CN1027110C - 制造核燃料组件栅格的方法和装置 - Google Patents

Abstract

制造压水核反应堆燃料组件的栅格的方法，将各构件需要连接的栅格(1)装在一个能定形并能机械维持住的框架中，该框架有一些能让栅格的两个大面和其侧面需焊接的部位进入的通道，用装在充有惰性气体的密闭腔室中的、绕轴线设置的定位装置(27，28)把装有栅格的框架固定住，用与装置的定位轴相垂直的激光光束同时在一个面上进行焊接，激光光束由设置在腔室外面的激光源发射，它通过透明窗时入腔室中，然后在其它面上重复这些操作，当在栅格一个面上焊接射，使激光光束在两个正交方向之间沿其发射方向运行，而框架在装有惰性气体的腔室中保持不动。

Description

本发明涉及制造***在核反应堆燃料组件中的栅格的方法和装置，更具体地说，本发明涉及制造供骨架由被导向管连接的端件组成的组件用的栅格，这些导向管被限定在沿导向管匀称分布的栅格孔中，而栅格中的另一些孔用于支撑组件的燃料棒。

在这些栅格中，主要的关键是在大面为正方形的栅格上，因为为了限定供燃料棒和导向管穿过的基本栅元，这些栅格是由沿着两个垂直方向设置并半搭接的两组内板组成的。这些内板的周边与其中构成围壁的一块板连在一起。为了保证这些栅格的连接强度，需把这些构件在它们的交叉处连接起来。

对于一般的反应堆组件还有截面为六边形的具有三组交叉板的栅格，尽管本发明具体涉及的是大面为正方形，栅元分布在正方格子结点上的栅格，但是本发明同样也适用于例如大面为六边形的栅格。

到目前为止的栅格构件的连接通常是用手工焊接完成的。也就是说要进行长时间的令人厌倦的操作，而且这种操作的工艺稳定性并不能得到令人十分满意的保证。

当然，人们还提出了各种可以使各构件相互焊接在一起的方法和装置，它们的自动化程度也不尽相同。

本发明与法国专利申请文件FR-A-2522560所描述的那种方法相关，根据该方法，将需要焊接构件的那些栅格放在使其成形并能机械地保持住的框架中，该框架中安排有一些能让栅格的两个大面及其侧面的需焊接的部位进入的通道，用放在一个密闭腔室中的装置固定住装有栅格的框架，在该密闭腔室中充有惰性气体;利用与该装置的定位轴线相垂直的激光束在一个表面上进行多个焊接，激光束从装在该密闭腔室外面的激光源射出，经过透明窗进入该密闭腔室中，在对栅格重新进行手工定位后对其他面上重复上面的操作。

由于是在惰性气体的保护气氛下进行的焊接，因而完全避免了焊接的氧化发生，从而使这种方法不仅特别适用于高强度的合金栅格，例如因康镍合金，而且还适用于基体成分为锆的合金栅格。

根据文献FR-A-2522560，似乎保护气氛是通过吹气得到的，这就使得大量惰性气体丢失。激光发生器在对一个面进行焊接的过程中是保持不动的，除非是对围壁进行焊接。对于围壁的焊接，用一组反射镜将光束反射。既使栅格在该腔室内部作各种精确的位移也不能保证达到所要求精度的激光束极小的焦斑尺寸。该腔室的体积需要很大。

法国和欧洲的专利申请文件FR-A-2532216和EP-A-0102252也描述了一种用固定激光发生器进行焊接的方法。把激光束射入一个开口腔室内并在其中聚焦，向该腔室吹送氩气，使栅格在该腔室中作与移动方向相垂直的运动。该方法需要的气体流量很大，回收被激光辐射污染的气体是困难的，而为了控制开口腔室漏气又要求有小得难以实现的间隙。

美国专利US4710606描述了一种自动焊接装置，激光束在该装置中能按照反射镜的五个自由度偏转，但因此使装置大而复杂，并使投资大幅度增加。

因此，本发明主要在于提供一种用上面提到的那类激光束来焊接栅格的方法及其装置，它可以在确保各构件的机械固定，并在无变形和无氧化的条件下连续自动地进行所需的焊接，由于把尺寸不同的间隙简并为一个尺寸的间隙从而避免了对焊接精度有影响的复杂的移动。

为此，本发明主要提供上面限定的那种方法，其特征在于在对栅格的一个面进行焊接时使激光光束在两个正交方向之间并沿光束发射方向移动，而框架在充有惰性气体的腔室中保持不动。

本方法合理地安排了激光光束，必要的聚焦光学***相对于框架之间的运动。

虽然该方法对于平板和围壁均为锆基合金的栅格的情况下十分有利，但它同样也适用于构件为镍基和铬基合金或钢的栅格的情况。

在本发明的较佳实施例中，首先将每一个栅格放在装有围绕一个第一个轴线放置的定位装置的第一腔室中，然后对平行于该轴线的那些面完成所有的焊接，再把那个一直在其框架中的栅格放到另一个装有围绕与第一个轴线平行的轴线放置的定位装置的腔室中，使栅格在该装置上的方向与它在第一个装置上所具有的方向相垂直，然后，在它们的那些大面上进行焊接。

该设计可以使定位装置大大简化，因此就会有更佳的定位精度，在每一个面上的焊接都是在同一个平面内进行，即不改变激光发生器的距离，除非进行特殊的焊接，例如对栅格的拐角部进行焊接。

由于栅格在焊接工作时自始至终都在其框架中，所以当栅格从一个腔室中转移到另一个腔室中时不影响它的各构件的相对位置。

卸下栅格，装上另一待焊接栅格和对一个腔室 中充惰性气体均可以在对在另一个腔室中的栅格进行焊接的同时进行，即使时间得到有效的利用。

实际上，充惰性气体的过程包括：将腔室抽成一次真空，然后充惰性气体，使进行焊接的气氛中的氧含量低于50VPM。为使窗口避免受到压力的交替影响，可以在抽真空时用盖子对这些窗口进行保护。

通常，最好把一些焊接组合起来，以便完成在两个位置上的聚焦发射，这两个位置位于两条平行线上，且它们彼此间的距离很小，为此，可以用光学仪器例如反射镜或振动透镜来限定激光束的光程。因此，要使聚焦透镜的振动与激光脉冲同步，从而使每次发射都在光程指向应该接受能量的位置时发生。

本发明还涉及用激光焊接来将栅格的各构件进行连接的装置，该装置包括一个可控气氛的外壳，该外壳装有一个供容纳装一个待焊栅格的框架的绕轴线设置的定位装置，并且有一个透明窗口和用一个能沿两个正交方向交叉移动的台子支撑的焊接激光源，所述的两个正交方向中的一个方向与定位轴线平行。

在阅读了按照个别实施例作的描述后就会对本发明有进一步的理解，而该实施例只是作为不是对发明作限定的例子，下面结合附图进行描述，在这些附图中，

图1为表示栅格局部的示意图，该栅格适于用本发明的方法制造;

图1A、1B、1C、1D、分别相当于图1中标号A、B、C和D的圆圈内所示位置的局部放大图;

图1DD为图1D的另一种结构;

图1E为构成图1D另一种结构的围壁的固定方式;

图2为用以说明本发明装置的主要构件的相互位置的透视图;

图3为图1装置的左视图，它示出了装置机座及其所支撑的构件;

图4为图1装置的正视图，它示出了焊接腔室以及支撑这些腔室的机座部分;

图4A为图1装置的局部顶视图;

图5为放大的正视图，它示出了装在第一个焊接腔室中的定位设备;

图5A为沿图5的A-A线作的剖视图，它示出了第一焊接腔室的定位装置的底架;

图6和图6A与图5和图5A类似，它示出了第二个焊接腔室的定位装置;

图7为表示焊接激光光束光路的透视图;

图8表示可采用的聚焦光学仪器的结构，这种结构也可以使光程振动;

图9为按比例放大的局部剖视的正视图，它示出了压紧防护盖的设备;

图10为平衡阀按比例放大的详细剖视图。

现在描述的装置主要用来通过焊接将图1所示的那种栅格1的各构件连接起来，这种栅格的详细结构可以为FR-A-0159228或FR-A-2474229专利申请中所描述的详细结构。栅格1包括两组半搭接的相交基本平板2，用称之谓“A型”的连接焊接（其详细结构见图1A）把每个都要相交的平板连接到栅格1的两个大面的每一个面上。平板2的边与构成围壁的周边平板5形成T形相交，在每个面上的这种相交处都要作如图1B所示的称之谓“B型”的焊接。

平板2的端部具有榫舌，这些榫舌***外壁的周边平板5中的榫孔内。每个端部可以有两个或三个能***各对应榫孔8中的榫舌7（图1C），这些榫舌有一些可以变形，以便进行机械紧固，用称之谓“C型”的焊接把这些榫舌固定到侧面。

最后，焊缝9借助周边每两个平板5端部分别形成的卷边10连接而使围壁的各构件得以连接。图1D所示的焊接称之谓“D”焊接。“D型”焊接可以用如图1DD所示的边一边对焊来代替。

在某些情况下，构成栅格的平板并不是用搭焊连接，而是与内板2对齐后进行边一边对焊来连接（图1E）。为了使确定栅格拐角部孔的平板定形，通常都是在与栅格拐角部的第二块内板对齐后再进行这种焊接。

图2和后面的附图所示的装置可以非常满意地进行许多部位需要的焊接，以制成图1所示的那种栅格。

为了把栅格1的各构件保持在比较合适的位置上，首先要把组装的每个栅格装在一个框架中，该框架可以使栅格的各构件保持在一定的位置上，该框架还可以构成一个能被带到焊接所要求的各个方向中的可操纵的调节组件。这种框架的结构可以与 EP-A-0159228专利申请中描述的结构相同，这篇文件将作为本发明的参考。

把主要结构为图2的示的装置装在室11中，该室前面装有可动的透明板，该可动透明板可以供外壳进入室中，以便装/卸栅格。装置包括含有梁12的支撑机构，该梁支撑装有电子传送装置和按予先编好的程序调节和控制焊接操作的电路的箱，该装置还有一个支撑各个可动构件的机架14。导向装置15固定在该机架14上，（图2至图4），导向装置沿着X方向水平设置，主托架21和装在下面的辅助托架22可以在导向装置上移动。这些托架与杆24相连。主托架24支撑两个相连接的焊接腔室16和17，每一个腔室均有装进栅格和撤出栅格的前门。辅助托架22支撑调节腔室气氛的组件，尤其是支撑真空泵。托架21和22可沿X轴移动。用一个作动筒来保证它们的传动，而用减震支架保证它们的精确定位。

每一个腔室16和17的顶上都有一个供焊接射线用的透明窗口。该射线由激光源发射，激光源由一个台子支撑，该台子沿着X方向和与X方向垂直的水平方向Y作交叉移动。

可以把激光发生器认为是由激光器20本身和沿垂直方向Z反射、焦距可调的光学仪器18组成。激光器放置在托箱26上，而托箱固定在交叉移动台19的上平台25上。

焊接锆合金的栅格，可以用400W的YAG脉冲激光器。在X和Y方向上的移动范围为400mm时就可以对目前所用的压水核反应堆的燃料组件的栅格进行总体焊接。我们将进一步描述能够调节焦点的聚焦光学仪器18的例子，使焦点正确地处于需要进行焊接的地方。

腔室16具有绕与Y方向平行的轴线设置的定位装置27，该定位装置用于容纳装在框架中的栅格，以便进行C型和D型（或DD型或E型）焊接。在图4中，该腔室所处的位置是它的入口窗位于由激光束偏转引起的扫描区域的下方，这样就可对腔室中的栅格进行焊接。

装置27的平台35通过腔室16的后壁，装置能够将装在框架中的栅格保持住，并能为在对栅格进行C型焊接（也可以是E型焊接）时，以及对栅格的拐角处进行D型、DD型焊接时提供所需要的八个方向的运动。换句话说，装置27用来把栅格送到四个能在围壁的四个面上进行C型焊接，也可进行E型焊接所需要的四个方向上，在另外的情况下，需要有四个辅加的方向来对栅格的四个拐角进行焊接。

在任何情况下，栅格的大面都与Z方向平行，也就是说在焊接过程中与激光束的光路平行。调节工作距离就可以得到与D型或DD型焊缝同样好的C型焊点，当然，这是指在准备进行D型或DD型焊接的情况下而言。

定位装置27有一个圆板29，该圆板上带有固定装栅格的框架夹具32的卡盘30，在图4、5和5A中框架夹具的外形用虚线表示。该两个卡盘30可以使框架紧靠定位销31并使其与圆板贴紧。框架的转动部件在框架上开有的月牙形槽33中转动。

把圆板29固定到盘35上，该盘与未示出的旋转驱动马达的输出轴相连，该输出轴上装有一个编码器，编码器把方向指令传给控制箱13。

腔室17也装有定位装置28，它示于图6和图6A中。该定位装置也有一个圆板29a，该圆板固定到定位盘35a上，定位盘绕着与Y方向平行的轴线设置。但圆板29a容纳框架夹具时的位置应是：使栅格的大面和两个侧面均与定位轴线相平行。为此圆板29a由直接固定到盘35a上的板和带有卡盘30a和销钉31a的底座36构成，该底座与上述板垂直。底座36上有一个很大的开口37，使已转向底座的栅格的大面上要进行焊接的所有部位均能够进入。

激光源的主要结构示于图7。由激光器20发射的光束径二向色反射镜38传送到聚焦光学仪器18，该光学仪器由若干个透镜组成。将该透镜的组合件装在一个机械支架上，该机械支架可以沿Z轴移动，移动距离可达200mm，从而能较好地调节工作距离，以便适合待进行类型焊接的要求。

为进行这些调节，由光学仪器18重新接收并通过二向色反射镜38的焊接位置的象被摄象机CCD接收，该摄象机把这个象传送给与控制架相连的监视器。因此操作人员就可以用一个机械装置进行调整（该机械装置未示出），得到光能见度非常清晰的象就表示达到正确的工作距离。由于光学仪器18沿Z轴的移动是由电子控制装置控制的，因此工作距离的调节是自动进行的。

光学仪器18的结构可以为图8所示的结构。该光学仪器有一个支撑三个透镜40、42、和44的支架。因此透镜40（发散）和42（会聚）就构成了聚焦望运镜X2，该望远镜可以减少光束的发散。透镜44把光束聚焦在焊点上。

另外，把透镜44装在一个滑块上，滑块可以使该透镜沿X方向振动，其振幅等于需要进行焊接的各点之间的距离，以便进行C型，D型或E型焊接。

运动的幅度例如可以在0-2mm之间调整。

由电磁铁装置来激励振动运动，电磁铁装置使滑块移向各个调整支架。

图8所示的盒件还有对需要发射的地方进行照明的装置，该照明装置由能将发生器（未示出）供给两个光导纤维输出的光束聚焦的透镜46组成。

在本发明的另一个实施例中，两个腔室16和17都是固定的，交叉运动台放在能把激光发生器依次地带到腔室16上面和腔室17上面的装置上。

为了限制惰性气体的消耗，该装置最好用这种惰性气体取代气流，但不是用吹气的方式而是先抽真空，然后再充气。

初看起来似乎不应考虑抽真空，因为玻璃窗在抽真空时承受不了施加的压力。

该问题在图4、4A、9和10的实施例中得到了解决：把盖子装在装置的机座上，盖子在抽真空时贴紧在玻璃窗的四周，盖子还使作用在玻璃窗反面的压力得到平衡。

盖子50和52是为交替使用而设计的，它们贴到与激光光学仪器没有对中的腔室窗口上。为此，将盖子50和52用各自的控制机构连到支撑机座54上。图3，4和9所示的控制机构包括可充气的垫56，可充气的垫放在与支撑机座相连的压板57和固定在盖上的垫座58之间。垫座被杆60操纵，该杆可以在压板57中滑动，垫座在弹簧62的作用下到达高的位置，垫座58和盖的向下移动受到螺母64的压紧程度限制，螺母在杆60端头上的丝扣部分对着压板57拧紧。

每个窗都带有若干个衡阀，例如图4A中其中一个窗的平衡阀的位置用66表示。每个阀都有设置在腔室壁中的通道，通道的一部分受到基座68的限定。该基座是用于装塞子70的，弹簧72把塞子推向关闭的位置。在关闭位置时塞子70在腔室壁的上部出现一个凸起部。该壁上装有环形密封圈74，密封圈封住阀组。当盖50压住密封圈74时，它就使塞子插进去，从而使腔室的内部与窗和盖间的空间相连通。待盖子拆下后，该通路即被关闭。

下面描述图2至图8装置的使用方法。

首先把要组装的栅格的板装在一个框架中，该框架构成了把这些板保持在确定位置的模子。工作的第一个步骤是对围壁的焊接。为此，把装着栅格的框架32放在腔室16中的圆板29上，并用卡盘30锁紧，把腔室16关闭。再把腔室16的窗的防护盖压在腔室的壁上，使窗上各处的压力保持平衡。调节泵装置23使腔室的内部抽成一次真空，然后充氩气，抽二次真空并充两次气就足以达到非常纯的气氛，气氛的含氧量小于50vpm，含水量低于150vpm。此时把盖抬起。腔室中的余压可以为40毫巴，维持氩流量为20-60升/分就可以把腔室中出现的焊接烟气排放掉。该装置中最好有分析从排放孔出来的氩气的设备，这样就可进行监测，以便使氧和水的含量不超出上述的极限值。

由于腔室16在光学仪器18下面滑块上固定不动，因此可以自动地进行C型和D型（或E型）焊接。由交叉运动台19把激光器移动到焊接位置。开始最好进行D型或E型焊接，因为D型焊接要求的工作距离与E型焊接不同。为了完成每次焊接，需要供给14-22焦尔能量的脉冲，该脉冲的频率为7-16赫兹，脉冲周期为5ms。

用与焊缝D和E所用的参数相同量级的参数6可以进行C型焊接。

当进行自动焊接而腔室16和17不移动时，操作人员就把有待只进行A型和B型焊接的第二个栅格装在腔室17中。在该腔室中装栅格和调节气氛所需时间少于腔室16中的焊接时间。

当腔室16中的焊接工作结束后，托架21和22经装在控制箱13中的电子控制器的控制而自动地移动它们的滑块上。腔室17的窗在此移动后就处在光学仪器18的下方。因此，当要对新的栅格进行A型和B型焊接时，就把腔室16打开，取出装在该腔中的栅格，换上新的栅格。

后面的这些焊接要求用台子19沿着X和Y两个方向移动激光发生器。通常进行每一次焊接只 要用脉冲的总能量为14-24焦尔，频率为5-10赫兹，脉冲宽度为5ms的一个或两个脉冲即可。

这些焊接首先在一个大面上进行，在把圆板29a旋转180°以后，再在其它大面上进行。

Claims (10)

1、一种制造用于核反应堆燃料组件栅格的方法，按照该方法：

(1)将栅格(1)各个需要连接的构件，装在一个能够成形并可机械维持住的框架中，该框架具有一些能让栅格的两个大面上和其侧面上，需要焊接的部位进入的通道，

(2)用装在充有惰性气体密闭的第一腔室中的第一装置(27)，将装有栅格的框架固定，用激光束同时在一个面上进行焊接，而激光束是由设置在腔室之外的激光源所发射的，它通过透明的窗进入腔室中，然后在其它面上重复这些操作，

其特征在于：

(3)在栅格的一个面上焊接时，使激光束在两上正交方向之间并沿其发射方向移动，而此时框架固定在第一腔室中，在其它面上重复这些操作之前，用第一装置将栅格围绕着垂直于激光束的方向的第一轴转动，并对与第一轴平行的面上进行所有的焊接，

(4)然后，将一直装在其框架中的栅格装到另一个绕平行于第一个轴线的第二个轴线设置的第二个定位装置(28)的第二腔室(17)中，但要使该定位装置上的栅格所处方向与它在第一个装置上的方向垂直，

(5)在栅格大面上进行焊接，而每一次都是在框架固定静止时进行。

2、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：卸下一个栅格、装上另一个要焊接的栅格并在另一个腔室中充以惰性气体，都是在对另一个腔室中的栅格进行焊接的同时进行。

3、按照权利要求1所述的方法，其特征在于：在各个面上所有的焊接都是在激光发生器安放在Z轴上的距离和聚焦透镜安放在Z轴上的位置上进行的。

4、按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：在第一个围壁里进行焊接，而围壁所在位置使得其窗处于激光源的光束之下，然后，移动两个围壁以使得第二个围壁的窗处于上述光束之下，以便进行大面焊接。

5、按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：某些焊接是通过聚焦发射在两个位于两条平行线上的、且相互间距离很近的两点上进行的。

6、按照权利要求5所述的方法，其特征在于：用振动光学手段限定激光束的光程、并且使这些振动与激光发射的振动同步，以便使每次发射是在光程朝向接收能量的位置时进行。

7、按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于：在进行焊接之前、将一个盖子装在窗上，使窗上各处的压力平衡，将密闭室在真空下保持平衡、并在平衡失去和取下盖子之前在该腔室中充入惰性气体。

8、一种通过激光焊接将构成核燃料组件栅格的各构件进行连接的装置，包括：

（1）焊接用的激光发生器，

（2）一个气氛可控装有透明窗的第一腔室（16），

（3）一个第一装置用于接收需要在第一腔室中焊接一个栅格的一个框架，

其特征在于：连接装置还包括：

（4）一个气氛可控装有一个透明窗的第二腔室（17），

（5）一个第二装置用于接收需在第二腔室中焊接一个栅格的一个框架，并使栅格的方向与它在第一装置上的方向垂直，

（6）通过可沿两个垂直方向交叉移动的台子来支撑上述发生器，而这两个方向中的一个方向是与第一装置的框架方位的平行轴相平行，

（7）通过可交替地引入激光发生器激光束内腔室窗的方法，可移动上述腔室（16，17）。

9、按照权利要求8所述的装置，其特征在于：通过导向装置（15）上一个同样的滑动滑架（21）来支撑腔室（16，17）。

10、按照权利要求8或9所述的装置，其特征在于：第一接收装置用作给与栅格围壁面的八个等距离方位角和栅格拐角的焊接。

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