一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置的制作方法

本发明属于激光焊接技术领域和核燃料组件加工领域，涉及一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置。

背景技术：

激光焊是一种高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接热输入小、焊缝细小美观、焊接热影响区窄、焊接效率高和清洁环保等优点，被广泛应用于各种焊接领域。

大长径比工件，例如细长的棒、管、台阶轴等，焊接时易发生焊接变形而影响回转体的同轴度，因此需要控制焊接热输入；传统焊接方法如摩擦焊、TIG焊等，要么焊接接头变形大，不适于焊接薄壁管件，要么焊缝较宽，影响工件尺寸精度。上述焊接需求和传统焊接方法的不足，使得激光焊成为适用于大长径比工件环焊的有效焊接方法。

大长径比工件激光焊接时一般激光头位置固定，工件匀速旋转焊接一圈，使焊缝的开始点和结束点重合，形成一条完整的环焊缝。目前，焊接时工件的旋转要么采用手动摇手柄的方式，要么采用控制伺服电机旋转一周的方式，前者控制精度差，旋转速度很难均匀，而后者电机在开启或停止时都有一定的响应时间，工件旋转速度的均匀性也很难保证。而且，上述方法都只适用于低速旋转。

锆、钛、钼、铝合金、镁合金、铁铬铝合金、镍基合金、不锈钢等材料，焊接时容易因热应力过大、焊后变形量大和熔点相在晶界偏析等原因而产生焊接热裂纹。因此，在焊接此类材料时，一般会在焊前对试样进行预热处理，焊后亦会采取措施使工件缓慢冷却，通过减小焊接应力和减轻偏析以抑制焊接热裂纹的产生。铜和铝等金属材料在室温下对激光的反射率超过90％，当材料温度升高时反射率会显著降低，因此，此类高反射率材料在激光焊接前一般也需要进行预热处理。

为了避免焊缝氧化，产生夹渣和气孔等焊接缺陷，金属材料的焊接多在惰性气体保护下进行。传统的气嘴或拖罩气体保护方案，焊接时熔池暴露，保护效果有待改进。同时，随着温度的升高，金属材料对氧等元素的吸收率快速增加，而随着含氧量的增加，焊接接头的强度、塑性、韧性都将显著降低，尤其是其低温冲击韧性会急剧下降，此外还会引起热脆和冷脆等诸多问题。钛在中高温条件下对氧的吸收能力极强，在焊前预热、焊接和焊后保温阶段，通过在工件周围安放纯钛以抢夺焊接环境中的氧，可有效提高焊接的保护质量。

核燃料棒是核燃料陶瓷芯块封装于包壳中而构成的核燃料组件，其包壳结构主要是由包壳管和端塞对接环焊而成。用于燃料棒包壳的材料主要有锆合金、铁铬铝合金、奥氏体不锈钢等，焊接时对气体保护条件要求苛刻。燃料棒属于大长径比构件，包壳管直径8～13mm,长度达2000～5000mm，焊接时对工装有较高要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置，该装置能够解决工件焊接时出现的焊接应力大、焊接热裂纹、焊缝氧化及气孔问题，同时克服高反射率材料激光焊接时反射率过高的问题，实现不同材料、不同直径、不同长度的细长回转体工件的低成本、高质量、高精度、高效率激光焊接。

为达到上述目的，本发明所述的用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置包括激光焊接头、伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及若干支承辊，所述气体保护套包括保护套上半部分、保护套下半部分、保护气体输入管道、保护镜片托架及保护镜片；伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及各支承辊从右到左依次分布；

保护套上半部分的底部沿轴向开设有第一凹槽，保护套下半部分的上部沿轴向开设有第二凹槽，保护套上半部分与保护套下半部分相扣合使第一凹槽与第二凹槽组合形成焊接腔室，伺服电机的输出轴与主动三爪卡盘的一侧相连接，待对接环焊工件的一端与主动三爪卡盘的另一侧相连接，待对接环焊工件的另一端依次穿过焊接腔室及从动三爪卡盘后搭接于各支承辊上；

保护套上半部分的底部开设有保护气体入口，其中，保护气体输入管道与保护气体入口相连通，保护套上半部分上设有第一通孔，保护镜片托架位于保护套上半部分上，保护镜片固定于保护镜片托架上，保护镜片正对所述第一通孔，激光焊接头发出的激光束依次穿过保护镜片及第一通孔照射到待对接环焊工件上；

保护套上半部分及保护套下半部分均由由内到外依次分布的防氧化套、加热套、隔热层及外壳组成，其中，防氧化套由TA1纯钛加工而成，可拆换；加热套内设有加热丝，加热丝连接有温控仪。

保护套上半部分的两端分别设有第一盖板及第二盖板，保护套下半部分的两端分别设有第三盖板及第四盖板，其中，第一盖板正对第三盖板，第二盖板正对第四盖板，第一盖板的下端及第二盖板的下端均设有第二凹槽，第三盖板的上端及第四盖板的上端均设有第三凹槽，其中，第一盖板上的第二凹槽与第三盖板上的第三凹槽组成第一固定孔，第二盖板上的第二凹槽与第四盖板上的第三凹槽组成第二固定孔，其中，待对接环焊工件穿过所述第一固定孔及第二固定孔。

还包括保护镜片插槽及风刀，保护镜片托架插入于保护镜片插槽内，风刀位于保护镜片插槽的下部，风刀位于保护套上半部分的上表面上。保护镜片插槽的上开设有第二通孔，风刀上沿竖直方向开设有第三通孔，激光焊接头发出的激光依次穿过第二通孔、保护镜片、第三通孔及第一通孔照射到待对接环焊工件上。

风刀上沿水平方向开设有与第三通孔相连通的通风通道，其中，通风通道的一端为接气口，通风通道的另一端通过封板封闭，其中，封板与风刀的端部通过轴连接。

保护套下半部分的底部设有用于支撑保护套下半部分的支座。

还包括滑轨底座，其中，底座的下端、伺服电机的底部、主动三爪卡盘的底部、从动三爪卡盘的底部及各支承辊的底部均设有与滑轨底座相配合的滑槽。

保护气体输入管道的数目为两个。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置在具体操作时，通过主动三爪卡盘与从动三爪卡盘将待对接环焊工件进行夹持，保护套上半部分及保护套下半部分的端盖板固定孔直径可调，从而可以适应不同直径的待对接环焊工件；另外，待对接环焊工件的一端夹持固定于主动三爪卡盘，待对接环焊工件的另一端搭接于支承辊上，可以根据待对接环焊工件的长度调整支承辊的数量，使其满足不同长度待对接环焊工件的对焊接。在对焊接时，通过激光焊接头发出激光束照射到焊接位置，通过伺服电机带动待对接环焊工件进行转动，可以通过控制伺服电机来控制待对接环焊工件的焊接线速度，使其焊接线速度能够从低速到高速进行无级调节，对细长待对接环焊工件的尺寸适应性较强，焊接效率及精度较高，满足不同材料的焊接需求；在焊接时，通过保护气体输入管道向焊接腔室通入保护气体，焊接腔室的大小与工件的尺寸可以间隙较小，因此在有效提高焊接的质量的同时降低保护气体的消耗量。同时克服高反射率材料激光焊接时反射率过高的问题。另外，保护套上半部分及保护套下半部分均设有加热套，通过加热套在待对接环焊工件焊接前进行预热，在待对接环焊工件焊接后进行保温缓冷，从而有效解决工件焊接时出现的焊接应力大、焊接热裂纹、焊缝氧化及气孔问题；具有通用性好、节能环保的特点。

进一步，在焊接腔室内壁包括TA1纯钛加工而成的防氧化套，可有效的提高工件焊接的保护质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中气体保护套1的爆炸图；

图3为本发明中风刀11的结构示意图；

图4为本发明中风刀11的截面图；

图5为本发明工作时的示意图。

其中，1为气体保护套、2为伺服电机、3为主动三爪卡盘、4为从动三爪卡盘、5为支承辊、6为温控仪、7为滑轨底座、8为保护镜片插槽、9为保护镜片、10为保护镜片托架、11为风刀、12为保护套上半部分、13为保护套下半部分、141为第一盖板、142为第二盖板、143为第三盖板、144为第四盖板、15为保护气体输入管道、16为支座、17为第一通孔、18为外壳、19为隔热层、20为加热套、21为防氧化套、22为封板、23为接气口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置包括激光焊接头、伺服电机2、主动三爪卡盘3、气体保护套1、从动三爪卡盘4及若干支承辊5，所述气体保护套1包括保护套上半部分12、保护套下半部分13、保护气体输入管道15、保护镜片托架10及保护镜片9；伺服电机2、主动三爪卡盘3、气体保护套1、从动三爪卡盘4及各支承辊5从右到左依次分布，保护套上半部分12的底部沿轴向开设有第一凹槽，保护套下半部分13的上部沿轴向开设有第二凹槽，保护套上半部分12与保护套下半部分13相扣合使第一凹槽与第二凹槽组合形成焊接腔室，伺服电机2的输出轴与主动三爪卡盘3的一侧相连接，待对接环焊工件的一端与主动三爪卡盘3的另一侧相连接，待对接环焊工件的另一端依次穿过焊接腔室及从动三爪卡盘4后搭接于各支承辊5上；保护套上半部分12的底部开设有保护气体入口，其中，保护气体输入管道15与保护气体入口相连通，保护套上半部分12上设有第一通孔17，保护镜片托架10位于保护套上半部分12上，保护镜片9固定于保护镜片托架10上，保护镜片9正对所述第一通孔17，激光焊接头发出的激光束依次穿过保护镜片9及第一通孔17照射到待对接环焊工件上；保护套上半部分12及保护套下半部分13均设有加热套20。

保护套上半部分12及保护套下半部分13均由由内到外依次分布的防氧化套21、加热套20、隔热层19及外壳18组成，其中，加热套20内设有加热丝，加热丝连接有温控仪6。

保护套上半部分12的两端分别设有第一盖板141及第二盖板142，保护套下半部分13的两端分别设有第三盖板143及第四盖板144，其中，第一盖板141正对第三盖板143，第二盖板142正对第四盖板144，第一盖板141的下端及第二盖板142的下端均设有第二凹槽，第三盖板143的上端及第四盖板144的上端均设有第三凹槽，其中，第一盖板141上的第二凹槽与第三盖板143上的第三凹槽组成第一固定孔，第二盖板142上的第二凹槽与第四盖板144上的第三凹槽组成第二固定孔，其中，待对接环焊工件穿过所述第一固定孔及第二固定孔。

本发明还包括保护镜片插槽8及风刀11，保护镜片托架10插入于保护镜片插槽8内，风刀11位于保护镜片插槽8的下部，风刀11位于保护套上半部分12的上表面上。保护镜片插槽8的上开设有第二通孔，风刀11上沿竖直方向开设有第三通孔，激光焊接头发出的激光依次穿过第二通孔、保护镜片9、第三通孔及第一通孔17照射到待对接环焊工件上。

风刀11上沿水平方向开设有与第三通孔相连通的通风通道，其中，通风通道的一端为接气口23，通风通道的另一端通过封板22封闭，其中，封板22与风刀11的端部通过轴连接；保护套下半部分13的底部设有用于支撑保护套下半部分13的支座16。

本发明还包括滑轨底座7，其中，底座的下端、伺服电机2的底部、主动三爪卡盘3的底部、从动三爪卡盘4的底部及各支承辊5的底部均设有与滑轨底座7相配合的滑槽；保护气体输入管道15的数目为两个。

第一固定孔及第二固定孔与待对接环焊工件的同轴度公差小于Φ0.1mm，其直径比待对接环焊工件的直径大0.5±0.2mm，当待对接环焊工件较短时，第一盖板141不开设有第二凹槽，第三盖板143上不开设有第三凹槽。

防氧化套21的曲率半径大于10mm，厚度为0.5～1.5mm，由TA1纯钛加工而成，可快速拆换；加热套20自带热电偶，热电偶的测温范围为-200℃～1300℃；加热套20的功率视工件尺寸及加热温度要求而定，可实现从室温到1000℃温度范围内的精确控温，且加热速率可调。温控仪6可设定升温速率及加热温度，当温度升至设定温度后，波动幅值小于3℃；隔热层19所用材料的导热系数小于0.15W/(m·K)，抗压强度大于0.5MPa，使用温度上限高于1100℃，其厚度大于5mm。

主动三爪卡盘3由伺服电机2驱动，主动三爪卡盘3及从动三爪卡盘4可夹持的工件直径范围从几毫米到几十毫米，伺服电机2的转速可在0.1～10r/s之间进行调节。

气体保护套1、主动三爪卡盘3、从动三爪卡盘4及支承辊5同轴分布；封板21通过合页固定于风刀11的侧面上，该封板21在除风刀11通气时外，都因重力而使通风通道闭合；激光焊接头发出激光时，在风刀11的接气口22通入气压为1MPa左右的高压惰性气体，气流足以将封板21完全掀开而排出。

本发明的具体操作过程为：

1)打磨防氧化套内外表面，使其露出新鲜金属；

2)将待对接环焊工件放置于保护套下半部分13上，同时调节待对接环焊工件的位置，并将待对接环焊工件夹持于主动三爪卡盘3及从动三爪卡盘4上，使激光焊接头发出的激光能够照射到待焊接位置，然后调节从动三爪卡盘4的顶紧装置使两部分工件对接紧密，装配良好；

3)当待对接环焊工件较长，则在从动三爪卡盘4的左侧放置适当数量的支承辊5以防止焊接过程中工件摆动；

4)将保护套上半部分12覆盖在保护套下半部分13上并锁紧，然后调节滑轨底座7，使激光焊接头发出的激光束能够通过保护镜片9的正中心；

5)向保护气体输入管道15中通入惰性保护气体，其中，惰性保护气体的流量为15L/min，30s后接通加热丝的电源，通过温控仪6控制加热丝以设定升温速度开始加热，当加热套20的温度达到设定值后保温一定时间；

6)开启伺服电机2，伺服电机2带动待对接环焊工件开始以设定速度进行旋转；

7)通过接气口23向通风通道中吹气，风刀11吹气1s后激光焊接头发出激光照射到对接环焊位置，焊接完成后风刀停止吹气；

8)通过加热套20对待对接环焊工件进行保温30s，然后再自然冷却至室温；

9)关停伺服电机2，停止向保护气体输入管道15中通入惰性保护气体；

10)去除保护套上半部分12，松开主动三爪卡盘3及从动三爪卡盘4，取出工件，完成待对焊接工件的对焊接。