本发明涉及在一根管子内进行远程焊接。它特别可用于修理增压水核反应堆中蒸汽发生器管子的漏隙。 上述电站的蒸汽发生器通常包括一大束小直径的管子，这些管子每根弯成U形并将其两端固定地装在一块很厚的多孔板内。位于多孔板下的蒸汽发生器部分构成一个水箱，在水箱的第一部分中，来自反应堆容器的“一次”水在压力作用下分布在那捆管子之中。一次水沿管子流过后在水箱的第二部分被回收，并通过反应堆的一次回路的一根管子返回到装有反应堆芯的容器内，反应堆芯由加热增压水的燃料组件所构成。蒸汽发生器的给水与位于多孔板以上的蒸汽发生器一部分中那捆管子的外表面相接触，并转化为蒸汽，蒸汽供给与核反应堆相伴的汽轮机。
因此那束管子的壁在作为反应堆一次流体的增压水与作为二次流体的给水之间构成阻挡层。接触到燃料组件和反应堆容器内部其它构造的一次流体或多或少地含有辐射物质。因为二次流体的被污染可能产生十分有害的后果，所以避免一次流体与二次流体有任何直接的接触是恰当的。为了达到这一点，必须避免在蒸汽发生器管子束中有穿通管壁地漏隙发生，并且，万一产生了这种漏隙，必须有效和尽可能快地将有漏隙的管壁修复。
在反应堆正常寿命期间，上述修理工作通常是需要的。热或机械应力或因那束管子所受到的腐蚀有可能在那束管子的一次侧或二次侧造成穿通管壁的裂缝。为维修起见，在反应堆停机期间完成修理工作。
一种已知的修理蒸汽发生器那束管子的方法是给上述管子的有漏隙处加上衬套。将一个外径比要修理管子的内径略小，并且长度足够将漏隙区覆盖住的衬套通过与那些管子的一端齐平嵌接的多孔板的入口面插入那根有漏隙的管子内。当将衬套插入位于多孔板中部的管子时，它被安置得与多孔板入口面齐平;当将衬套插入靠近多孔板周边的管子中时，它被安置得穿过多孔板厚度的一半。然后在衬套和管子之间设置两个水密连接，在包括漏隙在内的区域的两端各设一个，将衬套固定在管子内部。
所有这些操作都需要在蒸汽发生器水箱内部来完成，那就是，要从在反应堆工作过后与含有辐射物质的一次流体已相接触的蒸汽发生器一部分的内部来完成，这意味着操作人员要遭受大剂量的辐射。
因此曾建议提供至少能完成给管子加衬套所需某些操作的遥控自动装置，尤其是使衬套管能在它两端以焊接的方式固定于管子上的装置。
在美国专利US-A-4694136中描述了一种完成这种焊接的装置。这种装置包括一个装在管子中的光学焊头以及一个位于蒸汽发生器水箱外部的功率激光器。靠户外的光学装置将激光束从设置在蒸汽发生器水箱外的激光器传输到焊头。
这种装置需要在蒸汽发生器的附近提供和安装包括所有流体供应在内的大量设备（电源、汽却水供给装置）。功率激光器必须设置在十分靠近水箱的观察窗口处，而这一区域受到几乎和水箱内部同样高值的辐射。曾试图将激光器移动得离开观察窗一定距离，但无法使此距离很大而不使瞄准问题复杂化，瞄准问题急速成为不可克服的困难。此外，由于用一种具有一个球和与之相顶对的弹簧轴承的支座来使焦距保持恒定且等于点火距离，使得用焊头有着如下缺点：这种系统引起磨擦、颠簸和振动，从而降低了焊接质量。
在前面提到的本发明的特殊应用中，即在修理核反应堆蒸汽发生器管子的应用中，以及为了补救上面列举的缺点，本发明提供一种能借助于设置在离蒸汽发生器很远处（例如在装有反应堆的反应堆建筑物以外）的能源来焊接蒸汽发生器管子中的衬套的方法。本发明还提供实现这种方法的装置。
本方法使得有可能从一个设置在例如反应堆建筑物外的控制站遥控和自动地完成下列操作：
在用通常的方法将衬套装入欲修理的管子后，在此管子内插入一个光学焊头，所述焊头连接到一个设置在靠近控制站的激光器（例如，钇铝石榴石（YAG）激光器），所述连接由一根软管来提供，软管内含有一根传输光能的光纤，一根惰性气体输送管和传送控制信号的电缆;
将焊头置位于工作高度处;
调节激光束的聚焦距离;以及
在管子漏隙区两侧的每一区中，焊接衬套的整个圆周。
在所附权利要求书中，对本发明的方法和装置作了更为准确的限定。
参照附图，通过实例将描述本发明的一个实施方案，图中：
图1A和1B是用于在上述特殊应用中实施本发明的两种衬套的纵向剖面图;
图2是同样应用场合下实现本方法的整个装置图;
图3是焊接装置一部分以及构成其一个端部的纵向剖面图;
图4是光学焊接装置所述端部较大比例尺的纵向剖面图;
图5A和5B是装置的两种光学单元的纵向剖面图;
图6是表明如何调节装置聚焦的理论图;
图7是根据本发明修改了的焊接装置的局部图，其中聚焦是自动调节的。
不管本发明是用于上述特殊场合还是其它场合，通过非限制性的解说，下列描述仅仅涉及到上述的附图，并且从以一般的术语描述本发明的方法和装置来开始。
焊接先需在一根具有轴A的容纳管（例如由欲修理的T管所构成的）以及一个具有壁S的欲焊接的衬套M之间建立起连接，所述衬套先已放入管子中的某一位置处。
本发明的方法包括：
将一个焊头插入所述容纳管中的操作，所述焊头包括一个光学单元，光学单元本身包括：
由镜子37构成的光学反射装置，它适于接收沿容纳管的所述轴A来的焊接光束并朝着所述欲焊衬套的壁反射所述光束;以及
聚焦装置30，它由透镜L1、L2和L3以及光学元件33所组成，将所述光束聚焦在所述欲焊衬套的壁上的命中点H处，要使得在所述点处将所述衬套焊接于所述容纳管上。
本方法还包括借助于焊接激光器104建立起这一焊接激光束的操作，所述激光束适合于完成所述焊接，所述激光器设置在一个离所述容纳管一定距离的激光束建立区内（在激光器控制站102内或在运载器控制站108内）;以及
将所述焊接激光束通过所述容纳管的入口送到所述光学单元的激光束传送操作。
所述激光束传送操作本身包括：
设置一根光纤以构成传输光纤（F）的操作，伴随着能将该光纤弯曲，使在所述光束建立区（102）内呈现一个入口（105），且在所述容纳管内在所述管轴（A）上面对着所述光学单元呈现一个出口;以及
将焊接激光束注入的操作，在此过程期间所述焊接激光束注入所述传输光纤的所述入口，去完成所述焊接。
为了使所述命中点沿所述欲焊衬套M的至少一条弧线上运动以完成焊接，通过绕所述容纳管轴A旋转所述光学单元（或至少光学反射装置37中的一个），来完成转动命中点的操作。用一个马达，例如设置在所述容纳管T外部并面对着其入口的马达部件2来完成所述转动。该马达是用一根管状的延伸器部件（由软护套19、刚性配合端20和圆柱零件23所组成）机械地连接到所述光学反射装置。该部件以这样的方式设置在围绕着传输光纤的所述管子中，以致可避免转动所述光纤。
所述部件和/或所述光学单元（30、37）由外部对中装置来导向，外部对中装置由例如，一个轴承21和一个对中刷42所构成并且在欲焊衬套M的壁S上和/或在容纳管T的所述内表面上有至少一个动支承点。传输光纤F由一内部对中装置（由例如轴承26所构成）来导向，并支承在所述延伸器部件上的至少一个活动支承点上。所述传输光纤由所述内部对中装置26导向，以致使它不但能旋转，而且能将所述光纤沿所述延伸器部件轴向地位移，所述部件轴向地驱动所述光学单元30、37。
在安放焊头和传输光纤34F的操作完成后，以及在执行将焊接激光束注入传输光纤入口105的操作之前，要完成下列操作：
注入一个调节激光束的操作，在此操作过程期间，一个功率低于焊接激光束的调节激光束按这样的方式注入传输光纤的所述入口，即由所述光纤来传输以及被所述光学单元反射和聚焦的调节激光束照射所述命中点（H），并造成从所述命中点返回至光纤的所述入口的光束，以及
聚焦调节操作，在此期间，测量所述返回束的强度，并在此期间将所述传输光纤相对于所述光学单元轴向地移位，直至到达最佳位置，在此位置上，所述光强达到最大值和/或一个预定值，随后，将所述最佳位置固定。
为了使所述焊头能转动而不移动对中装置、柔软的外部对中装置被可转动地安装上去，以致能相对于焊头4、5、和6能自由地转动;用旋转所述焊头以及在所述旋转停止期间变改所述返回束的强度来完成所述聚焦调节操作。
根据本发明的装置包括：
焊接激光器104;
焊头4、5、6;
传输光纤F;
内部对中装置26;以及
延伸器部件19、20、23。
本装置还包括：
一个建立起调节激光束的调节激光器106，测量所述返回强度的测量装置，例如光敏接收器52，以及
轴向定位装置（例如由夹持器13和调节环16所构成），它驱动所述光纤出口49相对于光学单元30、37按这样一种方式作轴向位移，以致将所述调节和焊接束聚焦在命中点H上。
现将对在上面提及的特殊场合下应用本发明时，本发明的一个特殊实施例进行描述。
图1A和1B示出了用于修理在核反应堆中的蒸汽发生器管子的两类衬套：
图1A是修理管子（例如TA）所用衬套MA的正视剖面图，管子TA设置在靠近多孔板P的周边处，以一条焊缝JA构成一个连接;而
图1B是修理设置在多孔板P中部处管子（总数80%的管子）所用长衬套的正视剖面图，底部连接J位于靠近多孔板底面处。
在两种场合下，顶部连接KA或K都位于多孔板P顶面靠近衬套顶端处。
图2示出了为实现本方法和构成本发明装置所有所需物品，这些物品包括：
一个流动激光器控制站102，它位于反应堆建筑物B之外。此站包括一个YAG型焊接激光器104，一个发出可见光并耦合到YAG激光器的氦氖型调节激光器106、常用电源连接、冷却水连接、一个控制机架以及视频监视器装置。所用焊接激光器最好为工作在波长1.06微米（um）并具有1.2KW功率的掺有钕的YAG激光器。但有可能用任何其它功率不低于1000W的激光器，这种其它的激光器发出光的波长不大于所述值，或者对所发光的波长存在着透明光纤。
一个流动运载器控制站108，它位于例如反应堆建筑物外，但也可位于建筑物内，它用来控制运载器112。此站也包括一个控制机架、视频监视器装置、一般的电源连接以及送到运载器并控制它的连线109。
一个包括有一焊头的终端部件110，此部件被装在蒸汽发生器水箱G内的运载器112的一个臂的端部处。
一个位于反应堆建筑物内部、邻近蒸汽发生器的推拉装置113。
一个在反应堆建筑物内的连接中继站114。
一个气体馈给系统，它包括圆筒116、阀门118和阀门执行机构120。
以及一根软导管121，它将激光控制站102通过连接中继站和推拉装置连接到焊接装置。这根软管包含将控制信号发送到焊接装置的电缆122以及一根将光能从激光器传送到包含在终端部件110内的焊头的光纤F。所用光纤最好为二氧化硅光纤。然而，任何其它对所用激光器发出的电磁光谱是透明的光纤，只要它的每千米的衰减系数在YAG激光器的波长处保持在约10dB，最好为4dB或更低，就可适用。
远程通信电缆124、126、130、132和134也将各种物品相互连接，并连接到一个电话终端128。
图3表明终端部件110的零件。此部件构成焊接装置的一部分，而焊接装置放在欲修理管子T或“容纳”管的内部，管内已预先在应有位置处装有待焊衬套M。所示此部件位于焊接位置上。它被固定在运载器112的臂端处的上/下升降器1上，升降器用来将焊头插入衬套并使之在其中定位。终端部件自身也包括一个马达部件2和焊头。焊头由柔软的延伸部3和刚性的延伸部4、光学单元5以及导向锥6所组成。
图4是此终端部件的纵向剖面图，用支撑7将部件2固定在升降器1上。部件2包括外壳8和转台的基座9，它们成同轴地安装。转台的基座被固定，而旋转芯体10被束缚在软延伸器3内。外壳8有一气体入口通道11和一中心腔12。用螺母14将光纤锁定在夹持器13内。夹持器在中心腔12内轴向滑动，而由键15阻止它旋转。借助于环16可调节夹持器相对于外壳的轴向位置，从而使光纤端部位置能相对于焊头进行调节。由此可明白，借助于升降器1，通过调节支撑7的位置，可获得适合的焊接高度，而通过转动环16可获得相对于外壳的光纤相对位置的轴向调节。此环被安装或通过滚珠轴承17在外壳内可自由地转动。在图中，它以无伺服控制的手动形式来表示出。然而，要使之机械化（参阅图7）是很容易的。环16在安装时用一O形环18来密封。
软延伸器3包括一段一端装在转台的旋转芯体10上，而另一端有一刚性的配合端20的软护套19，刚性配合端的端部有螺纹20A，用以拧入刚性延伸器4。一个光滑的轴承21可滑动地装在配合端，光滑轴承21的外径稍小于例示的加衬套的中心管子中衬套M的直径，或在给周边管子加衬套时稍小于容纳管的内径。此轴承表面给焊头提供转动导向。配合端有一内孔22，光纤穿过此孔。
刚性延伸器4由一个圆筒部件23所构成，圆筒部件23一端攻有与软延伸器上的螺纹20A相配的螺纹，而它的另一端在24处，为了固定到光学单元5上、也攻有螺纹。此部件有一内孔25，其中可滑动地装有一个轴承26。此轴承固定于光纤F上。此轴承由二个滚珠轴承和一个圆环所组成。当此轴承相对于延伸器运动时，它给光纤提供轴向引导，而且它还给焊头部件相对于光纤提供旋转导向。光纤的端部被约束在配合端27内以及约束在邻接27的装有轴承部件26的滚珠轴承处。
光学单元5由管子28的一部分所构成，管子28在两端24和29处攻有螺纹。下端螺纹24容纳刚性延伸器，而上端螺纹29容纳圆锥体。一叠透镜L1、L2和L3，间隔器32和光学元件33装在所述管子内部，并且用两个螺母34来固定。这些透镜和螺母在35处、沿着4根成90°间距的母线开有槽，用以让流遍焊接区的气体通过。光学元件33由一个具有球面36和一个与轴A成45°倾角的平面镜面37的圆柱所构成。光束沿着纵轴通过球面进入光学元件33，并被径向地反射。在反射光束路径上，管子有一窗口38。在所述窗口的水平高度上，光学元件有一让气流通过的槽39。
图5A和5B表明光学单元两种变形的实施方案。图5A示出具有两个透镜L10和L11的实施方案，为了拉开平面透镜R10与焦点之间的距离，第二透镜是偏心的。图5B示出具有两个透镜L20和L21以及反射镜R20的最小结构形式。优选的实施方案是示于图4中的实施方案。
锥体由管子40所构成，它的下端攻有螺纹，以便拧入光学单元。在管子内部有一带有对中刷42的转轴41，对中刷由一凸头43将它保持在应有的位置。此转轴在一与管子40内壁紧配合的轴承44内滑动。凸部45限制了转轴在管子内轴向的位移。
在焊接期间，由软延伸器外护套构成的焊头、圆筒部件20、刚性延伸器、光学单元以及导向锥管，在包含在马达部件2中的一个马达（未示出）的驱动下，转过360°完整的一圈，上端的导向是靠对中刷42，而下端的导向是靠滑动轴承21。存在着与衬套M内表面相对顶的两个支承点。在转动期间，如同带有导向锥刷子的转轴那样，光纤保持固定。如果需要两个或多个稍微偏移的焊缝，则可以借助于滑动轴承21和43将焊头纵向移位。那些延伸器和焊头确定了环绕光纤护套47的连续环形空间，此空间被刚性延伸的滚珠轴承以及顺着螺母和透镜通过的纵向槽所中断，此空间允许气体从外壳8流入并流通焊接处。
图6示出了如何将光束的焦距调节到衬套的内表面上。将光学头插入一个具有与待焊衬套同样内径的管状调节夹具MB中、然后使用氦氖型调节激光器106，而其可见光束精确地跟随着与来自焊接激光器光束的路径相同的路径。一块分离板50装在离激光器106的出口，会聚透镜51之前处，会聚透镜51将光集中在光纤34F的入口105处。此板让来自激光器的光束通过，但反射离开光纤到达光电池52上的光，所述光来自一个集中在夹具MB内表面S上H点的光斑，并构成一个发光物。如果光纤出口端49的轴向位置沿箭头56，相对于包括透镜组30和镜子27的光学单元变动，则由光电池52所提供的信号会通过一个与光纤最佳位置处的最大值，此值相应于光聚焦在命中点H上。为了预先调节焊接所需的位置，通过转动圆环16来寻找最佳位置，于是，在考虑到HeNe束焦点位置和YAG束焦点位置之间的已知位置偏移后，可以通过将圆环16锁住的方法来使此最佳位置稳定下来。
图7示出一个变型的焊接装置，其中，光纤最佳的轴向位置是通过自动调节圆环216的位置来获得的。此环完成与环16相同的功能，它由一调节马达200来驱动，在获得相应于一个待焊衬套的数据后，数据采集和管理中心202的数据就去控制调节马达200，此时装置的其余部分不变。这种变型与本发明的目的是相容的，因为上述为在管壁上获得最小聚焦斑点对光纤位置的预调，在±0.2mm的衬套直径范围内，给出了可接受的焊接结果，此范围相应于在实际中所遇到的，当衬套在液压扩张后，围绕平均直径衬套直径的变化范围。然后，从一根管子到另一根管子此平均直径是变化的，这意味着必须对在未曾调节的装置中的每一衬套要改变其预调值。此调节的装置使操作人员不需要对每一根管子进行干预。调节操作包括两个阶段：一个数据采集阶段，在此期间，中心202使马达旋转;以及一个调节阶段，在此期间，同一中心202控制调节200。当光束由激光器106发出时，通过记录由光电池52接收到的在焊头转过一整圈期间的信号曲线，来采集数据。借助于校正信号有可能求出表面直径的平均值，在此以后，调节马达动作，将光纤定位，以致它的焦距相应于用此法确定的平均值。
一旦调节操作完成后，移动光纤F的入口，使之离开透镜51，并将它耦合至功率激光器104。
现在要叙述为满足修理需要，利用按上述方法调节了的装置，在蒸汽发生器的管子内焊接衬套的完整步骤。一个包括YAG激光器104和可见激光器106的激光控制站与控制运载器112的控制站108一起安装在核电站反应堆的建筑物外，运载器112装在具有例如T那样的漏隙管子的蒸汽发生器G的水箱内。用一般的方法将诸如M那样的衬套设置于这些管子中，各就各位，准备焊接。运载器携带有包括焊头的装置的终端部件110，用一根含有光纤F和信号传输电缆124的软管将焊头连接到激光器控制站。包括焊头的这个终端部件被远距离地插入待焊衬套中，借助于升降机1，将焊头放置在它的靠近衬套顶端的高位上，将一可见激光束加于光学单元30和37，代表轴A和欲焊面之间在一圈内的距离的曲线得到追踪。然后，为了在由记录所得的距离曲线决定的平均直径处获得最小尺寸的斑点，调节光纤位置。发送焊接激光束。衬套沿整个一圈被焊接在管子上。然后利用升降机将焊头置于靠近衬套下端的它的低位上，加一可见激光束于光学单元，以致在轴和待焊面之间在一圈内的距离曲线被记录下来。然后，为了在由记录所得的距离曲线决定的平均直径处获得最小尺寸的斑点，调节光纤位置。发送焊接激光束，衬套环绕一圈被焊接在管子上。
虽然上述发明的实现只涉及一种特殊的应用，但应该明白，本发明可用于其它应用，例如，修理不易接近的热交换器中的管子。