DE3873224T2

DE3873224T2 - Werkstueckhandhabungsaufbau.

Info

Publication number: DE3873224T2
Application number: DE8888114046T
Authority: DE
Inventors: Robert Duncan
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1987-08-31
Filing date: 1988-08-29
Publication date: 1993-03-11
Anticipated expiration: 2008-08-30
Also published as: ES2034075T3; EP0305944B1; US4825032A; DE3873224D1; EP0305944A1; JP2585742B2; JPS6471589A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Verwendung beim Schweißen eines Brennstabgitters durch Laserstrahlschweißen. Mehr im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf eine Halterung, die für das indexierbare Positionieren jeder Seite des Gitters in richtige Fluchtung und Orientierung mit Bezug auf den Laserstrahl zum Schweißen in einem Arbeitsgang ausgelegt ist.
Kernbrennelemente weisen eine Matrix von Kernbrennstäben auf, die in Reihen und Spalten angeordnet sind, und die mittels einer Mehrzahl von Brennstabgittern in der gewünschten Konfiguration gehalten werden. Diese Gitter sind aus Streifen hergestellt, die geradlinig verlaufende, etwa rechteckige Elemente sind und durch Schlitze gekennzeichnet sind, die von einer Kante aus über etwa die halbe Streifenbreite verlaufen. Die Streifen sind so zusammengesetzt, daß jeder Streifen mit einem weiteren Streifen zusammenpaßt, der rechtwinklig zum ersteren Streifen verläuft. Der Schlitz in einem Streifen ergreift den anderen Streifen an einer Stelle desselben, die mit dem Schlitz im anderen Streifen fluchtet, mit dem Ergebnis, daß das Gitter gleiche Tiefe wie die Breite der Streifen hat, welche das Gitter bilden. Das sich ergebende Gitter weist eine erste Gruppe von Streifen, die im wesentlichen parallel zu einander und mit gleichen Abständen verlaufen, und eine zweite Gruppe von Streifen auf, die parallel zueinander und mit gleichen Abständen verlaufen. Die Streifen der einen Gruppe verlaufen senkrecht zu den Streifen der anderen Gruppe. Alle eben erwähnten Streifen sind als innere Streifen ausgebildet und zusammenpassend angeordnet, um ein quadratisches Gitter mit in Reihen und Spalten angeordneten quadratischen Zellen zu bilden. Zusätzlich sind äußere Streifen vorgesehen, die an den vier Seiten des Gitters angeordnet sind, um eine in Draufsicht quadratische und in Seitenansicht rechteckige Konstruktion herzustellen.
Die Verwendung eines Laserstrahls zum Schweißen von Gitterkomponenten ist bekannt. Es sind auch verschiedene Techniken zum Ausrichten, Haltern und Positionieren der die Gitterkomponenten bildenden Streifen während des Laserschweißens bekannt, einschließlich der präzisen Positionierung jeder Schnitt- bzw. Zusammensteckstelle der Gitterstreifen. Eine solche Vorrichtung ist im US-Patent Nr. 4 492 844 beschrieben. In diesem Patent fixiert eine Schweißhalterung die Gitterstreifen in der gewünschten oben beschriebenen Konfiguration von Reihen und Spalten.
Die Schweißhalterung wird danach auf einem drehbaren Träger in einer Schweißkarner befestigt, die ihrerseits in einer zum Schweißlaserstrahl senkrechten Ebene indexierbar beweglich ist. Die Schweißkammer kann von gleicher Bauart sein, wie im US-Patent Nr. 4 493 967 oder im US-Patent Nr. 4 501 949 beschrieben. Der drehbare Träger in der Schweißkammer ist um eine zur Bewegungsebene der Kammer parallele und zur Richtung des Schweißlaserstrahls senkrechte Achse drehbar angeordnet.
Die in diesen Patenten beschriebenen Anordnungen ermöglichen eine bewegliche Halterung des Gitters zum Positionieren von drei der sechs Seiten des Gitters im Strahlengang des Laserstrahls. Danach muß die Schweißhalterung von dem drehbaren Träger abgenommen und daran neu positioniert werden, um auch die übrigen drei Seiten des Gitters im Strahlengang des Laserstrahls zum Schweißen positionieren zu können.
Zircaloy ist ein bevorzugtes Material zur Gitterherstellung. Dieses Material wird vorteilhaft und vorzugsweise in einer inerten Atmosphere geschweißt, die in der Kammer eingeschlossen ist, wie in den oben erwähnten US-Patenten 4 493 967 und 4 501 949 beschrieben. Jedesmal, wenn die Schweißhalterung von dem drehbaren Träger abgenommen und daran neu positioniert wird, muß die Kammer geöffnet werden, wodurch die darin befindliche inerte Atmosphäre zerstört wird. Infolgedessen erfordert das Abnehmen und Neupositionieren der Schweißhalterung in der Kammer nicht nur Zeit und beträchtliche Mühe, sondern erfordert auch, daß die inerte Atmosphäre in der Kammer wieder hergestellt und Umgebungssauerstoff ausgespült wird, bevor das Schweißen wieder aufgenommen wird, was zusätzliche Kosten und Umstände nach sich zieht.
Die FR 2 561 151 beschreibt eine Werkstückhandhabungsvorrichtung, die in einer Schweißkammer angeordnet ist. Diese Werkstückhandhabungsvorrichtung ermöglicht eine Bewegung eines Werkstücks in einer zum Pfad des Schweißorgans senkrechten Ebene und eine Drehung desselben um eine erste, zu dieser Achse parallele Ebene, und um eine zweite, zu der ersten Achse senkrechte Ebene. Folglich kann das Werkstück so positioniert werden, daß jede seiner Seiten dem Schweißorgan zugewandt wird, so daß keine Notwendigkeit zum Abnehmen und Neupositionieren des Werkstücks während des Schweißvorgangs mehr besteht.
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Werkstückhandhabungsvorrichtung zu schaffen, die eine Handhabung des Werkstücks ohne Notwendigkeit des Abnehmens und Neupositionieren des Werkstücks während des Schweißvorgangs in noch zweckmäßigerer und vorteilhafterer Weise ermöglicht.
Demgemäß besteht die vorliegende Erfindung in einer Werkstückhandhabungsvorrichtung, wie in Patentanspruch 1 definiert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Werkstückhandhabungsvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen besser verständlich, die lediglich beispielsweise in den anliegenden Zeichnungen dargestellt sind, in welchen zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Kernbrennelements,
Fig. 2A eine perspektivische Darstellung eines vollständigen Gitters zur Verwendung in dem Kernbrennelement nach Fig. 1,
Fig. 2B eine Draufsicht eines Teils des Gitters nach Fig. 2A,
Fig. 2C einen Schnitt durch das Gitter entlang der Linie IIC-IIC in Fig. 2B,
Fig. 2D eine auseinandergezogene perspektivische Teildarstellung des Gitters, das innere und äußere Gitterstreifen in auseinandergenommenem Zustand zeigt,
Fig. 2E eine Draufsicht auf einen Teil des Gitters von der Unterseite in Fig. 2A,
Fig. 3A eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung einer Anordnung aus Schweißhalterung und Gitter,
Fig. 3B eine perspektivische Darstellung, die eine Seite der Schweißhalterung nach Fig. 3A zeigt,
Fig. 3C eine perspektivische Darstellung der Schweißhalterung nach Fig. 3A von der anderen Seite,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines mit einer Öffnung versehenen Rahmens und eines Trägers innerhalb einer Schweißkammer, wobei Teile erläuterungshalber weggelassen sind, und wo bei eine Schweißhalterung mit Gitter schematisch strichpunktiert dargestellt ist,
Fig. 5 eine Draufsicht auf den Rahmen und den Träger nach Fig. 4,
Fig. 6 eine Seitenansicht des Rahmens und des Trägers nach Fig. 4,
Fig. 7 eine Stirnansicht des Rahmens und des Trägers nach Fig. 4,
Fig. 8 eine detaillierte Darstellung einer Trägerhalterung,
Fig. 9 eine detaillierte Darstellung eines Trägerantriebs, und Fig. 10A bis 10H in einer Reihe perspektivischer Darstellungen mit vergrößerten Einzelheiten die Folge von Schweißschritten des Gitters unter Verwendung des Rahmens und des Trägers nach der Erfindung, und
Fig. 11 eine schematische Darstellung in Perspektive einer modifizierten Schweißhalterung zur Schweißung innerer Gitternähte.
Die Erfindung findet insbesondere bei der Herstellung von Kernbrennelementen 10 nach Fig. 1 der Zeichnungen Anwendung. Das Kernbrennelement 10 ist eine eigenständige Einheit, die aus einer Kopfstückbaugruppe 12 und einer Fußstückbaugruppe 14 und einer dazwischen verlaufenden Matrix von Kernbrennstäben 18 besteht. Die in Reihen und Spalten angeordnet sind und in dieser Konfiguration mittels einer Anzahl von Brennstabgittern 16 gehalten werden. Obwohl in Fig. 1 nicht dargestellt, sind Steuerstäbe an ausgewählten Positionen innerhalb der Anordnung der Kernbrennstäbe 18 vorgesehen. Die Baugruppen 12 und 14 und die Brennstabgitter 16 bilden einen skelettartigen Rahmen zur Halterung der Brennstäbe 18 und der Steuerstäbe. Die Kernbrennelemente 10 werden an vorgegebenen Positionen innerhalb eines Kernreaktors eingesetzt, wodurch die Orientierung der Brennstäbe 18 mit Bezug zueinander streng festgelegt wird.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich bei einer illustrativen Ausführungsform auf die Herstellung der Brennstabgitter 16, von welchen eines beispielsweise in Fig. 2A gezeigt ist. Das Brennstabgitter 16 hat eine ungefähr quadratische Konfiguration, wobei sein Umfang durch vier äußere Gitterstreifen 22 gebildet ist. Jedes Ende eines äußeren Gitterstreifens 22 ist durch eine Eckschweißnaht 30 mit dem Ende eines senkrecht dazu verlaufenden äußeren Gitterstreifens 22 verschweißt. Zwei Gruppen von mit Abständen parallel zueinander angeordneten inneren Gitterstreifen 20 sind vorgesehen, wobei die Streifen 20 der beiden Gruppen senkrecht zueinander verlaufen, so daß eine Vielzahl von Zellen zur Aufnahme der Steuerstäbe (nicht dargestellt) und der Kernbrennstäbe 18 (Fig. 1) gebildet sind. Die inneren Gitterstreifen 20 haben zusammenpassende Schlitze 50 (Fig. 2D), die deshalb Kreuzungsstellen 24 herstellen. Eine Kreuzungsnaht 32 ist an jeder der Kreuzungsstellen 24 gebildet, so daß eine starre Gitterkonstruktion hergestellt wird. Außerdem weist jeder innere Gitterstreifen 20 an jedem Ende zwei Laschen 26 von solcher Größe und Konfiguration auf, daß sie in oberen und unteren Schlitzen 28 in den äußeren Gitterstreifen 22 straff aufgenommen werden, wie in den Fig. 2A und 2D gezeigt ist. Eine Schlitz/Laschen-Schweißung 34 (Fig. 2A) erfolgt entlang der oberen und unteren Reihen von Schlitzen 28 in den äußeren Gitterstreifen 22. Weiter ist eine Mehrzahl von Führungshülsen 36 an der Oberseite des Brennstabgitters 16 angeordnet, um die Steuerstäbe darin aufzunehmen und zu führen.
Eine Reihe von Nahtschweißungen 38 verbindet die Führungshülsen 36 fest mit in den inneren Gitterstreifen 20 gebildeten entsprechenden Einschnitten 40.
Eine Präzisionslaserschweißvorrichtung ist besonders dafür ausgebildet, eine Reihe gesteuerter Schweißvorgänge durchzuführen, wodurch jede der Schweißungen 30, 32, 34 und 38 ausgeführt wird. Diese Präzisionslaserschweißvorrichtung steuert nicht nur die verschiedenen Parameter des Laserstrahls wie beispielsweise Breite und Höhe jedes Laserimpulses und die Anzahl der Impulse pro Schweißung, sondern steuert auch die aufeinanderfolgende Positionierung der Brennstabgitter 16 mit Bezug auf den Laserstrahl. Nach jeder Schweißung wird das Brennstabgitter 16 neu positioniert und/oder der Brennpunkt des Laserstrahls verändert, um die jeweilige, an der nächsten Schweißstelle benötigte besondere Art der Schweißung zu bewirken.
Die Fig. 2B und 2C zeigen einen Teil eines Gitters 16, an welchem zwei der Hülsen 336 an bestimmten der inneren Gitterstreifen 20 befestigt sind. Fig. 2C zeigt, daß in jeder der durch vier kreuzende Streifen gebildeten Zellen elastische Finger 44 vorgesehen sind, die aus dem Streifenmaterial herausgestanzt sind. Außerdem sind elastische Abstandsfinger 46 vorgesehen. Zusätzlich sind an der Unterseite des Gitters 16 Fahnen 42 vorgesehen, die von den verschiedenen Streifen 20 und 22 wegragen und unter einem Winkel zu den die Streifen, von denen sie wegragen, enthaltenen Ebenen verlaufen (Fig. 2C).
In Fig. 2D ist in außeinandergezogener perspektivischer Darstellung eine gewählte Anzahl äußerer Gitterstreifen 22 und innerer Gitterstreifen 20 dargestellt. Beiderseits der zusammenpassenden Schlitze 50 weist jeder innere Gitterstreifen 20 entlang seines oberen Randes kleine Vorsprünge 48 und entlang seines unteren Randes kleine Vorsprünge 52 auf. Die inneren Gitterstreifen sind an ihren unteren Rändern mit Fahnen 42 versehen. An den Enden des inneren Streifens 20 sind obere und untere Laschen 26 erkennbar. Jeder der äußeren Gitterstreifen 22 ist mit einer oberen und einer unteren Reihe von Schlitzen 28 zur Aufnahme der Laschen 26 der inneren Gitterstreifen 20 versehen. An einer Gruppe paralleler innerer Gitterstreifen 20 sind die oben genannten Schlitze 20 im oberen Rand gebildet, und es ist klar, daß in herkömmlicher Weise bei der anderen Gruppe paralleler innerer Gitterstreifen 20 die oben erwähnten Schlitze 50 im unteren Rand gebildet sind.
Die äußeren Gitterstreifen 22 sind an ihren Enden mit Ecklaschen 54 versehen. In Fig. 2E sind diese Ecklaschen 54 einander überlappend dargestellt und verlaufen unter einem 45º-Winkel zu dem äußeren Gitterstreifen 22, zu dem sie gehören. Die äußeren Gitterstreifen 22 haben an ihren unteren Rändern Fahnen 56 und an ihren oberen Rändern Fahnen 58. Fig. 2E zeigt ähnlich wie die Fig. 2B und 2C die von zwei Gruppen paralleler Streifen 20 gebildeten Zellen, wobei die Streifen der einen Gruppe mit den Streifen der anderen Gruppe zusammenpassen und dazu senkrecht verlaufen. Die Fahnen 42 erstrecken sich etwas über die Zellen, um so eine turbulente Wasserströmung durch die Zellen zu erzeugen.
Fig. 3A zeigt ein Gitter 16 mit einem aufgesetzten Haltestreifen 80 als eine Einheit in Position über einer streifen- und fahnenpositionierenden Halterung 100 mit einer Platte 102 und einer Anzahl nach oben ragender Elemente, die Stäbe 104 umfassen, die an ihren oberen Enden Zungen 106 tragen. Die Halterung 100 funktioniert in bekannter Weise zum Auslenken der Fahnen 42 und 56, die oben mit Bezug auf die Fig. 2C und 2D erwähnt worden sind und die unter einem Winkel von dem betreffenden, das Gitter 16 bildenden Streifen 20 und 22 wegragen. Ebenfalls in Fig. 3A ist eine fahnenseitige Schweißplatte 120 dargestellt, die auf das Gitter 16 aufgesetzt wird, nachdem die Fahnen von dessen Streifen durch die Halterung 100 ausgelenkt worden sind, um die Fahnen fluchtend mit Öffnungen 122 der fahnenseitigen Schweißplatte 120 zu positionieren und die Oberkanten der Streifen 20 so zu positionieren, daß sie alle im wesentlichen koplanar verlaufen. Die fahnenseitige Schweißplatte 120 (Fig. 3A) dient dazu, die Streifen 20, 22 besser in der gewünschten Position zu halten, so daß das Gitter 16 mit Genauigkeit und Schnelligkeit durch eine geeignete Schweißvorrichtung geschweißt werden kann, beispielsweise mittels einer Laserschweißvorrichtung. Die Öffnungen 122 in der fahnenseitigen Schweißplatte 120 ermöglichen den Durchtritt des Laserstrahls zum Schweißen der inneren Streifen 20 an jeder Kreuzungsstelle 24.
In Fig. 3B ist der nächste Schritt bei der Bearbeitung des Gitters 16 gezeigt, bei welchem die fahnenseitige Schweiß platte 120 auf dem und in Anlage mit dem Gitter 16 positioniert ist. Die (nur in Fig. 3A gezeigte) Halterung 100 wird dann abgenommen, wodurch die mit Bezug auf die Fahnenseite entgegengesetzte Seite des Gitters 16 freigelegt wird, das heißt die mit Bezug auf die in Fig. 3A gezeigte Gitterseite entgegengesetzte Seite des Gitters 16 freigelegt wird. Danach werden das Gitter 16, der Haltestreifen 80 und die fahnenseitige Schweißplatte 120 umgedreht, beispielsweise durch Drehen in die durch den Pfeil A in Fig. 3B gezeigte Richtung, um die andere Seite des Gitters 16 in die obere Position zu bringen, wobei die fahnenseitige Schweißplatte 120 unten liegt. Auf dieser anderen Seite des Gitters 16 werden Hülsen 36 (Fig. 2A) an ausgewählten Zellen angeordnet. Dann wird auf dieser entgegengesetzten Seite des Gitters 16, die als Hülsenseite bezeichnet wird, eine hülsenseitige Schweißplatte 140 mit Öffnungen 142 aufgesetzt. Jede Schweißplatte 120 und 140 der Schweißhalterung 150 weist gegenüberliegende, jeweils mit einer Öffnung 146 versehene Ansätze 144 auf.
Bei der vervollständigten Anordnung einer Schweißhalterung 150, wie in Fig. 3C dargestellt, ist der nächste Schritt das Schweißen des Gitters 16, beispielsweise durch Laserstrahlschweißung. Dies umfaßt, grob gesagt, das Schweißen der Kreuzungsstellen 24 auf beiden Seiten des Gitters 16, das Schweißen der Ecken 30 des Gitters 16, das Schweißen der Laschen 26 der Streifen 20 des Gitters 16, wo sie in die Schlitze 28 in äußeren Streifen 22 eingreifen, und das Herstellen von Nahtschweißungen 38.
In den Fig. 4 bis 9 ist eine Schweißkammer 160 dargestellt, die in ihrer Konstruktion beispielsweise ähnlich der in den oben erwähnten Patenten beschriebenen Kammer ist. Die Kammer 160 ist abgebrochen, um die inneren Bauteile zu zeigen, und ist im wesentlichen durch aufrechte Seitenwände 162, eine (nicht dargestellte) Deckwand mit einer Laserstrahldurchtrittsöffnung und ein Bodenteil 168 gebildet.
Eine Schwenkbaugruppe 180 weist einen Rahmen 182 mit einer darin gebildeten Aussparung bzw. Öffnung 184 auf. Der Rahmen 182 weist eine davon nach oben ragende zylindrische Seitenwand 186 und zwei diametral gegenüber rechts und links angeordnete Wellenelemente 188R und 188L auf, die auf einer horizontalen Achse Y liegen. Die Wellenelemente 188R und 188L sind in Lagern 190 drehbar gelagert, die in Öffnungen 192 in den beiden gegenüberliegenden Seitenwänden 162 der Schweißkammer 160, wie dargestellt, montiert sind. Ein erster Antriebsmechanismus 194 ist am Boden 168 der Kammer 160, wie dargestellt (Fig. 5 und 6), befestigt und mit den rechten Wellenelement 188R für einen indexierbaren Antrieb der Schwenkbaugruppe 180 in irgendeine gewünschte Winkelposition innerhalb eines Bereichs von 360ºGrad um die Y-Achse gekuppelt. Der erste Antriebsmechanismus 194 kann ein Gleichstrom-Servomotor sein. Eine solche Einrichtung ist in der Lage, die Schwenkbaugruppe mit einer Genauigkeit von 0,036ºGrad zu positionieren.
Ein Träger 200 ist oberhalb des ausgesparten Rahmens 182 um eine mittige Achse AC drehbar befestigt, die senkrecht zu einer die Aussparung 184 des Rahmens 180 enthaltenden Ebene und zur Querachse Y verläuft. Wenn die Aussparung 184 des Rahmens 180 sich in der horizontalen XY-Ebene befindet, verläuft die mittige Achse AC entlang der Z-Achse, wie in Fig. 4 ist. Befindet sich die Aussparung 184 des Rahmens in der vertikalen YZ-Ebene, verläuft die mittige Achse AC entlang der X-Achse. Zu Erläuterungszwecken wird jeweils die Drehung des Trägers 200 als um die X-Achse bzw. um die Z-Achse verlaufend beschrieben. Jedoch ist dabei zu berücksichtigen, daß die mittige Achse AC über einen Bereich von 360ºGrad um die Y-Achse positionierbar ist.
Wie in Fig. 4 dargestellt ist, verläuft die mittige Achse AC konzentrisch mit Bezug auf die Aussparung 184 im Rahmen 182.
Der Träger 200 weist eine herabhängende zylindrische Wand 202 und eine mittige Öffnung 204 auf, die ebenfalls konzentrisch mit der mittigen Achse AC und der Aussparung 184 im Rahmen 180 verläuft.
Wie am besten in Fig. 8 sichtbar ist, ist am unteren Ende der herabhängenden zylindrischen Wand 202 des Trägers 200 ein nach außen konisch verlaufender Lagerkranz 206 gebildet. Vier umfangsmäßig angeordnete V-Nut-Lagerrollen 208 sind auf vertikalen Achsen um mit 90ºGrad-Abständen am Rahmen 182 angeordnet, wie in Fig. 5 dargestellt ist. Die V-Nut-Lagerrollen 208 stehen mit dem umfangsmäßigen, nach außen konisch verlaufenden Lagerkranz 206 (4, 5 und 8) radial in Eingriff, um den Schweißhalterungsträger 200, wie dargestellt, drehbar innerhalb der Schwenkbaugruppe 180 zu lagern. Am unteren Ende der herabhängenden Wand 202 ist außerdem ein umfangsmäßig verlaufender Zahnkranz 210 unterhalb des auswärts konisch verlaufenden Lagerkranzes 206 gebildet (Fig. 9). Ein zweiter Antriebsmechanismus 212 (Fig. 5) mit einem Schrittmotor 213 und einem Ritzel 214 steht mit dem Zahnkranz 210 in Eingriff und dient zum Drehen des Trägers 200 in irgendeine gewünschte Winkelposition innerhalb eines Bereichs von 360ºGrad um die mittige Achse AC (Fig. 4).
Ein oberes Rahmenteil 300 ist am oberen Bereich der herabhängenden zylindrischen Wand 202 montiert (Fig. 5 und 6). Das obere Rahmenteil 300 weist eine quadratische Öffnung 302 auf, die konzentrisch mit der Rahmenaussparung 184 längs der Z-Achse angeordnet ist. Die Öffnung 302 entspricht in Größe und Form dem oben beschriebenen Gitter 16.
An der nach oben ragenden Wand 186 ist ein Elektromagnet 310 montiert (Fig. 8). Der Elektromagnet 310 weist einen federbelasteten Kern 312 auf, der für eine mit Bezug auf die Wand 186 und dem Träger 200 radiale Bewegung ausgelegt ist. Die Wand 186 weist eine radiale Durchgangsöffnung 314 auf, die mit dem Kern 312 fluchtet und zu dessen Aufnahme bemessen ist. Normalerweise ist der Elektromagnet 310 entregt und der Kern 312 unter der Wirkung einer (nicht dargestellten) Feder ausgefahren, wie in Fig. 8 dargestellt ist. Das freie Ende des Kerns weist eine konische Spitze 316 auf. Das obere Rahmenteil 300 des Trägers 200 weist eine Anzahl vertikal orientierter Kerben 318 (Fig. 8) an gewissen, mit zweckmäßigen Umfangsabständen gelegenen Positionen auf, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Normalerweise befindet sich die Spitze 316 des Kerns 312 in einer der Kerben 318 eingerastet, wodurch der Träger 200 in seiner Position arretierbar ist. Wenn der Elektromagnet 310 erregt ist, bewegt sich der Kern 312 radial auswärts mit Bezug auf den Träger 200 und bewegt sich aus der Nut 318 heraus, wodurch der Träger 200 entriegelt wird.
Es ist zu beachten, daß der zweite Antriebsmechanismus 212 betätigt werden kann, um den Träger 200 in irgendeine Winkelposition innerhalb eines Bereichs von 360ºGrad um die mittige Achse AC zu drehen, wie beispielsweise in den Fig. 4 bis 6 gezeigt ist. Jedoch haben gewisse Winkelpositionen eine besondere Bedeutung und die Kerben 318 sind so positioniert, daß sie eine indexierbare Positionierung und zweckmäßige Verriegelung des Trägers in solchen Positionen ermöglichen. Wenn der Träger 200 entriegelt werden soll, wird der Elektromagnet 310 kurzzeitig erregt, wobei der Kern 312 sich radial auswärts mit Bezug auf den Träger 200 bewegt und die Spitze 316 aus der Kerbe 318 herausgezogen wird. Danach kann der Träger 200 mittels des Schrittmotors 213 in verschiedene Winkelpositionen um die Z-Achse (oder die X-Achse, wie nachstehend beschrieben) bewegt und angehalten werden. Wenn der Elektromagnet 312 entregt wird, bewegt sich die Spitze 316 in die nächstfolgende Kerbe 318 und verriegelt dadurch den Träger 200. Es ist natürlich möglich, den Elektromagneten 310 während einer ausreichenden Zeit erregt zu halten, um den Träger 200 in irgendeine gewünschte Position zu bringen, einschließlich Positionen zwischen zwei beliebigen Kerben 318. Zwischen dem Elektromagneten 310 und dem Schrittmotor 213 kann eine geeignete Verriegelung (nicht dargestellt, aber dem Fachmann bekannt) vorgesehen werden, um eine Betätigung des Schrittmotors 213 bei eingerasteter Arretierung auszuschließen.
Bei der dargestellten Ausführungsform können zweckmäßigerweise Kerben 318 in 90ºGrad-Intervallen und in manchen Anwendungsfällen in 45ºGrad-Intervallen angeordnet sein. Auch andere Positionen können vorgesehen sein, falls gewünscht, und die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Positionen be-schränkt. Vorzugsweise ist jedoch bei der nachstehend beschriebenen Anwendung während des Laserstrahlschweißens die relative Position des Gitters 16 mit Bezug auf den Schweißlaserstrahl LB zu, daß mindestens eine Seite des Gitters 16 senkrecht zur Querachse Y und eine Seite parallel zu dieser Y-Achse ist. Die Kerben 318 sind deshalb in 90ºGrad-Intervallen zur indexierbaren Positionierung und bedarfsweisen Arretierung des Gitters 16 angeordnet. In einem anderen Anwendungsfall sind äußere Gitterstreifen 22 unter 45ºGrad mit Bezug auf die Y-Achse angeordnet und die Kerben 318 sind mit 45ºGrad-Intervallen vorgesehen.
Schweißhalterungsfixierungen 304 sind so ausgebildet, daß sie in die Öffnungen 146 der damit versehenen Ansätze 144 der Schweißhalterung 150 (Fig. 3B bis 3C und Fig. 4) eingreifen, so daß bei Anbringung auf der Schwenkbaugruppe 180, wie in Fig. 4 dargestellt, die zu schweißenden Teile des Gitters 16 durch die Schweißhalterung 150 konzentrisch mindestens innerhalb der Grenzen der Aussparung 302 des oberen Rahmenteils 300 und in einer zur Y-Achse parallelen Ebene positioniert wird.
Im Betrieb ist die Kammer 160 indexierbar in der X-Y-Richtung (Fig. 4) entsprechend den Angaben in den obigen US-Patenten beweglich. Die indexierbare Bewegung der Kammer 160 erfolgt mindestens in den Grenzen der Aussparung 302 im oberen Rahmenteil 300. Jeder Punkt innerhalb des durch die Aussparung 302 im oberen Rahmenteil 300 definierten Quadrats (Fig. 5) kann durch den Laserstrahl LB indexierbar erreicht werden, der längs der in den Fig. 4 und 6 angegebenen Z- Achse in die Kammer 160 gerichtet wird. Folglich kann der Laserstrahl LB alle Gitterstreifenkreuzungspunkte 24, Laschen/Schlitz-Positionen 26, 28, und Hülsenpositionen 38 schweißen, die oben beschrieben wurden (Fig. 2A bis 2D).
Gemäß der Erfindung kann die Schwenkbaugruppe 180 und die daran montierte Schweißhalterung 150 (Fig. 4) mittels des Antriebs 194 (Fig. 5) über 360ºGrad um die Y-Achse gedreht werden. Nach Drehung um 90ºGrad aus der Horizontalposition sind zwei der vier äußeren Streifen 22 (Fig. 2A) in der XY- bzw. Horizontalebene positioniert und die quadratischen bzw. großen Seiten des Gitters 16 liegen in der YZ-bzw. Vertikalebene. (Siehe beispielsweise die Seiten B und C in Fig. 10B). Jeder beliebige Punkt der Oberfläche des obersten äußeren Gitterstreifens 22 kann also durch den Laserstrahl LB erreicht werden, wenn die Kammer 160 schrittweise in den XY- Richtungen indexiert wird. Natürlich kann gemäß der Erfindung der unterste äußere Gitterstreifen 22 durch Drehen der Schwenkbaugruppe um 180ºGrad um die Y Achse oder durch Drehen des Trägers 200 um die mittige Achse AC um einen Winkel von 180ºGrad (siehe Fig. 10C, wo die mittige Achse AC längs der X-Achse verläuft) in die obere Position geschwenkt werden.
Außerdem kann der gemäß der vorliegenden Erfindung die Schwenkbaugruppe 180 zum indexierbaren Drehen der Schweißhalterung 150 benutzt werden, so daß zu den soeben beschriebenen Seiten senkrecht verlaufende Seiten des Gitters 16 in die Horizontalebene und in den Strahlengang des Laserstrahl LB gebracht werden können. Beispielsweise können die Schweißhalterung 150 und das daran gehalterte Gitter 16 (Fig. 4) um 90ºGrad um die Z-Achse und dann um 90ºGrad um die Y-Achse gedreht werden, um das benachbarte Paar gegenüberliegender äußerer Gitterstreifen 22 in mit Abstand auseinanderliegende Horizontalebenen zu bringen (siehe beispielsweise die Seiten E und F in den Fig. 10F und 10G). Jeder der äußeren Gitterstreifen 22 kann in die oberste Horizontalposition geschwenkt werden, so daß er vom Laserstrahl LB erreichbar ist, indem der Rahmen um die Y-Achse um einen Winkel von 180ºGrad gedreht wird (oder durch Drehen des Trägers 200 um einen Winkel von 180ºGrad um die mittige Achse AC, welche der X-Achse in den Fig. 10F und 10G entspricht).
Für eine detailliertere Erläuterung der verschiedenen gewünschten Orientierungen des Gitters 16, die durch die vorliegende Erfindung 'ermöglicht werden, wird nun auf die Figuren 10A bis 10H Bezug genommen. In Fig. 10A ist das Gitter 16 ran perspektivischer Darstellung in der Horizontal-bzw. XY- Ebene liegend dargestellt. Die in den Fig. 3C und 4 dargestellte Schweißhalterung 150 und die in den Fig. 5 bis 9 dargestellte Schwenkbaugruppe 180 sind in den Fig. 10A bis 10H nicht dargestellt, obwohl sie beide notwendig sind, um die Bewegungen des Gitters 16 in den Fig. 10A bis 10H zu erläutern. Es ist klar, daß das Gitter 16 in jede der in den Fig. 10A bis 10H beschriebenen Orientierungen durch entsprechende Bewegung des ausgesparten Rahmens 182 um die Y- Achse und Bewegung des Trägers 200 um die mittige Achse AC gebracht wird. In einigen Figuren verläuft die mittige Achse AC längs der Z-Achse oder der X-Achse, je nach der Orientierung des Rahmens 180 um die Y-Achse.
Bezugnehmend auf Fig. 10A als Ausgangspunkt werden die Seiten des Gitters 16 nachstehend wie folgt bezeichnet. Die obere quadratische Seite ist die Seite A, die untere quadratische Seite, die in Fig. 10A verdeckt ist, ist die Seite D, die rechteckigen Seiten B und C liegen einander gegenüber, und die rechteckigen Seiten E und F liegen ebenfalls einander gegenüber und verlaufen senkrecht zu den rechteckigen Seiten B und C.
Gemäß der Erfindung kann die Schweißkammer 160 (Fig. 4), wenn das Gitter 16 sich in der in Fig. 10A gezeigten Position befindet, in der XY-Ebene indexiert werden, um das Gitter 16 mit Bezug auf den Schweißlaserstrahl LB zu positionieren, um das Schweißen der Kreuzungspunkte 24 an der Seite A der Gitterstreifen 20 zu ermöglichen, wie in der Einzelheit rechts des dargestellten Gitters 16 dargestellt ist.
Wenn die Schweißungen an der oberen Seite A des Gitters 16 durchgeführt sind, kann der Rahmen 180 und folglich das von diesem in der Schweißhalterung 150 (Fig. 4) getragene Gitter 16 aus seiner Position nach Fig. 10A um die Y-Achse um einen Winkel von 90ºGrad gedreht werden, so daß der äußere Gitterstreifen 22 (Seite B) in die obere Horizontalebene gedreht und vom Laserstrahl LB bestrichen wird, der entlang der Z-Achse (Fig. 10B) verläuft. Infolgedessen können die Schnittstellen, an welchen die Laschen 26 der inneren Gitterstreifen 20 in die Schlitze 28 im äußeren Gitterstreifen 22 eingreifen (in der Einzelheit zu Fig. 10B im einzelnen gezeigt) vom Laserstrahl LB bestrichen und geschweißt werden. Außerdem können die Eckschweißungen 30 gemacht werden.
In Fig. 10C ist das Gitter 16 (durch Drehung des Rahmens 180) um 180ºGrad um die Y-Achse aus seiner Position nach Fig. 10B gedreht dargestellt. Folglich befindet sich nun der äußere Gitterstreifen 22 an der Seite C in der oberen Horizontalebene und ist vom Laserstrahl LB bestreichbar. Es werden gleiche Schweißungen, wie mit Bezug auf 10B beschrieben, hergestellt.
Bei herkömmlichen Vorrichtungen währe nun ein Abnehmen und Neupositionieren der Schweißhalterung nach dem Schweißen nur der Seiten A, B und C erforderlich.
Bei der vorliegenden Erfindung weist die Schwenkbaugruppe 180 die Aussparung 184 im Rahmen 182 auf, der das Umkehren der Schwenkbaugruppe 180 zum Schweißen der Seite D durch die Aussparung 184 hindurch ohne Abnehmen und Neupositionieren der Schweißhalterung 150 auf der Schwenkbaugruppe 180 und ohne Spülen der Kammer 160 ermöglicht. In Fig. 10D ist das Gitter 16 um einen Winkel von 90ºGrad um die Y-Achse aus seiner Position nach Fig. 10C gedreht gezeigt, so daß nun die Seite D vom Laserstrahl LB bestreichbar ist, um die Schnittstellenschweißnähte an den Kreuzungspunkten 24 herzustellen, wie in der Einzelheit gezeigt ist.
Wäre das zusätzliche Merkmal des drehbaren Trägers 200 nicht vorhanden, wäre es an dieser Stelle notwendig, die Schweißhalterung 150 von einer nicht mit einem solchen Träger 200 ausgerüsteten Schwenkbaugruppe abzunehmen und neu zu positionieren. Jedoch ermöglicht der Träger 200 eine Drehung der Schweißhalterung 150 relativ zur Schwenkbaugruppe 180. In Fig. 10E ist das Gitter um einen Winkel von 90ºGrad um die mittige Achse AC aus seiner Position nach Fig. 10D durch entsprechende Drehung des Trägers 200 (Fig. 4) gedreht dargestellt, so daß die äußeren Gitterstreifen EF parallel zur Y- Achse sind. Diese Drehung erfolgt in Vorbereitung für die weitere Drehung des Gitters 16 in die in Fig. 10F gezeigte Orientierung. In Fig. 10F ist das Gitter 16 um die Y-Achse um einen Winkel von 90ºGrad auf seiner Position in Fig. 10E gedreht worden, so daß der äußere Gitterstreifen 22 an der Seite E sich in der oberen Horizontalebene befindet und zum Schweißen durch den Laserstrahl LB bestrichen werden kann, wie oben beschrieben und in der Einzelheit dargestellt ist.
In Fig. 10G ist das Gitter 16 um die Y-Achse um einen Winkel von 180ºGrad gedreht dargestellt, so daß der äußere Gitterstreifen 22 an der Seite F in der oberen Horizontalebene gelegen ist, um zum Schweißen der Laschen 26 und der Ecken 30 durch den Laserstrahl LB zugänglich zu sein.
In Fig. 10H ist das Gitter 16 in seine ursprüngliche bzw. Ausgangsposition nach Fig. 10A zurückgedreht dargestellt, indem das Gitter 16 um einen Winkel von 90ºGrad um die Y-Achse und dann um einen Winkel von 90ºGrad um die mittige Achse AC aus der Position nach Fig. 10G gedreht wurde. An dieser Stelle kann das Gitter 16, das nun an allen sechs Seiten A bis F geschweißt worden ist, aus der Schwenkbaugruppe 180 und der Kammer 160 herausgenommen werden.
Gemäß der Erfindung werden Drehungen des Gitters 16 um die Y- Achse leicht durch Antrieb des Rahmens 180 mittels des Antriebsmechanismus 194 bewerkstelligt. Drehungen des Gitters 16 um die Y- und Z-Achsen erfolgen durch Drehung des Trägers 200 mittels des Antriebsmechanismus 212.
Aufgrund der durch die hier beschriebene Anordnung geschaffenen Verbesserungen ist es möglich, die Schweißhalterung 150 auf die Schwenkbaugruppe 180 aufzusetzen und Schweißungen an jeder der sechs Seiten A bis F durch einfache Drehbewegungen der Schwenkbaugruppe 180 um die Y-Achse und Drehbewegungen des Trägers um die X- und Z-Achsen durchzuführen. Das Schweißen an allen Seiten A bis F erfolgt ohne Herausnehmen der Schweißhalterung 150 aus der Kammer 160 und ohne Neuorientieren der Schweißhalterung 150 in der Schwenkbaugruppe 180, wie dies in bekannten Anordnungen der Fall ist. Folglich ist es unnötig, die Schweißkammer 160 zu spülen, und das Gitter 16 wird schneller und mit geringerem Kostenaufwand geschweißt. Außerdein ist die Gefahr der Beschädigung des Gitters 16 durch manuelles Neuausrichten während der Umpositionierung der Schweißhalterung 150 aufgrund der vorliegenden Erfindung verringert.
In gewissen Anwendungsfällen ist eine umfangreichere Schweissung des Gitters 16 erforderlich, beispielsweise eine volle Längsschweißung entlang der Gitterkreuzungspunkte 24. Gewünschtenfalls können solche durchgehenden Schweißungen der Gitterkreuzungsstellen 24 unter Verwendung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung hergestellt werden. Um dies
zu bewerkstelligen, ist es notwendig, die Schweißhalterung 150 (Fig. 3C?D) aus der Kammer 160 herauszunehmen und das in der hier beschriebenen Weise geschweißte Gitter 16 von der Halterung 150 abzunehmen. Das Gitter 16 wird dann in einer offenen Schweißhalterung 150' (Fig. 11) eingesetzt. Die offene Schweißhalterung 150' ist ähnlich der Schweißhalterung 150, die in den Fig. 3B und 3D dargestellt ist, und gleiche Elemente haben die gleichen Bezugszeichen. Beispielsweise ist der Haltestreifen 80 der gleiche. Jedoch weisen eine abgewandelte fahnenseitige Schweißplatte 120' und eine abgewandelte hülsenseitige Schweißplatte 140, jeweils einen ausgesparten Gitterrand-Halterahmenteil 121 mit einem offenen Bereich 123 auf. Dieser offene Bereich 123 ermöglicht den Zutritt des Laserstrahls LB zu den Kreuzungsstellen 24 in jeder Zelle. Bei dieser Anordnung wird die beschriebene abgewandelte Schweißhalterung 150' auf die Schwenkbaugruppe 180 (Fig 4) aufgesetzt und der Träger 200 um die mittige Achse AC so gedreht, daß die Seiten A, B, C und D etwa unter einem 45ºGrad-Winkel relativ zur Z-Achse liegen. Danach kann der die Schweißhalterung 150 tragende Rahmen 182 um die Y- Achse um etwa 19ºGrad aus der Horizontalen gedreht werden, wodurch die Kreuzungsstellen 24 der Länge nach dem Laserstrahl LB ausgesetzt sind, wie in Fig. 11 dargestellt ist. Das Vorhandensein von Kerben 318 in 45ºGrad-Intervallen erleichtert also eine schnelle Orientierung des Gitters 16 für eine längsdurchlaufende Schweißung der Zellenkreuzungsstellen. Es ist zu beachten, daß zur Durchführung von über die ganze Länge durchlaufenden Kreuzungsstellenschweißungen in jeder der Zellen weitere Drehungen der abgewandelten Schweißhalterung 150' um die mittige Achse AC und um die Y-Achse notwendig sein können. Jedoch erscheint eine weitergehende Erläuterung im Hinblick auf die vorhergehenden Beschreibungen unnötig.
Der für eine längsdurchlaufende Kreuzungsstellenschweißung beschriebene zusätzliche Schweißschritt ist für gewisse Gitterkonstruktionen notwendig. Das Erfordernis des Herausnehmens und Auswechselns der Schweißhalterung 150 ist nur wegen der begrenzten Möglichkeiten gegenwärtig verfügbarer Schweißhalterungskonstruktionen notwendig. Mit einer vielseitigeren Schweißhalterungskonstruktion kann jedoch ein Herausnehmen der Schweißhalterung für eine durchlaufende ist, daß Schweißungen einer bestimmten Art unter Verwendung der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung an allen Seiten des Gitters ohne Herausnehmen des Gitters aus der Kammer 160 durchgeführt werden können, trotz der Beschränkungen verfügbarer Schweißhalterungen.

Claims

1. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) zum Halten und indexierbaren Positionieren jeder Seite eines mehrseitigen Werkstücks (16) im Strahlengang eines Schweißlaserstrahls (LB), mit

einem Rahmen (182) mit einer mittigen Öffnung (184), durch welche der Laserstrahl (LB) hindurchgeworfen werden kann, wobei der Rahmen (182) innerhalb einer Schweißkammer (160) montiert ist, die relativ zum Schweißlaserstrahl (LB) in einer zur Richtung des Schweißlaserstrahls senkrechten Ebene indexierbar beweglich ist, so dar der Rahmen relativ zum Schweißlaserstrahl in dieser Ebene mindestens im Ausmaß der Begrenzungen der genannten Öffnung indexierbar beweglich ist, und wobei der Rahmen innerhalb der Schweißkammer (160) um einen Winkel von 3600 um eine zu der Öffnung (184) parallele Querachse drehbar ist,

und mit einem auf dem Rahmen (182) drehbar montierten Träger (200) zum Halten des Werkstücks in einer rahmenparallelen Ebene, wobei der Träger (200) um einen Winkel von 3600 um eine zu der Öffnung (184) des Rahmens und zum Träger (200) konzentrische und orthogonal zu der genannten Querachse verlaufende Achse drehbeweglich ist,

derart, daß das Werkstück in orthogonalen Ebenen jeweils um 3600 drehbar und bezüglich des Schweißlaserstrahis (LB) indexierbar ist, so daß sämtliche Seiten des Werkstücks im Strahlengang des Schweißlaserstrahls (LB) ohne Abnehmen des Werkstücks von der Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) positionierbar ist.

2. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (182) eine stehende zylindrische Seitenwand, die die Öffnung (184) umschließt und dazu konzentrisch ist, und zwei diametral an dieser Seitenwand (162) befestigte Wellenelemente (188R, 188L) aufweist, die in einer zur Bewegungsebene (X, Y) der Werkstückhandhabungsvorrichtung parallelen Achse (y) liegen und in Öffnungen (192) in der Schweißkammer (160) drehbar gehaltert sind.

3. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsorgan (194) mit mindestens einem der Wellenelemente (188R) zum Antrieb des Rahmens (182) gekuppelt ist.

4. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsorgan (194) im Sinne eines schrittweisen Antriebs des Rahmens (182) in 90º-Schritten betreibbar ist.

5. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (200) eine herabhängende Wand (202) mit einer mittigen Öffnung (204) aufweist und so rahmenparallel montiert ist, daß die mittige Öffnung (204) konzentrisch mit Bezug auf die Öffnung (184) des Rahmens (182) gelegen ist.

6. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch gegenüberliegend am Rahmen (182) montierte Lagermittel (206) zum radialen Zusammenwirken der herabhängenden Seitenwand (202) des Trägers (200).

7. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die herabhängende Seitenwand (202) des Trägers (200) einen kegeligen Umfangsvorsprung aufweist und die Lagermittel (206) Rollen (208) mit entsprechenden Kegelflächen zur Aufnahme dieses Vorsprungs aufweisen.

8. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerantriebseinrichtung (212) einen am Rahmen (182) montierten Motor (213), ein am Träger (200) montiertes und mit der Öffnung (184) des Rahmens (282) konzentrisches Stirnrad (210) und ein vom Motor (213) angetriebenes Ritzel (214) aufweist, das zum Antrieb des Trägers (200) mit dem Stirnrad (210) in Eingriff steht.

9. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (200) in Abstandsintervallen angeordnete Indexkerben (318) aufweist und ein Elektromagnet (310) mit hin- und herbeweglichem Kern (312), der so orientiert ist, daß er jeweils in eine der Kerben (318) eingreifen kann, zur Arretierung des Trägers (200) gegen Drehung durch solchen Eingriff vorgesehen ist.

10. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (310) am Rahmen (182) montiert und der Kern (312) hin- und herbeweglich in einer Radialöffnung (314) der stehenden Wand (186) geführt ist, um in die Kerben (318) eingreifen zu können.

11. Werkstückhandhabungsvorrichtung (180) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerantriebseinrichtung (212) für einen indexierbaren Antrieb des Trägers (182) in 45º-Schritten betreibbar ist.