專利名稱:激光束焊接裝置的制作方法
本發(fā)明一般涉及采用能產(chǎn)生外來粒子物質(zhì)的光束加工工件的裝置。更確切地說，本發(fā)明與收集和清除在加工操作過程中作為不希望有的付產(chǎn)品而出現(xiàn)的粒子物質(zhì)的裝置有關(guān)。
通常，使用一束光，例如激光束，的加工操作是在放有待加工工件的箱內(nèi)維持有保護(hù)性氣體氣氛中進(jìn)行的。在加工箱中的保護(hù)性氣氛通常都維持于整個(gè)加工操作過程中，方法是通過把一種非活性或惰性氣體，例如氬氣，在箱的底部連續(xù)地引入箱內(nèi)，并當(dāng)新氣體進(jìn)入時(shí)可使氣體從箱的頂部逃逸出去，從加工箱中逃逸的氣體可以進(jìn)入一個(gè)壓力通風(fēng)系統(tǒng)并從此系統(tǒng)中排放出去。通過并從加工箱中射出的惰性氣體將攜帶在箱中產(chǎn)生的粒子物質(zhì)，雖然粒子物質(zhì)僅以一個(gè)相對(duì)低的速率產(chǎn)生，但是攙雜在氣流中的大多數(shù)粒子物質(zhì)將沿氣體流動(dòng)軌跡的不同點(diǎn)沉積，并逐漸積累，形成沉淀。且不說粒子物質(zhì)散布在裝置內(nèi)各個(gè)不同位置上不便于清洗，如果所產(chǎn)生的粒子物質(zhì)是自燃的，例如就象在激光焊接用于核燃料系統(tǒng)中的鋯合金(Zircaloy)格柵時(shí)所產(chǎn)生的粒子和細(xì)屑那樣，那么這些粒子積累還意味著相當(dāng)大的危險(xiǎn)。
本發(fā)明主要旨在減輕上述問題，因此本發(fā)明屬于采用可產(chǎn)生外來粒子物質(zhì)的光束加工工件的裝置，該裝置包括一個(gè)用于安放待加工工件的加工箱，還包括用于把一種非活性氣體引入加工箱中以便在每次加工操作中使箱內(nèi)保持一個(gè)適當(dāng)加工環(huán)境的裝置，上述加工箱具有一個(gè)允許非活性氣體從箱中排出的開口，其特征是上述加工箱與包括具有進(jìn)氣裝置的一個(gè)導(dǎo)管的粒子收集和清除裝置有關(guān)，此外還與密封裝置有關(guān)，這些密封裝置可呈無效狀態(tài)，允許非活性氣體通過上述開口從加工箱中自由逃逸，還可呈有效狀態(tài)，即密封加工箱的上述開口與導(dǎo)管的上述進(jìn)氣裝置保持流體流動(dòng)聯(lián)系，強(qiáng)迫非活性氣體和攙雜在其中的粒子物質(zhì)從加工箱中流出，完全進(jìn)入上述的導(dǎo)管。
這種安排把射出的氣體送入一條即定軌跡，這個(gè)軌跡中有收集和易于清除攙雜在氣體中的粒子物質(zhì)的裝置。然而這種安排只是在密封裝置呈有效狀態(tài)時(shí)才起作用。密封裝置啟動(dòng)前，允許從加工箱的開口離去的氣體自由溢出，當(dāng)不產(chǎn)生粒子物質(zhì)時(shí)，正如所期望的那樣，在把工件裝入箱中和加工此工件之間的間隙，凈化箱中的空氣和排除濕氣。此外，處于無效狀態(tài)的密封裝置將不影響加工箱在其裝料和工作位置之間運(yùn)動(dòng)。
導(dǎo)管最好由可拆卸地連結(jié)在一起的分離段組成，當(dāng)它們彼此分開時(shí)，使導(dǎo)管的內(nèi)部通路易于清洗;粒子收集和清除裝置包括一個(gè)連接在用于接收攜帶粒子物質(zhì)的非活性氣體的導(dǎo)管上的粒子清除系統(tǒng)，上述粒子清除系統(tǒng)包括用于把粒子物質(zhì)從非活性氣體中分離出來的裝置。粒子清除系統(tǒng)通過可分的耦接裝置與導(dǎo)管的上述插口裝置相連接，而導(dǎo)管是可取下的并且與閉鎖裝置有關(guān)，該閉鎖裝置可在鎖定和解脫位置工作，以分別把導(dǎo)管鎖定在工作位置，或?yàn)槿∠聦?dǎo)管而將其解脫。用于把粒子清除系統(tǒng)耦接到導(dǎo)管上并可與其脫距耦接的裝置和與導(dǎo)管相聯(lián)系的閉鎖裝置最好聯(lián)動(dòng)以同時(shí)操作。
在本文后面將要詳細(xì)說明的優(yōu)選的實(shí)施例中，密封裝置包括一個(gè)放在加工箱和上述開口的上面并與其有一個(gè)很小間隔的密封板，一個(gè)由加工箱所支撐、沿上述開口伸展并位于上述密封板下方的密封部件，和可用來推動(dòng)上述密封部件進(jìn)入與上述的密封板的下表面密封咬合的密封啟動(dòng)裝置。導(dǎo)管安裝在密封板中形成的開口內(nèi)而且適宜讓加工光束射入，導(dǎo)管通常是環(huán)狀結(jié)構(gòu)并確定了一個(gè)貫穿通過導(dǎo)管的開口，此開口基本上與在密封板中的上述開口共軸調(diào)準(zhǔn)。
現(xiàn)在僅通過舉例的方式說明本發(fā)明優(yōu)選的實(shí)施例，請(qǐng)參考附圖，其中圖1是一個(gè)核燃料系統(tǒng)的透視圖;
圖2A、2B和2C分別是所示燃料系統(tǒng)的格柵構(gòu)成部分的透視圖、平面圖和剖面圖;
圖3是一個(gè)激光加工系統(tǒng)的透視簡圖，此系統(tǒng)用于引導(dǎo)來自一個(gè)單一激光源的激光束交替射在兩個(gè)諸如在圖2A、2B和2C所示種類的格柵那樣的工件上;
圖4是一個(gè)含有圖3所示系統(tǒng)并包括體現(xiàn)本發(fā)明的粒子收集和清除系統(tǒng)的激光焊接裝置的透射圖;
圖5和圖6分別是粒子收集和清除系統(tǒng)的平面圖和側(cè)視圖;
圖7是導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)和構(gòu)成粒子收集和清除系統(tǒng)一部分的氣體收集導(dǎo)管的平面圖;
圖8是沿圖7的線8-8截取的導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)的側(cè)視、剖面圖;
圖9是沿圖8的線9-9截取的導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)和氣體收集導(dǎo)管的俯視、剖面圖;
圖10是沿圖8的線10-10截取的氣體收集導(dǎo)管的俯視、剖面圖;
圖11是沿圖7的線11-11截取的導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)的側(cè)視、部分剖面圖;
圖12是沿圖7的線12-12截取的導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)的部分剖面圖;
圖13是沿圖4的線13-13截取的激光焊接裝置的焊接箱的側(cè)視、部分剖面圖;
圖14和圖15是具有一塊密封板的箱密封系統(tǒng)的剖面?zhèn)纫晥D，分別示出密封墊處于密封位置和非密封位置。
現(xiàn)在首先參考圖1，在此說明的并且通常用參考數(shù)字10表示的核燃料系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立單元，它包括頂端噴嘴12，底端噴嘴14，在噴嘴12和14之間縱橫排列的核燃料棒18的方陣，橫向支撐燃料棒并彼此平行間隔開的燃料棒格柵16，以及在核燃料棒18的方陣內(nèi)選定位置上的控制棒(未標(biāo)出)。噴嘴12和14，燃料棒格柵16和控制棒導(dǎo)向套管(未標(biāo)出)形成支撐燃料棒18和控制棒的框架。
體現(xiàn)本發(fā)明的精密激光焊接裝置特別適用于制造如在圖2A到2C中所示格柵16那樣的燃料棒格柵。正如平面圖所示，燃料棒格柵16近似一個(gè)正方形結(jié)構(gòu)，它的周邊是四片端部通過角縫焊接30連在一起的外格柵片22。大量內(nèi)格柵片20形成一個(gè)有確定格子的雞旦箱狀結(jié)構(gòu)，這些格子供燃料棒18和控制棒導(dǎo)向套管貫穿通過。相互交叉的內(nèi)格柵片20具有在交叉點(diǎn)，例如在24，形成的余縫，使交叉的內(nèi)格柵片20相咬合，在每個(gè)交叉點(diǎn)24完成的交叉焊接32又使內(nèi)格柵片相互連接。每個(gè)內(nèi)格柵片20在其各端部都有一對(duì)翼片26，它們被安裝在外格柵片22形成的相應(yīng)槽28中，并通過沿上、下排翼片26和槽28完成的槽和翼片焊接34加以固定。用于控制棒導(dǎo)向套管(未示出)的套筒36安放在格柵16的一個(gè)表面上，每個(gè)套筒36都安置在內(nèi)格柵片20的邊緣部分形成的凹槽38中，并通過切口線焊接40固定在內(nèi)格柵片上。體現(xiàn)本發(fā)明的激光焊接裝置適宜執(zhí)行一系列控制焊接操作以完成焊接30、32、34和40。
如圖2B和2C所示，在內(nèi)格柵片20上有很多彈性銷44和間隔銷46，它們凸出在各個(gè)格柵格子上，對(duì)貫穿其中的核燃料棒18提供橫向支撐，正如人們?cè)谶@個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：
中所知道的那樣。
排定各種焊接操作程序的具體方式并不屬于本發(fā)明的范疇，所以將不在此作進(jìn)一步的說明。只要知道在每次這種焊接操作后，所焊接的燃料棒格柵被重新定位和/或者激光束的焦點(diǎn)依據(jù)下次所要進(jìn)行的具體類型的焊接而變化就足夠了。
在這里，本發(fā)明申請(qǐng)的焊接裝置可以使用一個(gè)諸如圖3簡要說明的激光系統(tǒng)，通常用參考數(shù)字102表示。激光系統(tǒng)102連續(xù)發(fā)射一束可控能量的激光169，并精確地定位每個(gè)工件，即格柵16，並控制釋放適量的惰性氣體，如氬氣，進(jìn)入一對(duì)在其中進(jìn)行激光焊接的焊接箱108a和108b中。每個(gè)工件通過與焊接箱108a和108b其中之一有關(guān)的定位艙106a或106b(見圖4)被依次移動(dòng)到它的各個(gè)焊接位置，焊接箱108a和108b用于安放工件和建立一個(gè)環(huán)境，即一種惰性氣體的氣氛，從而能在其中進(jìn)行激光焊接。
激光系統(tǒng)102可以采用雷桑(Raytheon)制造的型號(hào)SS500的那種類型。它包括一個(gè)由摻釹釔鋁石榴石晶體(NdYAG)激光構(gòu)成的激光棒170和一對(duì)安裝在高效率激光頭中的直線氪(Krypton)閃光燈186。激光頭包括安裝在激光棒170兩端的全反射鏡182和部分反射鏡184。安裝在激光棒170如全反射鏡182之間的腔內(nèi)光閘188可有選擇地加以控制，以便依據(jù)完成激光焊接所需要的能量釋放出可供選擇數(shù)目的激光脈沖。激光頭實(shí)現(xiàn)積木化結(jié)構(gòu)，可使所有光學(xué)元件，包括激光棒170，激勵(lì)燈186和反射鏡182與184的更換即簡單又互不干擾。閃光燈186及其端部接頭實(shí)行全長水冷。燈觸發(fā)通過激勵(lì)腔體為激勵(lì)燈186的并聯(lián)脈沖作準(zhǔn)備。
一個(gè)適當(dāng)?shù)内厔?dòng)機(jī)構(gòu)192可使放泄光閘190在第一位置(圖中實(shí)線表示)和圖中用虛線表示的第二位置之間移動(dòng)，在第一位置上，當(dāng)更換焊接箱108內(nèi)的工件時(shí)，引導(dǎo)激光束169沿轉(zhuǎn)向軌跡196傳輸并射到光束吸收器194上;在第二位置上，允許光束169通過擴(kuò)束透鏡系統(tǒng)198聚焦在光束導(dǎo)向裝置上，此裝置包括一個(gè)可移動(dòng)光束轉(zhuǎn)向反射鏡172和一個(gè)固定反射鏡174。當(dāng)轉(zhuǎn)向反射鏡172位于阻斷激光束169的位置時(shí)，光束沿軌跡178a轉(zhuǎn)向到反射鏡176a上，并且垂直向下射入激光聚焦透鏡系統(tǒng)204，此系統(tǒng)把激光束169沿軌跡178a聚焦在焊接箱108a內(nèi)的工件上，即燃料棒格柵16上。由聚焦透鏡202和透鏡支托管200構(gòu)成的激光聚焦透鏡系統(tǒng)204，可通過與此相聯(lián)的Z軸激光系統(tǒng)222(見圖4)直線定位。當(dāng)轉(zhuǎn)向反射鏡172，例如通過一個(gè)直線電動(dòng)馬達(dá)(未標(biāo)出)，從它的激光阻斷位置移動(dòng)到非阻斷位置時(shí)，激光束169射到固定反射鏡174上，并且沿軌跡178b反射到一個(gè)反射鏡176b上，反射鏡176b引導(dǎo)光束射向焊接箱108b。
如圖4所示，激光系統(tǒng)102安裝在相對(duì)定位艙106a和106b調(diào)準(zhǔn)位置上的主框架122上，一經(jīng)與激光系統(tǒng)102調(diào)準(zhǔn)，就使兩個(gè)定位艙相對(duì)主框架122和安裝在其上的激光系統(tǒng)102固定位置。主框架122由一塊頂板142和一塊底板(未標(biāo)出)組成，均焊接成矩型管的框架。頂板142被加工成平面，對(duì)安裝在其上的系統(tǒng)部件提供一個(gè)參考表面。
如圖4所示，每個(gè)定位艙106a和106b中都裝有一個(gè)滑動(dòng)平臺(tái)262，通過一對(duì)固定在滑動(dòng)平臺(tái)下表面、并可在軸臺(tái)282上滑動(dòng)的支撐軸278作直線運(yùn)動(dòng)，這樣安排是使滑動(dòng)平臺(tái)262和位于其上的焊接箱108從有關(guān)的定位艙106中滑進(jìn)滑出。每個(gè)焊接箱108都安裝在一個(gè)X-Y平臺(tái)241上，而每個(gè)X-Y平臺(tái)241又安裝在一個(gè)X-Y定位系統(tǒng)288上，以使焊接箱108最好是在一個(gè)計(jì)算機(jī)(未標(biāo)出)的控制下，沿X軸和Y軸做增量移動(dòng)。每個(gè)定位艙106又包括一個(gè)頂板156，它與有關(guān)的焊接箱108的間隔很近，并可做為一個(gè)密封板，就象本文后面將要說明的那樣。
運(yùn)動(dòng)支架140用于相對(duì)主框架122的參考表面，更準(zhǔn)確地說是相對(duì)焊接箱108a和108b內(nèi)的工件，來定位激光系統(tǒng)102。含有激光棒170(見圖3)的激光頭罩166安裝在一個(gè)機(jī)械加工平面度很好的光學(xué)加工平板168上，該平板上還安裝有可移動(dòng)的光束轉(zhuǎn)向反射鏡172(見圖3)及其趨動(dòng)器(未標(biāo)出)，以及由反射鏡174、176a和176b構(gòu)成的固定光束換向器。
如上所述，每個(gè)焊接箱103可從與它有關(guān)的定位艙106中撤出以便從中拿走已經(jīng)焊接完畢的燃料棒格柵16，并更換一個(gè)需要焊接的新格柵16。因此，圖3和圖4表明，箱108b的位置便于新的燃料棒格柵16放入，把格柵16安裝于一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的夾具242(見圖3)上，爾后，滑動(dòng)平臺(tái)262與裝在其上的焊接箱108一起再次移進(jìn)定位艙106中。從圖4可知，每個(gè)焊接箱108都有一個(gè)與密封板156的間隔較小的最上層凸緣。當(dāng)激光焊接系統(tǒng)工作時(shí)，將惰性氣體，例如氬氣經(jīng)可轉(zhuǎn)動(dòng)夾具242中的氣口(未標(biāo)出)和安裝在焊接箱108底部的擴(kuò)散板(未標(biāo)出)引入焊接箱108內(nèi)。在焊接箱108重新放入與其相關(guān)的定位艙106后，增加進(jìn)入焊接箱108中的氬氣流速率，以便通過在焊接箱上凸緣和密封板下表面之間形成的狹窄空間，凈化焊接箱108中的空氣和排除濕氣。通過上述狹窄空間的氬氣流歸入作為排氣壓力通風(fēng)系統(tǒng)和支撐座的主框架122上的一個(gè)大開口(未標(biāo)出)。如圖5和圖6所示，輸送管噴嘴329在由主框架122確定的壓力通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓，因而使氬氣通過過渡輸送管328和排氣管道258，從壓力通風(fēng)系統(tǒng)中排放到裝有激光焊接裝置的建筑物的外部。
在安裝格柵時(shí)進(jìn)入焊接箱108中的空氣和濕氣得到凈化和排除之前，氬氣將以較高的速率連續(xù)流動(dòng)。焊接箱108內(nèi)放有連續(xù)監(jiān)控箱內(nèi)環(huán)境的一個(gè)濕度傳感器和一個(gè)氧氣檢測器(未標(biāo)出)。當(dāng)濕度和氧氣達(dá)到預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，激光焊接即可開始，在焊接過程中，氬氣被不間斷地送入焊接箱108內(nèi)，但流動(dòng)速率較小。
正如本文最初說明的那樣，激光焊接使工件產(chǎn)生被清除的粒子物質(zhì)，它們夾雜在惰性氣體流中，還會(huì)沉積，形成沉淀。參考圖4到圖12，下面闡述依據(jù)本發(fā)明所提供的有關(guān)粒子收集和清除系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例。
從圖4得知，粒子收集系統(tǒng)236包括一對(duì)壓縮空氣趨動(dòng)的箱密封系統(tǒng)244a和244b，這兩個(gè)系統(tǒng)分別通過密封支撐系統(tǒng)415a或415b安裝在焊接箱108其中之一的開口附近。如下所述，每個(gè)箱密封系統(tǒng)244可在每次焊接操作期間密封有關(guān)的焊接箱108，使其進(jìn)入與粒子收集和清除系統(tǒng)的流體流動(dòng)交換狀態(tài)。
啟動(dòng)箱密封系統(tǒng)244，使焊接箱108密封到粒子收集系統(tǒng)236上，爾后，氬氣被引入箱中以維持箱內(nèi)適宜的加工環(huán)境，并且收集和清除在焊接過程中產(chǎn)生的諸如鋯合金(Zircaloy)細(xì)屑那樣的粒子。氬氣與摻雜在其中的鋯合金細(xì)屑一起，通過各個(gè)焊接箱的上開口，從各個(gè)箱中排出，進(jìn)入有關(guān)的氣體收集導(dǎo)管240a或240b(見圖8和圖9)，通過收集導(dǎo)管進(jìn)入排氣系統(tǒng)248，排氣系統(tǒng)248包括成套的管道302、304和連接在導(dǎo)管254上的250、252，導(dǎo)管254與粒子清除系統(tǒng)256相耦接，清除系統(tǒng)用于接收摻有鋯合金細(xì)屑的氬氣，並把它們排放進(jìn)一個(gè)盛放廢物的系統(tǒng)。圖5和圖6表明，粒子清除系統(tǒng)256與排氣管道258相耦接，氬氣通過排氣管道258，被排放到裝有激光焊接系統(tǒng)的建筑物外面的大氣中。與焊接箱108a和108b(見圖4)相連的是透鏡密封罩246a和246b，密封罩支配激光聚焦透鏡系統(tǒng)204a和204b，並且構(gòu)成相關(guān)的各氣體收集導(dǎo)管240a和240b的外殼。氣體收集導(dǎo)管240a和240b分別與導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)260a或260b相連接，以便相對(duì)密封板156a或156b分別固定氣體收集導(dǎo)管240a或240b，並且把有關(guān)的排氣管302與304分別耦接到氣體收集導(dǎo)管240a或240b上。
如上所述，排氣系統(tǒng)248可用于清除來自氣體收集導(dǎo)管240a和240b的惰性氣體以及摻雜在其中的鋯合金細(xì)屑，而收集導(dǎo)管240a和240b分別與焊接箱108a和108b相聯(lián)系，每個(gè)收集導(dǎo)管都通過兩節(jié)剛性排氣管302、304和兩節(jié)軟排氣管250、252與導(dǎo)管254相耦接。剛性排氣管302和304可與和它們有關(guān)的氣體收集導(dǎo)管240脫離耦接，以便允許取下收集導(dǎo)管240并清洗鋯合金細(xì)屑，而軟排氣管250和252可使剛性管302和304為此目的作直線移動(dòng)。
導(dǎo)管254與粒子清除系統(tǒng)256相耦接，以便使鋯合金細(xì)屑或粒子從惰性氣體中清除出去并排放進(jìn)一個(gè)污物管或廢物清除系統(tǒng)。導(dǎo)管254包括一個(gè)舌閥306，它能以一個(gè)鉸鏈308為軸運(yùn)動(dòng)，從一個(gè)關(guān)閉位置，如圖6中實(shí)線所示，移到一個(gè)開啟位置，如圖中虛線所示，并且舌閥306可以被一個(gè)適當(dāng)?shù)内厔?dòng)機(jī)構(gòu)310所啟動(dòng)。
攜帶鋯合金細(xì)屑的氬氣通過濕法洗滌器316，進(jìn)入粒子清除系統(tǒng)256，如圖6所示，濕法洗滌器包括一個(gè)與進(jìn)水口312相連接的文氏噴嘴314，進(jìn)入進(jìn)水口312的水被噴成霧狀用以“清洗”氬氣。進(jìn)氣口導(dǎo)管320把氬氣引入水閥過濾系統(tǒng)318內(nèi)，這個(gè)過濾系統(tǒng)包括一連串細(xì)網(wǎng)過濾器，可提供洗去鋯合金細(xì)屑的連續(xù)水流。濕法洗滌器316和水網(wǎng)過濾器318可以采用紐約法明代爾(Farmingdale)的Heat Systems，Ultrasonics公司制造的型號(hào)分別為HSM2RCMV和MYSTAIRE的產(chǎn)品。清除了鋯合金細(xì)屑的氬氣通過連接導(dǎo)管322和326，由排氣噴嘴324吸入，并通過排氣導(dǎo)管258排出。
有時(shí)，從焊接箱中排出的氬氣并未被迫進(jìn)入有關(guān)的導(dǎo)管240，因?yàn)檫@種氬氣比空氣重，所以它將下沉并落入主框架122(圖4)中的大開口(未標(biāo)出)，進(jìn)入由框架所確定的排氣壓力通風(fēng)系統(tǒng)。氬氣從這個(gè)通風(fēng)系統(tǒng)被通風(fēng)道風(fēng)箱329吸到與排氣導(dǎo)管258相接的通風(fēng)道328中。
現(xiàn)在參考圖7、圖8和圖9，對(duì)于氣體收集導(dǎo)管240和耦接管302與304來說，導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)260a和260b其中之一的結(jié)構(gòu)和工作，將作為它們的代表在此加以說明?？梢赃@樣理解，當(dāng)從激光焊接系統(tǒng)中清除鋯合金細(xì)屑時(shí)，它們中的一些將被截留在氣體收集導(dǎo)管240內(nèi)，因此需要進(jìn)行周期性清洗。正如圖8特意指出的那樣，氣體收集導(dǎo)管240位于透鏡密封罩246的內(nèi)部，而導(dǎo)管也有一個(gè)開口用于密封安放激光聚焦透鏡系統(tǒng)204。采用一個(gè)槽鍵358部分固定氣體收集導(dǎo)管240，槽鍵固定在透鏡密封罩246內(nèi)，并安裝于氣體收集導(dǎo)管240的導(dǎo)槽360中，以便把導(dǎo)管240正確地定位在貫穿密封板156的導(dǎo)管開口364內(nèi)。同樣如圖8所示，氣體收集導(dǎo)管240包括一個(gè)下部導(dǎo)管段368和一個(gè)上部導(dǎo)管段370，這兩個(gè)導(dǎo)管段一起形成氣體收集導(dǎo)管240。在板156中的導(dǎo)管開口364具有一個(gè)與下部導(dǎo)管段368的凸緣相結(jié)合的凹槽366，以便通過導(dǎo)管240和激光聚焦透鏡系統(tǒng)204調(diào)節(jié)中心開口367。
氣體收集導(dǎo)管240被放松地鎖定在密封板156的適當(dāng)位置上，并且通過導(dǎo)管閉鎖系統(tǒng)260，分別與剛性排氣管302和304相耦接，閉鎖系統(tǒng)260包括一對(duì)樞軸支撐的閉鎖桿376a和376b，以及一個(gè)閉鎖安裝板338。圖7示出閉鎖安裝板338在第一位置或閉鎖位置上，而圖9示出此板在第二位置或非閉鎖位置上，閉鎖安裝板338可通過一個(gè)趨動(dòng)馬達(dá)348在這兩個(gè)位置之間移動(dòng)，馬達(dá)348通過趨動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)350機(jī)械耦接到閉鎖安裝板338上，趨動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)350可提供機(jī)械推進(jìn)，將趨動(dòng)馬達(dá)348的轉(zhuǎn)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換成位于閉鎖安裝板338上與墊塊342相連接的活塞352的直線運(yùn)動(dòng)。正如圖7明確指出的那樣，閉鎖安裝板338的運(yùn)動(dòng)通過通過導(dǎo)銷344a、344b和344c被控制在上述第一和第二位置之間，這些導(dǎo)銷固定在密封板156上，分別被約束在由閉鎖安裝板338中形成的細(xì)長導(dǎo)槽346a、346b和346c中。
兩個(gè)閉鎖桿376a和376b分別通過樞軸銷378a和378b樞軸支撐在密封板156上，每個(gè)銷都在離閉鎖桿兩端有段距離的某一點(diǎn)樞軸支撐與其相關(guān)的閉鎖桿。每個(gè)閉鎖桿376a或376b在其一端鄰近處都有一個(gè)內(nèi)向鎖定抓手386a或386b，它們穿過在透鏡密封罩246上的開口387a或387b，與在氣體收集導(dǎo)管240中的定位槽356a或356b相咬合(也參見圖4和圖9);每個(gè)閉鎖桿在其另一端鄰近處都樞軸連接在閉鎖安裝板338上，其方式是使閉鎖安裝板338能向相反的兩個(gè)方向移動(dòng)從而驅(qū)動(dòng)鎖定桿的鎖定抓手386分別移進(jìn)和移出氣體收集導(dǎo)管240中的定位槽356a或356b的鎖定咬合，在每個(gè)閉鎖桿376和閉鎖安裝板338之間的樞軸連接是由滾軸382a或382b以及細(xì)長的凸輪槽384a或384b形成的，這種滾軸位于閉鎖安裝板338上的支撐架380a或380b的兩個(gè)臂381(見圖11)之間，并由其轉(zhuǎn)動(dòng)支撐;而凸輪槽384a和384b位于兩個(gè)支撐臂381之間延伸的閉鎖桿376的一個(gè)端部，並與滾軸382相互配合。
這樣，當(dāng)期望把氣體收集導(dǎo)管240閉鎖在密封板156上時(shí)，給趨動(dòng)馬達(dá)348通電，使閉鎖安裝板338運(yùn)動(dòng)到左邊，如圖7、8和9所示，從而使兩個(gè)閉鎖桿376從圖9所示的位置錯(cuò)狀趨動(dòng)到圖7所示的實(shí)線位置，這樣即可使閉鎖桿的鎖定抓手386a和386b與氣體收集導(dǎo)管240中的定位槽356a和356b相咬合，把收集導(dǎo)管240鎖在密封板156上。另外，閉鎖安裝板338的這種運(yùn)動(dòng)，使安裝在其端部的，方向朝著氣體收集導(dǎo)管240的磨損墊354與同樣在導(dǎo)管上形成的相應(yīng)定位槽356c相咬合。當(dāng)期望開鎖或解脫氣體收集導(dǎo)管240，以便把它取下和清洗時(shí)，可給趨動(dòng)馬達(dá)348通電，使閉鎖安裝板338向相反的方向運(yùn)動(dòng)，即從圖7所示的位置移至圖9所示的位置，因而定位或鎖定抓手386a、386b和磨損墊354即可從氣體收集管240的定位槽356a、356b和356c中撤出。
圖8、圖9和圖10最清楚地說明了氣體收集導(dǎo)管240。它被設(shè)計(jì)成不僅便于脫離密封板156，而且在放回密封板156的導(dǎo)管開口364之前，便于拆卸和清洗。如前所述，氣體收集導(dǎo)管240具有一個(gè)下部導(dǎo)管段368(圖8)和一個(gè)上部管段370。從圖9可知，下部導(dǎo)管段368中已形成大量入射口372a、372b、372c和372d，其中有一些，如入射口372a和372b，通入第一個(gè)過渡腔374a內(nèi)并與其相連(見圖10)，而剩下的入射口372c和372d通入第二個(gè)過渡腔374b內(nèi)并與其相連。入射口372和過渡腔374a、374b按設(shè)計(jì)要求，可使通過的氣流速度的任何降低減至最小，因而使氣體收集導(dǎo)管240中收集的和從氣流中沉積下來的粒子物質(zhì)的量降至最低限度。所以，為保持氣流速度基本不變，精心設(shè)計(jì)了入射口372和過渡腔374的外形，在氣流面積的橫截面沒有顯著增加的情況下，把通過入射口372進(jìn)入的氣體平穩(wěn)地引向并射入一對(duì)出射口392a和392b，過渡腔374按設(shè)計(jì)要求可使入射口372逐漸將弧形、較狹窄的流動(dòng)外形變?yōu)槌錾淇?92的圓截面流動(dòng)外形，此外，每個(gè)出、入射口都靠近其中點(diǎn)呈流線型地接到有關(guān)的過渡腔374a或374b上，以便使來自入射口372a、372b或372c、372d的氣體通路能分別進(jìn)入出射口392a或392b。
正如圖7和圖9極好證明的那樣，剛性管301a和301b的安裝可使它們相對(duì)于閉鎖安裝板338作有限的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。在每個(gè)管301a和301b的入口端都有一個(gè)環(huán)狀密封凸緣388a或388b，它們可分別與插孔390a或390b相配合，而插孔分別形成在與有關(guān)的出射口392a或392b軸向調(diào)準(zhǔn)的氣體收集導(dǎo)管240中，并具有一個(gè)O型環(huán)394a或394b。當(dāng)管301a和301b的凸緣端部完全插入有關(guān)的插孔390中時(shí)，管301的密封凸緣388a和388b與相應(yīng)的O型環(huán)394a和394b密封接觸以防止漏氣。
正如從圖9和圖12明顯看出的那樣，每個(gè)管301a和301b都由滑動(dòng)凸緣396a、398a或396b、398b以及固定導(dǎo)塊400a、402a或400b、402b滑動(dòng)支撐在閉鎖安裝板338上，滑動(dòng)凸緣固定安裝在相應(yīng)的管301相對(duì)的兩側(cè)上以軸向間隔定位;而固定導(dǎo)塊固定在閉鎖安裝板338上并可滑動(dòng)支撐管上的相應(yīng)滑動(dòng)凸緣。
正如圖9極好證明的那樣，滑動(dòng)管301與剛性排氣管302和304相耦接，其耦接方式允許301a和301b滑動(dòng)，并且使位移彈簧406a和406b滑動(dòng)，以便在相應(yīng)的管301的密封凸緣388和有關(guān)的導(dǎo)管插孔390中的O型環(huán)394彼此咬合時(shí)保持密封壓力。更準(zhǔn)確地說，每個(gè)滑動(dòng)管301上都有一個(gè)彈簧固定凸緣404，而每個(gè)排氣管302和304上都有一個(gè)卡圈408，與其相關(guān)的一個(gè)位移彈簧406(螺旋彈簧)被壓緊放入凸緣404和卡圈408之間。在管301的密封凸緣388與O型環(huán)394相咬合后仍然發(fā)生的管301a和301b的彈性軸向運(yùn)動(dòng)的范圍，可通過按照在每個(gè)管301上的各個(gè)凸緣404和相鄰導(dǎo)塊400、402之間的間隔，比較圖7和9而得出。
從圖8、圖9和圖12將得知，兩個(gè)卡圈408a和408b都分別與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)408a或408b相聯(lián)系，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括被一個(gè)適當(dāng)?shù)目坩?13(圖12)固定在閉鎖安裝板338上的支撐部件416，一個(gè)附加在有關(guān)的排氣管302或304上的耦接部件412，以及與支撐部件416螺旋嚙合的調(diào)節(jié)器414，這樣安排的目的是，調(diào)節(jié)裝置414的轉(zhuǎn)動(dòng)將使耦接部件412移動(dòng)，因而調(diào)節(jié)卡圈408的位置，以相應(yīng)改變由相應(yīng)的彈簧406所施加的密封力。這種調(diào)節(jié)可以隨意進(jìn)行或根據(jù)需要偶爾進(jìn)行以抵償各滑動(dòng)管301與O型環(huán)394在相應(yīng)的導(dǎo)管插孔390初始咬合時(shí)，相應(yīng)的滑動(dòng)管301的殘余運(yùn)動(dòng)范圍出現(xiàn)的變化。
現(xiàn)在參考圖13、圖14和圖15，把箱密封系統(tǒng)244a和244b(圖4)中的一個(gè)作為它們兩個(gè)的代表加以說明。每個(gè)密封系統(tǒng)244基本上都包括一個(gè)通常為環(huán)狀的密封元件428和密封趨動(dòng)設(shè)備418，密封元件428由相應(yīng)的焊接箱108的頂部凸緣109所支撐，并直接位于密封板156的下部，圍繞箱108的開啟頂端伸展;而密封趨動(dòng)設(shè)備強(qiáng)迫密封元件428與密封板156的底面進(jìn)入密封咬合。更確切地說，密封元件428是一個(gè)由適當(dāng)材料，例如充滿玻璃的聚四氟乙烯(giass-filled Teflon)，制成的彈性圈;而趨動(dòng)設(shè)備418包括一個(gè)適當(dāng)材料，例如聚氯丁橡膠(neoprene)，制成的可膨脹的環(huán)狀管，它直接位于密封圈428的下部，這樣，當(dāng)趨動(dòng)設(shè)備膨脹時(shí)，例如通過一個(gè)接管426(圖13)，即可強(qiáng)迫密封圈428與密封板156的下表面密封咬合，如圖15所示。對(duì)可膨脹的管418的支撐由一個(gè)墊圈414提供，在墊圈的上面具有一個(gè)用于安放可膨脹管418的環(huán)形凹槽416。墊圈414和密封圈428通過一個(gè)環(huán)狀護(hù)圈420和螺栓422固定在支撐圈415上，方法是夾住密封圈428在墊圈414和護(hù)圈420的凸緣424之間的內(nèi)邊部位，并且夾住在護(hù)圈420和支撐圈415的外凸緣部位之間的墊圈414的內(nèi)凸緣部位，然后再依次把支撐圈415固定在，例如用螺栓連接，焊接箱的上部凸緣109上。為了使焊接箱108從一個(gè)焊接位置移到另一個(gè)焊接位置時(shí)，相對(duì)定位機(jī)構(gòu)288(圖4)的摩擦和阻力最小，密封板156最好具有一個(gè)拋光的下表面，例如一個(gè)拋光的鉻表面，而密封趨動(dòng)管418用壓力，例如0.15到0.20大氣壓膨脹，使密封圈428以適度的力頂壓在密封板156的拋光表面上，當(dāng)然，這足以提供密封圈428和密封板156之間適宜的密封接合。如圖14所示，在環(huán)狀支撐部件415的上表面417和密封板156的下表面之間留有一段狹窄的空間，以便允許焊接箱108很容易地撤至其裝料位置，如圖4所示的箱108b的位置。
激光焊接裝置102的工作基本上包括三個(gè)連續(xù)進(jìn)行的過程，即裝料、凈化和焊接。在完成一個(gè)燃料棒格柵16的焊接以后，滑板262與在其上的焊接箱108一起，從相應(yīng)的定位艙106中撤到裝料位置，在此位置上，焊接的燃料棒格柵可以很容易地從箱中取出并裝上一個(gè)待焊接的新工件。在卸料和重新裝料過程中，可能已經(jīng)沉積在氣體收集導(dǎo)管240內(nèi)的鋯合金細(xì)屑可通過使啟動(dòng)機(jī)構(gòu)310(圖6)關(guān)閉舌閥306加以清除。當(dāng)排氣風(fēng)箱324工作時(shí)，導(dǎo)管254內(nèi)將產(chǎn)生足夠的負(fù)壓，通過氣體導(dǎo)管240、排氣管302和304、彈性管250和252以及導(dǎo)管254吸入空氣。按這種方法吸入的空氣將通過排氣系統(tǒng)248迅速氧化鋯合金細(xì)屑，因此減少了鋯合金細(xì)屑的沉淀可能聚集而后燃燒或爆炸的可能性。
下一個(gè)待焊的燃料棒格柵放入焊接箱108，而且任何聚集的鋯合金細(xì)屑已經(jīng)除去以后，滑板262與放在其上的加料焊接箱108一起回復(fù)到定位艙106內(nèi)，如圖4所示。此時(shí)，激光焊接裝置102開始凈化操作，以清除焊接箱108中的空氣和濕氣。在焊接箱108內(nèi)能夠污染燃料棒格柵焊接的殘存空氣，例如通過在可轉(zhuǎn)動(dòng)夾具242(圖3和13)中的導(dǎo)管(未標(biāo)出)和在焊接箱108底部的擴(kuò)散器(未標(biāo)出)使一種惰性氣體，例如氬氣，進(jìn)入焊接箱108內(nèi)進(jìn)行清洗。氬氣就這樣被以一個(gè)較高的速率引入，清洗吸入了空氣和濕氣的焊接箱108，直至達(dá)到預(yù)定水平。在清洗過程中，不啟動(dòng)密封圈428，這樣，從箱108中溢出的氬氣可以通過環(huán)狀支撐部件415和密封板156之間的空隙排走。
接著進(jìn)行焊接，以完成焊接箱108內(nèi)、放于惰性氣體環(huán)境中的格柵上的各種槽和翼片焊接34、角縫焊接30和交叉焊接32。在焊接過程中，導(dǎo)管254的舌閥306處于開啟位置(圖6中的虛線)，這樣，導(dǎo)管254和焊接箱108中由排氣風(fēng)箱324所形成的負(fù)壓即可消除，不使氬氣從焊接箱108中排出，也不使可導(dǎo)致焊接污染的空氣吸入。隨著惰性氣體不斷進(jìn)入焊接箱108內(nèi)，箱內(nèi)氬氣氛的壓力也不斷增加，直到惰性氣體從箱的頂部排出，流過氣體收集導(dǎo)管240、排氣管302和304以及彈性管250、252進(jìn)入導(dǎo)管254，在這里被排氣風(fēng)箱324吸入可以清除鋯合金粒子和通過排氣導(dǎo)管258排放氬氣的粒子收集系統(tǒng)236中。
經(jīng)過一定次數(shù)的焊接操作后，氣體收集導(dǎo)管240內(nèi)可能已截留了足夠多的鋯合金細(xì)屑，最好能清洗氣體收集導(dǎo)管240，清洗過程如前所述，馬達(dá)348通電(圖7、圖8和圖9)后，閉鎖安裝板338運(yùn)動(dòng)，使滑管301從氣體收集導(dǎo)管240中的插孔390內(nèi)撤出，與此同時(shí)，使閉鎖桿376和磨損墊354運(yùn)動(dòng)，脫離與導(dǎo)管240的定位槽256的閉鎖咬合?，F(xiàn)在可以把氣體收集導(dǎo)管240從透鏡密封罩246中取下，而導(dǎo)管240的兩段368和370可以分離，顯露出入射口372、過渡腔374和出射口392以利清洗。一旦導(dǎo)管內(nèi)的鋯合金細(xì)屑清洗完畢，導(dǎo)管即被重新組裝好，再放回到密封板156的導(dǎo)管開口364中去，并通過閉鎖系統(tǒng)260鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢蒙稀?br>權(quán)利要求
1.采用可產(chǎn)生外來粒子物質(zhì)的光束加工工件的裝置，該裝置包括用于安放待加工工件的加工箱，還包括用于把一種非活性氣體引入加工箱中以便在每次加工操作中使箱內(nèi)保持適當(dāng)加工環(huán)境的裝置，上述加工箱具有一個(gè)允許非活性氣體從箱中排出的開口，其特征是上述加工箱(108)與包括具有進(jìn)氣裝置(372)的一個(gè)導(dǎo)管(240)的粒子收集和清除裝置(236、256)有關(guān)，此外，還與密封裝置(156、418、428)有關(guān)，這些密封裝置可呈無效狀態(tài)，允許非活性氣體通過上述開口從加工箱中自由逃逸，還可呈有效狀態(tài)，即密封加工箱(108)的上述開口與導(dǎo)管(240)的上述進(jìn)氣裝置(372)保持流體流動(dòng)聯(lián)系，強(qiáng)迫非活性氣體和摻雜在其中的粒子物質(zhì)從加工箱中流出，完全進(jìn)入上述的導(dǎo)管。
2.依據(jù)權(quán)項(xiàng)1的裝置，其特征是上述導(dǎo)管(240)在其中形成插口裝置(390、392)，把上述的進(jìn)氣裝置(372)與上述的插口裝置(390、392)相互聯(lián)系的過渡腔(374)。
3.依據(jù)權(quán)項(xiàng)1或2的裝置，其特征是上述導(dǎo)管(240)由可拆卸地連接在一起的分離段(368、370)組成，當(dāng)它們彼此分開時(shí)，使導(dǎo)管的內(nèi)部通路易于清洗。
4.依據(jù)權(quán)項(xiàng)1、2或3的裝置，其特征是上述的粒子收集如清除裝置包括一個(gè)連接于導(dǎo)管的上述插口裝置(390、392)的粒子清除系統(tǒng)(256)，用于接收攜帶粒子物質(zhì)的非活性氣體，上述的粒子清除系統(tǒng)(256)包括用于把粒子物質(zhì)從非活性氣體中分離出來的裝置(316)。
5.依據(jù)權(quán)項(xiàng)4的裝置，其特征是用于把粒子物質(zhì)從非活性氣體中分離出來的上述裝置(316)包括濕法洗滌器。
6.依據(jù)權(quán)項(xiàng)4或5的裝置，其特征是上述的粒子清除系統(tǒng)(256)通過可分的耦接裝置(301)與導(dǎo)管的上述插口裝置(390、392)相連接。
7.依據(jù)權(quán)項(xiàng)6的裝置，其特征是上述的插口裝置(390、392)包括插孔裝置(390)，上述的可分耦接裝置(301)包括可移進(jìn)和移出與上述插孔裝置相咬合的導(dǎo)管裝置。
8.依據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)項(xiàng)的裝置，其特征是上述的導(dǎo)管(240)是可取下的，而且與閉鎖裝置(376)有關(guān)，此閉鎖裝置可工作在鎖定解脫位置上，從而使導(dǎo)管即可被鎖定在工作位置上，又可解脫而取下。
9.依據(jù)權(quán)項(xiàng)6或7的裝置，其特征是支撐上述可分耦接設(shè)備(301)的運(yùn)動(dòng)部件(338)，它可在第一位置和第二位置之間移動(dòng)，以便把粒子清除系統(tǒng)(256)耦接到導(dǎo)管(240)的插口裝置(390、392)上，和與插口設(shè)備脫離耦接，上述導(dǎo)管可被取下，還與可工作在鎖定和解脫位置的閉鎖裝置(376)相聯(lián)系，這種閉鎖裝置即可把導(dǎo)管鎖定在工作位置上，又可解脫而取下導(dǎo)管，上述的可運(yùn)動(dòng)部件(338)和上述的閉鎖裝置(376)以下述方式聯(lián)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)部件(338)移動(dòng)到上述的第一和第二位置與此同時(shí)閉鎖裝置(376)分別運(yùn)動(dòng)到上述的鎖定和解脫位置。
10.依據(jù)前述任何一個(gè)權(quán)項(xiàng)的裝置，其特征是上述的密封裝置(156、418、428)包括一個(gè)放在加工箱(108)和上述開口上面、并與其有一個(gè)很小間隔的密封板(156)，一個(gè)由加工箱所支撐、沿上述開口伸展并位于上述密封板(156)下方的密封部件(428)，以及可用來推動(dòng)上述密封部件(428)進(jìn)入與上述密封板(156)的下表面密封接合的密封啟動(dòng)裝置(418)。
11.依據(jù)權(quán)項(xiàng)10的裝置，其特征是上述的加工箱(108)可相對(duì)上述的密封板(156)在與板的上述下表面平行的平面中移動(dòng)，上述下表面被拋光。
12.依據(jù)權(quán)項(xiàng)10或11的裝置，其特征是上述密封啟動(dòng)設(shè)備(418)是一個(gè)直接位于上述密封部件(428)下面的可膨脹管，當(dāng)膨脹時(shí)，可迫使部件(428)進(jìn)入上述的密封接合。
13.依據(jù)權(quán)項(xiàng)10、11或12的裝置，其特征是在上述的密封板(156)中有一個(gè)適宜讓加工光束射入的開口(364)，上述導(dǎo)管(240)安裝在密封板的上述開口中，通常呈環(huán)狀結(jié)構(gòu)，以便確定一個(gè)貫穿通過導(dǎo)管的開口(367)，此開口基本與在密封板中的開口(364)共軸調(diào)準(zhǔn)。
專利摘要
本發(fā)明涉及一種光束加工，例如激光焊接裝置，該裝置具有一個(gè)加工箱(108)和用于引導(dǎo)加工光束射在箱內(nèi)工件上的裝置(204)，在每次加工操作的全過程中，都提供給箱中一種惰性氣體。加工箱(108)與包括一個(gè)氣體收集導(dǎo)管(240)的粒子收集和清除設(shè)備(236、256)相聯(lián)系，此外還有可呈兩種工作狀態(tài)的密封裝置(156、244)相關(guān)，一種狀態(tài)是當(dāng)清除箱內(nèi)空氣和濕氣時(shí)，允許氣體從箱中自由逃逸；另一種狀態(tài)是正當(dāng)進(jìn)行光束加工時(shí)，迫使所有來自箱中的氣體和粒子物質(zhì)流進(jìn)導(dǎo)管內(nèi)。
文檔編號(hào)B23K26/12GK85105567SQ85105567
公開日1987年1月21日 申請(qǐng)日期1985年7月20日
發(fā)明者斯圖爾特·路易斯·里布恩 申請(qǐng)人:西屋電氣公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan