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一种 核反应堆 控制棒驱动机构密封焊缝一体机及操作方法

阅读：904发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机及操作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提供一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机，其特征在于，包括外套管壳体1、内套管壳体2、轴向运动驱动机构3、旋转运动驱动机构4、激光加工头组件5、送丝管嘴及惰性气体喷嘴 6、摄像头7、背面惰性气体喷嘴8、吸尘管嘴11。该技术应用于核反应堆控制棒驱动机构“Ω”或“CANOPY”焊缝的切、焊、修，具有结构简单可靠、功耗低，切、焊一体化，切割过程无切屑，切口平整无需再加工，切割和焊接过程的热影响区小，自动化程度高、工艺稳定性高等优点。，下面是一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机及操作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机，其特征在于，包括外套管壳体(1)、内套管壳体(2)、轴向运动驱动机构(3)、旋转运动驱动机构(4)、激光加工头组件(5)、送丝管嘴及惰性气体喷嘴(6)、摄像头(7)、背面惰性气体喷嘴(8)、吸尘管嘴(11)；
所述外套管壳体(1)容纳和支撑机头内部组件；
所述内套管壳体(2)与控制棒驱动机构密封壳体上段外圆通过圆滑过渡的锥面紧密配合；
所述轴向运动驱动机构(3)内圈固定在内套管壳体(2)上，所述轴向运动驱动机构(3)外圈固定在外套管壳体(1)上，用来驱动外套管壳体(1)相对于内套管壳体(2)作轴向运动；
所述旋转运动驱动机构(4)内圈固定在内套管壳体(2)上，所述旋转运动驱动机构(4)外圈固定在外套管壳体(1)上，用来驱动外套管壳体(1)相对于内套管壳体(2)作圆周旋转运动；
所述激光加工头组件(5)和外套管壳体(1)连接，将激光能量聚焦、折向后汇聚在待切割或焊接部位；
所述送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴(6)和外套管壳体(1)连接，喷射焊丝送丝和焊耳正面的保护气体；
所述摄像头(7)和外套管壳体(1)连接，发送切割或焊接部位的实时图像；
所述背面惰性气体喷嘴(8)和外套管壳体(1)连接，在焊耳背面喷入保护气体；
所述吸尘管嘴(11)和外套管壳体(1)连接，吸收切割作业过程中的金属蒸汽和熔渣。
2.如权利要求1所述的核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝用切割、焊接、维修一体机，其特征在于，所述内套管壳体(2)底部安装有多枚定位轮，用以承载机头重量。
3.如权利要求1所述的核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝用切割、焊接、维修一体机，其特征在于，所述激光加工头组件(5)包含激光光纤接头、聚焦透镜、激光喷嘴和反光镜，所述激光光纤接头连接所述激光喷嘴，由所述聚焦透镜聚焦所述激光喷嘴中的激光，并经由所述反光镜激光束至待焊接位。
4.如权利要求1所述的核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝用切割、焊接、维修一体机，其特征在于，所述摄像头(7)为双摄像头，一个摄像头用于定位观察，另一个摄像头用于切割或焊接时观察熔池。
5.一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机的操作方法，其特征在于，切割模式：将所述一体机套在控制棒驱动机构密封壳上，控制运行所述一体机内部的所述轴向运动驱动机构(3)和所述旋转运动驱动机构(4)，将所述激光加工头组件(5)对准焊缝位置，并将焊缝切开，切割过程中保持所述摄像头(7)监视，通过所述吸尘管嘴(11)吸走金属蒸汽和熔渣；
焊接模式：通过所述旋转运动驱动机构(4)控制所述激光加工头组件(5)运行并激光加热使控制棒驱动机构密封壳两侧母材金属自熔并重新密封，若焊缝间距较大则通过所述送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴(6)填丝焊的方式进行焊接，在焊接过程中通过所述背面惰性气体喷嘴(8)对熔池及背面提供惰性气体保护；
维修模式：所述一体机在原有焊缝基础上直接通过所述轴向运动驱动机构(3)和所述旋转运动驱动机构(4)之间的配合控制激光加工头组件(5)对准焊缝位置，并采用激光多道多层堆焊加厚焊耳。

说明书全文

一种核反应堆 控制棒驱动机构密封焊缝一体机及操作方法

技术领域

[0001] 本发明属于核电厂运行维修工具设计领域，特别涉及一种用于切割、焊接、维修控制棒驱动机构密封焊焊缝的新型工具设备。

背景技术

[0002] 核反应堆控制棒驱动机构是承担反应堆功率调节和紧急停堆任务的重要设备，其密封壳体属于一回路压力边界。根据HAF102《核动力厂设计安全规定》，控制棒驱动机构为核安全一级设备。

[0003] 磁力提升式控制棒驱动机构是目前应用最为广泛的控制棒驱动机构设计型式，其核心功能部件是密封在一回路压力边界内部的钩爪部件。为了检修或更换钩爪部件，必须将控制棒驱动机构密封壳割开和重新焊接。

[0004] 随着核电厂参与电网功率调节的程度逐步提高，控制棒驱动机构钩爪部件的步跃寿命已经不能满足核反应堆时间寿命要求，更换钩爪部件的需要已被列入电厂大修计划。另外在役电厂反应堆控制棒驱动机构密封焊缝多次发生渗漏问题，控制棒驱动机构密封焊缝在役维修的需求迫切需要满足。

[0005] 目前部分核电运维单位配备的控制棒驱动机构密封焊缝切割、焊接工具是独立的旋转铣削或刀盘式切割机，以及独立的氩弧焊焊接机。已有的切割、焊接工具技术较为成熟，但存在切割、焊接两机分体，切割时会产生切屑污染，切割后焊接坡口需要修整，焊接热影响区大，容易变形，可反复切、焊的次数较少等问题，采用本发明可对上述问题进行改进。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提供一种用于切割、焊接、维修控制棒驱动机构密封焊焊缝的新型工具设备。该技术应用于核反应堆控制棒驱动机构“Ω”或“CANOPY”焊缝的切、焊、修，具有结构简单可靠、功耗低，切、焊一体化，切割过程无切屑，切口平整无需再加工，切割和焊接过程的热影响区小，自动化程度高、工艺稳定性高等优点。

[0007] 一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机，包括外套管壳体1、内套管壳体2、轴向运动驱动机构3、旋转运动驱动机构4、激光加工头组件5、送丝管嘴及惰性气体喷嘴6、摄像头7、背面惰性气体喷嘴8、吸尘管嘴11；

[0008] 所述外套管壳体1容纳和支撑机头内部组件；所述内套管壳体2与控制棒驱动机构密封壳体上段外圆通过圆滑过渡的锥面紧密配合；所述轴向运动驱动机构3内圈固定在内套管壳体2上，所述轴向运动驱动机构3外圈固定在外套管壳体1上，用来驱动外套管壳体1相对于内套管壳体2作轴向运动；所述旋转运动驱动机构4内圈固定在内套管壳体2上，所述旋转运动驱动机构4外圈固定在外套管壳体1上，用来驱动外套管壳体1相对于内套管壳体2作圆周旋转运动；所述激光加工头组件5和外套管壳体1连接，将激光能量聚焦、折向后汇聚在待切割或焊接部位；所述送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴6和外套管壳体1连接，喷射焊丝送丝和焊耳正面的保护气体；所述摄像头7和外套管壳体1 连接，发送切割或焊接部位的实时图像；所述背面惰性气体喷嘴8和外套管壳体1连接，在焊耳背面喷入保护气体；所述吸尘管嘴11和外套管壳体1连接，吸收切割作业过程中的金属蒸汽和熔渣。

[0009] 优选的，所述内套管壳体2底部安装有多枚定位轮，用以承载机头重量。

[0010] 优选的，所述激光加工头组件5包含激光光纤接头、聚焦透镜、激光喷嘴和反光镜，所述激光光纤接头连接所述激光喷嘴，由所述聚焦透镜聚焦所述激光喷嘴中的激光，并经由所述反光镜激光束至待焊接位。

[0011] 优选的，所述摄像头7为双摄像头，一个摄像头用于定位观察，另一个摄像头用于切割或焊接时观察熔池。

[0012] 一种核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝一体机的操作方法，包括1)切割模式：将所述一体机套在控制棒驱动机构密封壳上，控制运行所述一体机内部的所述轴向运动驱动机构3和所述旋转运动驱动机构4，将所述激光加工头组件5 对准焊缝位置，并将焊缝切开，切割过程中保持所述摄像头7监视，通过所述吸尘管嘴11吸走金属蒸汽和熔渣；2)焊接模式：通过所述旋转运动驱动机构4 控制所述激光加工头组件5运行并激光加热使控制棒驱动机构密封壳两侧母材金属自熔并重新密封，若焊缝间距较大则通过所述送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴6填丝焊的方式进行焊接，在焊接过程中通过所述背面惰性气体喷嘴8对熔池及背面提供惰性气体保护；3)维修模式：所述一体机在原有焊缝基础上直接通过所述轴向运动驱动机构3和所述旋转运动驱动机构4之间的配合控制激光加工头组件5对准焊缝位置，并采用激光多道多层堆焊加厚焊耳。

[0013] 本发明通过调整激光的功率和移动速度实现了切割、焊接功能一体化，具有远程遥控、视频监控、轴向和径向精确定位、焊接保护气、焊接送丝、切割吸尘的功能。切割施工切口细窄且精度高，切缝两边平行，切割表面光洁平整无需修整；焊接施工热输入小、熔池小，焊缝窄、焊接热影响区小、产生的变形小；整机具有结构简单、功耗低、施工质量稳定，可多次反复切割、焊接的优点。附图说明

[0014] 图1为控制棒驱动机构密封焊缝用焊接、切割、维修一体机结构示意图。 1—外套管壳体；2—内套管壳体；3—轴向运动驱动机构；4—旋转运动驱动机构；5—激光加工头；6—送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴；7—摄像头；8—背面惰性气体喷嘴；9—控制棒驱动机构密封壳上段(棒行程壳体)；10—控制棒驱动机构密封壳下段(钩爪壳体)；11—吸尘管嘴；

[0015] 图2为各种阶段的焊缝形态。

[0016] 1—原始焊缝形态；2—切割后的焊缝形态；3—激光自熔焊后的焊缝形态；4—送丝填料补偿焊后的焊缝形态；5—多层多道堆焊补漏后的焊缝形态；

[0017] 图3发生切透时的激光光路。

具体实施方式

[0018] 以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

[0019] 下面详细介绍本发明的核心部件：控制棒驱动机构密封焊缝用焊接、切割、维修一体机机头结构，如图1所示：

[0020] 外套管壳体，外套管壳体起到容纳和支撑机头内部组件的功能，外套管壳体与内套管壳体之间通过轴向运动驱动机构、旋转运动驱动机构相连接。

[0021] 内套管壳体，内套管壳体与控制棒驱动机构密封壳体上段(棒行程壳体) 外圆紧密配合，起到定位作用，内套管壳体底部安装有多枚定位轮，用以承载机头重量。

[0022] 轴向运动驱动机构，轴向运动驱动机构内圈固定在内套管壳体上，外圈固定在外套管壳体上，两圈之间通过齿轮或链条等驱动结构作动，用来驱动外套管壳体相对于内套管壳体作轴向运动。

[0023] 旋转运动驱动机构内圈固定在内套管壳体上，外圈固定在外套管壳体上，两圈之间通过齿轮或链条等驱动结构作动，用来驱动外套管壳体相对于内套管壳体作圆周旋转运动。

[0024] 激光加工头组件包含激光光纤接头、聚焦透镜、激光喷嘴、反光镜等零件。激光加工头组件和外套管壳体连接，可随外套管壳体作旋转和轴向运动，起到将激光能量聚焦、折向后汇聚在待切割或焊接部位的作用。

[0025] 送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴和外套管壳体连接，可随外套管壳体作旋转和轴向运动，始终对准施焊部位，为焊丝送丝和焊耳正面的保护气体喷射提供导向。

[0026] 摄像头(配双摄像头，一个用于定位观察，一个用于切割或焊接时观察熔池)，和外套管壳体连接，可随外套管壳体作旋转和轴向运动，始终对准施焊部位，为远程控制电脑发送切割或焊接部位的实时图像。

[0027] 背面惰性气体喷嘴和外套管壳体连接，可随外套管壳体作旋转和轴向运动，对准未施焊的切口，在启动焊接作业前提前将保护气体喷入焊耳内部，用来为焊耳背面提供保护气体环境。

[0028] 控制棒驱动机构密封壳上段和控制棒驱动机构密封壳下段是组成控制棒驱动机构密封壳的两个部分，两者之间的焊缝即为需要反复切割、焊接的部位。

[0029] 吸尘管嘴和外套管壳体连接，可随外套管壳体作旋转和轴向运动，始终对准施工部位，在切割作业过程中将金属蒸汽和熔渣吸收后送入焊渣收纳瓶。

[0030] 除了控制棒驱动机构密封焊缝用切割、焊接、维修一体机机头，本发明还包含远距离控制电脑、激光发生器、激光光纤、控制和供电电缆、控制和供电电缆、气瓶和供气管道、焊渣收纳瓶等附属设备。

[0031] 下面详细介绍使用本发明对核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝施工时，切缝、焊缝可能出现的几种形态，如图2所示：

[0032] (1)是焊缝原始形态。

[0033] (2)是使用本发明堆原始焊缝完成切割，焊缝材料在激光作用下迅速熔化、气化，被吸尘管嘴抽离后形成的切缝剖面形态。

[0034] (3)是使用本发明，切割后的切缝间隙较大，无法实施激光自熔焊，采用激光填丝焊，焊丝材料在激光作用下熔化填充，形成的带有一定余高的焊缝外形。对切割后的切缝实施激光自熔焊后，焊缝上下材料熔化，重新粘连形成焊缝剖面形态。由于切缝需要两侧母材熔化填补，最终焊缝表面会形成一道较浅的凹槽(如需要可采用填丝焊进行盖面)。对出现渗漏的密封焊焊耳实施快捷堆焊维修后形成焊缝剖面形态。在这种情况下不需要实施切割，直接采用本发明对原有焊耳实施气体保护送丝激光堆焊，焊丝熔化后在原焊耳外表面形成多层、多道焊道相互搭接覆盖，确保将开裂、穿孔部位完全封堵。

[0035] 另外如图3，本发明通过设定合理的激光透镜焦距，穿过焊耳的激光能量密度减小，可避免在切透时过量激光损伤控制棒驱动机构密封壳内部结构。

[0036] 下面详细介绍使用本发明对核反应堆控制棒驱动机构密封焊缝施工操作方法：

[0037] 切割模式：将所述一体机套在控制棒驱动机构密封壳上，控制运行所述一体机内部的所述轴向运动驱动机构3和所述旋转运动驱动机构4，将所述激光加工头组件5对准焊缝位置，并将焊缝切开，切割过程中保持所述摄像头7监视，通过所述吸尘管嘴11吸走金属蒸汽和熔渣。

[0038] 焊接模式：通过所述旋转运动驱动机构4控制所述激光加工头组件5运行并激光加热使控制棒驱动机构密封壳两侧母材金属自熔并重新密封，若焊缝间距较大则通过所述送丝管嘴及正面惰性气体喷嘴6填丝焊的方式进行焊接，在焊接过程中通过所述背面惰性气体喷嘴8对熔池及背面提供惰性气体保护。

[0039] 维修模式：所述一体机在原有焊缝基础上直接通过所述轴向运动驱动机构3 和所述旋转运动驱动机构4之间的配合控制激光加工头组件5对准焊缝位置，并采用激光多道多层堆焊加厚焊耳。

[0040] 上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。根据本发明提出的装置设计方案，可以应用于任何压水堆控制棒驱动机构密封结构，实施焊缝的切割、焊接和维修作业。

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