DE69629362T2 - Rotierender faseroptischer koppler für die anpassungen des hochleistungslaserschweissens - Google Patents

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • 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.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines typischen Dampfgenerators, der in einer Druckwasserreaktor-Kraftwerksanlage verwendet wird;
  • 2 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Laser-Hüllenschweißreparaturvorrichtung, die innerhalb eines Dampfgeneratorrohres positioniert ist und eine im voraus positionierte Drahtspule als Füllmaterial verwendet;
  • 3 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform der Laser-Hüllenschweißvorrichtung, die innerhalb eines Dampfgeneratorrohres nahe einer Rohrträgerplatte positioniert ist;
  • 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;
  • 5 ist eine Seitenansicht einer Rotationsvorrichtung;
  • 6 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes, der am Ende der Rotationshülse der Rotationsvorrichtung der 5 positioniert ist;
  • 7 ist eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe, die mittels eines Keilprismas implementiert ist;
  • 8 ist eine Seitenansicht einer anderen Rotationsvorrichtung;
  • 9 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes, der am Ende der rotierenden Hülse der Rotationsvorrichtung der 8 positioniert ist;
  • 10 ist eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifrkationsbaugruppe, die mittels eines geschnittenen Lichtleitfaserkabels implementiert ist;
  • 11 ist eine Seitenansicht einer Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugnappe, die mittels eines gebogenen Lichtleitfaserkabels implementiert ist;
  • 12 ist eine Seitenansicht eines optischen Kopplers, der gemäß der Vorrichtung der 5 in einer Laserschweißvorrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden kann;
  • 13 ist eine vergrößerte Seitenansicht der unbeweglichen optischen Baugruppe des optischen Kopplers der 12;
  • 14 ist eine vergrößerte Seitenansicht der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe des optischen Kopplers der 12;
  • 15 ist eine vergrößerte Seitenansicht einer rotierenden Kabelschnittstelle, die eine Sicherheitsfaseroptik und eine entsprechende Sicherheitsfaser-Optik-Photozelle enthält; und
  • 16 ist eine seitliche Querschnittsansicht eines rotierenden Schweißkopfes, der am Ende der rotierenden Hülse positioniert ist, die einen nicht rotierenden Schutzmantel enthält.
  • Genaue Beschreibung
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden werden die Prozedur und die Operation beschrieben, die verwendet werden, um eine Rohrreparatur zu bewerkstelligen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Laserenergie-Richtungsmodifikationsbaugruppe 392 rotiert mit der rotierenden Hülse 324A und nimmt die Laserenergie vom stationären Lichtleitfaserkabel 343 auf.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Laserschweißvorrichtung zum Schweißen der Innenfläche eines Rohres, umfassend: einen stationären Laser (334) zum Erzeugen von Lichtenergie; eine rotierende Hülse (324), die ein Lichtleitfaserkabel (340) umschließt; einen optischen Koppler (342), der zwischen dem stationären Laser (334) und der rotierenden Hülse (324) angeordnet ist; dadurch gekennzeichnet, daß der optische Koppler eine unbewegliche optische Baugruppe, um Lichtenergie vom stationären Laser zu empfangen und gerichtete und fokussierte Lichtenergie zu erzeugen, und eine rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe (454) enthält, um die gerichtete und fokussierte Lichtenergie zu empfangen und mit dieser das Lichtleitfaserkabel der rotierenden Hülse (324) zu beaufschlagen, wobei die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe (454) eine Photozelle (512) zum Messen der Ausrichtung zwischen der unbeweglichen optischen Baugruppe und der rotierenden Kabelschnittstellenbaugruppe (454) enthält.
  2. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe (454) ein Positionseinstellungsmittel enthält, um die gerichtete und fokussierte Lichtenergie auf das Lichtleitfaserkabel auszurichten.
  3. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe (454) eine Kammer enthält, die einen Monitorhohlraum (502) definiert.
  4. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Photozelle (512) mit dem Monitorhohlraum (502) optisch verbunden ist, um das von einem Signal emittierte Licht zu empfangen, das die Ausrichtung zwischen der unbeweglichen optischen Baugruppe und dem Lichtleitfaserkabel (340) der rotierenden Hülse (324) anzeigt.
  5. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 4, die einen Gleitring (516) enthält, der mit der Photozelle (512) elektrisch verbunden ist, um das Ausgangssignal zu empfangen.
  6. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, die ferner enthält: eine Sicherheitsfaseroptik (520), die innerhalb der Monitorhülse angeordnet ist; und eine Sicherheitsfaseroptik-Photozelle (522), die mit der Sicherheitsfaseroptik (520) optisch verbunden ist.
  7. Laserschweißvorrichtung nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, die ferner einen nicht-rotierenden Schutzmantel (530) enthält, der um die rotierende Hülse (324) angeordnet ist.
  8. Laserschweißvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe (454) ferner umfaßt: Positionierungsvorrichtungen zum Ändern des Ortes, an dem die fokussierte Lichtenergie von der unbeweglichen optischen Baugruppe die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe kreuzt.
  9. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Positionierungsvorrichtungen enthalten: eine axiale Montagebühne (474) zum Halten der unbeweglichen optische Baugruppe; und eine axiale Ausrichtungsvorrichtung (476) zum axialen Positionieren der axialen Montagebühne.
  10. Laserschweißvorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Positionierungsvorrichtungen enthalten: einen Querträger (478) für die axiale Montagebühne; und eine Querausrichtungsvorrichtung (480), um eine konzentrische Positionierung der axialen Montagebühne zu bewerkstelligen.
  11. Laserschweißvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 10, bei der die rotierende Kabelschnittstellenbaugruppe enthält: einen ersten Schnittstellenträger (484) zum Montieren eines ersten Lagers (506A); einen zweiten Schnittstellenträger (486) zum Montieren eines zweiten Lagers (506B); ein Ausrichtungsrohr (504), das innerhalb des ersten Lagers und des zweiten Lagers angeordnet ist, und eine Monitorhülse (500), die innerhalb des Ausrichtungsrohres angeordnet ist, wobei die Monitorhülse das Lichtleitfaserkabel der rotierenden Hülse unterstützt.
  12. Laserschweißvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 8 bis 11, bei der die Positionierungsvorrichtungen einen Satz Ausrichtungsschrauben (508A-508D) enthalten, die innerhalb des Ausrichtungsrohres angeordnet sind, um die konzentrische Position der Monitorhülse (500) einzustellen.
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