Способ лазерной обработки внутри труб и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B23K26/08 B23K26/30 B23K101/06 

Изобретение относится к способу лазерной обработки, а именно к сварке внутри труб в труднодоступных местах атомной электростанции и устройству для его реализации.

Целью изобретения является защита фотодетекторов светочувствительного измерительного органа от воздействия невидимого излучения технологического лазера и упрощение операции совмещения выходной оптической оси зеркального передатчика на неподвижной части системы

транспортировки с входной оптической осью зеркального приемника на подвижной части системы транспортировки.

На фиг. 1 представлены технологический лазер невидимого излучения, источник видимого излучения и система для совмещения оптических осей невидимого и видимого пучков .излучения технологического лазера и источника видимого излучения: на фиг. 2 обрабатывающая головка с фокусирующей системой, оптическая система транспортировки излучения, состоящая из неподвижной и подвижной частей с органами совмещения оптических осей, выполненными в виде зеркального передатчика и зеркального приемника, установленных соответственно на выходе и входе этих частей, измерительного органа и органа анализа и управления, на фиг, 3 - конструкция узлов зеркального приемника или зеркального передатчика; на фиг. 4 - возвратный зеркальный орган, установленный перед приемником на подвижной части системы транспортировки.

Устройство содержит технологический мощный лазер 1 на углекислом газе, источник 2 видимого излучения, оптическую сиетему для совмещения оптических осей пучков лазера 1 и источника 2, состоящую из телескопической оптической системы 3, круглого прозрачного делителя 4 и установленного под углом 45° к главной оптической оси 5 лазера 1 кольцевого поворотного зеркала 6 так, что его центр лежит на оси 5 (см. фиг. 1). Зеркало 6 установлено с возможностью тонкой механической юстировки его относительно главных оптических осей 5 и 7 лазера 1 и источника 2.

Устройство также содержит опту1ческую систему транспортировки, состоящую из неподвижной и подвижной частей 8 и 9 (см. иг. 2). На выходе неподвижной части 8 установлен с возможностью поворота вокруг оптической оси 5 и вокруг оси 10, перпендикулярной оси 5, оптически связанный с лазером 1 и источником 2 зеркальный передатчик 11 с приводами 12 вращения (см. фиг. 3). На входе подвижной части 9 системы транспортировки установлен с возможностью поворота вокруг ее входной оси 13 и оси 14, перпендикулярной оСи 13, зеркальный приемник 15 с механизмом 16 перемещения. На выходе неподвижной части 8 системы транспортировки установлен светочувствительный измрительный орган 17, оптически связанный с системой транспортировки с помощью установленного под углом 45° к оптической оси 5 полупрозрачного кольцевого отражателя 18. Перед приемником Т5 коаксиально с его входной оси 19 установлен зеркальный элемент 20 с кольцевым основанием 21 и равномерно установленными на нем по периферии по меньшей мере тремя ретроотражателями 22, а между ними в кольцевом основании 21 по периферии выполнены кольцеообразные пазы (см. фиг. 4). Отражающие грани ретроотражателей 22 выполнены с прямыми углами при вершине, а отражающие поверхности обращены к передатчику 11. На выходе подвижной части 9 системы транспортировки коаксиально ее оси 13 установлены кольцевой зеркальный элемент 23 с отражающей поверхностью, обращенной к передатчику 11, обрабатывающая головка 24 с фокусирующей системой 25, установленным под углом 45° к ее оптической оси 26 поворотным зеркалом 27. Измерительный орган 17 состоит из фокусирующего объектива 28, светоделителя 29 и фотодетекторов 30 и 31. Устройство также содержит орган анализа и управления, состоящий из вычислительного устройства 32 и блока 33 видеоконтроля, причем вычислительное устройство 32 электрически связано с фотодетекторам,и 30 и 31, приводом 12 вращения передатчика 11 и механизмом 16 перемещения приемника 15. Передатчик 11 состоит из установленных под углом 45° к осям 5 и 10 с возможностью вращения вокруг этих осей поворотных зеркал 34 и 35. Приемник 15 состоит из установленных под углом 45° к осям 13 и 14 поворотных зеркал 36 и 37. Фотодетекторы 30 и. 31 выполнены в виде анализаторов положения пучка излучения по двум координатам, расположенным в плоскости фотодетекторов 30 и 31. Неподвижная часть 8 системы транспортировки проходит через водяную рубашку 38. реактора, в котором установлена подвижная часть 9 и обрабатывающая головка 24, связанные между собой соединительной оснасткой 39, которая совмещает их оптические оси 13 и 26.

Устройство работает следующим образом,

С помощью оптической системы для совмещения оптических осей пучков излучения лазера 1 и источника 2 видимого излучения излучение источника 2 расширяют телескопической системой. 3 до размеров, больших диаметра пучка невидимого излучения лазера 1, вырезают делителем 4 кольцевой пучок и направляют его зеркалом 6 соосно главной оптической оси 5 лазера 1 в неподвижную часть 8 системы транспортировки излучения, через которую ойо попадает на зеркальны / передатчик 11. Передатчик 11с помо14ью привода 12 вращения поворачивают так, чтобы направить кольцевой пучок видимого излучения на вход зеркального приемника 15, который в свою очередь перемещают механизмом 16 перемещения в зависимости от светового сигнала, возвращенного в обратном направлении зеркальными элементами 20 и 23 на передатчик 11 и с помощью поворотного зеркала 18 на измерительный орган 17. Фотодетекторы 30 и 31 измерительного органа и блок 33 видеоконтроля передают информацию о пространственном положении подвижной части 9 системы транспортировки

излучения и обрабатывающей головки 24 в. вычислительное устройство 32. Обрабатывающую головку 24 соосно устанавливают в обрабатываемую трубу 40 с помощью сигналов управления с вычислительного устройства 32. Совмещают свариваемый кольцевой стык с выходным отверстием 41 в головке 24. Затем подают излучение лазера 1 по системе транспортировки в обрабатываемую головку 24, фокусируют его системой 25 и поворотным зеркалом 27 направляют через отверстие 41 на свариваемый стык труВы 40 и производят лазерную сварку.

Способ лазерной обработки внутри труб в труднодоступных местах атомной электростанции заключается в перемещении обрабать1вающей головки 24 в заданное положение путем центровки головки 24 относительно оси 26 обрабатываемой трубы 40, введении головки в обрабатываемую трубу 40 до совмещения со свариваемым кольцевым стыком выходного отверстия 41 головки 24, совмещении оптической оси 19 входа подвижной части 9 системы транспортировки излучения с оптической осью 42 выхода ее неподвижной части 8 с помощью направленного соосно с оптической осью 5 невидимого излучения кольцевого пучка 43 .видимого излучения. При этом часть видимого излучения отражают с помощью возвратных зеркальных элементов 20, установленных на периферии вокруг траектории пучка невидимого излучения, на измерительный орган 17 и регистрируют по меньшей мере три пучка видимого излучения фотодетектором 30, характеризующим отклонение оптической оси пучка 44 видимого излучения от выходной оптической оси 42 передатчика 11. Другую часть видимого излучения, проходящую через кольцеобразные пазы в основании 21 зеркального элемента 20 и отражающуюся от зеркал 36 и 37 с помощью возвратного кольцевого зеркала 23, установленного соосно по периферии вокруг траектории пучка невидимого излучения,отражают на измерительный орган 17 и регистрируют фотодетектором 31, характеризующим отклонение выходной оптической оси 42 передатчика 11 от входной оптической оси 5 приемника 15. Причем электрические сигналы фотодетёкторовЗО и 31 преобразуют в сигналы управления приводами 12 вращения и механизмом 16 перемещения передатчика 11 и приемника 1В для совмещения соответственно их выходной и входной оптических осей 42 и 19. Установка возвратных зеркальных элементов 20 и 23 и измерительного органа на периферии вокруг траектории пучка невидимого излучения, а также использование кольцевого видимого пучка 43 позволяют защитить фотодетекторы 30 и 31 измерительного органа 17 от воздействия невидимого излучения лазера 1, а также упростить операцию совмещения, выходной оптической оси 42 зеркального передатчика 11 на неподвижной части 8 системы транспортировки с входной оптической осью 19 зеркального приемника 15 на подвижной части 9 системы транспортировки.

Предложенным способом устанавливают направление пучков видимого излучения источника 2, входящих в передатчик 11 (т. е.

5 направление оси лазера 1, по отгЕошению к которому регулируется передатчик 11 при монтаже системы, как и направление пучков, выходящих из приемника 15), направление оси обраб атываемой трубы 40,

0 причем приемник 15 направляют относительно этой трубы посредством подвижной части 9 системы транспортировки, жестко связанной с этим приемником 15, и упирают подвижную часть 9 на трубчатую плиту, жестко связанную с трубой 40. Управление угловыми отклонениями передатчика 11 и приемника 15 позволяет, следовательно, направлять выходные пучки из передатчика 11 к приемнику 15, обеспечивая оптическую

0 связь между передатчиком 11 и приемником 15.

Формула изобретения 1. Способ лазерной обработки внутри труб преимущественно в труднодоступных

5 местах атомной электростанции, заключающийся в центрировании обрабатывающей фокусирующей головки относительно оси обрабатываемой трубы, введении головки в обрабатываемую трубу до совмещения со

0 свариваемым кольцевым стыком выходного отверстия головки, совмещении оптической оси входа подвижной части системы транспортировки излучения с оптической осью выхода ее неподвижной части с помощью

5 направленного соосно с оптической осью невидимого излучения пучка видимого излучения, при этом часть видимого излучения отражают с помощью возвратных зеркальных элементов на измерительный орган с

0 фотодетектором отклонения оптической оси пучка от выходной оптической оси передатчика, а другую часть видимого излучения преобразуют с помощью измерительного органа на другом фотодетекторе отклонения выходной оптической оси передатчика от входной оптической оси приемника, причём электрические сигналы фотодетекторов преобразуют в сигналы управления приводами вращения передатчика и приемника для совмещения соответственно их выходной и входной оптических осей, далее подают невидимое излучение технологического лазера на фокусирующую систему обрабатываемой головки и производят лазерную обработку трубы, отличающийся тем, что, с целью защиты фотодетекторов от воздействия излучения технологического лазера и упрощения операции совмещения выходной оптической оси передатчика с входной оптической осью приемника путем исключения отвода возвратных зеркальных элементов и измерительного органа в процессе совмещения оптических осей, видимый пучок излучения подают в виде кольцевого пучка, возвратные зеркальные элементы и измерительный орган устанавливают на периферии вокруг траектории пучка невидимого излучения.

2. Устройство для лазерной обработки внутри труб преимущественно в труднодоступных местах атомной электростанции, содержащее технологический лазер невидимого излучения, источник видимого излучения, систему для совмещения оптических осей пучков излучения лазера и источника видимого излучения, обрабатывающую головку с фокусирующей системой, оптическую систему транспортировки излучения, состоящую из неподвижной части и подвижной части с механизмом перемещения, на выходе неподвижной части установлен с возможностью поворота вокруг выходной оптической оси и вокруг перпендикулярной ей оси оптически связанный с лазером и источником видимого излучения зеркальный передатчик с приводом вращения, на входе подвижной части системы транспортировки излучения установлен с возможностью поворота вокруг ее входной оси и вокруг перпендикулярной ей оси зеркальный приемник с приводами вращения, оптически связанный с системой фокусировки, возвратные зеркальные органы, светочувствительный измерительный орган с фотодетекторами и светоделителем, орган анализа и управления, на выходе подвижной части системы транспортировки излучения установлена центрирующая ее выходную ось оснастка, входы органа анализа и управления

электрически связаны с выходами фотодетекторов, а его выходы - с приводами вращения зеркального передатчика и зеркального приемника и механизмом перемещения подвижной части системы транспортировки излучения, кроме того, фотодетекторы выполнены в виде анализаторов полож)ения пучка излучения по двум координатам в плоскости фотодетекторов,

отлйча ю щ е е с я тем, что, с целью защиты фотодетекторов от воздействия излучения технологического лазера и упрощения операции совмещения выходной оптической оси зеркального передатчика с входной оптической осью зеркального приемника, устройство снабжено кольцевым зеркальным делителем, установленным .соосно и под углом к выходной оптической оси неподвижной части системы транспортировки

излучения и оптически связанным с измерительным органом, измерительный орган установлен на выходе неподвижной части системы транспортировки излучения, возвратные зеркальные органы выполнены в

виде установленного перед зеркальным приемником зеркального элемента с кольцевым основанием и равномерно установленными на нем по периферии по меньшей мере тремя ретроотражателями, а между

ними в кольцевом основании по периферии выполнены кольцеобразные пазы, и кольцевого зеркального элемента, установленного на выходе подвижной части системы транспортировки излучения перпендикулярно ее

выходной оптической оси так, что его зеркальная поверхность обращена к зеркальному приемнику, отражающие грани каждого из ретроотраж телей выполнены с прямыми углами при вершине, система совмещения оптических осей пучков излучения лазера и источника видимого излучения выполнена в виде телескопической системы, оптического делителя и поворотного зеркала с центральным отверстием, установленного соосно и под углом к выходной оптической оси неподвижной части системы транспортировки излучения, кроме того, фотодетекторы выполнены в виде анализаторов изображения пучка по его сечению.

Фиг.1

дзиг.З

Изобретение относится к лазерной обработке и может найти применение при обработке внутри труб в труднодоступных местах. Цель изобретения - защита фотоде- текторов от воздействия излучения технологического лазера и упрощение операции совмещения выходной оптической оси зеркального передатчика и осью приемника.Способ лазерной обработки внутри труб и устройство для его осуществления предназначены, например для возможности восстанавливающей сварки инфракрасным излучением с помощью сварочной головки, установленной в теплообменной трубе внутри водяной рубашки парогенератора атомной электростанции. Мощный пучок технологического лазера переносят до оси обрабатываемой трубы благодаря двум управляемым автоматическим оптическим отклоняющим устройствам с приводами вращения и перемещения, а именно передатчика, закрепленного возле отверстия доступа к водяной рубашке, и приемника, установленного на подвижной части оптической системы транспортировки и центрируемой с осью обрабатываемой трубы. Пучок мощного излучения коаксиально охвачен видимым пучком излучения, который с помощью обратных ретроотражателей и автоколлимационного кольцевого зеркала, установленных на приемнике, и фотодетек- торов, установленных перед передатчиком, позволяет устанавливать и поддерживать оптическую связь между передатчиком и приемником. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

фигЛ