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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf
eine Laserschweißvorrichtung
insbesondere für
die Reparatur von Wärmetauscherrohren,
wie z. B. Dampfgeneratorrohren in einer Druckwasserreaktor-(PWR)-Kernkraftanlage.
Genauer bezieht sich diese Erfindung auf eine solche Vorrichtung,
die einen rotierenden Faseroptikkoppler enthält, der verwendet wird, um das
Hochleistungslaserschweißen
der Wärmetauscherrohre
zu erleichtern.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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In Kernkraftanlagen, die den Druckwasserreaktorzyklus
verwenden, wird die Wärme
im Reaktor aus der Spaltung des Kernbrennstoffes freigesetzt. Die
Wärme wird
durch kontinuierliches Umwälzen
eines Fluids, das als Reaktorkühlmittel
bezeichnet wird, dem Reaktor entnommen. Nachdem das Kühlmittel
im Reaktor erhitzt worden ist, strömt es zu einem Wärmetauscher,
der gewöhnlich
als Dampfgenerator bezeichnet wird, wo es seine Wärme abgibt, und
kehrt anschließend
zum Reaktor zurück,
um es weiter zu erhitzen. Im Dampfgenerator heizt das Kernreaktorkühlmittel
ein Sekundärwasser
auf, das anschließend
verwendet wird, um eine Dampfturbine anzutreiben. Nach dem Verlassen
der Dampfturbine wird der Dampf kondensiert und für eine weitere
Erhitzung durch das Reaktorkühlmittel
zum Dampfgenerator zurückgeführt. Der
Reaktor-Dampfgenerator-Kühlmittelkreislauf
wird normalerweise als Primärkreislauf
bezeichnet, während
der Dampfgenerator-Turbine- Kreislauf
gewöhnlich
als Sekundärkreislauf
bezeichnet wird.
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Der Dampfgenerator ist typischerweise
ein Hüllen-
und Rohr-Typ-Wärmetauscher,
bei dem das Primärkühlmittel
durch das Innere der Wärmetauscherrohre
strömt
und das Sekundärwasser über die Außenoberflächen der
Rohre strömt
und von der Hülle
des Wärmetauschers
eingeschlossen ist. Der Wärmeübergang
vom Reaktorkühlmittel
auf das Sekundärwasser
findet über
einen Großteil
der Länge
der Rohre statt. Um eine Abdichtung am Ende der Rohre zu bewerkstelligen
und somit ein Mischen des Reaktorkühlmittels und des Sekundärwassers
zu verhindern, sind die Enden der Rohre mit einer Rohrplatte verbunden,
die eine flache Platte mit Öffnungen
zum Aufnehmen der Enden der Rohre umfaßt. Die Enden der Rohre sind
entweder mit der Rohrplatte dicht verschweißt oder in den Öffnungen
geweitet, um eine dichte Verbindung zu bewerkstelligen. Die Umfangskanten
der Rohrplatte sind an der Hülle
des Dampfgenerators und an einem Reaktorkühlwasserkasten abgedichtet.
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Dampfgeneratoren sind üblicherweise
so ausgerichtet, daß die
Rohre im wesentlichen in vertikaler Richtung verlaufen und dem Geradeaus-Durchfluß-Typ oder dem Rückkehrströmungstyp
entsprechen. Im Geradeaus-Durchfluß-Typ-Dampfgenerator sind die
Rohre gerade und mit den Rohrplatten an beiden Enden verbunden.
Das Reaktorkühlmittel
tritt in einen Wasserkasten an der Oberseite des Dampfgenerators
ein, strömt
durch die Rohre und wird in einem Wasserkasten am Boden des Dampfgenerators gesammelt.
Geläufiger
ist der Rückkehrströmungstyp-Dampfgenerator,
bei dem die Rohre eine invertierte "U"-Form aufweisen, wobei beide
Enden mit der gleichen Rohrplatte am Boden des Dampfgenerators verbunden
sind. Der Wasserkasten unterhalb der Rohrplatte enthält eine
Trennplatte, die so ausgerichtet ist, daß sie den Abschnitt der Rohrplatte,
der die Rohreinlässe
enthält,
effektiv gegenüber demjenigen
Abschnitt, der die Auslässe
enthält,
abdichtet. Auf diese Weise strömt
das Reaktorkühlmittel in
den Einlaßabschnitt
des Wasserkastens, durch die umgekehrten "U"-Rohre und in den Auslaßabschnitt des
Wasserkastens. Sowohl im Geradeaus-Durchfluß-Typals auch im Rückkehrtyp-Dampfgenerator sind
die Rohre sehr lang und erfordern eine Unterstützung entlang ihrer Länge. Dies
wird bewerkstelligt, indem Unterstützungsplatten innerhalb der
Hülle des
Wärmetauschers
an verschiedenen Positionen längs
der Länge
der Rohre angeordnet werden. Die Unterstützungsplatten enthalten Öffnungen,
durch die die Rohre laufen, wobei deren Umfangskanten mit der Hülle des
Dampfgenerators verbunden sind.
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Um die Installation der Rohre zu
erleichtern und eine unterschiedliche Wärmeausdehnung zwischen den
Rohren und der Hülle
zu erlauben, sind die Öffnungen
in den Unterstützungsplatten übergroß, um ein
Gleiten des Rohres relativ zur Unterstützungsplatte zu erlauben. Die Öffnungen
in der Platte müssen
jedoch klein genug sein, um eine angemessene horizontale Unterstützung für die Rohre
bereitzustellen und eine übermäßige Rohrschwingung während des
Betriebes zu verhindern. Somit werden Spalten zwischen den Unterstützungsplatten
und den Rohren ausgebildet. Diese Spalten sammeln Schmutz und Korrosionsprodukte
während
des Betriebs des Dampfgenerators, wodurch eine Spaltkorrosion gefördert wird.
Außerdem
enthalten die Verbindungen zwischen den Rohren und der Rohrplatte, die
vorher beschrieben worden ist, Spalte, die zu einer Spaltkorrosion
führen.
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Dampfgeneratorrohre sind für mehrere
Typen von Korrosionsmechanismen anfällig, die schließlich zu
einem Leck oder zu einer signifikanten Wandverdünnung führen können. Diese umfassen Primärwasser-Spannungskorrosion-Rißbildung,
sekundärseitige
interkristalline Einwirkung, sekundäre interkristalline Spannungskorrosion-Rißbildung
und sekundärseitigen
Verschleiß.
Die primärseitige
Verschlechterung tritt typischerweise an Stellen hoher Zugrestbeanspruchung
auf, wie z. B. an Expansionsübergangsbereichen,
Innenreihen-U-Biegungen und Rohrunterstützungsstellen. Eine sekundärseitige Verschlechterung
tritt an Stellen auf, an denen sich Verunreinigungen konzentrieren
können,
wodurch Korrosionsstellen hervorgerufen werden, wie z. B. Rohr-zu-Rohrplatte-Spalten,
Rohrunterstützungsplatte-zu-Rohr-Grenzflächen, Antischwingungsstäbe-Grenzflächen und
Schlammansammlungsbereiche. Aktuelle Abhilfetechniken für diese
durch Korrosion hervorgerufenen Probleme umfassen: Dampfgeneratoraustausch,
Zustopfen beeinträchtigter
Rohre, Elektroplattieren der Rohrinnenflächen und Überziehen beeinträchtigter
Rohre.
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Ein Dampfgeneratoraustausch ist eine durchgreifende
Lösung,
die eine wesentliche Kapitalinvestition und Monate oder Jahre an
Anlagenstillstandszeit bedingt, mit dem zugehörigen Einnahmeverlust, der
längere
Anlagenausfälle
begleitet. Das Zustopfen der beeinträchtigten Rohre setzt die Rohre außer Betrieb,
was den Dampfgeneratorwirkungsgrad reduziert. Die Möglichkeit,
Rohre zuzustopfen, beruht auf dem "Zustopfspielraum", der auf der Grundlage
der Betriebserfahrung für
jeden Dampfgenerator berechnet wird. Sobald der "Zustopfspielraum"
erschöpft
ist, reduziert ein weiteres Zustopfen von Rohren die Leistungsfähigkeit
des Dampfgenerators und die gesamte Anlage muß herabgesetzt und mit einer
-reduzierten Leistungsfähigkeit
betrieben werden.
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Das Elektroplattieren der Dampfgeneratorrohre
mit Nickel erlaubt, die Rohre in Betrieb zu lassen. Ferner dichtet
die Nickelplattierung kleine Lecks ab und verhindert eine weitere
Verschlechterung, stellt jedoch nicht die strukturelle Integrität des Rohres
wieder her. Eine Haupteinschränkung
der Elektropiattierung ist daher, daß sie nur bei kleinen Rissen
effektiv ist, die so früh
erfaßt
werden, daß eine Reparatur
bewerkstelligt werden kann, bevor die Festigkeit des Rohres ernsthaft
beeinträchtigt
wird.
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Die Verhülsung ist eine teurere Abhilfetechnik,
erlaubt jedoch, das Rohr in Betrieb zu belassen. Die Verhülsung wird
bewerkstelligt durch Einsetzen einer kurzen, rohrförmigen Hülse mit
einem Außendurchmesser
etwas kleiner als der Innendurchmesser des Dampfgeneratorrohres
in den beschädigten Abschnitt
des Dampfgeneratorrohres und Verschweißen der Hülse mit dem Rohr. Die Hülse ist
im allgemeinen aus demselben Material wie das Rohr gefertigt und
ersetzt praktisch den beschädigten
Abschnitt der Verrohrung. Die strukturelle Integrität des Rohres wird
somit durch dieses Reparaturverfahren wiederhergestellt. Die Verhülsung wird
im allgemeinen dann durchgeführt,
wenn der Dampfgenerator-"Zustopfspielraum" erschöpft ist.
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Ein Lösungsansatz zur Verhülsung ist
offenbart im US-Patent Nr. 5.066.846, erteilt am 19. November 1991
an William E. Pirl, das hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
In diesem Patent wird die Hülse
mit dem Rohr unter Verwendung eines innerhalb des Rohres positionierten
Laserstrahlschweißkopfes
verschweißt.
Die Laserenergie von einer Laserquelle wird durch ein Lichtleitfaserkabel
zum Schweißkopf
geführt,
wo ein abgeschrägter
Spiegel den Strahl auf die Innenfläche der Hülse reflektiert. Der Schweißkopf rotiert
in einer Axialposition längs des
Rohres nahe einem Ende der Hülse
und der Laserstrahl liefert ausreichend Energie, um die Hülse in einem
schmalen, in Umfangsrichtung verlaufenden Band um die Hülse/Rohr-Grenzfläche mit
dem Rohr zu verschmelzen. Die mit diesem Verfahren bewerkstelligte
Verschweißung
wird im Stand der Technik im allgemeinen als autogenes Schweißen bezeichnet, bei
dem das Basismetall der Hülse
und des Rohres geschmolzen und verschmolzen werden und kein zusätzliches
Füllmaterial
während
des Schweißprozesses
zugegeben wird. Der Schweißkopf
wird anschließend
am anderen Ende der Hülse
neu positioniert und es wird ein weiteres autogenes Schweißen durchgeführt.
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Obwohl die Verhülsung auf diese Weise die strukturelle
Integrität
des Rohres wiederherstellen kann, weist es mehrere Nachteile auf.
Erstens verringert die Hülse
notwendigerweise den Innendurchmesser des Rohrdurchgangs, was einen
erhöhten Druckabfall
für die
Strömung
des Kühlmittels
durch das Rohr ergibt, wenn der Dampfgenerator in Betrieb genommen
wird. Wenn ferner die Reparatur im unteren Abschnitt eines Rohres
ausgeführt
ist, wie z. B. an der Rohrplatte, wird eine anschließende Reparatur
einer Rohrbeeinträchtigung
oberhalb der Stelle der ersten Hülse
verhindert, da keine weitere Hülse hinter
der bereits installierten Hülse
eingesetzt werden kann. Außerdem
sind die autogenen Schweißstellen
an beiden Enden der Hülse üblicherweise
von den Enden des Rohres zurückgesetzt,
da es sehr schwierig ist, eine Qualitäts-Hohlkehlenschweißnaht am
Ende der Hülse
ohne Zugabe von Füllmaterial
zu bewerkstelligen. Da diese Schweißstellen von den Enden der
Hülsen
zurückgesetzt
sind, verbleibt ein Spalt zwischen der Hülse und dem Rohr in dem Bereich
zwischen dem Ende der Hülse
und der Schweißstelle.
Da ferner die Schweißstellen
selbst schmale, in Umfangsrichtung verlaufende Bänder sind, bildet der äußere Bereich
der Hülse
zwischen den Bändern
einen Spalt mit dem Rohr. Die Beschädigung des Rohres, die die
Reparatur erforderlich gemacht hat, wie z. B. ein Riß oder ein
Nadelloch, erlaubt das Eindringen von Wasser in diesen Spalt. Diese
Spaltbereiche sind wiederum für
viele Korrosionsformen anfällig,
wenn der Dampfgenerator wieder in Betrieb genommen wird.
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Es wurden Versuche unternommen, um
eine kontinuierliche, autogene Schweißstelle innerhalb des Rohres
zu verwenden, ohne eine Hülse
zu verwenden, um beschädigte
Rohre zu reparieren. Diese Versuche sind fehlgeschlagen, da die
Korrosion, die zu der Beschädigung
geführt
hat, oxidierte Oberflächen
zurückläßt, die
zu Schwachstellen und Fehlstellen führen, wenn ein autogenes Schweißen verwendet
wird. Wenn Füllmaterial
im Schweißprozeß verwendet
wird, kann das Füllmaterial
Deoxidations- und Viskositätskontrollmittel
enthalten, die die dem autogenen Schweißen zugeordneten Schwachstellen
und Fehlstellen verhindern. Ferner erlaubt die Verwendung eines
Füllmaterials,
die Rohrwand aufzubauen, wodurch ein voller struktureller Austausch der
beschädigten
Rohrwand durch die neue Schweißablagerung
geschaffen wird.
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Es ist daher offensichtlich, daß verbesserte Abhilfetechniken
erforderlich sind, um die zukünftigen
Anforderungen an PWR-Kraftwerksanlagen zu erfüllen. Sobald der Rohr-Zustopfspielraum
genutzt worden ist und eine große
Menge an Hülsen
(z. B. > 10 % der
Rohre) installiert worden ist, um einen fortgesetzten Betrieb zu
erlauben, führt
eine Rohrverschlechterung möglicherweise
zu der Entscheidung, den Dampfgenerator zu ersetzen, die Anlage
herabzusetzen oder die Einrichtung stillzulegen. Es ist eine alternative
Reparaturtechnik erforderlich, die eine verlängerte Rohrlebensdauer bis
zum Ende der Anlagenlebensdauer bei wirtschaftlichen Kosten bietet.
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Die internationale Patentanmeldung
WO 9419141 A offenbart eine Vorrichtung zum Reparieren beschädigter Rohre,
wobei die Vorrichtung einen stationären Laser aufweist, der mit
einem in einer drehbaren Hülse
mittels eines dedizierten optischen Kopplers montierten Faseroptikkabel
verbunden ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung schafft
eine Laserschweißvorrichtung
zum Schweißen
der Innenfläche eines
Rohres, umfassend: einen stationären
Laser zum Erzeugen von Lichtenergie; eine rotierende Hülse, die
ein Lichtleitfaserkabel umschließt; einen optischen Koppler,
der zwischen dem stationären
Laser und der rotierenden Hülse
angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß der optische Koppler eine
unbewegliche optische Bau gruppe, um Lichtenergie vom stationären Laser
zu empfangen und gerichtete und fokussierte Lichtenergie zu erzeugen,
und eine rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe enthält, um die
gerichtete und fokussierte Lichtenergie zu empfangen und mit dieser
das Lichtleitfaserkabel der rotierenden Hülse zu beaufschlagen, wobei
die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe eine Photozelle zum
Messen der Ausrichtung zwischen der unbeweglichen optischen Baugruppe
und der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe enthält.
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Eine unbewegliche optische Baugruppe
des optischen Kopplers empfängt
die Lichtenergie vom stationären
Laser und erzeugt gerichtete und fokussierte Lichtenergie. Eine
rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe des optischen Kopplers empfängt die gerichtete
und fokussierte Lichtenergie von der unbeweglichen optischen Baugruppe
und führt
sie dem Lichtleitfaserkabel der rotierenden Hülse zu, welches die Lichtenergie
der Innenfläche
eines Rohres zuführt,
so daß sie
verwendet werden kann, um eine Hüllenschweißstelle
zu erzeugen. Die unbewegliche optische Baugrppe enthält axiale
und konzentrische Ausrichtungsvorrichtungen. Die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe
enthält
konzentrische Ausrichtungsmittel und einen Überwachungshohlraum, um eine
optische Rückmeldung
bezüglich
der Ausrichtung zwischen der unbeweglichen optischen Baugruppe und
der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe bereitzustellen. Die
rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe kann so konstruiert sein,
daß sie eine
Sicherheitsfaseroptik mit einer zugehörigen Sicherheitsfaseroptik-Photozelle
enthält,
die verwendet wird, um zu beurteilen, ob vom Laser überschüssige Lichtenergie
verwendet wird.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine seitliche Schnittansicht eines typischen Dampfgenerators, der
in einer Druckwasserreaktor-Kraftwerksanlage verwendet wird;
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2 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Laser-Hüllenschweißreparaturvorrichtung, die
innerhalb eines Dampfgeneratorrohres positioniert ist und eine im
voraus positionierte Drahtspule als Füllmaterial verwendet;
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3 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform
der Laser-Hüllenschweißvorrichtung,
die innerhalb eines Dampfgeneratorrohres nahe einer Rohrträgerplatte
positioniert ist;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform der Laser-Hüllenschweißreparaturvorrichtung, die
innerhalb eines Dampfgeneratorrohres positioniert ist und eine Spule
eines Füllmaterialdrahtes
verwendet, der im voraus direkt über dem
Bereich positioniert worden ist, der hüllenverschweißt werden
soll;
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5 ist
eine Seitenansicht einer Rotationsvorrichtung;
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6 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes,
der am Ende der Rotationshülse
der Rotationsvorrichtung der 5 positioniert
ist;
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7 ist
eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe,
die mittels eines Keilprismas implementiert ist;
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8 ist
eine Seitenansicht einer anderen Rotationsvorrichtung;
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9 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes,
der am Ende der rotierenden Hülse
der Rotationsvorrichtung der 8 positioniert
ist;
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10 ist
eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifrkationsbaugruppe,
die mittels eines geschnittenen Lichtleitfaserkabels implementiert
ist;
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11 ist
eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugnappe,
die mittels eines gebogenen Lichtleitfaserkabels implementiert ist;
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12 ist
eine Seitenansicht eines optischen Kopplers, der gemäß der Vorrichtung
der 5 in einer Laserschweißvorrichtung
gemäß der Erfindung verwendet
werden kann;
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13 ist
eine vergrößerte Seitenansicht der
unbeweglichen optischen Baugruppe des optischen Kopplers der 12;
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14 ist
eine vergrößerte Seitenansicht der
rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe des optischen Kopplers
der 12;
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15 ist
eine vergrößerte Seitenansicht
einer rotierenden Kabelschnittstelle, die eine Sicherheitsfaseroptik
und eine entsprechende Sicherheitsfaser-Optik-Photozelle enthält; und
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16 ist
eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes,
der am Ende der rotierenden Hülse
positioniert ist, die einen nicht rotierenden Schutzmantel enthält.
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Genaue Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung ist auf
die Reparatur korrodierter oder beschädigter Rohre mit kleinem Durchmesser
anwendbar, die in einer beliebigen Anwendung verwendet werden, wie
z. B. in Wärmetauschern
oder Materialtransportsystemen. Die folgende genaue Beschreibung
verwendet beispielhaft einen spezialisierten Wärmetauscher, der als Dampfgenerator
bekannt ist, welcher in einem Druckwasserreaktor-Kernkraftanlagenkreislauf
verwendet wird.
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In 1,
in der ähnliche
Bezugszeichen über
alle der mehreren Figuren hinweg ähnliche Komponenten bezeichnen,
ist ein typischer Dampfgenerator des Umkehrtyps dargestellt. Der
Dampfgenerator, der allgemein mit 10 bezeichnet ist, umfaßt eine
Hülle 12,
ein Rohrbündel 14,
eine Rohrplatte 16 und einen Wasserkasten 18.
Der Klarheit der Darstellung halber ist nur ein "U"-förmiges Rohr 20 dargestellt,
jedoch ist klar, daß das
Rohrbündel 14 aus
Tausenden einzelner Rohre 20 bestehen kann. Eine Trennplatte 22 unterteilt
den Wasserkasten 18 in einen ersten Einlaßabschnitt 24 und
einen Auslaßabschnitt 26.
Im Betrieb tritt heißes
Reaktorkühlmittel
in den Einlaßabschnitt 24 oder
Wasserkasten 18 durch eine Düse 28 ein. Aus dem
Einlaßabschnitt
24 strömt das Kühlmittel
durch die Rohre 20 zum Auslaßabschnitt 26 des
Wasserkastens und zurück
durch die Düse 30 zu
dem (nicht gezeigten) Reaktor. Das Sekundärwasser tritt in die Hülle 12 durch
die Düse 40 ein
und wird durch den Kontakt mit den Rohren 20 erhitzt. Wenn
das Sekundärwasser
erhitzt wird, siedet es, erzeugt Dampf, der die Hülle 12 an
der Oberseite des Dampfgenerators 10 durch Düsen 42 und 44 verläßt. Der
so erzeugte Dampf wird zu einer (nicht gezeigten) Dampfturbine geleitet,
wo er expandiert wird, um einen (nicht gezeigten) elektrischen Generator
anzutreiben.
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Im Dampfgenerator sind die Rohre 20 mittels Dichtungsschweißen oder
mittels Weiten des Rohres innerhalb der Rohröffnung in der Rohrplatte 16 mit der
Rohrplatte 16 verbunden. In verschiedenen Höhen in der
Hülle 12 sind
Rohrunterstützungsplatten 50
angeordnet, die Öffnungen
zum Hindurchführen der
Rohre 20 enthalten. Die Öffnungen in den Rohrunterstützungsplatten 50 sind
im Durchmesser etwas größer als
der Außendurchmesser
der Rohre 20, so daß die
Rohre vertikal innerhalb der Unterstützungsplatten gleiten können. Diese
relative Gleitfähigkeit ist
notwendig, um die unterschiedliche Wärmeausdehnung auszugleichen,
die auftritt, wenn der Dampfgenerator 10 in die Leitung
eingeschaltet wird und langsam auf die Betriebstemperatur erhitzt
wird. Wie vorher erwähnt
worden ist, sind die Spalten, die zwischen den Unterstützungsplatten 50 und
den Rohren 20 ausgebildet werden, sowie die Spalten, die
an der Anbringung der Rohre 20 an der Rohrplatte 16 angeordnet
sind, anfällig
für eine
Korrosion, die die Rohre 20 beeinträchtigt und schließlich zu
einem Rohrbruch oder Versagen führt.
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In 2 ist
eine Querschnittsansicht einer Laser-Hüllenschweißreparaturvorrichtung gezeigt. Diese
Figur zeigt die gesamte Installation zum Hüllenschweißen des Inneren eines Rohres
mit kleinem Durchmesser. Es ist ein Abschnitt eines Dampfgeneratorrohres 20 gezeigt,
an dem es durch eine Rohrunterstützungsplatte 50 geführt ist.
Typischerweise beträgt
der Spielraum zwischen der Außenoberfläche des
Rohres 20 und dem Innendurchmesser der Öffnung durch die Unterstützungsplatte 50 in
der Größenordnung
von 0,008 bis 0,015 Zoll (1 Zoll = 25,4 mm). Das Potential
für eine
Spaltkorrosion ist somit offensichtlich. Die Vorrichtung wird innerhalb eines
Dampfgeneratorrohres positioniert und verwendet eine im voraus positionierte
Drahtspule als Füllmaterial.
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Der Laser 100 ist die Wärmequelle
für das Schweißen des
beschädigten
Rohres 20. Der Laser 100 kann irgendeinem gewöhnlichen
Typ entsprechen, der zum Schweißen
verwendet wird, ist jedoch typischerweise ein Nd:YAG-Laser. Ein Beispiel
eines solchen Lasers, der von den Erfindern verwendet worden ist,
ist ein Hobart-Laser Produkt-Modell 2400, das 2.400 Watt
an Leistung erzeugt. Der Laser 100 ist mit einer Lichtleitfaser 102 verbunden,
die die von der Laserquelle 100 erzeugte Laserleistung
zum Schweißkopf 200 führt.
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Der Schweißkopf 200 umfaßt einen
zylindrischen Rotationskörper 202.
Innerhalb des Körpers 202 ist
ein Spiegel 204 aufgenommen, der in einem vorgegebenen
Winkel bezüglich
der Achse des Körpers 202 orientiert
ist. Wie im folgenden beschrieben wird, können statt dem Spiegel 204 Richtoptiken
eingesetzt werden. In den Körper 202 sind
zwei Durchlaßwege
für das
Laserstrahllicht gebohrt. der erste Durchlaßweg 203 ist konzentrisch
mit der zylindrischen Achse des Körpers 202 und tritt
von seiner unteren Oberfläche
ein und endet an der Oberfläche des
Spiegels 204. Der zweite Durchlaßweg 205 ist radial
vom Umfang des Körpers 202 ausgehend
gebohrt und endet wiederum an der Oberfläche des Spiegels 204.
Auf diese Weise wird das Laserstrahllicht, das vom Boden des Körpers 202 eintritt,
vom Spiegel 204 radial nach außen zur Innenfläche des Rohres 20 reflektiert.
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Mit dem Boden des Körpers 202 ist
eine Rotationsverbindung 206 verbunden. Die Rotationsverbindung 206 umfaßt einen
oberen Rotationsabschnitt 208 und einen unteren, stationären Abschnitt 210, und
erlaubt dem Körper 202 des
Schweißkopfes 200, um
seine Achse zu rotieren. Mit dem stationären Abschnitt 210 der
Rotationsverbindung 206 ist ein Rotationskopf-Antriebsmotor 212 verbunden.
Der Antriebsmotor 212 ist ein Hohlwellen-Miniaturelektromotor
oder -Druckluftmotor, der die zum Drehen des Körpers 202 während der
Operation des Schweißkopfes 200 erforderliche
Rotationskraft bereitstellt.
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Die Unterseite des Motors 212 ist
mit einem flexiblen Kabel 214 verbunden, das die Laserquelle 100 verbindet
und enthält
eine Lichtleitfaser 102. Das Kabel 214 enthält ferner
(nicht gezeigte) elektrische Drähte,
um dem An triebsmotor 212 Strom zuzuführen, falls dieser elektrisch
ist.
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Wenn in diesem Fall ein pneumatischer
Motor verwendet wird, um den Schweißkopf 200 anzutreiben,
enthält
das Kabel 214 ein (nicht gezeigtes) Druckluftrohr zum Antriebsmotor 202.
Außerdem kann
das Kabel 214 eine (nicht gezeigte) Leitung für die Zuführung von
Schutzgas wie z. B. Argon oder Helium enthalten, um die fertige
Schweißstelle
zu verbessern, wie für
Fachleute der Schweißtechnik bekannt
ist. Das Schutzgas kann durch ein dediziertes Rohr oder eine Leitung
zugeführt
werden, obwohl es häufig
durch Spalten zwischen einem Lichtleitfaserkabel, einer Drahtleitung
und einer Hülse
gepreßt wird.
Das Gas wird anschließend
durch Bohrlöcher im
Schweißkopf
verteilt, um das Gas in Richtung zum Schweißprozeß zu leiten.
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Da der Motor 212 eine hohle
Welle aufweist, kann die Laserenergie durch den Motor 212 und
das Rotationsgelenk 206 zum Spiel 204 gelangen.
Innerhalb der hohlen Welle des Motors 212 sind Fokussierungslinsen 213 und 215 montiert.
Diese Linsen können
die Brennweite des Durchlasses so einstellen, daß die Laserenergie auf der
Innenfläche
des Rohres 20 konzentriert wird. Verschiedene Verfahren,
die für Fachleute
bekannt sind, stehen zur Verfügung,
um den Abstand zwischen der Linse 213 und der Linse 215 einzustellen,
was die Einstellung der Brennweite erlaubt, so daß derselbe
Schweißkopf 200 in
Rohren unterschiedlicher Innendurchmesser verwendet werden kann.
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Auf der Oberseite des Schweißkopfkörpers 202 ist
ein ringförmiges
Lager 220 montiert. Das Lager 220 ist drehbar
mit dem Körper 202 verbunden, um
eine relative Drehbewegung zu erlauben. Mit dem Rotationslager 220 und
dem Antriebsmotor 212 sind Blattfedern 222 verbunden,
die Schuhe 224 aufweisen, die an deren distalen Enden montiert
sind. Die Blattfedern 222 drücken die Schuhe 224 von
der Mittellinienachse des Schweißkopfes 200 radial
nach außen.
Die Schuhe 224 sind mit der Innenwand des Rohres 20 in
Eingriff und dienen zum Halten des Schweißkopfes 200 zentriert
im Rohr 20, während der
Schweißkopf
betrieben wird. Die relativ leichte Reibung zwischen den Schuhen 224 und
dem Rohr 20 erlaubt jedoch dem Schweißkopf 200, leicht
axial innerhalb des Rohres bewegt zu werden, so daß der Schweißkopf für eine Schweißoperation
genau positioniert werden kann.
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Ferner ist auf der Oberseite des
Schweißkopfkörpers 202 und
innerhalb des ringförmigen
Lagers 220 ein Fülldrahtzuführungsmotor 230 montiert. Fülldrahtzuführungsmotoren 230 wurden
in Gas- und Lichtbogenschweißanwendungen
in Industrien wie z. B. der Automobilindustrie verwendet. Deren
Konstruktion und Funktion sind daher im Stand der Technik allgemein
bekannt. Der Zuführungsmotor 230 weist
eine hohle Welle und mehrere Reibungsräder 232 auf, die einen
Draht greifen und diesen linear durch die hohle Welle zuführen. Die
Drehachse der Reibräder 232 ist
leicht gegenüber
der Rotationsachse des Schweißkopfkörpers 202 versetzt.
Wenn daher der Schweißkopfkörper 202 gedreht
wird, verleihen die Reibungsräder
dem zwischen den tangentialen Eingriffflächen der Räder gehaltenen Draht eine lineare
Bewegung. Die hohle Welle des Zuführungsmotors 230 endet
an der Unterkante des Motors 230 bündig mit der Fülldrahtführung 234.
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Die Fülldrahtführung 234 ist ein
gebohrter Durchlaßweg
durch den Schweißkopfkörper 202.
Der obere Eintritt in die Führung 234 ist
in der oberen Oberfläche
des Körpers 202 zentriert,
wobei der untere Austritt der Führung 234 sich
an der Seite des Körpers 202 direkt
oberhalb des radialen Ausgangs des Laserstrahldurchlasses 205 befindet.
Auf diese Weise wird der durch die Führung 234 zugeführte Draht
zum Ort des Schweißens
geleitet. Oberhalb des Schweißkopfes 200 ist
ein Fülldraht 240 gezeigt.
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Der Fülldraht 240 ist aus einem ähnlichen Material
wie das Rohr 20 gefertigt. Vorzugsweise wird eine Inconel®-Legierung
mit einem höheren Chromgehalt
als das Rohrmaterial verwendet, um die Anfälligkeit gegenüber Korrosionsrißbildung
zu reduzieren. Es kann eine Inconel®-Legierung 625, 52 oder 72 verwendet
werden, die Deoxidations- und Viskositätskontrollmittel wie z. B.
Silicium und Titan enthalten kann.
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Der Fülldraht 240 ist zu
einer Spule vorgeformt, die einen Außendurchmesser aufweist, der
näherungsweise
mit dem Innendurchmesser des Rohres 20 übereinstimmt. Die Reibung zwischen
dem aufgewickelten Fülldraht 240 und
der Innenfläche des
Rohres 20 hält
den Draht während
der Operation des Schweißkopfes 200 in
Stellung.
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Das untere Ende des Fülldrahtes 240 läuft durch
Reibungsräder 232 im
Drahtzuführungsmotor 230 in
die Führung 234 und
aus der Seite des Körpers 202 zur
Schweißstelle.
Der Schweißkopf 200 wird
innerhalb des Rohres 20 am Ort der Reparatur positioniert.
Der Schweißkopf 200 lenkt
die Laserenergie von der Lichtleitfaser in einer Radialrichtung
gegen die Innenwand des Rohres 20 um.
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Im folgenden werden die Prozedur
und die Operation beschrieben, die verwendet werden, um eine Rohrreparatur
zu bewerkstelligen.
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Zuerst wird ein Fülldraht 240 so aufgewickelt, daß der Außendurchmesser
der Spule näherungsweise
mit dem Innendurchmesser des Rohres 20 übereinstimmt. Das untere Endes
des Drahtes 240 wird zur Mitte der Spule gebogen, und anschließend nach
unten gebogen, so daß das
Ende auf der Mittellinie des Rohres 20 liegt, nachdem die
Spule in das Rohr eingesetzt worden ist. Die Spule des Fülldrahtes
wird anschließend
in das Rohr 20 eingesetzt und zu einer Position leicht
oberhalb der beabsichtigten Schweißreparatur geschoben. Die Spule
kann im Rohr ohne Verformung ihrer Form bewegt werden, indem ein
flexibler hohler Schlauch mit einem Außendurchmesser etwas kleiner
als der Innendurchmesser des Rohres 20 verwendet wird.
-
Nachdem die Drahtspule positioniert
worden ist, wird der Schweißkopf 200 in
das Rohr 20 mit dem Drahtzuführungsmotor 230 voran
eingeführt.
Das Einführen
des Schweißkopfes 200 wird
durch Zusammendrücken
der Schuhe 224 radial nach innen und anschließend das
Einführen
des Schweißkopfes 200 in
das Rohr 20 bewerkstelligt. Der Schweißkopf 200 wird anschließend innerhalb
des Rohres mittels des Zuführungskabels 214 in
das Rohr 20 geschoben, bis der Schweißkopf 200 an der Reparaturstelle positioniert
ist. Wenn der Schweißkopf 200 die
richtige Stelle erreicht, wird das Ende der Fülldrahtspule 240,
die vorher positioniert worden ist, in die Mitte des Drahtzuführungsmotors 230 eingeführt und
von den Reibungsrädern 232 ergriffen.
Die Spule des Fülldrahtes
kann ferner in einem Zylinder angeordnet sein, der auf der Oberseite
des Schweißkopfes
montiert ist, so daß sowohl
der Schweißkopf
als auch der Fülldraht
gleichzeitig in das Rohr eingeführt
werden können.
-
Um mit dem Schweißen zu beginnen, wird dem Antriebsmotor 212,
der den Schweißkopfkörper 200 dreht,
entweder elektrische oder pneumatische Leistung zugeführt. Die
Rotation des Schweißkopfkörpers 200 veranlaßt den Drahtzuführungsmotor 230,
Draht 240 durch die Drahtführung 234 der Innenwand
des Rohres 20 zuzuführen.
Gleichzeitig wird die Laserquelle 100 eingeschaltet und
Laserenergie zur Innenwand des Rohres 20 über die
Lichtleitfaser 102 und den Spiegel 204 übertragen.
Der Schweißkopf 200 kann
axial innerhalb des Rohres 20 durch Ziehen am Kabel 214 bewegt
werden. Alternativ kann eine Präzisionsgewindeverbindung,
die Fachleuten wohlbekannt ist, zwischen dem Schweißkörper 202 und
dem Ringlager 220 einen gleichmäßigen axialen Vorschub des
Schweißkopfkörpers 220 während der
Schweißoperation
bewerkstelligen. Während
der Schweißkopfkörper 220 rotiert,
wird somit das Basismetall des Rohres 20 geschmolzen, während Fülldraht
der Schweißstelle
zugeführt
wird. Der Fülldraht
wird geschmolzen, um eine Hüllenschweißstelle
zu bilden.
-
In 3 ist
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer weiteren Laserhüllenschweißvorrichtung
gezeigt. Anstelle des vorher beschriebenen Fülldrahtes 240 wird
ein dünnes
Blech 250 aus Schweißfüllmaterial
verwendet. Das Schweißfüllmaterial,
das im Blech verwendet wird, kann Deoxidations- und Viskositätskontrollmittel
enthalten, wie vorher für
den Fülldraht 240 beschrieben
worden ist. Das Blech 250 des Füllmetalls ist etwa 0,64 mm
(0,025 Zoll) dick und in Form eines Hohlzylinders gebogen, der eine
Länge entsprechend
der Länge
des zu reparierenden Rohrabschnitts aufweist. (Die Dicke des Füllmetalls
wird durch die gewünschte
Auftrags- oder Hüllendicke
bestimmt). Der Außendurchmesser
des so gebildeten Zylinders ist etwa gleich dem Innendurchmesser
des Rohres 20, weshalb der Zylinder in einer Weise ähnlich der
vorher für
die Drahtspule beschriebenen im voraus positioniert werden kann.
-
Nachdem der Zylinder vorpositioniert
ist, wird der Schweißkopf 200 in
das Rohr eingeführt
und die Schweißnaht
in derselben Weise bewerkstelligt. Die resultierende Schweißnaht ergibt
eine gleichmäßige Umhüllung, die
den Innendurchmesser des Rohres um nur 1,28 mm (0,50 Zoll) verringert.
Die Durchdringungstiefe der Schweißnaht beträgt etwa 0,56 mm (0,22 Zoll),
was zu einer Hülsendicke
von 1,20 mm (0,047 Zoll) führt,
wobei eine hervorragende Bindung zwischen dem dünnen Blech 250 und
dem Rohr 20 bewirkt wird. Eine Hülsendicke von 1,2 mm (0,047
Zoll) stellt die ursprüngliche
Wanddicke und die strukturelle Integrität des Rohres, das eine Nenndicke
von 1,07 mm (0,042 Zoll) aufweist, vollständig wieder her. Es wird angenommen,
daß die
Durchdringung und die Hülsendicke
durch ausgewählte Schweißparameter
(Laserausgangsleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Steigung, Foliendicke
und dergleichen) bestimmt werden.
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4 zeigt
eine vereinfachte Querschnittsansicht einer anderen Laser-Hülsenschweißreparaturvorrichtung, die
innerhalb eines Dampfgeneratorrohres positioniert ist und eine im
voraus positionierte Spule eines Füllmetalldrahtes direkt über dem
Bereich, der hülsengeschweißt werden
soll, verwendet. Der Schweißkopf 200 umfaßt eine
hohle Gewindestange 300 mit einem Spiegel 204,
der an der Oberseite in einem bestimmten Winkel von z. B. 45° montiert
ist. Die Stange 300 schraubt sich in eine kreisförmige obere
Stirnplatte 302, die mit einem Innengewinde versehen ist.
Das untere Ende der Stirnstange 300 dient als Läufer 304 für den Antriebsmotor 212. Die
obere Stirnplatte 302 ist mit einer beilagscheibenförmigen unteren
Stirnplatte 306 mittels Führungsstangen 310 verbunden.
Die unteren und oberen Stirnplatten 306, 302 werden
innerhalb des Rohres 20 mittels Blattfedern 222 und
Schuhen 224 in Stellung gehalten. Die Führungsstangen 310 sind
im Querschnitt 'T"-förmig
und parallel zur Achse der Stange 300 angeordnet, wobei
Zentralflansche radial nach innen in Richtung zur Mitte der Schweißkopfvorrichtung 200 weisen.
Der Stator 312 des Motors 212 weist Längsnuten 314 auf
jeder Seite auf, die die Kanten der Führungsstangen 310 aufnehmen.
Die Unterseite des Motorläufers 304 ist
an der Rotationsverbindung 206 angebracht, die ihrerseits
am Kabel 214 angebracht ist.
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Im Betrieb wird eine fest gewickelte
Spule aus Fülldraht 240 im
voraus innerhalb des Rohres 20 direkt über dem Bereich plaziert, der
hülsengeschweißt werden
soll. Der Schweißkopf 200 wird
anschließend
in das Rohr eingeführt,
so daß der
Spiegel 204 leicht oberhalb der Oberseite des Drahtes 240 angeordnet
ist. Wenn dem Schweißkopf 200 Laserenergie
zugeführt
wird und der Motor 212 angetrieben wird, rotieren die Stange 300 und
der Spiegel 204 und richten Laserenergie auf die Spule
des Drahtes 240.
-
Außerdem schraubt sich die Stange 300 in die
obere Platte 302, was den Laserstrahl veranlaßt, axial
nach unten durch den aufgewickelten Draht 240 mit einer
Geschwindigkeit zu wandern, die mit seiner Drehbewegung synchronisiert
ist. Um die Axialbewegung der Stange 300 aufzunehmen, gleitet
der Motorstator 312 längs
der Führungsstangen 310,
wird jedoch durch die Nuten 314, die mit den Kanten der Führungsstangen 310 in
Eingriff sind, an einer Rotation gehindert. Somit rotiert der Laserstrahl
und wandert axial innerhalb des Rohres, schmilzt den Draht 240 auf
der Innenfläche
des Rohres 20 und erzeugt eine gleichmäßige Hülsenschweißstelle.
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5 zeigt
eine rotierende Vorrichtung 320, die zum Reparieren beschädigter Rohre 20 verwendet
wird. Der rotierende Kopfantriebsmotor 212 und die zugehörige Rotationsverbindung 206,
die in den 2–
4 verwendet werden, sind durch mehrere
rotierende Elemente ersetzt. Genauer ist ein rotierender Schweißkopf 322 am
Ende einer rotierenden Hülse 324 positioniert.
Ein Rotationsantriebsmechanismus 325 dreht die Hülsenwelle 324.
-
Der Rotationsantriebsmechanismus 325 dreht
gleichzeitig eine Füllstoffbaugruppe 326,
die einen Füllmetallbehälter 328 und
ein Füllmetallfördersystem 330 enthält. Der
Füllmetallbehälter 328 hält das zu
schweißende
Füllmetall.
Im allgemeinen weist der Füllmetallbehälter 328 die
Form einer Haspel eines Füllmetalldrahtes
auf. Das Füllmetallfördersystem 330 nimmt
das Füllmetall
auf und führt
es einem Füllstoffdurchlaß innerhalb
der rotierenden Hülse 324 zu.
Da die rotierende Hülse 324 und
die Füllstoffbaugruppe 326 synchron
rotieren, wird das Füllmetall nicht
verwickelt.
-
Das Füllmetallfördersystem 330 wird
durch Füllstoftbaugruppen-Schleifringe 332 mit
Leistung versorgt. Die Geschwindigkeit des Drahtzuführungsmotors
kann verändert
werden, um verschiedene Drahtzuführungsgeschwindigkeiten
zu erlauben, wodurch eine Kontrolle der Hülsendicke geschaffen wird,
um eine Einstellung für
Veränderungen
der Laserausgangspegel, der Vorschubgeschwindigkeit, der Rotationssteigung
und anderer Faktoren zu erlauben.
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Die rotierende Vorrichtung 320 enthält ferner einen
Gaskoppler 336, der mit einer Gasversorgung 338 verbunden
ist. Die rotierende Hülse 324 enthält ein rotierendes
Lichtleitfaserkabel 340. Ein Laser 334 liefert
Energie zu einem unbeweglichen Lichtleitfaserkabel 343.
Die Laserenergie wird vom unbeweglichen Lichtleitfaserkabel 343 über einen
optischen Koppler 342 auf das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 übertragen.
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Die rotierende Vorrichtung 320 wird
längs ihrer
Longitudinalachse mittels eines Axialantriebssystems 350,
das auf der Welle 351 montiert ist, bewegt. Führungsrollen 349 können verwendet
werden, um die rotierende Hülse 324 in
Position zu führen.
Eine Computersteuervorrichtung 353 wird verwendet, um die
Operation des rotierenden Vorrichtungsantriebsmechanismus 325,
des Axialantriebssystems 350 und des Füllmetallzuführungssystems 330 zu
steuern. Genauer wird die Computersteuervorrichtung 353 verwendet,
um die Geschwindigkeit des rotierenden Vorrichtungsantriebsmechanismus 325,
die Position für
das Axialantriebssystem 350 und die Füllmittelzuführungsrate für das Füllmetallfördersystem 330 festzulegen.
-
Die Operation der rotierenden Vorrichtung 320 wird
mit Bezug auf 6 genauer
erläutert,
welche eine vergrößerte Querschnittsansicht
des rotierenden Schweißkopfes 322 zeigt.
Der rotierende Schweißkopf 322 enthält einen
Körper 380,
der einen Füllstoffdurchlaß 386 definiert.
Der Füllstoffdurchlaß 386,
auch als "Drahtleitung" bezeichnet, verläuft in Längsrichtung der rotierenden
Hülse 324.
Der Füllstoff 388 wird
vom Füllmetallfördersystem 330 durch den
Füllstoffdurchlaß 386 zu
einer Körperöffnung 394 gedrückt. Die
Laserenergie wird durch die Körperöffnung 394 zugeführt und
verschweißt
den Füllstoff 388.
Eine Gasleitung 389 liefert ein Schutzgas zum. Schweißkopf 322.
Die Gasleitung 389 endet vorzugsweise in (nicht gezeigten)
Verteilungskanälen,
die das Gas zu der Öffnung 394 an
mehreren Stellen verteilen.
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6 zeigt
ebenfalls das rotierende Lichtleitfaserkabel 340, das innerhalb
des Körpers 380 des rotierenden
Schweißkopfes 322 positioniert
ist. Das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 verläuft in Längsrichtung
der rotierenden Hülse 324 und
ist daran befestigt.
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Das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 endet an
einer Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392.
In der vorangehenden Beschreibung wurde die Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392 in
Form eines Spiegels 204 offenbart. Die Baugruppe 392 kann
auch als optische Baugruppe ausgebildet sein. 7 offenbart eine alternative Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392, die
eine Eingangslinsenbaugruppe 396, ein Keilprisma 397 und
eine Ausgangslinsenbaugruppe 398 enthält. Das Keilprisma 397 dient
zum Ändern
der Richtung der Laserenergie. Das Keilprisma 397 stellt
einen höheren
Laserenergiedurchsatz zur Verfügung, als
er mittels eines Spiegels 204 verfügbar ist.
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Die Laserenergie wird vorzugsweise
in einen nicht-orthogonalen Winkel in Richtung zur Aufnahmeoberfläche gelenkt.
Vorrichtungen des Standes der Technik verwenden einen Spiegel, um
die Laserenergie zu der Oberfläche
zu lenken, derart, das die Laserenergie in einer orthogonalen Weise
auf die Oberfläche
auftrifft. In dieser Konfiguration stört reflektierte Laserenergie
die ankommende Laserenergie. Außerdem
werden eine Rauchfahne und Schweißspritzer erzeugt, die durch
herkömmliche Techniken
beseitigt werden müssen,
um eine Beschädigung
der Optik zu verhindern. Wenn die Laserenergie auf die zu schweißende Oberfläche 20 in
einem Winkel von z. B. 45° auftrifft,
wie in 7 gezeigt ist,
stört die
reflektierte Laserenergie nicht die ankommende Laserenergie.
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8 entspricht
allgemein 5; jedoch
ist ein unbewegliches Innenrohr 402 innerhalb der rotierenden
Hülse 324 angeordnet.
Das unbewegliche Innenrohr 402 erlaubt einem Lichtleitfaserkabel 343, stationär zu bleiben,
während
die rotierende Hülse 324A rotiert.
Mit anderen Worten, im Gegensatz zu 5 rotiert
das Lichtleitfaserkabel der 8 nicht. Da
das Lichtleitfaserkabel nicht rotiert, ist der optische Koppler 324 der 5 nicht erforderlich. Statt dessen
wird ein unbeweglicher Innenrohrträger 404 verwendet.
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9 zeigt
einen rotierenden Schweißkopf 322A,
der mit der Vorrichtung der 8 verwendet werden
kann. Die Figur zeigt ein unbewegliches Lichtleitfaserkatiel 343,
das innerhalb eines unbeweglichen Innenrohres 402 positioniert
ist. Die rotierende Hülse 324A dreht
sich um das unbewegliche Innenrohr 402. Die rotierende
Hülse 324A enthält eine
Gasleitung 389. Die rotierende Hülse 324A enthält eine
(in gestrichelten Linien gezeigte) gefräste Nut 386A, die
als Füllstoffdurchlaß dient.
Der Füllstoffdurchlaß 386A verläuft in Längsrichtung
der rotierenden Hülse 324A.
Der Füllstoffdurchlaß kann auch
in Form eines kleinen Rohres ausgebildet sein, das in Längsrichtung
der rotierenden Hülse 324A verläuft.
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Die Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392 rotiert
mit der rotierenden Hülse 324A und
nimmt die Laserenergie vom stationären Lichtleitfaserkabel 343 auf.
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Eine alternative Richtungsmodifikationsbaugruppe 392A ist
in 10 gezeigt. Das Lichtleitfaserkabel 343A ist
an seinem Ausgangsende 405 abgeschrägt, um einen Keil zu bilden.
Diese Struktur erzeugt die gleiche Wirkung wie das in 7 gezeigte Keilprisma. Dies
bewerkstelligt die Laserenergie-Richtungsmodifikation, die vorher
entweder ein Keilprisma oder einen Spiegel erfordert hat. Der Laserstrahl
tritt aus der Faser 343A in einen nicht-orthogonalen Winkel
aus und wird durch eine Fokussierungslinse 406 in Richtung
zur Schweißstelle
geleitet. Ein Vorteil dieser Bauform ist, daß sie die Anzahl der optischen
Elemente (nämlich
der Sammellinse, der Zwischenfokussierungslinse und des Keilprismas)
reduziert und somit die Energieverluste an jeder Grenzfläche reduziert
und die Gesamtkosten des optischen Kopfes reduziert.
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11 zeigt
eine alternative Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392B.
Das Lichtleitfaserkabel 343B ist gebogen, um einen im voraus
gewählten
nicht-orthogonalen Winkel relativ zur Oberfläche 20 zu erhalten.
Die vom Lichtfeitfaserkabel 343B ausgegebene Laserenergie
wird durch eine Fokussierungslinse 408 in Richtung zur Schweißstelle
auf der Oberfläche 20 gelenkt.
Diese Richtungsmodifikationsbaugruppe eliminiert mehrere optische
Elemente und reduziert somit die Energieverluste.
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Die Beispiele der 5–
7 wurden unter Verwendung
eines Hobart-Lasers von 2.400 Watt mit einer Wellenlänge von
1064 nm von Hobart Laser Products, Inc., Livermore, Kalifornien,
implementiert. Das verwendete optische Kabel ist vorzugsweise aus geschmolzener
Siliciumoxidfaser gebildet, die in einem metallischen, flexiblen
Mantel eingeschlossen ist. Die Faser ist mit einer reflektierenden
Beschichtung beschichtet, um eine Oberflächenabsorption des Laserstrahls
zu verhindern und die Durchlässigkeit
zu steigern. Das optische Kabel kann eine Fleckgröße von 600–800 μm aufweisen.
Die rotierende Hülse 324 kann
aus rostfreiem Stahl oder einer flexiblen metallischen Verrohrung
gebildet sein.
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Die rotierende Hülse 324 wurde mit
einer kreisförmigen
Hülse mit
einem Außendurchmesser von
1,27 cm (0,5 Zoll) und einem Innendurchmesser von 9,40 mm (0,370
Zoll) implementiert. Die Größe des Füllstoftdurchlasses 386 wird
durch die Fülldrahtgröße bestimmt.
Die Größe des Füllstoffdurchlasses 386 beträgt vorzugsweise
mehrere hundertstel Millimeter (einige tausendstel Zoll) mehr als
der Durchmesser des Drahtes. Die Drahtdurchmesser, die gewöhnlich verwendet
werden, umfassen 0,5 mm (0,20 Zoll), 0,6 mm (0,025 Zoll), 0,75 mm
(0,030 Zoll) und 0,89 mm (0,035 Zoll).
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Der Gaskoppler 386 wird
stationär
gehalten, während
der Hülse 324 durch
den Koppler 336 erlaubt wird, frei zu rotieren. Der Gaskoppler 336 enthält O-Ringe, um eine Rotation
der Hülse 324 zu
erlauben, während
der Gasdruck innerhalb des Kopplers 336 aufrecht erhalten
wird. Die Hülse 324 weist Löcher auf,
um dem Gas zu ermöglichen,
von der Gasversorgung 338 zum Inneren der Hülse 324 befördert zu
werden. Das Gas wird anschließend
durch die Gasleitung 389 zum Schweißkopf 322 geleitet. Anstelle
der Verwendung einer dedizierten Gasleitung 386 können Spalten
zwischen den Lichtleitfaserkabeln 340, der Drahtleitung 386 und
der Hülse 324 vorgesehen
sein.
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Der rotierende Vorrichtungsantriebsmechanismus 25 ist
vorzugsweise ein Schrittmotor. Der Antriebsmechanismus 325 ist
mit der rotierenden Hülse 324 und
der Füllbaugruppe
326 mittels herkömmlicher
Techniken wie z. B. Zahnrädern
oder Riemen verbunden.
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Das Axialantriebssystem 350 wurde
unter Verwendung eines auf einer Welle 351 montierten Schrittmotors
implementiert. Eine horizontale oder ebene Bewegung kann durch manuelles
Positionieren der Welle 351 erhalten werden. In der Alternative kann
die Welle 351 in einer (nicht gezeigten) motorisierten
ebenen Bewegungsvorrichtung positioniert sein, die der rotierenden
Vorrichtung 320 erlaubt, an irgendeinem ausgewählten Rohr 20 positioniert
zu werden.
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Das Füllmetallfördersystem 330 kann
dem Typ entsprechen, der in bestehenden Schweißvorrichtungen verwendet wird.
Zum Beispiel wurde die Erfindung unter Verwendung einer ASTRO-ARC-Drahtzuführungsvorrichtung
von ATSRO ARC, Inc., Sun Valley, Kalifornien, implementiert. Das Schleifringmodell
AC4598 von Litton Poly-Scientific, Blacksburg, Virginia, wurde verwendet,
um das Füllmetallfördersystem 330 anzutreiben.
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Die Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392 der 7 wurde unter Verwendung von
Standardlinsen implementiert. Die Eingangslinsenbaugruppe 396 richtet
den Laserlichtstrahl, um einen gerichteten Strahl zu erzeugen. Die
Eingangslinsenbaugruppe 396 enthält eine Fensterlinse 396A, eine
Linse 396B mit einer Brennweite von –20 mm, und eine Linse 396C mit
einer Brennweite von +10 mm. Das Keilprisma 392 lenkt den
gerichteten Strahl (von 10 bis 60°,
vorzugsweise von 20 bis 45° und
am meisten bevorzugt etwa 30°)
um, um einen umgelenkten und gerichteten Strahl zu bilden. Der umgelenkte
und gerichtete Strahl wird zur Ausgangslinsenbaugruppe 398 geleitet,
die eine Linse 398A mit einer Brennweite von +20 mm und
eine Fensterlinse 398B enthält. Die Ausgangslinsenbaugruppe 398 bildet
einen fokussierten und gerichteten Strahl mit einem kleinen Durchmesser
mit sehr hoher Energiedichte. Der Strahl bietet eine maximale thermische
Energie am Schweißpunkt,
um somit das Füllmaterial
und einen Teil des Basismaterials in einer kontrollierten Weise
aufzuschmelzen. Die Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392 wurde
bei einer kontinuierlichen Ausgangsleistung von 2.400 Watt ohne
Versagen verwendet. Vorrichtungen des Standes der Technik, die Spiegel
verwenden, waren im allgemeinen auf Laserenergien von 1.000 Watt
begrenzt.
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Das unbewegliche Innenrohr 402 der 9 ist vorzugsweise aus rostfreiem
Stahl gefertigt. Das rotierende Rohr 324A der 9 ist vorzugsweise aus rostfreiem
Stahl gefertigt. Zwischen dem unbeweglichen Innenrohr 402 und
dem rotierenden Rohr 324A werden im Handel erhältliche
Nylon- oder Teflon-Lager verwendet.
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Ausgehend von einem Verständnis der
Offenbarung der 1-11, die zum Verständnis der vorliegenden
Erfindung nützlich
sind, wird im folgenden auf die 12 bis 16 Bezug genommen, von denen
die 12-14 einen opti schen Koppler 342 zeigen,
der in einer Laserschweißvorrichtung
gemäß der Erfindung
verwendet werden kann. 15 zeigt eine
Ausführungsform
eines Merkmals des optischen Kopplers 324.
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Wie in 12 gezeigt
ist (siehe auch 5), bietet
der optische Koppler 342 eine Schnittstelle zwischen dem
unbeweglichen Lichtleitfaserkabel 343 und der rotierenden
Hülse 324,
die ein rotierendes Lichtleitfaserkabel 340 enthält. Der
optische Koppler 342 enthält eine Basisplatte 450,
die eine unbewegliche optische Baugruppe 452 und eine rotierende
Kabelschnittstellenbaugruppe 454 unterstützt.
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Die Aufmerksamkeit ist anfangs auf
die unbewegliche optische Baugruppe 452 gerichtet, die
in 13 gezeigt ist. Die
unbewegliche optische Baugruppe 452 enthält eine
optische Hülsenbaugruppe 460,
die als Rohr oder als Satz unabhängiger
Halter implementiert sein kann. Die unbewegliche optische Baugruppe 452 enthält vorzugsweise
eine Sammellinsenbaugruppe 462, die eine erste Strahldivergenzreduzierungslinse 464,
eine sphärische
Aberrationsreduzierungslinse 466, eine zweite Strahldivergenzreduzierungslinse 468 und
eine Sammellinse 470 enthält. Die unbewegliche optische
Baugruppe 452 enthält
vorzugsweise ferner eine Fokussierungslinse 472. Die Optik
der unbeweglichen optischen Baugruppe 452 dient zum Richten
und Fokussieren der Lichtenergie des Laserstrahls 482.
Wie Fachleuten bekannt ist, kann eine Vielfalt optischer Konfigurationen
für diesen
Zweck verwendet werden.
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Die optische Baugruppe 452 enthält, vorzugsweise
Positionierungsvorrichtungen, um eine unabhängige axiale und konzentrische
Ausrichtung zu schaffen. 13 zeigt
eine Axialmontagebühne 475 für die optische
Hülsenbaugruppe 460.
Die Axialmontagebühne 474 kann
mit einer Axialausrichtungsvorrichtung 476 längs der
Achse, die durch das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 und
das unbewegliche Lichtleitfaserkabel 343 definiert wird,
positioniert werden. Die Axialausrichtungsvorrichtung 476 kann
als Gewindestange implementiert sein, die ein Axialzahnrad einstellt,
oder als analoge Struktur, von der viele für Fachleute bekannt sind.
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13 zeigt
ferner einen Querträger 478, der
längs einer
Achse positioniert werden kann, die quer zu der Achse verläuft, die
durch das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 und das unbewegliche
Lichtleitfaserkabel 343 definiert ist. Eine Querausrichtungsvorrichtung 480 kann
verwendet werden, um die Axialmontagebühne 474 in spezifizierter
Querrichtung (oder konzentrischer Richtung) zu repositionieren.
Die Querausrichtungsvorrichtung 480 kann als Gewindestange
implementiert werden, die ein axiales Zahnrad einstellt, oder als
eine äquivalente Struktur.
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In 14 ist
eine Ausführungsform
der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe 454 der Vorrichtung
gemäß der Erfindung
gezeigt. Der fokussierte und gerichtete Laserstrahl 482,
der von der unbeweglichen Lichtleitfaserbaugruppe 452 erzeugt
wird, wird mittels einer Schnittstellenempfangsstruktur 487 empfangen.
Innerhalb der Schnittstellenempfangsstruktur 487 und längs der
Achse der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe 454 ist
ein rotierendes Lichtleitfaserkabel 340 angeordnet. Das
rotierende Lichtleitfaserkabel 340 umfaßt eine geschmolzene Quarzglas-Monofaser
mit einer Quarzglasumhüllung. Die
rotierende Hülse 324 kann
eine Polymerbeschichtung, Pufferbeschichtung und einen metallischen
Schutzmantel, der eine Polyethylenabdeckung enthält, enthalten.
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Die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe 454 enthält einen
ersten Schnittstellenträger 484 und einen
zweiten Schnittstellenträger 486,
die beide mit der Basisplatte 450 verbunden sind. Der erste Schnittstellenträger 484 und
der zweite Schnittstellenträger 486 werden
verwendet, um eine Montagehülse 500 zu
unterstützen,
die von einem Ausrichtungsrohr 504 umgeben ist. Das Ausrichtungsrohr 504 rotiert
in einem Satz von Lagern 506A und 506B, die jeweils
in den Schnittstellenträgern 484 und 486 angeordnet
sind. Das Ausrichtungsrohr 504 kann mittels eines Zahnrades 510 angetrieben
werden. Die Position des Ausrichtungsrohres 504 kann mit
einem Satz von Ausrichtungsschrauben 508A, 508B, 508C und 508D eingestellt
werden. In einer Ausführungsform
der Erfindung sind vier Ausrichtungsschrauben 508 an jedem
Ende des Ausrichtungsrohres 504 vorgesehen.
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Wie sein Name andeutet, wird das
Ausrichtungsrohr 504 verwendet, um die Position der Lichtleitfaser 340 auf
den ankommenden Laserstrahl 482 auszurichten. Die Genauigkeit
der Ausrichtung wird vorzugsweise unter Verwendung eines Überwachungshohlraums 502 gemessen,
der innerhalb der Montagehülse 500 angeordnet
ist. Eine Photozelle 512 ist optisch mit dem Überwachungshohlraum 502 verbunden.
Die Photozelle erzeugt eine Spannung proportional zur Lichtmenge
im Hohlraum 502. Das Spannungs(Ausgangs)-Signal wird über einen
Leiter 516 einem Schleifring 514 zugeführt. Der
Schleifring ist mit einem unbeweglichen Teil der Anlage (nicht gezeigt),
wie z. B. einem digitalen Spannungsmesser, verbunden, der ein Signal
entsprechend dem Ausgangssignal der Photozelle 512 bereitstellt.
Eine geeignete axiale und konzentrische Ausrichtung wird erreicht,
wenn der von der Faseroptik 340 emittierte Lichtpegel für alle Drehpositionen
minimal ist (und die Ausgangsleistung der Faseroptik 340 maximal
ist). Daher werden die Ausrichungsschrauben 508 so eingestellt,
daß dieses
Ergebnis erzielt wird. Die Axialausrichtungsvorrichtung 476 und
die Querausrichtungsvorrichtung 480 können für Grobeinstellungen verwendet
werden.
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15 zeigt
eine alternative Ausführungsform
einer rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe 454A, die
in einer Laserschweißvorrichtung
gemäß der Erfindung
verwendet werden kann. Diese Ausführungsform der Erfindung enthält eine
Sicherheitsfaseroptik 520. Eine Sicherheitsfaseroptik 520 überwacht
das am Schweißpunkt
reflektierte Licht. Das reflektierte Licht wird durch die Sicherheitsfaser 520 zu
einem Photozellendetektor übertragen,
wo es analysiert wird. Wenn der überwachte
Lichtpegel mit dem normalen Betrieb unvereinbar ist, wird die Laserenergie
unterbrochen. Die Verwendung dieser Überwachungsvorrichtung ist
wichtig, um eine optische Beschädigung
aufgrund reflektierter Lichtenergie innerhalb der optischen Komponenten
zu minimieren.
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Obwohl die Verwendung einer Sicherheitsfaser 520 für eine unbewegliche
Schweißvorrichtung bekannt
ist, baut die vorliegende Erfindung eine Sicherheitsfaser 520 in
eine rotierende Laserschweißvorrichtung
ein. Genauer trägt
die rotierende Hülse 324 eine
zusätzliche
Faseroptik 520. Die zusätzliche Faseroptik 520 verläuft in Längsrichtung
der rotierenden Hülse 324 und
endet am rotierenden Schweißkopf 322.
Am gegenüberliegenden
Ende der rotierenden Hülse 324 endet
die Sicherheitsfaser 520 an einer Sicherheitsfaseroptik-Photozelle 522,
die in dieser Ausführungsform
innerhalb des Überwachungshohlraums 502 positioniert
ist. Das Ausgangssignal von der Sicherheitsfaseroptik-Photozelle 522 wird über einen
zweiten Leiter 524 zum Schleifring 514 weitergeleitet.
Das Signal vom Schleifring kann anschließend von einem stationären Teil
der Anlage analysiert werden, wie in bezug auf die Leistungsübertragungsfaseroptik 488 beschrieben
worden ist.
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15 zeigt,
daß die
rotierende Hülse 324 in einem
nicht rotierenden Schutzmantel 530 eingeschlossen sein
kann. Zwischen der rotierenden Hülse 324 und
dem nicht-rotierenden Schutzmantel 530 können Lager 532 angeordnet
sein. Der Mantel 530 bietet eine Schutzabdeckung, um eine
Beschädigung und
einen Abrieb der rotierenden Hülse 324 und
des darin positionierten rotierenden Lichtleitfaserkabels 340 zu
verhindern. Der Mantel 530 erlaubt ferner einem Axialantriebsmechanismus,
den Mantel 530 direkt zu greifen, so daß das rotierende Lichtleitfaserkabel 340 an
einer gewünschten
axialen Stelle positioniert werden kann.
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16 zeigt
einen rotierenden Schweißkopf 322,
der innerhalb eines nichtrotierenden Schutzmantels 530 eingeschlossen
ist. Zwischen dem rotierenden Schweißkopfkörper 380 und dem nicht-rotierenden
Schutzmantel 530 sind vorzugsweise Lager 532 angeordnet.
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In einer typischen Anordnung sind
die Lager 532 im rotierenden Schweißkopf 322 und etwa
alle 30 cm (12 Zoll) längs
der Länge
der rotierenden Hülse 324 vorgesehen.
In einer Alternative kann ein Fett- oder Schwerölschmiermittel zwischen der
rotierenden Hülse 324 und
dem nicht-rotierenden Schutzmantel 530 verwendet werden.
Der nicht-rotierende Schutzmantel 530 kann aus Nylon oder
Kunststoff mit einer gewobenen Verstärkung aus rostfreiem Stahl
gebildet sein.
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Zahlreiche Variationen des nicht-rotierenden Schutzmantels 530 sind
möglich.
Zum Beispiel zeigt 16 eine
Gasleitung 389. Die Gasleitung 389 kann weggelassen
werden und das Gas kann durch den Zwischenraum 534 transportiert
werden, der zwischen der rotierenden Hülse 324 und dem nichtrotierenden
Schutzmantel 530 definiert ist. In dieser Konfiguration
wäre ein
Zuführungskopf
für das
Gas am rotierenden Schweißkopf 322 vorgesehen.
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Fachleute erkennen zahlreiche Vorteile,
die der Vorrichtung der 12–
15 zuzuordnen sind. Hauptsächlich bietet
die Vorrichtung eine Präzisionsausrichtung
zwischen dem unbeweglichen Lichtleitfaserkabel 343 und
dem rotierenden Lichtleitfaserkabel 340. Dieses Merkmal
ist äußerst wichtig
hinsichtlich der Tatsache, daß Lichtleitfasern
niemals identisch sind und daher eine inhärente optische Fehlausrichtung
aufweisen. Die Erfindung begegnet diesem Problem. Die Erfindung
ist ferner insofern vorteilhaft, als sie eine Sicherheitsfaseroptik 520 in
eine rotierende Vorrichtung einbaut. Die Vorrichtung der Erfindung
wurde bei Rotationsgeschwindigkeiten von mehr als 100 min–1 verwendet.
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Fachleute werden ferner zahlreiche
Vorteile erkennen, die der gesamten Vorrichtung der Erfindung zuzuordnen
sind. In ihrer grundlegendsten Funktion schafft die Erfindung ein
einfaches und leichtes Verfahren zum Reparieren beschädigter Rohre.
Die Erfindung erlaubt die Reparatur von Dampfgeneratorrohren, ohne
eine wesentliche Zerlegung des Dampfgenerators zu erfordern. Als
Ergebnis minimiert die Erfindung die Notwendigkeit des Zustopfens
von Dampfgeneratorrohren und den resultierenden Verlust der Dampfgeneratorleistungsfähigkeit.
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Während
beispielhafte Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben worden sind, ist klar, daß Fachleute fähig sind,
sich Änderungen
und Modifikationen der Implementierung dieser Erfindung auszudenken
und zu entwerfen, ohne vom Umfang der Erfindung, wie sie im folgenden
beansprucht wird, abzuweichen.