[发明专利]一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置

说明书

本发明公开了一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置，包括激光焊接头、伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及若干支承辊，所述气体保护套包括保护套上半部分、保护套下半部分、保护气体输入管道、保护镜片托架及保护镜片；伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及各支承辊从右到左依次分布，该装置能够实现不同材料、不同直径、不同长度的回转体工件的焊接，并且焊接精度高、效率高。

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域和核燃料组件加工领域，涉及一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置。

背景技术

激光焊是一种高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接热输入小、焊缝细小美观、焊接热影响区窄、焊接效率高和清洁环保等优点，被广泛应用于各种焊接领域。

大长径比工件，例如细长的棒、管、台阶轴等，焊接时易发生焊接变形而影响回转体的同轴度，因此需要控制焊接热输入；传统焊接方法如摩擦焊、TIG焊等，要么焊接接头变形大，不适于焊接薄壁管件，要么焊缝较宽，影响工件尺寸精度。上述焊接需求和传统焊接方法的不足，使得激光焊成为适用于大长径比工件环焊的有效焊接方法。

大长径比工件激光焊接时一般激光头位置固定，工件匀速旋转焊接一圈，使焊缝的开始点和结束点重合，形成一条完整的环焊缝。目前，焊接时工件的旋转要么采用手动摇手柄的方式，要么采用控制伺服电机旋转一周的方式，前者控制精度差，旋转速度很难均匀，而后者电机在开启或停止时都有一定的响应时间，工件旋转速度的均匀性也很难保证。而且，上述方法都只适用于低速旋转。

锆、钛、钼、铝合金、镁合金、铁铬铝合金、镍基合金、不锈钢等材料，焊接时容易因热应力过大、焊后变形量大和熔点相在晶界偏析等原因而产生焊接热裂纹。因此，在焊接此类材料时，一般会在焊前对试样进行预热处理，焊后亦会采取措施使工件缓慢冷却，通过减小焊接应力和减轻偏析以抑制焊接热裂纹的产生。铜和铝等金属材料在室温下对激光的反射率超过90％，当材料温度升高时反射率会显著降低，因此，此类高反射率材料在激光焊接前一般也需要进行预热处理。

为了避免焊缝氧化，产生夹渣和气孔等焊接缺陷，金属材料的焊接多在惰性气体保护下进行。传统的气嘴或拖罩气体保护方案，焊接时熔池暴露，保护效果有待改进。同时，随着温度的升高，金属材料对氧等元素的吸收率快速增加，而随着含氧量的增加，焊接接头的强度、塑性、韧性都将显著降低，尤其是其低温冲击韧性会急剧下降，此外还会引起热脆和冷脆等诸多问题。钛在中高温条件下对氧的吸收能力极强，在焊前预热、焊接和焊后保温阶段，通过在工件周围安放纯钛以抢夺焊接环境中的氧，可有效提高焊接的保护质量。

核燃料棒是核燃料陶瓷芯块封装于包壳中而构成的核燃料组件，其包壳结构主要是由包壳管和端塞对接环焊而成。用于燃料棒包壳的材料主要有锆合金、铁铬铝合金、奥氏体不锈钢等，焊接时对气体保护条件要求苛刻。燃料棒属于大长径比构件，包壳管直径8～13mm,长度达2000～5000mm，焊接时对工装有较高要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置，该装置能够解决工件焊接时出现的焊接应力大、焊接热裂纹、焊缝氧化及气孔问题，同时克服高反射率材料激光焊接时反射率过高的问题，实现不同材料、不同直径、不同长度的细长回转体工件的低成本、高质量、高精度、高效率激光焊接。

为达到上述目的，本发明所述的用于大长径比燃料棒包壳环焊的激光焊接装置包括激光焊接头、伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及若干支承辊，所述气体保护套包括保护套上半部分、保护套下半部分、保护气体输入管道、保护镜片托架及保护镜片；伺服电机、主动三爪卡盘、气体保护套、从动三爪卡盘及各支承辊从右到左依次分布；