SE535767C2 - Förfarande för svetsning av kärnbränslestav - Google Patents

Description

535 TG? dessa tryck i helium utgör en ytterligare svårighet men elimine- rar behovet av ett fyllhàl och ett svetssteg för att försluta ett så- dant fyllhål.

FR-A-2 625 022 visar ett förfarande för svetsning av en änd- plugg vid ett kapslingsrör hos en kärnbränslestav. Det kända förfarandet innefattar stegen att fästa en nedre ändplugg, fylla bränslestavens inre med bränslekutsar och heliumgas, positio- nera den övre ändpluggen till aniiggning mot den övre änden hos kapslingsröret vid ett gränssnitt, och att applicera en laser- stråle från en laserkälla. Den föreslagna lasern är en pulsad la- ser. Laserstrålen riktas mot en svetszon vid gränssnittet för att smälta material hos ändpluggen och kapslingsröret vid gräns- snittet.

US-5231261 visar en pulsad lasersvetsningsutrustning för svets- ning av bränslestavar och övervakning av laserstrålen. Över- vakningen av laserstrålen görs innan strålen passerar genom skyddslinsen. Den kan därför inte identifiera förändringar hos skyddslinsen, exempelvis från sot som kommer från svetspro- cessen. Svetsutrustningens uppställning för omfångssvetsning görs inte under tryck. Svetsning vid heliumtryck görs i en sepa- rat uppställning för ett fyllhàl och således elimineras inte beho- vet av ett sådant fyllhål och av svetsprocessteg.

US-5958267 visar ett förfarande för svetsning av bränslestavar under högt tryck och för styrning av laserpositionen med ett vi- deosystem. Förfarandet avser att förhindra sotackumulering på ett laserfönster och att begränsa plasmabildning. l praktiken är detta svårt att uppnå och processen, utan styrning av plasmat, är möjligen instabil.

US-6670574 visar ett lasersvetsövervakningssytem för övervak- ning av svetsningen av en pulsad laserstråle. Systemet innefat- tar två sensorer, en sensor för avkänning av infraröd strålning och en sensor för avkänning av reflektion av ljus hos laserstrå- 535 76? len. Förfarandet föreslår väsentligen ett “trial and error”- förfarande med ett flertal svetsar för att korrelera de komplice- rade sensorkurvorna till svetsegenskaper.

US-5651903 visar också ett system för övervakning av laser- svetsning med hjälp av en utrustning som innefattar två senso- rer anordnade bredvid laserstrålens optiska bana. En första sen- sor känner av infraröd strålning hos temperaturen hos svetsen och en andra sensor känner av ultraviolett strålning hos plasmat hos svetsen. De elektriska signalerna används för övervakning av variationer jämförda med förbestämda anomalivärden erhåll- na genom empirisk testning.

US-6710283 visar ett ytterligare lasersvetsövervakningssystem.

Systemet innefattar två sensorer anordnade bredvid laserstrå- lens optiska bana. En fösta sensor känner av reflekterat ljus hos laserstrålen och en andra sensor, kallad en plasmatisk sensor, känner av ljus som emitteras från svetszonen. Förfarandet an- vänder frekvensspektrat för jämförelse av aktuella variationer i signalen med förbestämda tröskelvärden.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla ett förbättrat förfarande för svetsning av en bränslestav, speciellt för svetsning av ändpluggar utan fyllhål vid ett kapslingsrör hos en bränslestav.

Detta ändamål uppnås med det inledningsvis angivna förfaran- det som kännetecknas av förfarandestegen hos den känneteck- nande delen av krav 1.

Genom avkänning av olika våglängder hos strålningen från svetszonen är det möjligt att övervaka kvaliteten hos svetsen och förbindningen av ändpluggen och bränslestaven. De tre oli- ka våglângdsområdena är oberoende av varandra och tillhanda- io 535 767 håller olika information. En möjlig avvikelse från ett normalt vär- de hos strålningen inom något av de tre våglängdsområdena kan användas som en indikation på en felaktig svetsprocess vil- ket möjliggör för operatören att justera svetsutrustningen. Ex- empelvis kan operatören justera laserkällans effekt inom ett till- làtet område. Övervakningen tillhandahåller direkt återkoppling under svets- processen och således en varning om någonting går fel eller om det finns en trend som kräver agerande.

Det första våglängdsområdet, som kan kännas av med en första sensor, innefattar våglängden hos laserstrålen som kommer från reflektioner från svetszonen. intensiteten hos denna avkända strålning är en indikation på sot eller andra förändringar hos skyddslinsernas överföring genom vilka laserstrålen passerar.

Den indikerar också förändringar hos den inkommande laseref- fekten och reflektionsförändringar på arbetsstycket.

Det andra våglängdsområdet, som kan avkännas med en andra sensor, innefattar infraröd strålning från smält material i svets- zonen. intensiteten hos denna strålning är således en indikation på temperaturen och storleken av det smälta materialet. Detta indikerar också effektiviteten hos svetsningen, dvs. svetsens penetrering.

Det tredje våglängdsområdet, som kan avkännas med en tredje sensor, innefattar strålning från plasma i svetszonen. intensite- ten hos denna strålning är en indikation på mängden och ut- bredningen av plasmat som bildas under svetsningen. En för- höjd signal från plasmat indikerar också en minskad effektivitet hos svetsningen, dvs. svetsens penetrering.

Jämfört med tidigare förfaranden för övervakning har detta förfa- rande en jämförelsevis enkel och rättfram tolkning och erfordrar inte en mängd ”trial and error”-svetsningar för att finna en 535 76? svetskarakteristik att jämföra kurvorna med. l princip erfordras endast en bra svets som bas för att jämföra aktuella svetskur- vor.

Lasersvetsning för förbindning av ändpluggar med bränslestavar har ett flertal fördelar i jämförelse med andra svetsmetoder, så- som elektronstrålesvetsning och TIG-svetsning. Investerings- kostnaderna är låga, exempelvis eftersom det är möjligt att in- nesluta en ändsektion av bränslestaven som skall svetsas. En relativt liten inneslutning kan således utnyttjas och därmed kommer ett relativt litet golvutrymme att upptas av svetsutrust- ningen. Det är möjligt att använda en enda laserkälla för se- kventiell svetsning av ett flertal bränslestavar i flera svetsutrust- ningar. Lasersvetsning möjliggör uppnående av en jämn svets- yta vilket är viktigt när bränslestavarna förs in i spridarna hos bränslepatronen. Legeringsutarmningen är låg vilket säkerställer lämpligt korruptionsmotstånd. Det finns ingen risk för volfram- kontamination från en TIG-förslutningssvets av ett fyllhål.

Avkänningen och övervakningen kan ske under hela tidsperio- den för svetsningen av förbindningen mellan ändpluggen och kapslingsröret. Bränslestaven roteras under svetsningen så att laserstrålen förflyttas i förhållande till bränslestaven längs gränssnittet. Svetsningen kan genomföras under en, två eller flera varv av bränslestaven. l typiska fall kan rotationshastighe- ten vara ungefär ett varv per sekund, vilket innebär att svets- ningen av ändpluggen vid kapslingsröret kan vara ungefär två sekunden Enligt en utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda re- flektioner också reflektioner, eller partlella reflektioner, av laser- strålen i den optiska banan, innefattande skyddslinser genom vilka den optiska banan passerar.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen avkänns strålningen hos åtminstone ett av det första våglängdsområdet, 535 767 det andra våglängdsomràdet och det tredje våglängdsomràdet längs en riktning som är koaxiell med den optiska banan åtmin- stone i närheten av svetszonen. Strålningen till de olika senso- rerna kan således avledas från den optiska banan till gränssnit- tet.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet också observation av svetszonen före, och/eller under, svetsningen och smältningen av material med hjälp av en video- kamera. Det är således möjligt för operatören att inspektera gränssnittet innan svetsningen initieras. Med fördel kan förfa- randet också innefatta styrning av laserstrålens position i förhål- lande till gränssnittet med hjälp av det observerade gränssnittet.

Vidare kan observationen av svetszonen ske längs en observa- tionsriktning som är koaxiell med den optiska banan åtminstone i närheten av svetszonen.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet också steget att styra laserstrålens effekt som svar på de avkända strålningarna.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen optimeras och/eller styrs laserutrustningens uppställning genom använ- dande av anomalier hos signalkurvor från de tre olika vågläng- derna. Ojämna signalkurvor, som jämförs med en referenssig- nalkurva från tidigare godkända svetstest, indikerar ojämnt gränssnitt eller wobbling eller smuts i svetsomràdet och kan leda till porer eller ojämn svetskvalltet.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen innefattar övervakningssteget övervakning av intensiteten hos strålningen från det första våglängdsomràdet såsom en första signalnivå över tid för bildande av en första signalkurva, övervakning av intensiteten hos strålningen från det andra våglängdsomràdet såsom en andra signalnivå över tid för bildande av en andra sig- nalkurva, och övervakning av intensiteten av strålningen från det 535 76? tredje våglängdsomràdet såsom en tredje signalnivà över tid för bildande av en tredje signalkurva. Denna uppställning av svets- utrustningen kan optimeras och/eller styras med användande av signalnivàerna från de tre olika våglängderna.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet steget att optimera och verifiera svetsutrustningens uppställning innefattande effektnivån hos laserstrålen och inrikt- ningen av den optiska banan, innefattande linser och/eller skyddslinser, med signalnivån hos det första våglängdsomràdet som innefattar strålningen hos reflektionen av laserstrålen. Un- der svetsningen kan samma signalnivà användas för styrning av förändringar hos den överförda laserstrålen, exempelvis på grund av sot på skyddslinsen precis ovanför svetszonen.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet steget att styra fokuspositionen, effektiviteten och/eller penetreringen av laserstrålen medelst signalnivån hos det andra våglängdsomràdet som innefattar den infraröda strålningen från det smälta materialet. En förhöjd infraröd signal kan motsvara en djupare penetrering hos svetsen.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet steget att styra effektiviteten och penetreringen hos svetsningen medelst signalnivån hos det tredje våglängdsområ- det som innefattar stràlningen från plasmat. En förhöjd plasma- signal kan motsvara en minskad penetrering hos svetsen.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innefattar för- farandet steget att övervaka anomalier hos någon av signalkur- vorna från de tre olika våglängdsområdena i jämförelse med en referenssignalkurva, exempelvis bildad genom tidigare godkän- da svetstest, för att indikera ojämnt gränssnitt eller wobbling el- ler smuts i svetszonen och/eller möjligt uppträdande av porer eller ojämn svetskvalitet. 535 76? Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är Iaserstrå- len en kontinuerlig Iaserstråle. Den kontinuerliga laserstrålen kan genereras med hjälp av exempelvis en Yb:YAG-fiber pum- pad med lnGaAs-dioder. I typiska fall används en lasereffekt på 500 W. Föreliggande förfarande förenklas ytterligare när det an- vänds med en kontinuerlig laserstråle som ger enkla stabila sig- naler i jämförelse med utföringsformer med en pulsad laser.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen ligger våg- längdsomràdet hos laserstrålen i området 1050-1090 nm, före- trädesvis i området 1060-1080 nm, exempelvis 1070 nm.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är det andra våglängdsomràdet 1100-1800 nm.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen är det tredje våglängdsomràdet mindre än 600 nm, företrädesvis 50-600 nm, mer företrädesvis 100-600 nm. Signalen hos plasmat förbättras i jämförelse med andra utföringsformer som endast utnyttjar ult- raviolett ljus under 390 nm. Således kan ett föredraget område för det tredje våglängdsomràdet vara 390-600 nm, eller 400-600 nm.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen sker svets- ningen i en sluten inneslutning innehållande en atmosfär av he- lium vid ett tryck över atmosfârstrycket. Ett gasflöde på i typiska fall 50 liter per minut kan vara fördelaktigt för begränsning av plasmat och sotbildningen och således skydda linsen ovanför svetszonen. Gasflödet träder företrädesvis in i utrustningen ne- danför skyddslinserna och strömmar koaxiellt med laserstrålen som passerar svetszonen. Genom genomförande av svetsningen i en sådan sluten inneslutning kan svetsningen genomföras i endast två steg, ett steg för den nedre pluggen och ett för den övre pluggen, utan behov av ett fyllhål som skall svetsas efter svetsningen längs gränssnittet. Elimineringen av fyllhålet kom- mer att skära kostnader och minska risker på olika sätt. Det blir 535 767 lägre kostnader för övre ändpluggar utan fyllhål. Ingen separat svetsstation för fyllhål erfordras. lngen utrustning för svetsin- spektion av fyllhàl erfordras. Det finns naturligtvis inga förluster för förslutningssvetsning. Risken för volframkontaminering eli- mineras.

Svetsningen kan också genomföras med andra skyddsgaser, till exempel argon. När den sista ândpluggen svetsas kan detta gö- ras först efter en säker och försluten anbringning av ändpluggen vid kapslingsröret eftersom bränslestavens inre måste innehålla helium. Svetsning med argon är billigare men svetsningen är mindre stabil och behovet av svetseffekt är högre på grund av större bildning av plasma i argonatmosfären.

Enligt en ytterligare utföringsform av uppfinningen innesluter den slutna lnneslutningen ändpluggen och en ändsektion av kapslingsröret, varvid förfarandet innefattar de föregående ste- gen att evakuera kapslingsrörets inre och den slutna inneslut- ningen till en bestämd vakuumnivå under en förbestämd tidspe- riod och att därefter fylla den slutna lnneslutningen och kapslingsrörets inre med helium till ett förbestämt tryck.

Vidare kan förfarandet innefatta stegen att förpositionera änd- pluggen på kapslingsröret på ett bestämt avstånd från kapsligs- röret före evakueringssteget och därvid medge ett fritt flöde av gas från och till kapslingsrörets inre och att slutligen positionera ändpluggen på kapslingsröet efter fyllsteget och före svetsste- get. Med fördel görs förpositioneringen av ändpluggen på det bestämda avståndet med hjälp av ett mekaniskt stopp, som kan förskjutas till att införas l avståndet mellan kapslingsröret och ändpluggen, och dras bort därifrån. 535 767 KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen ska nu förklaras närmare genom en beskrivning av olika utföringsformer och med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. 1 visar ett längdsnitt genom en ändsektion hos en bränslestav, varvid ändpiuggen är positionerad på ett avstånd fràn kapslingsröret.

Fig. 2 visar ett längdsnitt genom ändsektionen hos bränsle- staven, varvid ändpiuggen ligger an mot kapslingsrö- ret.

Fig. 3 visar ett längdsnitt genom ändsektionen hos bränsle- staven, varvid ändpiuggen och kapslingsröret är svetsade.

Fig. 4 visar en schematisk vy av en svetsutrustning.

Fig. 5 visar ett diagram över intensiteten hos strålningen hos det första vàglängdsomràdet.

Fig. 6 visar ett diagram över intensiteten hos strålningen hos det andra vàglängdsomràdet.

Fig. 7 visar ett diagram över intensiteten hos strålningen hos det tredje vàglängdsomràdet.

DETALJERAD BESKRIVNING AV OLIKA UTFÖRINGSFORMER Fig. 1-3 visar en bränslestav 1 som innefattar ett kapslingsrör 2 och två ändpluggar 3, av vilka en visas. Bränslestaven 1 innefat- tar en övre ändplugg 3 i den övre änden av kapslingsröret 2, och en nedre ändplugg vid den nedre änden av kapslingsröret 2.

Bränslestaven 1 innefattar också en stapel av bränslekutsar 4 i kapslingsrörets 2 inre. Bränslekutsarna 4 vilar direkt på den nedre ändpiuggen. En så kallad plenumfjäder 5 är anordnad mellan den övre änden av stapeln av bränslekutsar 4 och den övre ändpiuggen 3 för att hålla bränslekutsarna i en korrekt po- sition i kapslingsröret 2 och säkerställa ett plenum 6 för inne- hållande av helium och fissionsgaser som genereras under den fissila processen i Kärnreaktorn. Kärnreaktorn kan vara en kok- vattenreaktor, BWR, eller en tryckvattenreaktor, PWR. Det initia- 535 767 11 la tryck som råder i bränslestaven 1 fylld med helium är i typiska fall 5-10 bar för en BWR, och 30-70 bar för en PWR.

I de visade utföringsformerna innefattar kapslingsröret ett yttre rör 2' och ett inre rör 2", en så kalla liner.

Fig. 4 visar en svetsutrustning för svetsning av ändpluggen 3 vid kapslingsröret 2. Svetsutrustningen innefattar en chuck 10 för att hålla och rotera bränslestaven och en sluten inneslutning 11 i vilken en ändsektion av bränslestaven 1 införs via en passage, dvs. en ändsektion av kapslingsröret 2 och en av ändpluggarna 3. Chucken 10 är utformad att rotera bränslestaven med en rota- .tionshastighet på exempelvis ett varv per sekund.

Den slutna inneslutningen 11 innefattar eller är bildad av en trycktàlig vägg 12. En tätning 13 sträcker sig genom väggen 12 för att täta passagen för bränslestaven 1.

En första positioneringsanordning 14 är anordnad att sträcka sig genom väggen 12 vid en ände motsatt tätningen 13. Den första positioneringsanordningen 14 innefattar en rörlig kolv 15 som verkar på ändpluggen 3 hos bränslestaven 1 längs bränslesta- vens 1 längsgående riktning.

Vidare är en andra positioneringsanordning 16 anordnad att sträcka sig genom väggen 12. Den andra positioneringsanord- ningen 16 innefattar ett mekaniskt stopp 17 anordnat i inneslut- ningen 11 för att vara förskjutbart längs en transversell riktning y, som är transversell mot bränslestavens 1 längsgående rikt- ning x mellan en passiv position visad i Fig. 4 och en aktiv posi- tion visad i Fig. 1. Det mekaniska stoppet 17 håller när det är i den aktiva positionen ändpluggen 3 på ett bestämt avstånd fràn kapslingsröret 2 så att gaser kan evakueras från bränslestavens inre och helium kan fyllas i bränslestaven 1. När det mekaniska stoppet 17 dras tillbaka till den passiva positionen kan ändplug- gen 3 bringas till den slutliga positionen och tät anliggning mot 535 767 12 kapslingsröret 2 med hjälp av den första positioneringsanord- ningen 14.

Vidare innefattar inneslutningen 11 en första skyddslins 21 som bildar en del av väggen 12 hos inneslutningen 11. En andra skyddslins 22 är anordnad inuti inneslutningen innanför den för- sta skyddslinsen 21. Den första skyddslinsen 21 är relativt tjock och utformad att motstå det tryck som råder i inneslutningen 11.

Den andra skyddslinsen 22 är tunnare än den första skyddslin- sen 21 och utformad att skydda den första skyddslinsen mot sot som bildas under svetsningen.

En gastillförselanordning 23 är anordnad för tillförsel av ett flöde av gas, i de visade utföringsformerna helium, till inneslutningen 11. Gastillförselanordningen 23 innefattar en tillförselledning 24 och ett ringformigt munstycke anordnat i inneslutningen 11. Det ringformiga munstycket 25 är anordnat mellan den andra skyddslinsen 22 och bränslestaven 1 och sträcker sig runt den andra skyddslinsen 22. Flödet av heliumgas till inneslutningen kan exempelvis vara ungefär 50 liter per minut. Gastillförselan- ordningen 23 är utformad att tillhandahålla ett gastryck i inne- slutningen lika med gasen som skall uppnås i bränslestaven när båda ändpluggarna är säkrade och svetsade vid kapslingsröret 2.

Svetsutrustningen innefattar också en laserkälla 30 utformad för att generera en kontinuerlig laserstråle. Laserkällan 30 kan ex- empelvis innefatta en Yb:YAG-fiberlaser med en våglängd i om- rådet 1050-1090 nm, företrädesvis i området 1060-1080 nm, ex- empelvis 1070 nm. YB:YAG-fibern kan pumpas medelst lnGaAs- dioder.

Laserkällan 30 överför laserstrålen via en fiber 31 till en primär optik 32. Den primära optiken 32 överför laserstrålen till en pri- mär spegel 33 via en sekundär semitransparent spegel 34. Från 535 ?B7 13 den primära spegeln 33 reflekteras laserstrålen och riktas mot brânslestaven 1 och en svetszon 36 vid ett gränssnitt 37 mellan ändpluggen 3 och kapslingsröret 2.

Laserstrålen sträcker sig således längs en optisk bana från la- serkällan 30 till svetszonen 36. Laserstrålen, som reflekteras av den primära spegeln 33, passerar genom åtminstone en optisk fokuseringslins 35, den första skyddslinsen 21 och den andra skyddslinsen 22 längs den optiska banan.

Svetsutrustningen innefattar också en avkänningsanordning in- nefattande en första sensor 41, en andra sensor 42 och en tred- je sensor 43. Under svetsning överförs strålning från svetszonen 36 till sensorerna 41, 42 och 43 längs den optiska banan genom den andra skyddslinsen 22, den första skyddslinsen 21 och den optiska linsen 35. Strålningen reflekteras av den primära spe- geln 33 och den sekundära spegeln 34 bort från laserstrålens optiska bana. Strålningen från svetszonen 36 sträcker sig såle- des längs en riktning som är koaxiell med en den optiska banan i närheten av svetszonen 36 åtminstone längs en rät linje från svetszonen 36 eller till den andra spegeln 34. Avkänningsanord- ningen kan drivas vid en samplings-frekvens på upp till 20 kHz.

Via en första semitransparent spegel 44 reflekteras strålningen till den första sensorn 41. Via en andra semitransparent spegel 45 reflekteras strålningen till den andra sensorn 42. Strålningen passerar genom de semitransparenta speglarna 44, 45 och 46 till den tredje sensorn 43.

Den första sensorn 41 är utformad att avkänna strålning från svetszonen 36 inom ett första våglängdsområde, som innefattar våglängden hos laserstràlen som kommer från reflektioner fån svetszonen 36, dvs. våglängder i omrâdet 1050-1090 nm. före- trädesvis i området 1060-1080 nm, exempelvis 1070 nm. Reflek- tionerna från svetszonen 36 som reflekteras via en andra semi- transparent spegel 45 innefattar också reflektioner, eller partiel- 535 76? 14 la reflektioner, av laserstrålen i den optiska banan, innefattande de första och andra skyddslinserna 21, 22 och nämnda åtmin- stone en optisk lins 35.

Den andra sensorn 42 år utformad att avkänna strålning från svetszonen 36 inom ett andra vàglängdsområde som skiljer sig från det första vàglängdsområdet. Strålningarna reflekteras till den andra sensorn via en tredje semitransparent spegel 46. Det andra vàglängdsområdet innefattar infraröd strålning från smält material i svetszonen 36. Det andra vàglängdsområdet är 1100- 1800 nm.

Den tredje sensorn 43 är utformad att avkänna strålning från svetszonen 36 inom ett tredje vàglängdsområde som skiljer sig från det första vàglängdsområdet och det andra våglängdsområ- det. Strålningarna till den tredje sensorn passerar genom de semitransparenta speglarna 44, 45 och 46. Det tredje våg- längdsområdet innefattar strålning från plasma i svetszonen 36.

Det tredje vàglängdsområdet är mindre än 600 nm, företrädesvis 50-600 nm, mer företrädesvis 100-600 nm.

Svetsutrustningen innefattar också en övervakningsanordning utformad att övervaka svetsningen och smältningen av material genom övervakning av de avkända strålningarna. Övervaknings- anordningen innefattar en processor 50 och en display 51 som kommunicerar med processorn 50. Sensorerna 41-43 kommuni- cerar med processorn 50 som mottager strålningssignaler hos de tre våglängdsområdena från sensorerna 41-43. Övervak- ningsanordningen är således utformad att för en operatör på en display visa intensiteterna hos våglängdsområdena, dvs. intensi- teten hos strålningen hos det första våglängdsområdet som en första signalkurva (i volt) över tid (i sekunder) för bildande av en första signalkurva 56, såsom illustreras i Fig. 5, intensiteten hos strålningen hos det andra vàglängdsområdet, som en andra sig- nalnivå (i volt) över tid (i sekunder) för bildande av en andra signalkurva 57, såsom illustreras i Fig. 6, och intensiteten hos 535 767 strålningen hos det tredje våglängdsomràdet som en tredje sig- nalnivå (i volt) över tid (i sekunder) för bildande av en tredje signalkurva 58, såsom illustreras i Fig. 7. Signalkurvorna 56-58 kan sparas av processorn för framtida användande som referens eller kvalitetssäkring.

Signalkurvorna 56-57 kan inspekteras eller övervakas för att lig- ga inom en övre gränslinje L, och en nedre gränslinje Lz. De övre och nedre gränslinjerna L1, Lz kan representera en avvikel- se på 15%, eller företrädesvis 10%, från en önskad signalnivå.

Signalkurvorna 56-57 kan också, eller alternativt, inspekteras eller övervakas i förhållande till en referenslinje R som repre- senterar en önskad signalnivå. Linjen R kan alternativt vara en sparad referenskurva från en bra svets. Linjen R kan alternativt vara en sparad referenskurva från en medelvärdeskurva från fle- ra bra svetsar.

Vidare innefattar svetsutrustningen en observationsanordning utformad att möjliggöra observation av svetszonen före, och/eller under, svetsningen och smältningen av material. l-det- ta syfte innefattar observationsanordningen en videokamera 61, en processor 62 och en display 63. Om observationsanordning- en skall användas före svetsning kan inneslutningen 11 belysas med exempelvis LED-ljus. Observationen av svetszonen 36 kan ske längs en observationsriktning som är koaxiell med den op- tiska banan i närheten av svetszonen 36 åtminstone längs en rät linje från svetszonen 36 eller fram till den andra spegeln 34.

Tack vare observationsanordningen kan laserstrålens position i förhållande till gränssnittet 37 styras manuellt av operatören när gränssnittet 37 inspekteras på displayen 36 eller automatiskt.

Svetsutrustningen kan också innefatta medel för styrning av ef- fekten hos laserstrålen som svar på de avkända strålningarna med hjälp av processorn 50 som styr laserkällans 30 utmatning.

Styrningen kan genomföras manuellt av operatören vid inspek- 535 767 16 tion av signalkurvorna som visas på displayen 51, eller automa- tiskt.

Styrningen kan, företrädesvis som en initial åtgärd, innefatta steget att verifiera svetsutrustningens uppställning innefattande effektnivån hos laserstrålen och den optiska banan med signal- nivån hos det första våglängdsområdet som innefattar strålning- en hos laserstrålens reflektion.

Under svetsning, eller mellan svetsningen av bränslestavarna 1, kan styrningen innefatta stegen - styrning av laserstrålens fokusposition med hjälp av signalni- vån hos det andra våglängdsområdet som innefattar infraröd strålning från smältmaterial, och/eller ~ styrning av effektiviteten och penetreringen hos svetsningen medelst signalnivån hos våglängden som innefattar strålningen från plasmat.

Under svetsning är det också möjligt att övervaka anomalier hos signalkurvorna från de tre olika vàglängdsområdena ijämförelse med en referenssignalkurva för att indikera ojämnt gränssnitt eller wobbling eller smuts i svetszonen och/eller möjligt uppträ- dande av porer eller ojämn svetskvalitet.

Förfarandet och svetsutrustningen möjliggör uppnående av en mjuk och' jämn svets. Formen hos den slutliga svetsen W illu- streras i Fig. 3. Såsom kan ses är ytan hos den omgivande svetsen W jämn med ytan hos kapslingsröret 2 och ändpluggen 3.

Svetsning av en bränslestav 1 kan innefatta följande steg: - förpositionering av en nedre ändplugg vid en nedre ändsektion hos ett kapslingsrör 2, I - införande av den nedre ändsektionen in i inneslutningen 11 och hållande av bränslestaven 1 med hjälp av chucken 10, 535 767 17 - aktivering av den första positioneringsanordningen 14 för att pressa den nedre ändpluggen mot kapslingsröret 2, - evakuering av inneslutningen 11 till en viss vakuumnivå under en förbestämd tidsperiod, « - rotation av bränslestaven 1 med hjälp av chucken 10, - inspektion av positionen hos och positionering av gränssnittet 37 med hjälp av observationsanordningen, - initiering av svetsningen med laserkällan 30, - övervakning av signalkurvorna 56-58 som illustrerar intensite- ten hos de tre våglängdsområdena, v - avlägsnande av bränslestaven 1 från inneslutningen 11, - förpositionering av en övre ändplugg 3 vid en övre ändsektion hos ett kapslingsrör 2, - införande av den övre ändsektionen in i inneslutningen 11 och hållande av bränslestaven 1 med hjälp av chucken 10, - aktivering av den andra positioneringsanordningen 16 för att bringa det mekaniska stoppet 17 till kontakt med den övre änd- sektionen för säkerställande av ett bestämt avstånd mellan den övre ändpluggen 3 och kapslingsröret 2, - evakuering av inneslutningen 11 till en viss vakuumnivå under en förbestämd tidsperiod, - fyllning av inneslutningen 11 och bränslestavens 1 inre med helium till ett önskat förbestämt tryck, - avlägsnande av det mekaniska stoppet 17, - aktivering av den första positioneringsanordningen 14 för att pressa den övre ändpluggen 3 mot kapslingsröret 2, - rotation av bränslestaven med hjälp av chucken 10, - inspektion av positionen hos och positioneringen av gränssnit- tet 37med hjälp av observationsanordningen, - initiering av svetsningen med laserkällan 3, - övervakning av signalkurvorna 56-58 som illustrerar intensite- ten hos de tre våglängdsområdena, och - avlägsnande av bränslestaven 1 från inneslutningen 11. 535 76? 18 Föreliggande uppfinning är inte begränsad till de utföringsformer och beskrivningar som ges ovan utan kan varieras och modifie- ras inom ramen för de efterföijande patentkraven.

Claims (20)

10 15 20 25 30 35 535 7G? 19 Patentkrav

1.5 Förfarande för svetsning av en kärnbränslestav innefattan- de två ändpluggar (3), ett kapslingsrör (2) och en stapel av bränslekutsar (4) i kaps|ingsrörets (2) inre, varvid förfarandet innefattar stegen att sammanföra en av ändpluggarna (3) och kapslingsröret (2) så att de ligger an mot varandra vid ett gränssnitt (37), och att svetsa ändpluggen (3) och kapslingsröret (2) med hjälp av en svetsutrustning genom applicering av en Iaserstråle från en la- serkälla (30) hos svetsutrustningen, varvid laserstrålen har en våglängd och riktas längs en optisk bana hos svetsutrustningen till en svetszon (36) vid gränssnittet (37) för att smälta ändplug- gens (3) och kaps|ingsrörets (2) material vid gränssnittet (37), kännetecknat av de ytterligare stegen avkänning av svetsningen genom att strålningen från svetszo- nen avkännes, innefattande - avkänning av strålning inom ett första våglängdsområde, vilket innefattar våglängden hos laserstålen som kommer från reflek- tioner från svetszonen (3), - avkänning av strålning inom ett andra våglängdsområde, som skiljer sig från det första våglängdsområdet och som innefattar infraröd strålning från smält material i svetszonen (36), och - avkänning av strålning inom ett tredje våglängdsområde, som skiljer sig från det första våglängdsområdet och det andra våg- längdsområdet och som innefattar strålning från plasma i svets- zonen (36), och övervakning av svetsningen och smältningen av material genom övervakning av de avkända strålningarna.

2. Förfarande enligt krav 1. varvid nämnda reflektioner också innefattar reflektioner hos laserstrålen i den optiska banan, in- nefattande skyddslinser (21, 22) genom vilka den optiska banan passerar. 10 15 20 25 30 35 535 767 20

3. Förfarande enligt något av kraven 1 och 2, varvid strål- ningen hos åtminstone ett av det första våglångdsområdet, det andra våglängdsområdet och det tredje våglängdsområdet av- känns längs en riktning som är koaxiell med den optiska banan åtminstone i närheten av svetszonen (36).

4. Förfarande enligt något av de föregående kraven, även in- nefattande observation av svetszonen före och under svetsning- en och småltningen av material med hjälp av en videokamera (61).

5. Förfarande enligt krav 4, även innefattande styrning av la- serstrålens position i förhållande till gränssnittet (37) med hjälp av det observerade gränssnittet.

6. Förfarandeienligt något av kraven 4 och 5, varvid observa- tionen av svetszonen (36) sker längs en observationsriktning som är koaxiell med den optiska banan åtminstone i närheten av svetszonen (36).

7. Förfarande enligt något av de föregående kraven, även in- nefattande steget att styra laserstrålens effekt som svar på de avkända strålningarna. '

8. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid övervakningssteget innefattar övervakning av intensiteten hos strålningen hos det första våg- längdsområdet såsom en första signalnivå över tid för bildande av en första signalkurva (56), övervakning av intensiteten hos strålningen hos det andra våg- längdsområdet såsom en andra signalnivå över tid för bildande av en andra signalkurva (57), och övervakning av intensiteten hos strålningen hos det tredje våg- längdsområdet såsom en tredje signalnivå över tid för bildande av en tredje signalkurva (58). 10 15 20 25 30 35 535 767 21

9. Förfarande enligt krav 8, varvid förfarandet innefattar ste- get att verifiera svetsutrustningens uppställning innefattande ef- fektnivån hos laserstrålen och den optiska banan med signalni- vån hos det första våglängdsområdet som innefattar strålningen hos reflektionen av laserstrålen.

10. Förfarande enligt något av kraven 8 och 9, varvid förfaran- det innefattar steget att styra laserstrålens fokusposition me- delst signalnivån hos det andra våglängdsområdet som innefat- tar den infraröda strålningen från det smälta materialet.

11. Förfarande enligt något av kraven 8 till 10, varvid förfaran- det innefattar steget att styra effektiviteten och penetreringen av svetsningen medelst signalnivån hos det tredje våglängdsområ- det som innefattar strålningen från plasmat.

12. Förfarande enligt något av kraven 8 till 11, varvid förfaran- det innefattar steget att övervaka anomalier hos signalkurvorna från de tre olika våglängdsområdena i jämförelse med en refe- renssignalkurva för indikering av ojämnt gränssnitt eller wobb- ling eller smuts i svetszonen och/eller möjligt uppträdande av porer eller ojämn svetskvalitet.

13. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid laserstrålen är en kontinuerlig laserstråle.

14. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid Iaserstràlens våglängd ligger i området 1050-1090 nm, företrä- desvis i området 1060-1080 nm, exempelvis 1070 nm.

15. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid det andra våglängdsområdet är 1100-1800 nm.

16. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid det tredje våglängdsområdet är mindre än 600 nm. 10 15 20 535 76? 22

17. Förfarande enligt krav 16, varvid det tredje våglängdsom- ràdet är 390-600 nm.

18. Förfarande enligt något av de föregående kraven, varvid svetsningen sker i en sluten inneslutning (11) som innehåller en atmosfär av helium vid ett tryck över atmosfärstrycket.

19. Förfarande enligt krav 18, varvid den slutna inneslutningen (11) innesluter ändpluggen (3) och en ändsektion av kapslings- röret (2), och varvid förfarandet innefattar de föregående stegen - att evakuera kapslingsrörets inre och den slutna inneslutning- en till en bestämd vakuumnivå under en förbestämd tidsperiod och - därefter att fylla den slutna inneslutningen och kapslingsrörets inre med helium till ett förebestämt tryck.

20. Förfarande enligt krav 19, varvid förfarandet innefattar stegen - att förpositionera ändpluggen (3) på kapslingsröret (2) på ett bestämt avstånd från kapslingsröret (2) före evakueringssteget och därvid medge ett fritt flöde av gas från och till kapslingsrö- ets (2) inre och - att slutligen positionera ändpluggen (3) på kapslingsröret (2) efter fyllsteget och före svetssteget.