专利名称：一种光束准直系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及把一光束例如用于焊接的红外能源激光束准直。该准直包括接收由在某一位置的光源向一定方向提供的输入光和得到位置和方向可调的输出光以作到能有效地利用。
本发明特别适合用在接收输出光的使用部件能相对于光源独立运动的情况，例如能源可以是一种比较重而且体积大并适合提供足够焊接核反应堆中的蒸汽发生器的管子里的法兰所用功率的红外光束的固定式二氧化碳激光器。由于该光源体积大，所以它只能安装在该发生器水箱的外边，即离开需要光能的地方。需要把光束从激光器传送到构成该使用部件并安装在被修理管子里边的焊接头，因此需要准直。光源和使用处之间有两个障碍要克服1)穿入水箱并且2)穿入一束管子中的一根。
在当前的一种布置中，后面的光路分为三段来得到两个彼此相对并位于水箱里的中间点。这两个以下分别称为“发送部分”和“接收部分”的器件被放在这两个点上。光源到发送部分以及接收部分到焊接头的光路后面是通常的布局，而接收部分到焊接头的光路沿被修理管的轴并且通过压在该接收部分背面、固定于管子上的一个面上能使该光路相对于接收部分确定下来。
这里仍旧存在着一个以得到一个合适的准直输出光束方式来控制该发送部分和该接收部分的问题。
现在已经有给出这种准直的系统，这种现有的系统包括有很多种布局，就下面提到的这些布局的作用而言，他们对该系统和本发明的某些系统而言是共同的。首先从通用的项目说明该共同的布局。
该系统的这些共同的布局包括一个发送部分用于接收主能源辐射和用主联系光束形式把该辐射传输出去，该主光束在方向上是可控的使它能被指向非常可动的接收部分。
该接收部分，在它有用地接收该主光束时，该接收部分适合把该主联系光束以主输出光束形式发出并且适合在该两光束之间形成可控角偏转。
一个载着该接收部分和用以控制该主输出光束位置而位置可控的移动装置。
一些定位装置，用于控制该移动装置的位置以便把该接收部分送到该被用主输出光的能源光束所在的使用轴上。
光学瞄准装置，它包括一个辅助光源用于产生由该发送部分以和该主联系光束同一方向地发射出的辅助辐射。
发送部分的控制装置，它对部分该辅助辐射照射的接收部分的辐照度灵敏使通过把该辅助光束和该主联系光束指向该接收部分来控制该发送部分。
一个与该接收部分相关的接受部分的反射镜用于把该辅助辐射的其余部分按方向与该接收部分的角偏转有关的返回光束的形式反射到该发送部分。
与该发送部分相关的接收部分控制装置，它对与该主联系光束相关的反射光束的方向误差灵敏，以便以让该接收部分有用地接收到该主光束并沿该使用轴形成主输出光束的方式控制该接收部分。
在申请号为EP-A-23817的欧洲专利中阐述了当前的这种系统。
这种系统有以下缺点在接收部分四周围的主要空间里用了易碎设备如探测器、传感器和摄像机等。
执行过程是不连续的，每换一次管子就要准直一次。
机械上很复杂以及造价高。
本发明的目的是提供一种即简单又精确的系统，它能在连续焊接或其他需要使用能源光束的处理中连续使用。本发明的另一目的是提供一种与水箱内移动的接收部分相关的上述易碎设备用量最少的系统。
本发明的系统包括一个发送部分，用于接收到至少一束输入光和把它以联系光束形式发送出去。
一个与该发送部分远离的可移动接收部分，以及一些控制装置用于保证该接收部分接收到该联系光束并把它转换成与使用轴准直的输出光束。
再具体地说，本发明的第一方面的系统包括
该发送部分用于接收到一个由主工作光束构成的主输入光束和用于把该主输入光束以方向可控的主联系光束的方式发送出去，该接收部分用于接收该主联系光束和把一个适合把该主输入光束变成和该准直系统以外的结构有关的使用轴上准直的主输出光束的可控的角偏转加到该主联系光束上，以及光瞄准装置，包括一个辅助光源用于以辅助输入光形式产生一个辅助辐射，该辅助辐射通过该发送部分变成在该主联系光束上准直的辅助光束同时由该接收部分把该辅助联系光束变成沿该主输出光束准直的输出辅助光束的方式准直在该主输入光束的光路上。
发送部分的控制装置，它对由该接收部分接收到的部分该辅助联系光束灵敏以便以让该辅助联系光束和该主联系光束指向该接收部分的方式控制该发送部分。
接收部分的控制装置，它对由该接收部分接收到的部分该辅助联系光束灵敏，以便以使该主输出光束和该辅助输出光束准直在该使用轴上的方式控制该角偏转。
该准直系统的特点是该辅助输入光束是一个绕着该主输入光束同轴形成的管状光束以及该发送部分和接收部分的控制装置离开该主辐射光路。
这种简单的布置方法使它能够防止该发送部分和接收部分的控制装置妨碍该主光束的传播，或者能够防止该发送部分和接收部分受到该辐射造成的损坏，为此没必要把它们安装成可拆卸的。这使该系统相当简化了，尽管该辐射的整个传输截面略有增加，这种系统更容易通过狭窄的通道而接近内部。为此自然希望辅助联系光束的截面基本上小于主光束截面。此外，因为没有一个元件是活动的，所以可以不断监测该准直过程和连续定位的处理过程(即处理不同管子)的性能。
再有，因为没有一个元件是活动的，所以可以不断地监测该准直和连续定位的处理过程(即处理不同管子)的性能。
在一种最佳布局中该发送部分和接收部分的控制装置包括反射器装置用于把该辅助光束的光反射到该发送部分以及一个围绕着该主输入光束和把由该反射器装置返回的光指向探测和分析装置的环状分束器。
本发明第二方面的一个系统包括该发送部分用于接收到至少一束输入光束和把该光束以方向可控的联系光束方式发送出去，该接收部分，以及，发送部分的控制装置，它对由该联系光束照射的该接收部分灵敏，以便以把该光束指向该接收部分的方式控制该发送部分。
该准直系统的特点是该发送部分的控制装置包括一个与该接收部分相连和由多个后向反射器构成的后向反射器部件，每个后向反射器把相应部分的该联系光束沿该联系光束方向返回以便构成反向反射的光束以及，一个与该发送部分相连并在探测该接收部分相对于该联系光束的位置的图像分析器系统上形成该后向反射器部件像的反向反射光束的探测器。此图像分析器构成位置探测器。
该图像分析器系统最好用于把这些后向反射器的每一个分别形成的并构成该后向反射器部件的像的各个部分的像素的每一个接收到的光通量予以比较。
还有，最好至少要有三个这种后向反射器，让它们按角度分别布置在该联系光束的四周。
这种布局可以把该联系光束精确地指向用了与发送部分耦合的光探测装置的接收部分。一种图像分析器系统可容易地探测出该联系光束相对于该接收部分的任何偏移，因为任何偏移，那怕是很小都会引起后向反射器部件图像的各个像素亮度之间的极易被探测出的差异。
这种布局能够进行相对测量，即测量两个光通量之间的差或比，同时这种测量又是有方向的，因为由该产生光通量经过处理的象素的后向反射器的角向位移确定出了被探测偏移的方向。
再有，该后向反射器之间最好在角度上留有间隔，让该控制装置的其他部分可用的光通过。
本发明的第三方面的一个系统包括该发送部分该接收部分，它接收该联系光束和把可控的角偏转加到该联系光束，以便使其变成该输出光束，以及接收部分的控制装置，用于以把该联系光束和与该准直系统之外的结构有关的使用轴准直的方式控制该可控偏转。该接收部分的控制系统本身包括与该接收部分相连的接收部分的反射镜，为了把该联系光束的一部分光按方向受可控偏转影响的返回光方式反射到该发送部分上，以及一个与该发送部分相连并对该反射光束的偏转灵敏的误差测量探测器。
该准直系统的特点是该接收部分的反射镜安装在该输出光束的光路上使由该输出光束形成该返回光束并使该返回光在其返回光路上通过该接收部分，该反射镜有一个与其表面垂直的轴并以其轴与该使用轴准直的方式安装在与该外部结构相关的臂上。
最好用一个与该接收部分相连的输出零件把该接受部分的反射镜安装在远离该接收部分的地方。该输出零件有压在该外部结构上的瞄准装置以便把该接收部分的反射镜相对于使用轴瞄准。该反射镜是一个环形的自动准直镜。
这种简单的布局使该接收部分的控制装置能够在上述当前系统中的元件之外而不要任何元件的情况下计量出任何可能的影响发射部分的形变或失调。熟悉光学的人都知道这种形变或失调可由多种原因引起，特别是由温度梯度或温度变化，或由机械零件的磨损等引起的，同时这些形变或失调可能引起错误准直。
最后，本发明的系统最好包括一个接收该位置探测器和该误差探测器的种种信号的普通计算机。通过把该计算机和这两个探测器构成的电子元件弄到一起缩小了该系统的尺寸和减少了其易损坏性。
本发明还提供了一种特别适用于在难以接近的零件内部焊接，尤其是焊接核电站的管子的辐射处理方法。该方法包括以下几个步骤把一个处理头插入被处理零件;
在远离被处理零件的地方发出处理辐射;以及把该辐射光束沿与该被处理零件有关的使用轴准直，以便把该辐射送到该处理头。
该方法的特征在于用从以下任何一条权利要求中选出的准直系统把该光束准直。
下面通过非限定性例子并参照附图详细说明根据上述说明的本发明的实施情况。在同一零件出现在几个图里时，它们在每个图中均有同一参考符号。
所描述的实施情况包括上述本发明的三个方面的每一个的布局。
图1表示产生和把该两个输入光束互相准直的该系统的一部分，图2表示在实行本发明的方法时，同一系统的其他部分的视图。
图3是用于构成该发送部分或接收部分的监测光学部件的剖面图，以及图4是包括在同一系统中的后向反射器部件的透视图。
如图1所示，一个二氧化碳激光器1发出能源光束2(该主辐射)。在该光束的轴上有一个平面与该轴成45°角且中心与光束轴同心的环形镜3。
一个氦氖激光器4发出可见的辅助辐射5，该光束在5A处被扩束并再射到一个中心部分不透明的分束器5B上，这就形成了管状可见光束6，其内径基本上等于该能源光束的外径，把这个光束加到环形镜3，因此就形成了与光束2形成的主输入光束PE同轴的该辅助输入光束5E。在激光器装在靠近工作的地方时，借助一个辅助靶子，精确地调整镜3的位置能够把这两光束严格准直。
图2表示出把该主光束传到该处理头30的装置。该处理头是一个焊接头。该处理头包括一个外套32，一个聚焦透镜34和一个45°反射镜36。该处理头插进了要处理管14的里边，管内有一个法兰要被焊接并且该管子的轴24构成该使用轴。该管安装在蒸汽发生器(未划出)的水箱20的里边，在通常情况下，该蒸汽发生器可有许多其他要焊接的管子。
光束的传输装置由两个光束偏转光学部件组成。这两个部件构成了该发送部分11和该接收部分12。这两部分都用马达驱动，因此每一个都能提供可沿两个斜置纵座标可控偏转，该偏转在图2中示为零偏转。此外，该接收部分12装在一个也用马达驱动的可移动装置22上使它的位置是沿一、二或三个位置座标能被控制的，即该接收部分的位置也是可控的。通过把该接收部分的输出窗口的中心对在使用轴上的方式来控制它。
进入发送部分11的光束的方向(该方向是在该系统装配时使该发送部分11相对调整的激光器1的轴的方向)定为离开接收部分12的光束的方向(即待处理管子14的轴，而用固定在该接收部分上并压在一个固定在管14上的有孔板(未划出)上的管子13相对于该管调整该接收部分的方向)。
通过适当地控制该发送部分和该接收部分的角偏转，因此能够把离开该发送部分的光指向该接收装置并能保证该接收部分安装得能接收到发自该发送部分的输入光束，从而在该发送装置与接收装置之间提供了一个光学上的联系。这个联系由该主、辅两联系光束PL和AL构成，PL和AL是由使输入光束PE和AE偏转的发送部分11产生的。
该准直系统的元件总共分为两个部件，一个固定的部件被安装在靠近一个通入水箱20的修理入口处，在该水箱外，该部件包括能源激光器1;
辅助激光器4;
用于把这两个激光束互相准直的装置5A，5B和3，计算机7，电视监视器箱子8，以及伸到水箱20里的管子10。
在水箱20里该固定的部件包括位于管子10端部由马达驱动的光学部件构成的发送部分20。
该准直系统还包括一个安装在位于水箱20里的支架22上的部件。该部件在带孔的下面固紧时是可动的。该部件包括构成接收部分的用马达驱动的光学部件12，该连接管13，以及包括该焊接头30的接头工具台38。
该辅助联系光束AL有一部分由固定在支架15A上的四个后向反射器向后反射到该发送部分11(见图4)，该支架15本身被固定在该接收部分并朝着该发送部分。这些后向反射器具有大家所知的多面体棱角形状并且有把光线沿其原入射方向返回的特性，不管它们相对入射光的取向如何。这些后向反射器构成了后向反射器部件15B。
由部件15B向后反射的光束经发送部分11加到环形分束器26上，该分束器把该光束经透镜27反射到另一由半反镜构成的分束器28上。经过分束器28的光在照相机16里形成一些光点，该光点构成了该后向反射器部件15的象。该象包括分别接收到由四个后向反射返回的四个原光束的四个点，这样每个点构成了与后向反射器一一对应的象素。
用照相机16来特别比较这四个象素的光通量。该照相机和该透镜在一起构成了该位置探测器。起到对复杂图的分析作用并构成了一个位置分析系统。根据其分析结果，通过对发送部分的马达的作用精确地调整发送部分的方向保证把光线入射到该接收部分上。此外，通过对该发送部分的马达和照相机16中收到的返回图象的分析的伺服控制能够通过入射光束连续跟踪该接受部分。
辅助辐射的没反射部分经过接收部分12以便在主输出光PS四周形成一个辅助输出光束AS。该辅助光束被传到一个自动准直的环形的接受部分的镜17上，该镜装在管13上并位于待处理管14的入口处。管子13构成了该接收部分的输出部分。该管13包括一个环形台13A，台13A通过工具38压到与管14相连的带孔板(未划出)上，这保证该接收部分的镜子17的轴与待处理管14的轴同轴。
由该接收部分的镜子反回来的辐射构成了该返回光束。该光束通过接收部分12和发送部分11后被分束器26反射并且在它通过透镜27之后又被分束器28反射使它传到照相机18构成误差探测器，相机18与照相机16一样位于外壳9内。通过相机扫描该辐射在该相机18上形成的图象以便提供表示辅助播出光束AS，也就表示主输出光束PS，相对于使用轴24的角误差的两个座标。
利用接收部分上的反射镜，就能调节输出光束的轴使其与管子14的轴24相重合，管14的轴同样是反射镜17的轴。
通过对接受部分的马达和该由相机18扫描的返回图象的伺服控制能够保持住与待处理管14的轴准直的输出光束，不管这些元件运动变化与否。
如图3所示，每个用马达驱动的光学部件，如发送部分11或接收部分12，接受到由在每次反射时都被偏转的共公轴附近的辅助辐射包围的主辐射构成的分光束，如发送部分11这种部件包括以下各个元件两个平面镜52和54，与接收到的光束的轴53和55成45°角，并续这两个轴转动，因此这就能够使该部件周围空间得到扫描，如两个箭头58和59所示。
球轴承60、62、64和66用于导向和能够形成该转动。
两个马达68和69，以及散热器70和72用于承载镜52和54并在它们受到主辐射时对其冷却。
在该固定的和可动的部件都被就位之后，利用上述系统的焊接过程如下进行由于运动部件的初始位置的座标已知，所以由计算完成第一个过程。
通过控制该移动装置22的马达和使用用于把接收部分12相对待处理管14适当对准的机械导向装置(未划出)把该部件放取适当的位置。用与本发明无关的常用工具把该焊接头30放入该管里。
然后由上述各操作提供出发送部分-接收部分的联系。开始只用该辅助辐射。一旦实现了准直就启动能源激光器1。
该系统的优点是可同时使用两种辐射，也可分着用。在单独分着使用时，可见辅助辐射只在初始准直和把接收部分和焊接头从一个管子移到另一个时才被单独使用。在焊接过程中同时使用这两种光时，通过给出光路上的任何障碍物的图象该可见辐射能使准直和连续性不断得到监测。
其他们优点是在接收部分后面的和可非过靠近该处理头，如焊接头的接收部分-镜17的整个路程上都能对光束进行监测。
可从上述欧洲专利得到有用资料。
权利要求
1.一个光束的准直系统，它包括一个发送部分(11)用于接收至少一个输入光束(AE)和用于把该输入光束以联系光束(AL)发出去；一个离开该发送部分的可动的接收部分(12)；以及控制装置用于保证该接收部分接收到该联系光束并把它变换成与使用轴(24)准直的输出光束(PS)；该准直系统的特点是通过简单的光探测装置(16，18)该控制装置能使该输出光束精确地准直在该使用轴上。
2.一个权利要求1的准直系统，该系统包括该发送部分(11)用于接收由主工作光束构成的主输入光束(2)和把该光束以方向可控的主联系光束(PL)形式发出去。该接收部分(12)用于接收该主联系光束并且应用可控的角偏转把该主联系光束变成主输出光束(PS)，此光束准直在与该准直系统外部结构相关的使用轴(24)上;以及光学瞄准装置包括一个辅助光源(4)用于以把该辅助输入光束由该发送部分(11)变成一个辅助在该主联系光束(PL)的光束准直的辅助联系光束(AL)以及通过把该辅助联系光束由该接收部分变成在该主输出光束光路上准直的辅助输出光束(AS)形式产生出在该主输入光束光路上准直的辅助输入光束(6)形式的辅助光束。发送部分的控制装置(15，16，7)，它们对由该接收部分接收到的该辅助联系光束的部分辐射灵敏以便以使该辅助联系光束和该主联系光束指向该接收部分的方式控制该发送部分。以及接收部分的控制装置(7，18，7)，它们对由该接收部分接收到的该辅助联系光束的一部分辐射灵敏以便用使该主输出光束和该辅助输出光束准直在该使用轴的方式控制该角偏转。该准直系统的特点是该辅助输入光束AE是一个绕该主输入光束PE同轴形成的管状光束，该发送部分和接收部分的控制装置离开该主辐射光路。
3.一个如权利要求2的系统，其特征是该发送部分和该接收部分的控制装置包括用于把该辅助光束的光反射到该发送部分的反射器装置(15，7)，以及一个围绕着该主输入光束(PE)和用该反射装置把返回的光指向该探测和分析装置(16，18，7)的环形分束器(26)。
4.一个如权利要求1的准直系统，该系统包括该发送部分用于接收至少一个输入光束(AE)和把它以方向可控的联系光束(AL)的形式发出去，该接收部分，以及发送部分的控制装置(15，17，7)，它对该联系光束照射的该接收部分灵敏，以便以把该光束指向该接收部分的方式控制该发送部分。该准直系统的特征是该发送部分的控制装置包括一个与该接收部分(12)相连的并由许多后向反射器(15)构成的后向反射器部件，每个后向反射器把该联系光束(AL)的相应部分沿该联系光束的方向返回以便构成后向反射的光束，以及一个后向反射光的探测器，它与该发送部分(11)相连并在一个图象分析器系统(6，7)上形成该后向反射器部件的象用以探测与该联系光束相关的该接收部分(12)的位置。
5.一个如权利要求4的系统，其特征是该图象分析器系统(16，7)用来比较分别由该后向反射器(15)的每个形成的并构成该后向反射器部件(15)的该图象的各个象素的每一个接收到的光通量。
6.一个如权利要求4的系统，其特征是至少有三个按角度分布在该联系光束(PL)四周的该后向反射器。
7.一个如权利要求6的系统，其特征是该后向反射器(15)之间留有角度间隔使该控制装置(17，18)其他部分可用的光通过。
8.一个如权利要求1的准直系统，该系统包括该发送部分(11)，该接收部分(12)，它接收该联系光束并用可控的角偏转把该光束变成输出光束(PS);以及接收部分的控制装置，用于以把该联系光束与和该准直系统之外的结构(14)有关的使用轴(24)准直地方式控制该可控的偏转，该接收部分的控制装置本身包括一个与该接收部分(12)相连的接收部分的反射镜以便以方向受该可控偏转影响的返回光束的形式把该联系光束的一部分光反射到该发送部分(11)，以及一个与该发送部分相连并对该反射光束的偏转灵敏的误差测量探测器(18)，该准直系统的特征是该接收部分的反射镜置于该输出光束(AS)的光路上使由该输出光束形成该返回光束并且该返回光束在其返回的光路上通过该接收部分(12);该镜有个与其表面垂直的轴并且以使其轴与该使用轴(24)准直的方式安装在和外部结构(14)相关的臂上。
9.一个如权利要求8的系统，其特征是用一个与该接收部分相连的输出部件(13)把该接收部分的镜子(17)安装在离开该接收部分(12)的一段距离处。该输出部件有个瞄准装置(13A)，它背着该外部结构14，以便使该接收部分的镜子相对于该使用轴(24)瞄准。
10.一个辐射处理方法，它特别用于在难以进入的零件内焊接，特别是核电站的管子，该方法包括以下步骤把一个处理头(30)插进待处理零件(14)中，在远离该被处理零件的地方产生处理辐射，以及把该辐射光束沿与该被处理零件相关的使用轴(24)准直以便把辐射送到该处理头;该方法的特点是用选自上面任一权利要求的准直系统把该光束准直。
全文摘要
本发明的准直系统比如打算用于用红外辐射和焊接头在与核反应堆有关的蒸汽发生器的水箱里的热交换器管内进行修理焊。用两个由马达驱动的固定在靠近该水箱入口的称为“发送部分的光偏转器和在被处理管入口处由移动装置承载的称为接收部分把能源光束传到被处理管的轴。该能源光束由可见光束同轴地包围住，通过后向反射器和接收部分带的自动准直镜以及通过发送部分带的探测器用该可见光建立和维持该发送部分和该接收部分之间的光学联系。
文档编号B23K26/30GK1035567SQ8910093
公开日1989年9月13日 申请日期1989年2月28日 优先权日1988年2月29日
发明者让·保罗·嗄法德, 罗伯特·哈维莱特, 格内维耶夫·查巴西尔, 贾克斯·格里法顿 申请人:法码通公司