用于经由格架外部焊接燃料组件定位格架的交错带条的方法及装置

摘要

焊接期间定位格架(20)置于并固定于一装置中，以便很容易地接近垂直于栅元(34)棱边(33)的两相对端面。同时使用位于定位格架(20)相对端面任一端上的、至少具有两个激光束焊接器具的二装置，来焊接格架(20)的至少4条棱边段。经由方格(34)的外部，每一焊接装置使一焊接激光束朝向格架的一棱边(33)。一焊接作业完成后，定位格架(20)与焊接装置(25a、25b、25d)之间产生相对位移，以使焊接装置的焊接激光束(30a、30b)朝向格架(20)的至少4条新的棱边段。

说明书

本发明涉及经由格架的外部，焊接用于核反应堆燃料组件定位格架的交错金属带条的一种方法及装置。

用于核反应堆尤其是用于由高压水冷却的核反应堆的燃料组件，由称之为燃料棒的一组长圆柱燃料元件组成，该燃料元件位于燃料棒相互之间平行排列的燃料组件的框架內部。

燃料组件的框架具有定位格架，该定位格架由用于横向固定燃料组件燃料棒的成规则格子排列的栅元组成。长于燃料棒的导向管置于定位格架里的部分栅元中，固定于导向管端部上的端管嘴加强格架并夹持燃料棒。

定位格架沿导向管长度方向成规则间隔分布。

定位格架具有棱形栅元，最常见为平行六面体且具有正方形截面，这些栅元用于容纳格架的燃料棒或导向管。

定位格架通常由交错金属带条组成，交错金属带条沿成90°的两方向布置，界定出用于容纳燃料和导向管的正方形断面的平行六面体栅元。具有正方形重复单元的方格的组成的定位格架的每一带条，横穿相对于其成90°方向布置的全部带条。两带条的每一交线构成一具有4个90°二面角及4个栅元所共有的汇接棱的十字撑，带条互联一起，之后沿4个栅元共有的汇接棱焊接。

为了沿一棱边组合构成十字撑的带条，带条通常借助占有其一半宽的槽沟互相连接。

格架首先用在正方形重复单元的格架方格中互相连接带条的方法，及用格架周边束带与带条端部组合的方法进行组装，之后在其每个汇接棱边端部处的带条交叉点，把带条互相焊接在一起，然后焊接靠近格架周边栅元的周边束带。定位格架栅元的尺寸应确保燃料棒在栅元内部的配合具有相当大的间隙，伸入每个栅元的保持装置用于保持燃料棒于格架栅元中。这些保持装置用于保持燃料棒于格架栅元中。这些保持装置包括由切开并压入栅元里的带条金属所形成的凹座，以及附于由部分带条所组成的栅元壁上的弹簧、或由切开并压入带条金属的方法形成。

导向管无间隙地插入定位格架上的栅元中，并焊接到燃料组件的部分格架上面加以固定。

在用于传统类型燃料组件的定位格架中，例如，每个栅元可包括：两组位于两相邻壁上的二凹座；位于面向凹座的另二相邻壁上的两弹簧。在此种定位格架的栅元中，燃料由每一弹簧压到位于其对面的二凹座上。

当定位格架固定与焊接时，互相接合的带条具有伸入每一格架栅元中的凹座和弹簧。此外，带条还具有切开并压入的部分，如改善组合格架刚度和强度的突缘。

在由组合在一起形成定位格架的两带条部分所形成的十字撑的每一棱边处，把定位格架的带条焊接在一起是非常有利和必要的。

焊接燃料组件定位格架时所遇问题之一是，因焊接所引起的带条加热，它可引起格架应力和变形的产生。

已提出多种方法来连续焊接定位格架的棱边，且可尽最大可能地限制由焊接所引起的加热而导致的格架的应力和变形。

例如，与本申请同一天提出的专利申请提出了用于燃料组件的定位格架，其中沿互成90°二面角组成十字撑的两平分面，十字撑被相续地焊接。位于格架带条长度方向的连续十字撑具有连续的焊缝，在格架之一端面附近沿十字撑棱边的一段长度上，它沿十字撑两二面角的第一平分面，而对于下一十字撑，它沿相对于第一平分面成90°的第二十字撑两二面角的第二平分面。

在格架第二端面附近，处于每个栅元棱边上的焊缝，位于相对平分面成90°的平分面上，其上形成了格架第一端面附近的棱边焊缝。

由于给定格架栅元周围以及位于格架端面附近每个栅元端部处的焊缝分布，这种方法可大大限制焊接期间格架所遭受的应力和变形。

激光束焊接方法更适于相对较细的带条焊接情形，以及更适于焊接具有很小截面尺寸(如(1×1)cm²级)的栅元棱边。

与燃料组件定位格架制造相关的一问题是，大量焊缝所引起的完成焊接所需时间。

在上述所提及方法的情形下，由于在每一十字撑的4个二面角的每个平分面上，焊缝被连续地焊接，故必须沿每个栅元的每条棱边焊接4条焊缝。

为此原因，在格架具有16×16条十字撑的情形，焊接格架中所有十字撑的焊缝数量为4×16×16＝1024条。

故此，需要得到一种焊接方法，它可依次地焊接焊缝，可限制格架中应力与变形的产生，且具有可实现的最短格架焊接总时间。

所以，本发明的目的是，提供一种方法，用于焊接核反应堆中燃料组件定位格架的交错金属带条，金属带条限定出组成一方格的具有正方形截面的并列平行六面体栅元组成一格架，该方格中4个相邻栅元具有一公共棱边，沿该棱边组装和焊接组成十字撑的两带条，所有格架棱边相互平行，且栅元沿定位格架的两平行对向端面为开口端，此方法可实现焊接期间限制格架所受到的加热、应力和变形的焊接程序，可在短时间内焊接定位格架的全部焊缝，也就是说它具有低廉的价格。

为此目的：

焊接期间定位格架置于并固定于一装置中，以便很容易地接近其两对应端面；

同时使用位于定位格架相对端面两端的，至少具有两个激光束焊接装置的二组装置，来焊接格架的至少4条棱边段，并经由栅元的外部、使每焊接激光束朝向格架的棱边；

至少焊接4条棱边段的作业完成后，定位格架与焊接装置之间产生相对位移，以使焊接装置的激光束朝向至少4条新的棱边段。

为了更清楚地解释本发明，现参阅附图并以非限定实施例的方法加以描述，上述的实例是两个与本发明一致的焊接方法以及实现该方法的焊接装置的实施例。

图1为用于高压水核反应堆的燃料组件定位格架的部分平面图；

图2为图1中沿2-2垂直剖分面视图；

图3所示的垂直剖面视图，表示可实施与本发明一致的方法的一焊接设备；

图4为图3中4-4截面视图；

图5所示为使用本发明方法焊接格架带条作业期间的格架部分透视图；

图6为定位格架的部分平面图，表示用本发明方法焊接格架棱边的次序。

格架由交错带条组成，相互平行的第一组带条3具有第一方向，相互平行的第二组带条3’具有相对于带条3方向成90°的第二方向。每一栅元2由带条3组的两条连续带条和带条3’组的两条连续带条界定。

定位格架周边栅元包括由定位格架周边束带4一部分组成的一外壁。组3和组3’的带条具有安装槽，其长度为带条宽度的一半，它以栅元2边长在带条的长度方向上分开。带条在具有上述槽的一段上组装在一起，以便构成具有4个成90°二面角的十字撑，并具有公共棱边5，它构成4个具有正方形底面的平行六面体栅元2共有的一棱边。

格架栅元2用于安装燃料棒6或导向管7。

燃料棒6具有略小于栅元侧边的直径，以便在插入栅元2中的燃料棒6与带条3和带条3’所组成的栅元壁之间留有间隙。

为固定燃料棒6于格架栅元2中，位于二相邻栅元壁上的两组的两档块9和10，由切开并压入两栅元壁2的方法产生。

二弹簧11和12分别加工于位于具有挡块9和10的两相对壁上的栅元壁2上，这样，燃料棒6由弹簧11和12固定并顶于两组挡块9和10上，弹簧11和12可由切开并压入栅元壁2金属的方法产生，或可由附于栅元壁上并通过嵌入壁上的开口以及焊接的方法而加以固定。

图1和图2所示的格架，包括由切开并压入栅元壁2金属的方法而产生的弹簧。在此情形下，每一栅元壁包括二长方形沟槽，沟槽之间产生如11或12的弹簧。

例如，图1和图2所示的格架1，可以是由马氏体钢制成的燃料组件的端部格架，其上凹座和弹簧由热处理马氏体钢的格架壁金属制成。

直径略大于燃料棒直径的导向管7，无间隙地插进格架栅元中，在马氏体钢制成的燃料组件的下端部格架情形下，导向管7固定于格架上以加强装置的框架。

用于燃料组件的另一类型定位格架由弱中子吸收材料制成的带条组成，如锆合金。此种情形下，凹座由切开并压入格架栅元的锆合金壁而制成，而弹簧是附于栅元壁上的经热处理的镍合金弹簧。

在各种情形下，格架的十字撑以相同的方法，以在十字撑的各个平分面里连续进行的焊接工序加以焊接。

用于焊接燃料组件定位格架十字撑的一更优方法是采用激光束焊接。

图3和图4表示一焊接设备，其整体由标号13表示，它可实施按本发明的方法。

焊接设备13包括：由置于焊接车间地面上的水平支座14c以及两垂直立壁14a、14b组成的一机架14；两导向装置16a、16b装于其上的二垂直支架15a、15b，固定于水平支座14c上，并位于立壁14a与14b之间。每一导向装置附带2组水平导轨，该导轨构成滑架17的导向元件，滑架7具有与导轨相接合的滑道或滑轮，这为的是在水平位移时允许滑架17在其中之一方向上导向，如图4中双箭头35所示。

例如，可用平行于导轨(方向垂直于图3平面)，与安装于滑架17的螺母相啮合的丝杆来驱动滑架。此外，丝杆螺母机构18、19可使固定于垂直杆21端部支架上的的格架20发生位移，为便于滑动，杆21以密封的方式穿过密封箱22的立壁，且在焊接期间密封箱的保持为隋性气体气氛。

格架20固定在杆21端部的支架上，它所处位置应使得：格架栅元的开口端位于其上的两相对应端面，平行于密封箱22的两相对端面成垂直布置，窗口23通过其端面。在这种情形，格架20的两相对端面在其所有表面上是可完全被接近的，而栅元的内部可经由外部、穿过垂直布置格架的两相对端面接近。为此目的，格架20布置于其侧面上，即，它经过由环绕格架的束带所组成的侧表面，位于其支架上。

栅元中心线和格架棱边垂直于密封箱22的对应端面成水平布置，在密封箱端面上形成光学窗口23。

4个激光束焊接头安装于焊接设备13上机架14的每一侧向立壁14a和14b上，以便每一焊头射出焊接激光束并使光束穿过一窗口23，会聚在正被焊接的一格架栅元的一棱边上。

布置于格架两相对端面上，每个具有4个焊接头的两焊接组件是相同的。因此，这里仅描述，布置于图3、图4右侧上，在机架14的右侧立壁14a上移动所安装的其中之一组4激光束焊接头。

焊接组件固定于垂直支架板24上，该支架板的安装要便于其垂直于格架端部沿水平横向方向移动，即沿平行于格架20栅元的中心线和棱边的方向移动。支架板24固定到线性球轴承26a、26b上，轴承的安装是为其在横向杆27a和27b上滑动。机动丝杆和螺母机构28可使支架板24在横向产生位移，以便在格架棱边方向上同时推进4激光束焊接组件，以便完成沿每一棱边的部分长度上的焊接。每一激光束焊接头25a、25b、25c和25d固定于支架29上，它所处的位置，相对格架端面以及相对于格架栅元的棱边倾斜，且在焊接操作开始之前可进行调整。

如图3、图4所示，调节各个激光束焊接头支架29的斜度，以使图3、4中所示的25a、25b、25c、25d焊接头辐射出，相对于水平面及垂直面倾斜的各个焊接激光束30a、30b、30c和30d。焊接头相对水平面及垂直面成对且对称地布置，如图3、图4中所示。

强力激光源31可经由一束光纤维32提供强力激光辐射线，到布置于格架右侧面上的第一焊接组件的每个焊接头25a、25b、25c和25d上，以及到相对于第一组件焊接头，对称布置在格架20左侧面上的焊接头组上。

可提供激光辐射的焊接头射出激光束，每一激光束朝向并聚焦于定位格架20棱边的一段上，并在面向对应的焊接组件的格架端面的附近。

因此，图3、图4中所示的焊接设备，可同时进行格架8条棱边段的焊接，其中4条位于格架一端面附近，另外4条位于对应端面的附近。

特别是，可使用所述的焊接设备，来实施上述的焊接方法，其中，在格架端面附近、在沿栅元行列以及在给定棱边的端部成交错布置的栅元十字撑平分面里，进行焊接棱边部分。

为此目的，由二焊接组件的焊接头所产生的30a、30b、30c和30d激光束，朝向格架十字撑二面角的平分面上。而激光束聚焦到格架棱边上，并沿棱边熔化格架带条的金属进行焊接。

焊接期间，控制二组焊接头支架如24的位移，来获得沿棱边方向的进给，并在棱边方向上，以及在与棱边段对应的长度上进行焊接。

根据二焊接组件的各种焊接头支架29的布置，可同时焊接位于相同格架栅元4棱边端部的8条棱边段，或可同时焊接属于不同格架栅元的8条棱边段。

焊接头相对于格架相对端面以及相对于格架栅元方格的对称布置，可限制焊接期间因带条升温所引起的变形。

图5、图6表示使用图3、图4所示装置进行焊接操作定位格架20的一局部。格架带条沿栅元棱边段33进行焊接，而带条沿栅元棱边，同时沿定位格架第一端面附近的4条棱边段，以及沿定位格架第二端面附近的4条棱边段组装起来。朝向由带条所形成的十字撑二面角平分面的激光束，用来进行焊接。

如图5所示，由安装于格架一侧面上一组件的4个焊接头所产生的4束激光束30a、30b、30c和30d，经由格架外部指向格架栅元34周围的4栅元，在临近格架端面对准激光束30a、30b、30c及30d射出的焊接组件的区域，焊缝沿其棱边而形成。激光束30a、30b、30c和30d指向与栅元34周围栅元的4个二面角所共有的平分面以及栅元34的4个二面角。焊接组件的4个焊接头同时在棱边33方向上移动，以便激光束30a、30b、30c及30d扫描焊接组件对准的格架棱边与位于栅元内一棱边上的一点之间的棱边段。

焊接栅元34的棱边33的激光束30a、30b、30c和30d，同时全部指向二面角的平分面，上述的该二面角与栅元34的二面角相对，且与栅元34具有共有的棱边。沿平分面焊接栅元34一棱边端部的平分面相互之间成90°布置。

由安装于定位格架第一端面前方的第一焊接组件，以及安装于定位格架第二端面前方的第二焊接组件，来同时产生4条焊缝，第二组件对向于对准第一焊接组件的端面。

在栅元一端面的平面图上，图6中用连续箭头表示第一焊接组件的焊接激光束30a、30b、30c和30d的方向，虚线箭头表示安装于定位格架第二端面前部焊接组件的焊接激光束30’a、30’b、30’c和30’d的方向。

为实施在栅元交错平分面中进行焊接的方法，激光束组30’a、30’b、30’c和30’d相对于第一焊接组件的激光束组30a、30b、30c和30d，在栅元行方向上错位一格。激光束30’a、30’b、30’c和30’d在定位格架第二端面附近，可同时焊接靠近栅元34的栅元34’的4条棱边段。

也可使用二激光束焊接组件的焊接头，来同时焊接同一栅元的8条棱边段，该焊接组件被定向，以便在格架栅元每一棱边处相互之间成90°排列的平面上射出激光束。

在格架栅元的8条棱边段上完成一焊接操作后，格架在栅元排列方向上产生水平方向或垂直方向的移动，以便使新的一组8条棱边段所处的位置，允许位于格架端面之一侧边上的两焊接组件射出的8条激光束，焊接这些棱边段。

为了沿栅元行上栅元二面角的平分面获得交错布置的焊接方向，格架在两焊接过程之间对应于栅元侧边产生两间隔位移，所有格架棱边可这样迅速地被焊接。

因此，为了限制焊接期间格架带条的应力和变形，可沿整体上具有始发于格架中心的螺旋形状的路径，以连续间隔的方式产生格架及焊接组件的相对位移。

按照本发明的方法及装置，可以完全自动化的方式快速地焊接定位格架的棱边。在栅元二面角的平分面上，可对完全确定了的焊缝布置进行焊接。

可不必翻转格架来完成格架棱边的所有焊缝。可在格架棱边的任一点上产生焊点。

本发明不局限于已被描述的实施例。

可用一独立的激光源，或以组合方式用一个或多个激光源以及多路转换器来设置设备的各种焊接组件。

安装于定位格架端面一侧面上的焊接组件可以移动。以用来同时焊接同一栅元或不同栅元的棱边段。

也可使用多于4个焊头的焊接组件。然而，为了获得足够的操作速度、抵消格架所受的应力和变形，必须至少使用二激光束射向格架每一侧面的二焊接头。

用于相对于焊接组件移动格架的装置可不同于所描述的装置。

焊接操作之间，也可保持格架静止以及把焊接组件自一位置移动到另一位置。

可把不同于所述位置的定位格架置于其侧面上来实施与本发明一致的方法。例如，可提供与格架界边侧向接合的格架支承装置，并可把格架固定在焊接位置，该位置上的格架端面不是指向垂直平面，而是指向水平面或倾斜面。

本发明主要适用于任一燃料组件定位格架的焊接，该定位格架具有由正方形重复单元组成格子状的平行六面体形栅元。然而，也可预见使用与本发明一致的方法和设备，来焊接栅元以任一形状的格子状布置的格架棱边。