一种用于管道内激光切割焊接一体化装置

技术领域

本发明涉及核聚变反应堆工程技术领域，特别涉及到未来聚变装置遥操作维护功能中管林切割焊接维护需求，针对实际工程中常规切割焊接工具和常规机器人无法在此环境下使用，研发一种用于管道内部切割焊接一体化装置。

背景技术

在聚变遥操作维护诸多技术难点中，数量繁多且不同规格的内部部件管道的远程焊接和切割是首要解决的问题，否则遥操作维护无法顺利进行。在CFETR(中国未来工程聚变堆)等聚变堆远程维护中，管道的切割和焊接占维护周期的70％以上。然而聚变堆内部管林系统错综复杂，可操作空间狭小，常规焊接机器人难以完成预期任务。管内焊接(in-borewelding)技术是解决这一难题的理想选择，在国际上，欧盟基于EU-DEMO 的需求，已经完成相关技术预研，并申请了相关专利。国内在这一块的研究尚属空白，相关预研工作亟待开展。

目前长江三角洲地区急需发展高端工业激光器产业，大的方面来讲有利于供给侧改革的实施，小的方面来讲有利于整个激光产业替代进口、降低成本、持续提高企业竞争力和创新能力。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于管道内激光切割焊接一体化装置，包括终端反射镜架、聚焦单元、中空式光传输管道部件、水冷管道、辅助气体管道、旋转驱动系统、准直系统、调焦单元以及光纤接口单元；

终端反射镜架通过中空式光传输管道部件连接到旋转驱动系统，中空式光传输管道部件上设置有冷却水通道，与外部的水冷管道相连通；以及设置有辅助气体管道，通过气体管道接口与外部保护气体连通；

中空式光传输管道部件通过螺纹连接到旋转驱动系统，还连接有光束准直部件、调焦单元及光纤接口单元；

所述终端反射镜架包括一块45°反射镜与外部壳体、反射头，用于将聚焦单元聚焦后的传输过来的光折射偏转90°，经由下部与加工喷嘴射出，对工件进行切割或者焊接；

进一步的，在反射头下侧连接辅助气体管道，辅助加工气体通过此辅助气体管道进入聚焦单元并通过喷嘴与激光同轴喷出，起到保护熔池及防止烟尘进入反射头污染反射镜；反射镜内置水路，通过背部水管接头与冷却水通道相连，用于对反射镜降温。

进一步的，所述聚焦单元包括壳体，聚焦镜片系统，用于将通过准直系统射过来的激光聚焦，聚焦镜片类别为透射式聚焦镜片，通过拧动调焦单元的螺纹可对焦点距离喷嘴出口处的位置进行微调。

进一步的，所述中空式光传输管道部件为内部中空的机构，通过螺纹与旋转驱动系统相连，由驱动系统提供动力，带动与其相连的机构转动，并通过壳体与固定底座相连。

进一步的，所述准直系统及光纤接口单元与旋转驱动系统相连，并通过光纤接口与激光器的输出光纤接头相连接，将激光器输出光源导入准直系统，再通过旋转驱动系统，延长机构内部进入到前端的激光加工头部分，此部分与旋转驱动系统直接连接，不做旋转运动。

进一步的，所述旋转驱动系统为直驱电机，通过外部控制系统控制，有伺服驱动器驱动电机转动，实现转速与角度控制，所述直驱电机配置为步进电机或调速电机。

有益效果：

本发明的一体化装置在实现管道内激光切割焊接关键技术在聚变堆的运用的同时，加快项目研发成果在航天、核能等相关先进制造领域的推广应用，不仅为将来中国建造聚变堆打下坚实的工程技术基础，更将给国家经济带来显著的效益。

现阶段国内外激光切割与焊接多以单一切割与单一焊接形式存在，且现有的激光切割焊接执行工具均从外部环境进行。在现场工况允许的情况下可以通过常规激光切割焊接执行工具实现，然后在特定的工况下，外部空间难以放置常规切焊工具，因此管道内切割焊接一体化装置能够实现在狭小外部空间下管道切割和焊接任务，且无需更换前端切割焊接执行工具，其工程应用效果快速、高效。

附图说明

图1是本发明专利的水平放置主视图；

图2是其截面及内部结构示意图；

图3是本发明专利的三维结构示意图。

附图中各部件的标记如下：1、终端反射镜架；2、聚焦单元；3、中空式光传输管道部件；4、水冷管道；5、旋转驱动系统；6、准直系统；7、调焦单元；8、光纤接口单元；9、加工喷嘴；10、气体管道接口；11、聚焦镜片；12、准直镜片；13、冷却水通道；14、辅助气体管道。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

参见图1-3所示，根据本发明的实施例，提出一种用于管道内激光切割焊接一体化装置，包括终端反射镜架1、聚焦单元2、中空式光传输管道部件3、水冷管道4、辅助气体管道14、旋转驱动系统5、光束准直系统6、调焦单元7以及光纤接口单元8；

管道内激光切割焊接一体化装置所有部件之间直接或间接的固定于旋转驱动系统5 的直驱电机上，直驱电机为常规中空结构以便激光由内部通过，直驱电机的法兰盘可根据实际需求改变外部形状与不同的执行机构相连，如：三轴直线机器人、六轴关节机器人，以便将前端加工头伸进管道内部进行激光切换或者焊接加工。中空式光传输管道部件3上设置有冷却水通道13，与外部的水冷管道相连通；以及设置有辅助气体管道14，通过气体管道接口10与外部保护气体连通；

所述终端反射镜架包括一块45°反射镜以及外部壳体，由聚焦单元2聚焦后的光折射偏转90°，经由下部的加工喷嘴9射出，对工件进行切割或者焊接，在聚焦镜片反射下侧连接辅助气体管道14，辅助加工气体通过此辅助气体管道进入聚焦单元2并通过加工喷嘴9与激光同轴喷出，起到保护熔池及防止烟尘进入反射头污染反射镜。反射镜内置水路，通过背部水管接头与冷却水通道相连，起到对反射镜降温。

聚焦单元2包括壳体，聚焦镜片系统，负责将通过准直系统射过来的激光聚焦，聚焦镜片系统包括透射式聚焦镜片11，通过拧动调焦单元的螺纹可对焦点距离加工喷嘴9 出口处的位置进行微调。

所述中空式光传输管道部件3为内部中空的机构，通过螺纹与直驱电机相连，由直驱电机提供动力，带动与其相连的机构转动。并通过壳体与直驱电机相连实现管内轴向运动。

所述光束准直系统6及光纤接口单元8与固定底座相连，并通过光纤接口单元8与激光器的输出光纤接头相连接，将激光器输出光源导入光束准直系统6的准直镜片12，再通过直驱电机，延长机构内部进入到前端的激光加工头部分，此部分与直驱电机直接连接，不做旋转运动。

所述旋转驱动系统包括直驱电机，通过外部控制系统控制，有伺服驱动器驱动电机转动，可实现高精度转速与角度控制，也可配置为步进电机或调速电机。

根据本发明的实施例，所述装置的工作过程为：先将激光加工头置于待加工位置，激光通过输出光纤传入准直系统及光纤接口器出光，通过准直后经直驱电机、中空旋转装置进入聚焦模块，经聚焦后由反射镜反射最后由喷嘴输出进行激光切割或者焊接加工。

由系统控制直驱电机转动，带动中空式光传输管道部件法兰转动，再由中空式光传输管道部件前端加工头转动进行激光加工。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。