核反应堆用燃料组件中定位格架的焊接方法与设备以 及用于经格架内部进行焊接的装置 本发明涉及核反应堆燃料组件中定位格架的交错狭带的焊接方法与装置。
核反应堆的，特别是由加压水冷却的核反应堆的燃料组件，包括有一束称作为燃料棒的长圆柱形的燃料元件，它们保持于燃料组件的框架内，布置成使这些棒取相互平行的形式。
此种燃料组件地框架包括：定位格架，它有一批栅元，按规则的格子排列，用来从横向上保持住燃料组件中的燃料棒；导管，它们配合在定位格架的某些栅元中，其长度大于燃料棒的长度；以及端部管嘴，它们固定于导管的端部上，可增强上述框架和保持住燃料棒。
这些定位格架则是沿着导管的长向按规则的间隔分布，用以在横向平面内将上述束棒保持于同定位格架的栅元格子相一致的格子内。
定位格架包括若干棱柱状的栅元，它们一般具方形的横剖面，用来纳置上述框架的一个燃料棒或一根导管。
上述定位格架通常由一些交错的金属狭带构成，它们按成90°角的两个方向上排列，限定出一批横剖面为方形的平行六面体栅元，用来收容燃料组件的燃料棒与导管。构成上述定位格架的具有方形单元的上述格子中的各个狭带，与所有同它成90°方向配置的狭带相交。两条狭带的各个相交部分构成一个具有四个90°二面角的十字撑，以及一条为所述格架的四个栅元共用的会合边。这些狭带经联锁然后沿格架的四个栅元所共用的会合边焊合而装配到一起。
一般，为了沿着一条边将构成十字撑的狭带装配好，是去利用占这种带宽度一半的槽把这些带相互结合起的。
首先，在定位格架的方形单元格子内将狭带相互组配好，同时组装上此格架的周边束带而组装起此格架。然后在各边的端部处将这些狭带的交点相互焊合，同时将构成封闭着格架周边栅元的外束带的格栅中周边狭带焊合。此种定位格架的栅元所具尺寸使得燃料棒能以颇大的间隙配合到栅元内。为了将燃料棒保持于格架的栅元内，采用了伸入到各个栅元内的保持装置。这些保持装置可以包括通过对金属狭带作切开后将其推挤入栅元内而获得的凹座，以及能装配到部分狭带构成的栅元壁部上的弹簧，后者也可以通过对狭带的金属材料作切开与推挤加工而形成。
上述导管实质上是无间隙地引入到定位格架的栅元内，并可以经焊合而固定到燃料组件的某些格架上。
在传统类型的燃料组件用定位格架内，每个栅元例如可以包括在两组相邻壁上的两个凹座和两个在与这些凹座相对的在另两个邻壁上的弹簧。于这种定位格架的栅元中，燃料棒是被各个弹簧推迫到位于与此弹簧相对的两个凹座上。
在组装和焊接这种定位格架时，经相互组装起的狭带包括有凹座和用来伸入到格架各栅元内的弹簧。这些狭带还包括其它一些经切开和推挤出的部件，例如用来提高组装好的格架的刚性与强度的舌片或凸肋。
将定位格架的狭带，在其由组合的两个狭带部件所形成的十字撑边缘的边缘处焊合到一起，是必须的和有利的。
在焊合燃料组件定位格架时所遇到的问题之一涉及到焊接中会使狭带加热，加热的结果则使格架变形和出现应力。
已提出过种种用来连续地焊接定位格架边缘的方法，而得以尽可能地限制因焊接加热使格架受到应力与变形的影响。
例如，在与本申请同时提出的一项专利申请中提出了这种一种用于燃料组件的定位格架，其中在组成一十字撑的二面角的两个成90°角的二等分平面上将十字撑连续地焊接。沿着格架一狭带长度上所设的相邻接的十字撑包括着相续的一批焊接点，它们沿着格架的一个端面的附近的十字撑边的一部分长度上，在此十字撑的两个二面角中的第一个二等分平面上排成一直线，然后，对相续的十字撑来说，再沿着与第一个二等分平面成90°的属第二个十字撑的两个二面角的第二个等分平面排成一直线。
定位格架第二面的邻区中的在各个栅元汇合边上的焊接点是形成在与此格架第一面的邻区中的边的焊接点所在的二等分平面成90°的二等分平面内。
这样一种方法可以显著地限制格架在焊接时所发生的应力与变形，这是因为焊接线是围绕格架的一定栅元分布，并且是分布在设于此格架一个面的邻区中的栅元的端部处。
此外，激光束的焊接法则特别适合去焊接较薄的狭带，尤其适合于沿着横剖面小(例如约1×1cm2)的栅元边焊接。
与制造燃料组件定位格架有关的一个问题涉及到焊接中所耗用的时间，这是由于要去形成极大数量的焊接点所致。
在上述方法中，由于要在各十字撑的四个二面角的每个二等分平面上连续地进行焊接，故需沿各栅元的每一汇合边作四次焊接。
结果，在包括有16×16十字撑的格架的情形，对此格架的所有十字撑需要进行4×16×16＝1024次焊接。
因此必须要有这样一种焊接方法，它能在顺序进行的焊接中限制制格架中出现应力与变形，并使整个格架所用的总的焊接时间尽可能最短。
此外，先有技术中对燃料组件定位格架进行激光焊接的周知方法，是从格架之外将激光束对准到格架的边的一端，这样就必须对此激光束作出精确的光学导向，使其聚焦到待焊接的区域上。这对于在栅元的二面角内按良好规定的方向来焊接格架的边部分，周知的先有技术中的相应装置已证明是不能满足此种要求的。
于是本发明的目的在于提供一种方法，用来焊接核反应堆燃料组件定位格架的交错狭带，同时限定出毗连的棱柱形栅元，这些栅元构成一个格子，此格子中的一组相邻的栅元具有一种共用边，沿着此边将构成一十字撑的至少两条狭带焊合，此方法可实行这样的焊接顺序，得以限制格架在焊接中的加热程度，应力与变形，同时能在短时间内亦即只用有限的成本完成定位格架的所有焊接。
为此目的，
将至少由四个焊接装置所成之组中一部分的一个激光束焊接装置，沿着栅元的轴线这样的引入到一组至少四个栅元的各栅元内，使得此由至少四个焊接装置构成的组将一焊接用激光束对准一相应栅元的至少四个边；
沿着上述四个边的至少是部分长度上同时进行至少是四个激光束焊接；以及
在格架与这组激光束焊接装置间作相对运动，以将这组装置引入到此格架的至少四个新栅元内。
本发明也涉及通过格架六面体内部焊接定位格架的狭带及快速焊接格架狭带的装置。
为便于清楚地说明本发明，下面通过非限制性的例子，对照附图描述本发明焊接方法的两个实施例以及能实施此方法的焊接装置。
图1是用于压水核反应堆的燃料组件的定位格架一部分的平面图。
图2是沿图1中2-2线的垂直剖面图。
图3是能用来实施本发明的方法的激光束焊接装置的轴向剖面图。
图4是用来实施本发明的方法的焊接设备的正视图。
图4A是图4中的部分A的透视图，表示焊头。
图5是对燃料组件定位格架十字撑的边缘进行激光束焊接的焊接装置的示意性透视图。
图6是一燃料组件格架的示意性平面图，示明在实施本发明的方法且依据第一实施例时对此格架的十字撑进行焊接的程序。
图7是与图6类似的平面图，示明在实施本发明的方法且依据第二实施例时所进行的焊接程序。
图1与2示明了压水核反应堆用燃料组件的统一以标号1指明的定位格架的一部分。
此格架1包括一组具正方形横剖面的平行六面体的栅元2，排列在具有如图1所示方形单元的格子内。
上述格架1包括若干交错金属狭带，其中的第一组狭带3都相互平行且具备第一方向，而第二组狭带3’也都相互平行且具备与狭带组3方向成90°的第二方向。格架的每个栅元2由狭带组3的两条连续带和狭带组3’的两条连续带界定。
此定位格架的周边栅元包括一外壁，此外壁包括定位格架周边束带4的一部分。组3与3’的狭带包括有装配槽，各槽所具的长度等于狭带宽度之半并沿狭带的长度分开一段相当于栅元2之边长的距离。这些狭带在包括有槽的部分上组装到一起而组成一批十字撑，这些十字撑包括四个90°的二面角，它们有一共用边5构成了为具有方形底的四个平行六面体栅元2所共用的边。
格架的这些栅元2是用来置纳一燃料棒6或一导管7。
燃料棒6的直径较栅元的边长显著地小，从而在插入栅元2内的棒6与包括带3与3’一部分的栅元的壁部间留有空隙。
为了将例如标号为6的燃料棒保持于格架的一个栅元2内，对栅元2的两个壁部进行切开与推挤，而形成排列于栅元2两个相邻壁上各有两个止动件9与10的两个组。
在栅元2的与上述包括止动件9与10的两个壁部相对配置的壁部上分别设有两个弹簧11与12。于是这两个弹簧11与12就使棒6保持成与两个止动件9与与10接触。弹簧11与12可以通过对栅元2的壁部金属材料进行切削或推挤而生产出，或可以装附到栅元的壁部上并通过与壁部中的孔口相结合和焊接而固定住。
图1与2所表示的格架包括有通过对栅元2的壁部的金属作切开与挤压而制造出的弹簧。在此情形下一栅元的每个壁部包括两个斜槽，而在这两个斜槽之间形成有一个弹簧11或12。
由图1与2所示的格架1例如可以是由马氏体钢所制燃料组件的一个端部格架，而其中的凹座与弹簧是据热处理的马氏体钢所制格架的壁部金属材料加工而成。
导管7，它的直径略大于燃料棒的直径，实质上是无间隙地插入到格架的栅元之内。在由马氏体钢所制燃料组件下端部格架的情形，导管7可以固定到格架上以加强此组件。
另一种燃料组件的定位格架是由弱的中子吸收材料，例如Zircaloy-4(锆-4合金)之类锆合金构成。此时的凹座是由对格架的栅元的锆合金壁部作切开与推挤而形成，而弹簧则为装附到栅元壁部上的钢制的或处理过的镍合金制的弹簧。
在所有情形中，格架的十字撑都是按相同方式焊接的，即在十字撑的各个二等分平面内相续地执行焊接程序。
用来焊接燃料组件定位格架的十字撑的特别有利的方法是采用激光束。
图3中所示的普遍由参考字符13表示的焊接包括一支承件14和一空心圆柱体15，后壳的直径小到足以把它沿轴向插入到一格架的棱柱形栅元内。在带有方形单元的格架情形，此焊接装置的柱体15的直径小于格架一栅元的边长。
支承件14在制成管形的柱体15的中心孔的轴向延伸部上穿孔。柱体15的孔位于此焊接装置的柱体15的轴向延伸部上，其中安装有提供强力激光辐射的光学装置以及一端位于柱体15入口部的光纤。支承件14的孔与柱体15共同的轴线组成了称之为激光束焊接棒的焊接装置13的轴线。
在柱体15的管状部内设有一组准直透镜18和一组聚焦透镜19。
在柱体15管状部与支承件14相对的一端设有一个相对于柱体15的轴线17倾斜的抛光过的铜镜。
通过柱体15的管状部的壁部设有一光学窗21。
光纤16的端部设在准直透镜组18的焦点附近，使得在给光纤16提供大功率的激光辐射时，会有一平行的激光束22在柱体15的管状部内传送，并在为镜20的表面反射前通过聚焦透镜从而通过窗21。透镜组19能将激光束聚焦到焊接棒13的柱体15外的一个精确的点上。这组光学元件18、19、20在柱体15与窗21之间的空心柱体15的中央通道内导引此激光束，然后将其引至焊接区。
当焊接棒13的柱体15沿定位格架栅元的轴向插入到此栅元内时，也即焊接棒13的轴线17与垂直于定位格架的面的栅元轴线相重合时，激光束22便集中到希望沿它形成焊点的边5上。此外，聚焦透镜19的光学特性会使此激光束22实际聚焦到边5上，使得激光束22在沿着两狭带3和3’交线处的此边上的焦点具有很小的尺寸。
图5示意地表明了沿着一燃料组件的栅元2的轴线插入此栅之内的焊接棒13的柱体15，由它得以焊接好由两条狭带3与3’的交线构成之十字撑的边5。
光纤16在其位于上述焊接棒的柱体15入口的端部，给邻近这组准直透镜18焦点的一个点提供激光辐射。为这组准直透镜所产生的平行激光束由聚焦透镜组19聚焦，同时为镜20这样地反射，使得这束光通过焊接棒的柱体15的窗21射出。焊接棒的柱体15定位成，使得激光束汇集到按直角装配到一起的狭带3与3’所构成之十字撑的边5上。此激光束22实际上是聚焦到边5上。由这一强力的激光束所输送的能量是能够在边5上熔化狭带3与3’的金属。使焊接棒的柱体15沿栅元的2的轴线方向运动，就能从定位格架的一个面开始沿边5的一部分长度形成一条焊线23。
此预装配起的定位格架一般按水平配置，然后沿十字撑边的部分长度对此格架的十字撑进行激光束焊接，此时是从平放的上述预装配起的定位格架的上表面开始，并结束于一定长度的相会合的边，上述的汇合边起始于平放的这一装配起的定位格架的下表面。
焊接用激光束22实质上是在狭带3和3’所形成之二面体的径向平面上成一直线，这是为了给狭带3和3’产生出高质量的焊点。
如图3所示，焊接棒13的柱体15包括一用来供应惰性气体的喷嘴24，得以在这些狭带金属业已为激光束熔化的焊接区输送惰性气体流。
图4示明了一种可用来实施本发明焊接方法的焊接设备。
图4中所示的这一焊接设备包括一盒套25，其中可以形成惰性气体环境，用以焊接设在此焊接设备的盒套25内支承件26上水平放置的经预组装起的定位格架1。
上述焊接设备主要包括固定于空心轴28端部上的焊头27，此空心轴28是以真空密封方式，并可以滑动地经由一密封件29而通过盒套25的穿透套25a。
以其下端支承焊头27的空心轴28在它的上端则连接一块板30，此板30能由一位移装置31带动于垂直方向运动，位移装置31则包括一马达驱动的螺丝组件。这样就能获得在空心轴28与焊接头27在两个方向上的垂直运动，如双箭头32的方向。
格架1的水平支承件26本身又为设在盒套25内一横向架位移组件33所载承，而得以在水平面内于两个成90°的方向内运动。
图4A按放大的尺寸示明了焊头27，后者包括一支承件27a，在此支承件上固定有四个与图3与5所示的焊接棒13类似的焊接棒13a、13b、13c与13d。
焊接棒13a、13b、13c与13d这样地固定到焊头27的支承件27a上，即它们的轴线构成一方形剖面的平行六面体的四个平行边缘，它的边长则等于待焊接的格架中栅元的边长或是这个边长的倍数。
图6示意地表明了一种可以用焊头27执行的焊接程序，此焊头的四个焊接装置13a、13b、13c与13d取方形布置，它的边长二倍于格架栅元的边长。
此焊头的四个焊接装置可以同时引入到图6所示格架35的四个栅元36a、36b、36c与36d中。
为了把这些激光束焊接装置引到此四个栅元36a、36b、36c与36d内，通过移动横向架元使此格架定位成：围绕此格架一栅元36的四个栅元36a、36b、36c与36d的轴线与焊头27的焊接棒13a、13b、13c与13d的轴线准直。
然后使此焊头垂直下移而将这些焊接棒引到栅元36周围的四个栅元内。
棒13a、13b、13c与13d这样的固定于焊头27的支承件27a上，使得引入到一栅元内的各个棒的主体定向成，能让焊接用激光束与此栅元的一个二等分平面的取向一致，此二等分平面包含着四个焊接棒所围绕的方形37的对角线。
从图6可见焊接棒，13a、13b、13c与13d构成一平行六面体的边，此六面体的方形底37已在图6中示明。为简单起见，下面将要指出这些焊接棒是设于此方形底37的周围，而此方形的边长二倍于栅元的边长。
图6还指明了由引入定位格架的四根焊接棒所产生的四个激光束的四个方向38a、38b、38c与38d。这四个焊接方向38a、38b、38c与38d各处在四个十字撑之一的两个相对二面角的二等分平面之中，这些十字撑的边则是由栅元36的四个边组成。每个二等分平面为焊接棒所结合的栅元的一个二面体和栅元36的一个二面体所共有。
栅元36的边于是从环绕此栅元36的四个栅元起开始焊接，而这四个栅元的每个包括着与栅元36共有的一个十字撑与一条边。
为了进行激光束的焊接作业，可将焊头的四个焊接棒导入到栅元36周围的四个栅元中，以使激光束对准和聚焦到设在格架35上表面附近的栅元36的部分边缘上，此格架35是水平地平置于焊接设备的支承件26上的。
焊接时，激光束与方向38a、38b、38c与38d一致，同时地在栅元36的四个边缘的一部分长度上进行，而且是从格架35的上表面开始。这样就从栅元36的上部并从其外侧部分地焊接起其边。
这里所形成的焊接形式可以是沿着栅元36部分边缘为连续的并取连续焊缝的形式，或者相反可以是沿着栅元36的边缘的长度为不连续的且取相分开的接头或焊接区的形式。
在形成了上述第一列的四个焊缝后，将焊头27垂直上移，以便从四个栅元36a、36b、36c与36d中撤出焊接棒。
然后可在水平行栅元的方向将格架35移过一个间距。再使焊头的焊接棒与四个栅元相垂直，这四个栅元围绕着水平行栅元中的栅元36的下一个栅元39，且它们各有一个与栅元39的二面体相对的二面体。
此时使焊头向下垂直运动以将四个焊接棒放入栅元39周围的四个栅元内。
使此四个焊接棒所产生的焊接用激光束与虚线箭头38’a、38’b、38’c与38’d所示的方向一致。
为了实行上述焊接方法，将焊头移入到栅元39周围的栅元内，而得以从格架35的下表面开始来焊接栅元39的边的下部。
在围绕栅元36形成了第一批四个焊接部分后，还能在水平行的方向和箭头40所示的方向使格架5移过两个间距。
再使此四个焊接装置与围绕栅元41的四个栅元垂直，这四个栅元各有一个与栅元41共用的边缘并各有一个与栅元41的一个二面体相对的二面体。
当上述四个焊接装置同时引到栅元41周围的四个栅元内时，这四个焊接装置的激光束的焊接方向可以由实线箭头38”a、38”b、38”c与38”d所表示。栅元41各边的上部于是可以从外侧去焊接。栅元39的边有两个是与栅元36共用而另两个则与栅元41共用，于是这些边缘的上部是在格架35移过方形单元格子两个间距后所分开的两次相续焊接过程中所焊接的。这样，水平行中三个相续的栅元所有边的上部是在两道相续的作业中完成的。
据此，可以相续地在格架的一个行中，对此行中各栅元以黑标记表示的边的上部完成所有的焊接工作。
这些栅元边的上部的所有焊接都可以通过格架在水平方向或垂直方向相续地移过两个间距，四个接四个地完成。
还能够在格架35移过一个间距后，相对于此格架边的上部与下部相续地设置好焊接棒后，通过格架在水平行和在垂直行方向中相续地移过一个间距，而能以最好的方式完成格架边中上部与下部(以虚线表出)的所有焊接。
实际上并不是逐行地扫描过此格架的所有栅元，而是相对于格架形成焊头从格架中的开始的螺旋运动。如此即可限制格架因焊接中加热造成的变形。
这样就能以一种自动与快速的方式完成格架的所有焊缝，这些焊缝则是四个接四个地并且依可以自动化的精心规定的程序来形成。
如图7所示，能够在焊头上使四个焊接装置或棒排列成，令后者的轴线构成一平行六面体的边，而此平行六面体的底呈方形，方形的边长即是一栅元的边长。
图7示明了格架45的一部分，其中采用一焊头对此格架的栅元46的边进行激光束焊接，此焊头的四根焊接棒13a、13b、13c与13d围绕一正方形47设置，此方形的边长等于格架的栅元46的边长。
上述四个焊接装置13a、13b、13c与13d是同时引入四个相邻的栅元46a、46b、46c、46d中的，这四个焊接装置的轴线沿着一具有正方形底的平行六面体的边布置，此底的边长等于栅元的边长。
图7还示明了四个焊接棒13a、13b、13c与13d的四个焊接用激光束的方向48a、48b、48c与48d。这四个激光束的方向48a、48b、48c与48d沿着焊接棒所插入的各个栅元的二等分平面的方向，此二等分平面包含着焊头所围绕的方形47的对角线。能够同时焊接四个栅元46a、46b、46c与46d的四个边。
通过使格架在栅元行的方向中于两次焊接作业中作相续的运动，并把焊接棒引入到相继的由四个栅元所组成的各个组中，就能形成此格架边缘的所有焊链。
在两道焊接作业中通过使格架移过一个间距，就能相继地完成与此格架第一面相邻的以及第二面相邻的所有焊缝。
在上述各种情形中，都能在完全自动的方式和减少作业时间的条件下来进行焊接作业。
通过格架的两个面之一或是格架的两个面将焊接装置引入到栅元之内，就可不必反转格架而形成格架边的所有焊缝。可以在沿着格架的轴的任何位置上来完成焊缝。此种焊接装置或棒可以自由地通到要进行焊接的栅元内，也可以借助从栅元壁部上伸出的凹座或弹簧而自动取中。
本发明不限于上面所述的实施例。
例如，可对所述焊接设备的各产生一强力激光束的不同焊接装置，各由独立的激光源或以成组形式经一或多个源与多通道器件提供激光。
可以存在有不同于上述焊头中焊接棒的的排列方式，同样可以存在有不同于适用于这种焊接棒排列方式的焊接程序。
可以在不同的方式下于垂直于栅元轴线的方向上，在格架和焊头之间产生相对运动。也可以不让格架在横向运动架上移动而使格架不动而只让焊头运动。
还可以让焊头在与栅元和格架二者的对角线相对应的方向上运动。
本发明适用于任何包括有构成方形单元格子的平行六面体栅元的燃料组件用定位格架。
自然还可以设想来改进焊头和改进用来运动格架或焊头的程序，用以焊接栅元取任何格子形式排列的格架。
还能在例如边部上的位置按垂直方向布置格架，也即是使此格架通过束带的一侧定位于一支承件上，然后将包括有四个焊接棒的至少一个焊头相对此格架作横向设备。这样的焊接装置或焊接棒可以沿一平行六面体的边设置，此平行六面体的方形底部有一个边其长度乃是格架一栅元的边的任意整数倍。在实施这一方法时，上述焊接装置即可导入到排成方形的四个栅元内，而此方形的边长则是格架中一栅元边长的整数倍。