SE461199B - Apparat foer genomfoerande av ett flertal laserbearbetningsaatgaerder - Google Patents

Description

461 4 199 2 förskjutningsaxel, och ställorgan (171, 177) i strålbanan respektive varje strålbana för inställning av den nämnda delen av denna på ett sätt som möjliggör att den av målinriktningsorganen kastade skuggan ändras från en felinriktningsindikerande form till en överensstämmelseindikerande form, varigenom nämnda del av strålbanan riktas till överensstämmelse med fokuseringsorganens förskjutningsaxel.

Med den med de ovannämnda strålinriktningsorganen försedda apparaten kan laserstrålen fokuseras mot en mångfald laserbearbetnings- ställen med hög grad av precision och utan störande drift av dess brännpunkt.

I ett föredraget utförande enligt uppfinningen som nedan beskrivs närmare i detalj innefattar inriktningsorganen två målbildande delar som hålls av bärorganen i en ifrågavarande strålbana på avstånd från varandra och på sådant sätt att de kastar en sammansatt skugga som varierar mellan en reguljär form och irreguljära former, representerande riktig respektive oriktig inriktning av det ifrågavarande strålpartiet i förhållande till fokuseringsorganens förskjutningsaxel. Målinriktningsorganens bärorgan i strålbanan respektive var och en av strålbanorna är anordnade för placering av de båda målbildande delarna i ett strålavsnitt som mellan de målbildande delarna inte innehåller några optiska element, såsom linser eller speglar.

Inställningsorganen hos en enligt uppfinningen utförd apparat innefattar en styrspegel som är anordnad i laserstrålen och åter-sänder laserstrålen i samma strålbana, varvid denna styrspegel är vridbar kring två axlar som är väsentligen vinkelräta mot varandra. Inställningsorganen innefattar vidare en andra styrspegel som även den är inställbar genom vridning kring två väsentligen mot varandra vinkelräta axlar och som är anordnad i vägen för den från den förstnämnda spegeln återsända laserstrålen och reflektera den utmed det strålbaneparti som skall inriktas till överensstämmelse med fokuseringsorganens rörelseaxel.

Som exempel på ett utförande enligt uppfinningen beskrivs i det följande en utföringsform enligt densamma med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka fig. 1 är en perspektivbild av en bränslepatron i en kärnkraftsreaktor, fig. ZA, 2B och ZC är perspektiv-, plan-, respektive tvärsnittsbilder avseende i patronen enligt fig. 1 använda bränslestavgaller, fig. 3 schematiskt illustrerar hur förskjutning av en laserstråle fokuserande lins till olika fokuseringslägen kan utan en korrektion av det med uppfinningen åsyftade slaget, medföra drift hos brännpunkten ur dess rätta läge , fig. 4 är en perspektivisk sprängbild visande utförandet av en stomme för en 461 199 3 med uppfinningen utrustad lasersvetsapparat, fig. 5 perspektiviskt illustrerar det optiska systemet hos lasersvetsapparaten, fig. 6 visar laserfokuseringslinsen enligt fig. 3 och ett exempel på hur den bryter ljusstrålar från en laser, fig. 7A och 7B visar en lasersvetsapparat enligt figurerna 4 och 5 sedd från sidan respektive uppifrån, fig. 8A och BB visar anordningen av styrspeglar för återsändning av horison- tellt orienterad lasersträle utmed en vertikalt orienterad bana, som är noga inriktad i förhållande till en vertikal axel, Z-Z'-axel, sedd från sidan respektive framifrån, fig. 9A är en planvy och fig. 9B ett tvärsnitt utmed linjen 9B-9B i fig. 9A av ett stràlinriktningsorgan för användning enligt uppfinningen, fig. lÛ visar en styrspegelanordning som använd vid den i fig. 7B, 8A och BB visade svetsapparaten, fig. ll är ett tvärsnitt genom laserfokuseringsanordningen enligt figurerna 5 och 7A, och fig. 12A och l2B visar skuggor som kastas av en laserstråle som riktas genom ett par av strålinriktningsorgan av det slag som visas i figurerna 9A och 9B när laserstrålen och Z-Z'-a>_ Z-Z'-axeln är felinställda i förhållande till varandra.

Fig. 1 visar ett utförande av en kärnbränslepatron, vid vars tillverkning apparaten enligt uppfinningen för noggrann laserbearbetning kan användas. Denna bränslepatron, vilken som helhet är betecknad 10, utgör en färdig enhet som består av ett övre samlingskärl 12, ett undre samlingskärl 14 och mellan dessa ett arrangemang av kärnbränslestavar 18, som hålls i läge med galler 16. De bada samlingskärlen 12 och 14 tillsammans med gallren 16 bildar en stomme som bär bränslestavarna 18 och inte visade styrstavar. Bränslepatronerna är på förutbestämda ställen insatta i en kärn- reaktor, varför orienteringen av bränslestavarna 18 i förhållande till varandra är rigoröst bestämd.

Den precisionslasersvetsapparat som är utförd enligt uppfinningen beskrivs i det följande i samband med tillverkning av bränslestavgaller 16.

Utförandet av ett av dessa galler framgår av figurerna 2A-2C. Det är, sett i plan, huvudsakligen kvadratiskt och dess periferi bildas av fyra yttre galler- plåtar 22, som vid ändarna är hopsvetsade med sömsvetsar 30 vid hörnen. En mångfald inre gallerplåtar 20 bildar en äggkartongstödsliknande anordning som begränsar passager för bränslestavar 18 och inte visade styrorgan för styrstavar. De inre gallerplåtarna 20 som skär varandra har samverkande 461 199 4 slitsar vid skärningspunkterna, såsom vid 24, så att platarna kan skjutas in i varandra, varvid en förbindelsesvets 32 är anordnad vid varje skärningspunkt 24 för att hålla ihop de varandra skärande inre galleravsnitten. Varje inre gallerplat 20 har vid sina ändar flikar 26, som ligger i motsvarande slitsar 28 på de yttre gallerplatarna 22 och är fästa vid dessa medelst slits- och fliksvetsar 34 som sträcker sig utmed de övre och undre raderna flikar 26 och slitsar 28. Hylsor 36 för styrstavarnas styrorgan är anordnade i ett förut- bestämt mönster på ena sidan av gallret 16. Varje hylsa 36 ligger i urtagningar 38 i kantpartierna av de inre platsektioner som definierar en till respektive hylsa 36 hörande galleröppning och är fäst vid de inre plåtsek- tionerna med stumsömsvetsar 40.

Den nedan beskrivna precisionslasersvetsapparaten enligt uppfin- ningen är speciellt avpassad för utförandet av svetsarna 30, 32, 34 och 40 i en serie styrda svetsoperationer. Det ma framhållas att gallret 16 efter varje sådan svets aterförs i läge och/eller att laserstraléns brännpunkt ställs om för utförande av den speciella typ av svets som önskas.

Var och en av innerplatarna 20 har, som framgår av fig. ZB och 2D, en mångfald av fristansade fjädrande remsor 44, vilka ligger väsentligen parallellt med varandra, varvid varje innerplat 20 ocksa har en mångfald utsprang 46 som är belägna på den remsorna 44 motsatta sidan av platen, så att en remsa 44 och ett motstående utsprang 46 samverkar för att fjädrande halla och bilda lateralt stöd för de bränslestavar 18, som sträcker sig genom de av plåtarna bildade gallerpassagerna.

Vid tillverkningen av gallren 16 sammanställs först de ovan beskrivna delarna och hopsvetsas därefter. När svetsarna 32 vid skärnings- punkterna utförs, förflyttas gallret 16 stegvis utmed sina X- och Y-axlar och stannas vid vart och ett av en mångfald lägen, där laserstralen ställs in i förhållande till skärningarna mellan innergallerplatarna 20, varefter laserkäl- lan kopplas på och skickar en laserstrale mot det inställda stället i och för svetsning. Därefter flyttas gallret 16 till nästa position för utförande av nästa svets 32. Slits- och fliksvetsarna 34 och även hörnsvetsarna 30 utförs genom att gallret 16 vrids kring sin Y-axel, sa att var och en av dess ytterplåtar 22 kommer i läge för laserstralsvetsning. Sömsvetsarna 40 för att hålla hylsorna 36 på plats och belägna i urtagningarna 38 pa innerplatarna 20 utförs genom vridning av gallret 16 till ett läge i 450 vinkel i förhållande till laserstralen, så att laserstralen kan träffa övergången mellan hylsorna 36 och urtagningarna 38. Laserstralen fokuseras först för utförande av de i ett enda plan liggande skärningssvetsarna 32. För utförandet av hörnsömsvetsarna 30 5 461 199 och* slits- och fliksvetsarna 34 är det nödvändigt att vrida gallret 16 ut ur det plan i vilket svetsarna 32 ligger, vilket salunda kräver nyfokusering av laserstralen. Pa liknande sätt vrids gallret 16 ur planet för skärningssvetsarna 32 till ett läge i 450 vinkel i förhållande till laserstralen, vilket likaledes nödvändiggör nyfokusering av laserstralen.

Fig. 4 visar en lasersvetsapparat 102 som är lämplig för använd- ning vid utförande av en serie svetsoperationer av det slag som erfordras för utförandet av skärningssvetsarna 32, slits- och fliksvetsarna 34, hörnsömsvet- sarna 30 och urtagningssömsvetsarna 40 som krävs för att fästa ihop de yttre och inre gallerplatarna 20, 22 sa att de tillsammans bildar gallret 16, och för att fästa hylsorna 36 för de inte visade styrstavsstyrorganen vid det bildade gallret 16.

I anslutning till lasersvetsanordningen 102 finns ett par inställ- ningsanordningar l06a och l06b för att flytta arbetsstycken, t.ex. galler 16, till lägen för pa varandra följande svetsarbeten. Varje inställningsmodul 106 har en svetskammare 108, exempelvis som visat i fig. 5 kammaren l08a, i vilken det galler som skall svetsas placeras och som är sa utrustad att lasersvetsníng kan genomföras i densamma, exempelvis i en atmosfär av inert gas. En huvudstomme 122 bär lasersvetsanordningen 102 pa sadant sätt att det är inställbart till ett riktningsläge i förhållande till de bada inställnings- anordningarna l06a och l06b. När inställningsanordningarna l06a och l06b är inställda i linje med laseranordningen 102 lases de fast i förhallande till huvudramen 122 och därmed i förhallande till laseranordningen 102, sa att inriktningen av laserstralknippet 169 kan noga regleras i förhallande till var och en av inställningsanordningarna l06a och l06b och därmed i förhallande till de bränslestavgaller 16 som de bär. Huvudramen 122 har en övre platta 142 och en undre, inte visad undre platta som är fastsvetsade vid en ram av kvadratiska rör. Den övre plattan 142 är planad efter fastsvetsningen vid sin ram, sa att den bildar en referensyta för de pa densamma monterade systemkomponenterna, och pa lämpligt sätt, exempelvis med bultar, fäst pa plats.

En stadig ställning 140 som är fäst pa den övre plattan 142 bildas av ett par ben 139 och 141 som vardera har en styrbult med vilken detnär fäst vid plattan 142. lnställningsanordningarna 106 är monterade pa ramen 122 och bestar vardera av en basplatta 150 som är fäst vid plattan 142 vid sina fyra hörn, sídoväggar 152 och 154 som är fästa vid basplatta; 150 och en övre täckplat 156 som ligger tätt intill (pa mindre än 1 mm) tätningsflänsar 109a och 109b pa de bada svetskamrarna 108a och l08b kring dess öppningar, som 461 199 *6 visat i fig. 5.

Som framgar av fig. 4 och 5 haller ställningen 40 lasersvetsanord- ningen 102 innefattande laseremissionskällan i form av en laserstav 170 och tillhörande optik i förhållande till referensytan pa ramen 122 och bränslestav- gallren 16. Laserstaven 170 är anordnad inom ett laserhus 166, fig. 4, som är monterat pa en optikinstrumentplatta 168, vilken bearbetats till planhet inom mycket snäva toleranser. Instrumentplattan 168 är monterad pa ett laser- underlag 162, som i sin tur bärs av en tvärbalk 157 och en horisontell liggare 159, vilka bildar del av ställningen 140. Pa instrumentplattan 168 är vidare en ställbar stralinriktningsspegel 172, fig.5, med tillhörande ställorgan monterad och stationära stralomriktare i form av speglar l76a, l76b och 174, l74a, l77b. Som framgar av fig. 7B är den ställbara stralinriktningsspegeln 172 anordnad pa en omställbar spegelhallare 331, som i sin tur bärs av ett spegelomställningsbord 175. Spegelomställningsbordet 175 är som antytt med pilen 327 rätlinjigt förskjutbar mellan ett läge i vägen för laserstralknippet 169, som visat med heldragna linjer, och ett läge, visat med streckade linjer, i vilket laserstralknippet 169 kan träffa den stationära stralomriktaren 174 för att av denna riktas at vänster som visat i fig. 5 eller 7B. Drivorganet för omställning av spegelomställningsbordet 175 kan vara en linjär induktions- elektromotor exempelvis av det slag som tillverkas av Anorad Inc.

Ställningen 140, fig. 4, som bär instrumentplattan 168 med det av denna burna laserunderlaget 162 är en svetskonstruktion utförd av kvadratis- ka rör och ger den erforderliga styvheten för att upprätthålla den kritiska ömsesidigheten i inriktningen mellan laserstralknippet 169, fig. 5, som avges fran laserstaven 170 och bränslestavgallren 16. Laserunderlaget 162 är fäst pa ett par ställbara domkraftsstöd l58a och l58b pa tvärbalken 157 vid dennas ändar. Vid motsatta änden av den horisontella liggaren 159 förefinns ett sfäriskt lager 160 som där ger ett enpunktstöd för underlaget 162 som medger vridning av underlaget vid inställning av stöden l58a och l58b. Det sfäriska lagret 160 är anordnat pa fast höjd och bildar ett centrum kring v' at basen kan ställas in i olika lutningslägen.

Laserunderlagets 162 plan maste ligga fast när underlaget utsätts för inställningskrafterna fran domkraftstöden l58a och lS8b vid den ur- sprungliga inriktningen av svetsanordningen 102. Laserunderlaget 162 bär ocksa ett par fokuseringslinssystem 204 (fig. 5, 7A och 11) för laserstralarna, vilka ärrätlinjigt inställbara för fokusering av laserstra-lknippet 169 mot bränslestavgallren 16 som ligger i sina svetskammare 108, varvid underlaget 162 är sa utfört att fokuseringslinssystemet 204 kan inriktas sa att dess . '__V:,,» 7 461 199 Z-axel ligger vinkelrätt mot underlagets 162 övre yta. Som framgår av fig. 4 och 5 riktas sålunda ett laserstrålknippe, exempelvis strålknippet 169, från iaserstaven 170 mot strålomriktningsspegeln 172, som riktar strålarna antingen först utmed en bana l78a mot ett par strålomriktningsspeglar l76a och l76b och därefter utmed en bana l78b mot det andra paret strålomrikt- ningsspeglar l77a och l77b, varefter det utmed banan l78a riktade strål- knippet skickas genom en öppning l8Ûa i inställningsanordningen l06a och det utmed banan 178b gående strålknippet skickas genom en öppning l80b i inställningsanordningen l06b.

Den i fig. 5 som exempel visade laseranläggningen kan vara av det slag som tillverkas av Raytheon under modellbeteckningen SS5500. Den har en laserstav 170 i form av en NdzYAG-kristallaser och ett par linjära kryptonblixtlampor 186 som är anordnade i ett högeffektivt laserhuvud. Detta laserhuvud innehåller en totalreflekterande spegel vid vardera änden av iaserstaven 170. En ihnerkavitetsslutare 188, anordnad mellan iaserstaven 170 och den totalreflekterande spegeln 182, styrs så att den släpper fram ett valt antal lasningspulser i beroende av den energi som krävs för ifrågavarande svetspunkt. Laserhuvudet är utfört så att alla optiska element i detsamma, inklusive iaserstaven 170, exciteringslamporna 186 och speglarna 182 och 184, lätt och oberoende av varandra kan ersättas, varvid exciteringslamporna 186 lätt kan bytas ut utan att den optiska inställningen störs. Vidare är excite- ringslamporna 186 vattenkylda i hela sin längd, inklusive ändanslutningar.

Triggningen av lamporna ger parallell pulsning av excíteringslamporna 186 vid aktivering av kaviteten. Laserstaven 170 kan vara så vald att 'en genomsnitt- lig effekt av 400 watt fås vid arbetsstycket varvid ineffekten till den pulsbildande kopplingen inte behöver överskrida 18 kW när man arbetar med pulslängder på 6 ms och 2 ms och pulsrater på 20 Hz respektive 50 Hz.

En stråldumpningsslutare 190 visas i fig. 5 i ett laserstrålningen uppfångande, första läge, i vilket den avböjer strålknippet 169 till en bana 196 in i en strålabsorbator 194. Den ligger i detta läge under de tider då arbetsstycket, dvs. här bränslestavgallren 16, skall ändras om i svetskamrarna 108. Med ett ställorgan 192 kan slutaren 190 omställas från detta läge till ett andra läge, i vilket den inte ligger i vägen för strålknippet och vid vilket strålknippet skickas genom ett strålvidgande linssystem 198 mot det strålin- riktningsorgan som innefattar den ställbar-a strålinriktningsspegeln 172 och den stationära spegeln 174. När strålinriktningsspegeln 172- ligger i vägen för strålknippet 169 reflekterar den strålningen utmed banan l78a mot paret strålomriktningsspeglar 176a och l76b, som riktar strålningen i vertikalled in 461 199 8 i laserfokuseringslinssystemet 204a som fokuserar stralknippet mot bränsle- stavgallret 16 i kammaren l08a. Som kommer att beskrivas närmare i detalj nedan har varje linssystem 204 en fokuseringslins 202 som sitter i en hylsa 200. När spegeln 172 med ett densamma bärande bord 175 ställs om fran att ligga i vägen för stralknippet 169, träffar detta den fasta spegeln 174 och riktas av den mot stralinriktningsspeglarna l77a och l77b, sa att stralknippet skickas vertikalt nedat mot svetskammaren l08b.

Den pa ritningsblad bredvid fig. 3 visade fig. 6 illustrerar ett exempel pa brytningen av laserstralknippet 169 med fokuseringslinsen 202 för bildning av ett fokus. Som visad i denna figur antas att linsen är felinriktad i förhållande till den Z-Z'-axel utmed vilken linssystemet 204 tillsammans med sin fokuseringslins 202 flyttas vid inställning, dvs. fokuseringslinsens 202 sanna optiska axel Y-Y' antas ligga nagot ocentrerat och vinklat i förhallande till Z-Z'-axeln med en vinkel 9'. Stralarna X-X' i stralknippet 169 faller in mot fokuseringslinsen 202 i en vinkel O i förhallande till Z-Z'-axeln. För enkelhets skull är linjerna Z-Z', Y-Y' och X-X' samtliga i fig. 6 visade i ett och samma plan, men i allmänhet kommer dessa linjer att vara orienterade i olika ritningar, sa att inga parvis kommer att ligga i ett och samma plan.

F ig. 6 visar stralarna i laserstralknippet som fokuserade av fokuseringslinsen 202 mot ett gemensamt fokus X' som ligger i en punkt pa ett avstand f, fokaldistansen, fran linsen 202 och förskjutet i sidled ett avstand X fran Z-Z'-axeln'. Om Z-Z' och X-X' är ömsesidigt felinriktade, varierar sidoförskjutningen Z hos fokus Z' när fokuseringslinsen 102 förskjuts utmed Z-Z'-axeln. Den förenklade stralgangsskissen fig. 3 visar tre olika vertikallâgen hos fokuseringslinsen 202 och motsvarande tre olika fokusför- skjutningar X1, X2 och X3 i sidled. Av geometrisk optik framgar att variationen i sidförskjutning X relativt förskjutningen X0 motsvarande ett vertikalt referensläge hos linsen kan uttryckas som ' 6 2 fZABH s1n 8 cos 0 _ d-ZMLI cos 8 ,.

X-X där f är linsens fokaldistans, Z vertikalförskjutningen fran referensläget, AQM är den straldivergens som astadkommits av stralspridaren 198, 9 är laserstralknippets 169 infallsvinkel mot Z-Z'-axeln och d är laserstralknippets , 461 199 diameter vid platsen för fokuseringslinsen 202.

Det föreligger två speciella fall för ovanstående ekvation som här kommer närmare i betraktelse. Först må antas att 6 = D, vilket motsvarar noggrann anpassning av laserstrålknippets 169 riktning till Z-Z'-axeln. I detta fall blir X-XÛ = 0 för samtliga värden på Z, vilket är den ideala situationen. Även i det andra fallet, nämligen då laserstrålknippet 169 inte har någon divergens, dvs. AGM = 0, är emellertid X-XÛ = 0 för alla värden pä Z.

Sidoförskjutningen X-XÛ hos svetspunkten varierar sålunda som funktion av den vertikala förskjutningen Z av fokuseringslinsen 202 och, som framgår av fig. 6, medför minskning av vinkeln 6 mellan Z-Z'-axeln och strålarna X-X' i laserstrålknippet 169 till ett minimum och företrädesvis till 0, en avsevärd minskning av den förskjutning X-XÛ av fokus som uppträder när läget hos fokuseringslinsen 202 ändras.

Den enligt uppfinningen utrustade lasersvetsanordningen 102 som schematiskt visas i fig. 5 medger inriktning till överensstämmelse mellan laserstrålknippet 169 och den Z-Z'-axel, fig. 6, utmed vilken fokuseringslins- systemet 204 förskjuts. Som framgår av fig. 5 riktas strålknippet 169 i ett första fall av strålinriktningsspegeln 172 utmed banan l7Ha och av paret strålomriktningsspeglar l76a och l76b nedåt utmed en vertikal bana l7Bc mot fokuseringslinsen 202a, som fokuserar strålknippet mot bränslestavgallret 16 i den till höger i figuren visade svetskammaren l08a. I ett annat driftfall, då inriktningsspegeln 172 befinner sig i sitt andra läge ur vägen för strålknippet 169, reflekteras strålknippet av den stationära spegeln 174 utmed banan l78b för att därefter omriktas av parets inriktningsspeglar l77a och l77b nedåt utmed en vertikal bana 178d.

Vid normalt förlopp av svetsningen riktas strålknippet 169 utmed banan l78c och fokuseras av fokuseringslinsen 202a mot bränslestavgallret 16. I typfallet är det innan svetsningsåtgärderna genomförs nödvändigt att inrikta strålknippet 169 i förhållande till Z-Z'-axeln (fig. 6), dvs. att få ner vinkeln 6 till noll. Detta sker, som illustrerat av fig. 5 i samband med den vertikala strålbanan 178d, genom att man i den vertikala strålbanan inför ett par riktmedel l79b och l81b, vilka träffas av strålningen och som kastar skuggbilder i strålknippet 169 mot en lnriktningsviziz~.nde anordning 310. Som närmare beskrivet i detalj i det följande ersätts fokuseringslinsen 202b vid inriktningen av det undre riktmedlet l8lb. De inställbara strålomriktarna l77a och l77b kan fininställas på senare angivet sätt så att laserstrålknippets 169 banparti 178d centreras på riktmedlen l79b och 181b. Om banpartiet 178d mellan strålomriktningsspegeln l77b och det undre riktmedlet l8lb är 461 199 m parallellt med Z-Z'-axeln hos fokuseringslinssystemet 204b och om laserstrål- knippet 169 är rätt riktat i förhållande till Z-Z'-axeln så kommer vinkeln 6, fig. 6, att vara noll och sidoförskjutningen hos fokus att vara minimal när linssystemet 204 förskjuts uppåt och nedåt för utförandet av olika svetsar.

Arrangemanget av ett par strålomriktningsspeglar l76a, l76b eller l77a, l77b för varje fokuseringslins istället för en enda strålknippet vertikalt inriktande spegel har den fördelen att när strålknippet väl en gång inriktats med hänsyn till den ställbara strålinriktningsspegeln 172 och den stationära spegeln 174, dessa sistnämnda speglar kan låsas i läge och inriktningen av laserstrålknippet utmed de vertikala banpartierna l78c och l78d genomföras helt med inställning av ifrågavarande par av strålomrikt- ningsspeglar l76a, l76b respektive l77a, l77b.

Genom inställning av den stationära spegeln 174 är det möjligt att inrikta laserstrålknippet 169 inom gränserna för den maximala avvikelsen från strålbanorna l78a eller 178b. Storleken av den maximala avvikelsen beror av infallsvinkeln hos laserstrålknippet 169 mot den stationära spegeln 174 eller den ställbara inriktningsspegeln 172. Denna inställning kan_medföra en märkbar vinkelavvikelse när strålknippet 169 riktas utmed någon av de andra banpartíerna l78c eller l78d. För att åstadkomma fininställning av strålknippet 169 med användning av blott två riktmedel 179 och 181 är det nödvändigt att dessa riktmedel ligger i samma banparti utan mellanliggande optiska element, dvs. speglar, linser och annat. I ett föredraget utförande enligt uppfinningen av det visade slaget, är riktmedlen 179 och 181 anordnade i det andra segmentpartiet l78d respektive l78c.

Av fig. 7A och 7B framgår att den ställbara strålinriktnings- spegeln 172 och paren strålomriktningsspeglar l76a, l76b och l77a, l77b är monterade på instrumentplattan 168, (jfr. även fig. 4). Speciellt är den i stationära spegeln 174 och den ställbar-a strålinriktningsspegel 172 anordnade inom en styrspegelkåpa 302 som bärs av instrumentplattan 168. Denna kåpa 302 är ansluten till laserhuset 166 med teleskoperande rör 306 som är förbundna med varandra med bälgar 3F". Strålknippet 169 går genom rören 304 för att komma i det första fallet, äffa den ställbara strålinriktnings- spegeln 172 och av denna skickas utmedden första av de tidigare nämnda bandelarna, den horisontella bandelen l78a, genom teleskoperande rör 304a, som är inbördes förbundna med bälgar 308a och genom en öppning 30la in i spegelkåpan 3lJ0a, som innehåller paret strålomriktninršspeglar l76a och l76b. I det andra fallet, dvs. när strålinriktningsspegeln 172 är i sitt läge ur vägen för strålknippet 169, kan detta träffa den stationära spegeln 174 och 11 461 199 utmed den horisontella, första segmentbanan l78b reflekteras genom de av en bälg 308b förbundna rören 304b och genom en öppning 30lb in i en styrspegelkapa 300b, som innehaller paret stralomriktningsspeglar l77a och l77b.

Som framgar av fig. 7B är stralomriktningsspegeln 172 anordnad pa en support 331 som är monterad pa spegelbordet 175 och rätlinjigt förskjutbar, som antytt med pilen 327, medelst lämpligt, exempelvis i form av en linjär induktionsmotor bestående ställorgan. Den stationära spegeln 174 är fäst i en anordning 328, som är försedd med en ställbar mikrometerspindel 332 och bärs av instrumentplattan 168 av en support 330. Spindeln 332 möjliggör fininställning av den stationära spegeln 174 kring en axel som är vinkelrät mot figurplanet. Genom inställning av mikrometerspindeln 332 kan det horisontella banpartiet l78b noga injusteras sa att laserstralknippet 169 riktas in i spegelkapan 302 och mot den stralomriktande spegeln l77a.

Som framgar av fig. 7A riktas stralknippet 169 in i inställningsan- ordningarna l06a och l06b'av linssystemen 204a respektive 20lzb. Stralknippet som följer det undre banpartiet l78c träffar en termostapel 2l2a inom ett skärmrör 216a som bärs av ett förskjutbart bord 262a som i sin tur bärs av bärskenor 278a och block 282a pa sadant sätt att det är rätlinjigt förskjutbart in i och ut ur inställningsanordningen l06a. Som närmare beskrivet i patent- skriften till sökandens belgiska patent nr 897 643 alstrar värmestapeln 2l8a en utsignal som är representativ för effekten hos det infallande stralknippet 169 och som kan utnyttjas för regleringen av exciteringen av laserstaven 170 för att halla den infallande stralningens effekt konstant.

Stralknippet 169 riktas in i inställningsanordningen l06b av linssy- stemet 204b utmed det undre banpartiet l78d sa att det träffar den för uppnaendet av noggrann inriktning av det undre banpartiet l78d i förhallande till Z-Z'-axeln, utmed vilken linssystemet 204 rör sig, använda stralriktnings- visande anordningen 310. Som framgar av fig. 7A innefattar anordningen 310 ett stralmönsterbildande organ 320, som belyses med UV-stralning härrörande fran en pa ett stöd 322 monterad lampa 324. Bade stödet 322 och det stralmönsterbildande organet 320 är monterade pa ett inspektionsbord 316, som är försett med en fot 312 som i sin tur bär bordet 316 pa ett par ben 311 pa ett förskjutbart bord 262b. Ett par pa undersidan av bordet 262b fästa bärskenor 278b är förskjutbara i block 282b sa att bordet 262b kan röra sig rätlinjigt in i och ut ur inställningsanordningen l06b. F öfgenomförandet av en stralinriktning vid nagon av de tva svetsstationer som representeras av inställningsanordningarna l06a och l06b dras det bord 262 som hör till 461 199 i l, ifrågavarande inställningsanordning ur denna och den laserstrålningens rikt- ning visande anordningen 310 monteras på det, varefter bordet tillsammans med anordningen 310 återförs till läge inom inställningsanordningen så att strålknippet 169 utmed det undre banpartiet l78d riktas mot det strål- mönsterbildande organet 320 som visat i fig. 7A.

Strålomriktningsspeglarna l76a och l76b och särskilt styranord- ningarna 340a och 344a beskrivs med hänvisning till figurerna 8A och BB. Som framgår av fig. 8A riktas strålknippet 169 utmed det övre banpartiet l78a (som ligger i en linje vinkelrät mot figurplanet) träffar spegeln l76a och reflekteras av denna mot spegeln l76b, som därefter skickar strålknippet 179 utmed det undre banpartiet l78a nedåt genom en öppning 303a mot fokuse- ringslinsen 202a, som fokuserar strålen mot bränslestavgallret 16 på sätt som framgår av fig. 5. Som senare närmare kommer att beskrivas med hänvisning till fig. 10 är spegeln l76b monterad i styranordningen 144, som är försedd med ett par mikrometerskruvar 346 och 348 för injustering av azimut respektive elevation hos ríktspegeln l76b. Spegeln l76a är anordnad i en liknande, ehuru inte identisk, styranordning 340, som också är försedd med ett par mikrometerskruvar 342 och 344 för inställning av azimut respektive elevation hos ríktspegeln l76a. Styranordningen 344 är fäst på ett från en basplatta 338 uppskjutande stöd 352 och styranordningen 340 på ett T-format stöd 378.

Som framgår av fig. 8A har basplattan 338 en öppning 371 avsedd att uppta en riktmedelanordning 370 för det övre riktmedlet l79a (jfr. fig. S).

Denna riktmedelanordning 370 har en periferiell fläns 373 som vilar på en ringformad fläns i öppningen 371, varvid storleken, formen och placeringen av öppningen 370 är sådana att riktmedlet i riktmedelanordningen 370 när den sistnämnda är placerad i öppningen 370 är centrerad med avseende på det vertikala undre banpartiet l78a av strålknippet 169. Riktmedlet l79a hålls i anordningen 370 av en ring 375 som är inskruvad i anordningen 370. Vid förberedelserna för en inriktningsprocedur tas ett lock 334, fig. 88, som normalt tillsluter en öppning i spegelhuset 300a, bort och den riktmedlet 179 innehållande anordningen 370 sätts in i öppningen 371 med lämpligt verktyg, som antytt vid 374, som är gaffelformat och griper in i ett períferiellt spår 372 på anordningen 370. När inriktningsproceduren har utförts och innan svetsning åter påbörjas tas naturligtvis riktmedelsanordningen 370 med isittande riktmedel l79a bort ur öppningen 371 och huset 300. Ett spegelskydd 376 är fäst på stödet 352a mellan öppningen 371 och spegelanordningen 344a som skydd för spegeln l76b vid manipulation av anordningen 370. 13 46l 199 Som framgar av figurerna 9A och 9B bildas vart och ett av riktmedlen 179 och 181 av en ring 382 och ett par ringsegment 386a och 386b i varandra motsatta sektorer inom ringen, fästa pa var sitt radiella utsprang 384a respektive 384b som skjuter ut radiellt fran insidan av ringen 382, varvid vart och ett av dessa ringsegment omfattar i stort sett 900 pa periferin av en cirkulär, med ringen 382 koncentrisk öppning 388.

Som ytterligare framgar av fig. BB är stödet 352a ytterligare uppstyvat av en sträva 350a. För att skydda personer som ställer mikrometer- skruvarna 346a och 348a har dessa skruvar förlängningar 354a respektive 364a. Förlängningen 354 har ett lättrat ändparti som sträcker sig ut genom en öppning i en av kapans 300a sidoväggar, där förlängningens ände, när den inte skall manipuleras, är täckt av en skyddshatt 360a. Pa liknande sätt skjuter skruvförlängningen 364 ut genom en vägg pa kapan genom en ansats 366a och täcks av en hatt 368a när den inte skall manipuleras.

I fig. BB visas ocksa en vid inriktningen använd televisionskarnera 206 som monterad pa kapan 300a, orienterad utmed en axel 214 i linje med det undre banpartiet l78c. En säkerhetsslutare 212, fig. 5, är anordnad för att bryta stralgang utmed axeln 214 och en lins 210 utnyttjas för fokusering av de av de övre och undre riktmedlen 179 och 181 alstrade bilderna pa den inriktningsvisande anordningen 310 mot televisionskameran 206 för under- lättande av linsjusteringen av speglarna 176 och 177 som närmare beskrivet nedan.

Spegelstyranordningen 344a, som i stort visas i figurerna 8A och BB, framgar närmare i detalj av fig. 10. Spegelstyranordningen 340 och den stationära spegelanordningen 328 liknar spegelstyranordningen 348, men är inte utförd pa identiskt samma sätt. Spegelstyranordningen 344 har en yttre gimbalring 347 och en inre gimbalring 351. Den yttre gimbalringen 347 är monterade pa ett par lager 349a och 349b i anordningen 344 som medger vridning i en horisontell axel i och för inställning av elevationen. F injustering av läget hos den yttre gimbalringen 347 och därmed spegeln 176 sker med mikrometerskruven 348. Den inre gimbalringen 351 bärs av ett par lager 353a och 353b kring vilka den tillsammans med spegeln 176 kan vridas kring en som sedd i fig. 10 vertikal axel. Med mikrometerskruven 347 kan azimutläget hos den inre gimbalringen 351 och därmed spegeln 176 finjusteras. Spegelstyr- anordningen 344 och spegelstyranordningen 340, fig. BA, kan vara av det slag som tillverkas av Ealing Corporation under modellnumren 22-2125 respektive 22-2117.

Den för fokuseringen av stralknippet 169 mot arbetsstycket, 461 199 14 exempelvis bränslestavgallret 16, visas, tillsammans med en tillhörande skärmkapa 422, i fig. ll. Anordningen 204 omfattar ett linssystemet bärande rör 200, som är anordnat vertikalt i axiell inriktning i förhållande till strålbanepartiet l78c eller l7Bd. Ett undre parti 430 av röret 200 är anordnat för ísättning av en löstagbar linshallare 440, som samverkar med en låsring 436 med ett antal, exempelvis tre, spiralformade spar 434 för samverkan med ett motsvarande antal lasstift 432. Efter vridning kan lasringen 436 och linshallaren 440 lasas i förhållande till rörets undre parti 430. En konisk skyddsskärm 438 är så utförd att det fokuserade stralknippet 169 kan passera ner mot arbetsstycket och är försedd med en yttre gänga vid övre änden som är inskruvad i en innergänga pa linshallaren 440 som har en central öppning och bildar en linsfattning, i vilken antingen linsen 202, fig. 5, eller, som visat i fig. ll, det undre riktorganet 181 kan insättas och hållas av en gängad ring 442.

Av fig. ll framgår också att skyddsskärmen 438 sträcker sig genom en öppning i en lampskärm 446 och används för att hälla fast denna under linshallaren 440. I lampskärmen sitter ett par halogenlampor 428 för belysning av arbetsstycket, varvid i drift värme från lamporna 428 hindrar partiklar fran svetsningen att avsätta sig. Svetsaren riktar in arbetsstycket i förhållande till laserstrålknippet 169 genom att iaktta den bild som TV-kame- ran 206 ger, varvid han kan placera det till TV-kameran hörande elektroniska siktet (retícle) pa ett första svetsställe för bestämning av en förskjutning mellan ett hemläge och det valda första svetsstället. Denna förskjutning införs da automatiskt i de styrsignaler som tillförs det (inte visade) X-Y-inställningssystem som används, varigenom läget pa varje svetsställe i förhållande till laserstralarna kommer att vara noga bestämt. Lamporna 428 far ström genom stralar som gar genom en hylsa 449 i ett fäste 201 för röret 200. Dessutom finns i fästet 201 ett inlopp 448 för inertgas som leds genom ett rör 450 och kanaler 452 in genom hylsan 438 till ett rum inom en röret 200 bärande stuts 420 för att därefter avga genom en öppning 454 i stutsen 420.

De olika stegen vid stralinriktningen beskrivs i det följande med avseende stralbanepartierna l78b och l78d med hänvisning till figurerna 5, 7A, 12A och l2B. Samma inställningsteknik tillämpas naturligtvis beträffande partierna l78a och l78c. Först dras bordet 262 ut ur inställningsanordningen 106, varefter visningsanordningen 310 monteras pa bordet som visat i fig. 7A och 5. Riktmedelanordningen 370 med det övre riktmedlet 179 insatt sätts in som beskrivet tidigare med hänvisning till figurerna 8A och BB och det undre riktmedlet 181 sätts in istället för fokuseringslinsen 202 i fokuseringslins- 461 199 15 anordningen 204 som beskrivet tidigare i samband med fig. 11. Den till televisionskameran 206 hörande fokuseringslinsen fokuseras därefter för att ge en skarp bild av de skuggor som alstras av riktmedlen 179 och 181 och kastas pa det stralmönsterbildande organet 320 som visat i fig. 12A och l2B.

Detta organ 320 belyses med ultraviolettstralning fràn lampan 324. Det laserstralknippe som träffar det stralmönsterbildande organet 320 framträder som ett mörket omrâde, medan skuggorna 390 och 392, som visat i fig. 12A och l2B framträder som vita eller ljusa områden. Skuggorna 384' och 384" av partierna 384 och skuggorna 386' och 386" av ringsegmenten 386 framträder ocksa som vita områden. Användningen av riktmedlen 179 och 181 är orsakade av förhållandet att det övre riktmedlet l79a är monterat koncent- riskt i förhållande till Z-Z'-axeln och att det undre riktmedlet 181 likaledes är monterat koncentriskt med avseende pa Z-Z'-axeln. Vidare divergerar laserstralknippet 169 inte väsentligt, varför diametrarna hos de bagformade segmenten 3B6a och 3B6b pa de bade riktmedlen 179 och 181 är i huvudsak lika. Fig. l2B illustrerar de fall da det undre banpartiet l78c eller l78d av stralknippet 169 och laserfokuseringslinsens vertikala axel Z-Z' inte är inställda till samma riktning. Rätt inriktning àstadkoms genom justering av lägena hos speglarna l76a och l76b respektive l77a och l77b. När rätt inriktning astadkommits avbildas skuggorna pa visningsanordningen 320 som framgar av fig. 12A, dvs. skuggorna 386' och 386" av ringsegmenten 386 pa de övre och undre riktmedlen 179 och 181 bildar en hel cirkel och periferin av det framställda cirkulära mönstret är koncentrisk med de cirkulära skuggorna 386' och 386" som motsvarar de bagformade delarna 386 av riktmedlen 179 och 181. Under dessa förhållanden är laserstralknippet 169 rätt inriktat i förhållande till den vertikala Z-Z'-axeln hos laserns fokuseringslinsanordning 204, varför sidförskjutningen av fokus när fokuseringslinsen 202 skjuts upp och ner för inställning för de olika svetsoperationerna kommer att vara obetydlig. i Televisionskameran 206 kan känna förflyttningar motsvarande en fjärdedel till en attondel av tjockleken av de ringformade partierna 382 hos riktmedlen 179 och 181. Dessa rörelser motsvarar vinkelavikelser pa mindre än 0,050 hos laserstralknippet 169. Sidförskjutningen hos fokus, X', som visat i fig. 6 är mindre än 25,5 um för vertikala förskjutningar av fokuseringslins- anordningen 204 pa upp till omkring 12 á 13 cm.

Den beskrivna apparaten enligt uppfinningen utgör salunda en apparat med vilken man pa ett nytt sätt uppnar inställning av ett laserstral- knippe i förhållande till den axel utmed vilken laserstralknippet skall 461 199 16 fokuseras för utförande av olika laserbearbetningssteg. För detta ändamål är den mekanism som omfattar de laserstralknippet styrande speglarna instâllbart monterade sa att de medger finjustering av speglarnas elevations- och azimutlägen för uppnàendet av önskad inriktning. Minst tva riktmedel för inställningen är anordnade i laserstralknippets bana sa att de kastar skuggor pa en vísningsskärm, varvid dessa skuggor pâ skärmen alstrar en bild som kan observeras med en televisionskamera. Den precisa inriktningen av laserstral- knippet i förhållande till linssystemets rörelseaxel ger ett önskat mönster, av vilket skötaren kan avgöra när rätt inriktning uppnås.

Claims (10)

461 199 17 PATENTKRAV

1. Apparat för genomförandet av ett flertal laserbearbetningsåtgär- der, innefattande organ för alstring av en laserstràle och riktorgan för att rikta den alstrade strålen åtminstone utmed en förutbestämd bana försedda med utmed en axel förskjutbara fokuseringsorgan för fokusering av strälen mot olika fokus i motsvarighet till de respektive bearbetningsåtgârderna, k ä n n e t e c k n a d av strålinriktningsorgan för inriktning av åtminstone en del av strâlbanan resp. strålbanorna till överensstämmelse med riktningen av de nämnda fokuseringsorganens förskjutningsaxel, varvid dessa riktorgan innefattar målinriktningsorgan (179, 181), bärorgan (371, 440) hörande till strälbanan respektive varje strålbana för att borttagbart bära målinriktnings- organen i strålbanan, så att målorganen uppfangar laserstrålen och kastar en skugga vars form varierar i beroende av huruvida den nämnda delen av strålbanan överensstämmer eller icke överensstämmer med fokuserings- organens (204) förskjutningsaxel, och ställorgan (171, 177) i stralbanan respektive varje strålbana för inställning av den nämnda delen av denna på ett sätt som möjliggör att den av malinriktningsorganen kastade skuggan ändras från en felinriktningsindikerande form till en överensstämmelseindike- rande form, varigenom nämnda del av strålbanan riktas till överensstämmelse med fokuseringsorganens förskjutningsaxel.

2. Apparat enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda inriktningsorganen innefattar en strålinriktningsvisande anordning (310), vilken är inställbar för att ta emot och återge den skugga som alstras av malinríktníngsorganen (179, 181).

3. Apparat enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att strälinriktningsorganen innefattar två riktmedel (179, 181), varvid de nämnda bärorganen (371, 440) i nämnda eller vart och ett av nämnda stralknippen är anordnade för inställning av riktorganen på avstånd fran varandra och pa ett sätt som får dem att kasta en sammansatt skugga som varierar mellan regelbunden form och oregelbundna former utvisande riktig respektive oriktig inriktning av det nämnda partiet av strålknippets bana i förhållande till förskjutningsaxeln för de i densamma anordnade fokuseringsorganen (204).

4. Apparat enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att vart och ett av de nämnda riktorganen (179, 181) bildar en ring (382) och ett par av denna burna, skuggbildande ringsegment (386) belägna inom ringen diametralt motstående varandra och definierande partier av periferin av en mellan de nämnda segmenten bildad öppning, varvid bärorganen (371, 440) i stralbane- partiet respektive vart och ett av strålbanepartierna är anordnade för 4 6 1 1 9 9 18 inställning av riktorganen på sådant sätt att deras ringsegment kastar en sammansatt skugga som bildar en hel cirkel när nämnda del av stralbanan är rätt inriktad i förhållande till den nämnda axeln.

5. Apparat enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a d av att det nämnda bärorganet (371, 440) i strålbanan respektive strålbanorna är anord- nat för inställning av de båda riktmedlen (179, 181) i ett strålbaneparti som mellan riktmedlen inte innehåller optiska element.

6. Apparat enligt nagot av kraven 3, 4 eller 5, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda fokuseringsorganen (204) i strålbanan respektive strålbanor- na innehåller ett linssystem för laserfokusering som bildas av en linshållare (440) och en i denna löstagbart anordnad fokuseringslins (202), varvid linshal- laren (440) är så utförd att den efter avlägsnande av fokuseringslinsen är anpassad för att hålla det ena av de nämnda riktorganen.

7. Apparat enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att ställorganen (176, 177) i nämnda stràlbana respektive nämnda strålbanor är anordnade inom en kapa (300) försedd med organ (338 respektive 371) för att löstagbart insätta det andra (179) riktmedlet.

8. Apparat enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att ställorganen i nämnda strålbana respektive var och en av nämnda strålbanor innefattar en ställbar spegel (l76a eller l77a) anordnad för uppfångning och ominriktning av laserstrålknippet, varvid denna spegel är vridbart inställbar kring två mot varandra väsentligen vinkelrätta axlar.

9. Apparat enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda ställorganen innefattar en andra inställbar spegel (l76b respektive l77b) som är inställbart vridbar kring två väsentligen mot varandra vinkelräta axlar, varvid denna andra spegel är anordnad för inriktning av laserstralknippet från den första spegeln utmed det nämnda partiet av strålbanan.

10. Apparat enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att de nämnda organen för inriktning av laserstrålknippet innefattar en strålomställningsspegel (172) för omställning av riktningen av laserstralen från en (l78a) av de nämnda strålbanorna till en annan (l78b).