers (58) gelagert und mit der Hohlwelle (20) fest verbunden ist.

8. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Spannkolbens (62) eine die Hohlwelle (20) umgebende Spannfeder (38) derart angeordnet ist, daß der Spannkolben im nichtbeaufschlagten Zustand vom Spannfutter (19) weggedrückt ist.

9. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißkammer (13) einen Innenanschlag (22) zur Begrenzung von Längsbewegungen von Brennelementhüllen beim Beschicken aufweist.

10. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Brennerverstellsystem (15) einen an einem Schweißkammerflansch (28) drehbaren Zentrierflansch (29) aufweist, der zur Führung einer flach anliegenden, an ihm verschiebbaren Brennerhalteplatte (30) ausgebildet ist.

11. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf des Lichtbogenschweißbrenners (16) über einen Brennertragarm (31), der in Richtung seiner Längsachse verschiebbar und um diese Längsachse schwenkbar ist, mit der Brennerhalteplatte (30) verbunden ist, und daß diese mittels einer Verstellvorrichtung (34) verschiebbar ist.

12. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (16) mittels einer auf die Brennerhalteplatte (30) einwirkenden Brennerabhebevorrichtung (48) abhebbar und/oder anstellbar ist.

13. Lichtbogenschweißvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennerkopf (16) in einer Ebene schwenkbar am Brennertragarm (31) befestigt ist.