ES2202434T3 - Acoplador giratorio de fibras opticas para aplicaciones de soldadura laser de alta potencia. - Google Patents

Abstract

UN APARATO DE SOLDADURA POR LASER, PARA LA SOLDADURA DEL REVESTIMIENTO DE LA SUPERFICIE INTERIOR DE UN TUBO, INCLUYE UN MANGUITO GIRATORIO QUE ENCIERRA UN CABLE DE FIBRA OPTICA. UN LASER ESTACIONARIO (100) GENERA ENERGIA LUMINOSA PARA LAS OPERACIONES DE SOLDADURA, LLEVADAS A CABO POR EL MANGUITO GIRATORIO (324). SE COLOCA UN ACOPLADOR OPTICO (342) ENTRE EL LASER Y EL MANGUITO GIRATORIO (324). UNA INSTALACION DE INTERCONEXIONES ENTRE CABLE GIRATORIO (320), RECIBE LA ENERGIA LUMINOSA COLIMADA Y ENFOCADA DE LA INSTALACION OPTICA FIJA, Y LA APLICA AL CABLE DE FIBRA OPTICA (340), QUE LLEVA LA ENERGIA LUMINOSA A LA SUPERFICIE INTERIOR DE UN TUBO (20) PARA PRODUCIR UNA SOLDADURA DEL REVESTIMIENTO. LA INSTALACION DE INTERCONEXIONES ENTRE CABLE GIRATORIO, INCLUYE UN DISPOSITIVO DE ALINEACION CONCENTRICA (480) Y UN HUECO DE SUPERVISION (502) PARA PROPORCIONAR RETROALIMENTACION OPTICA, CONSIDERANDO LA ALINEACION ENTRE LA INSTALACION OPTICA FIJA Y LA INSTALACION DE INTERCONEXIONES DE CABLE GIRATORIO. SE PUEDE CONSTRUIR LA INSTALACION DE INTERCONEXIONES DE CABLE GIRATORIO (454), DE MANERA QUE INCLUYA UNA FIBRA OPTICA SEGURA (520), CON UNA FOTOCELULA DE FIBRA OPTICA DE COMPAÑIA SEGURA (522), QUE SE USA PARA EVALUAR SI SE ESTA USANDO LA EXCESIVA ENERGIA LUMINOSA PROVENIENTE DEL LASER.

Description

Acoplador giratorio de fibras ópticas para aplicaciones de soldadura láser de alta potencia.

Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención

Esta invención se refiere a un aparato de soldadura láser especialmente para la reparación de tubos de intercambiadores de calor, tales como tubos de generadores de vapor en una central nuclear con reactor de agua a presión (PWR). Más particularmente, esta invención se refiere a un aparato de este tipo que incluye un acoplador giratorio de fibras ópticas que se utiliza para facilitar la soldadura láser de alta potencia de tubos de intercambiadores de calor.

2. Descripción de técnica relacionada

En las centrales nucleares que utilizan el ciclo de reactor de agua a presión, se desprende calor en el reactor por la fisión del combustible nuclear. El calor es retirado del reactor haciendo circular continuamente fluido llamado refrigerante del reactor. Después de ser calentado en el reactor, el refrigerante pasa a un intercambiador de calor, corrientemente llamado generador de vapor, en que cede calor y retorna luego al reactor para ulterior calentamiento. En el generador de vapor, el refrigerante del reactor nuclear calienta agua secundaria que se utiliza luego para accionar una turbina de vapor de agua. Después de salir de la turbina de vapor de agua, el vapor de agua es condensado y hecho volver al generador de vapor para ulterior calentamiento por el refrigerante del reactor. El circuito de refrigerante de reactor-generador de vapor se denomina normalmente circuito primario y el circuito de generador de vapor-turbina se denomina usualmente circuito secundario.

El generador de vapor es típicamente un intercambiador de calor del tipo de envolvente y tubo, pasando el refrigerante primario al interior de los tubos del intercambiador de calor y pasando el agua secundaria sobre la superficie exterior de los tubos y estando contenida por la envolvente del intercambiador de calor. La transferencia de calor desde el refrigerante del reactor al agua secundaria tiene lugar en la mayor parte de la longitud de los tubos. Para efectuar un cierre en el extremo de los tubos y, por tanto, impedir la mezcla de refrigerante del reactor y el agua secundaria, los extremos de los tubos están conectados a una chapa de tubos que comprende una placa plana con aberturas a su través para recibir los extremos de los tubos. Los extremos de los tubos se sueldan herméticamente a la chapa de tubos o se expanden en las aberturas para efectuar una junta herméticamente cerrada. Los bordes periféricos de la chapa de tubos se unen herméticamente a la envolvente del generador de vapor y a una caja de agua del refrigerante del reactor.

Los generadores de vapor están usualmente orientados de tal manera que los tubos se extienden en general en una dirección vertical y pueden ser del tipo de flujo directo o de retorno. En el generador de vapor del tipo directo, los tubos son rectos y están conectados a las chapas de tubos en ambos extremos. El refrigerante del reactor penetra en una caja de agua por la parte superior del generador de vapor, fluye a través de los tubos y es recogido en una caja de agua en la parte inferior del generador de vapor. Es más corriente el generador de vapor del tipo de flujo de retorno en el que los tubos tienen forma de "U" invertida con ambos extremos conectados a la misma chapa de tubos en la parte inferior del generador de vapor. La caja de agua debajo de la chapa de tubos contiene una placa de división orientada para cerrar herméticamente de manera eficaz la parte de la chapa de tubos que contiene las entradas de tubo desde la parte que contiene las salidas. De esta manera, el refrigerante del reactor fluye al interior de la parte de entrada de la caja de agua, a través de los tubos en "U" invertida y al interior de la parte de salida de la caja de agua. En el generador de vapor del tipo directo o de retorno, los tubos son muy largos y requieren soporte a través de toda su longitud. Esto se consigue colocando placas de soporte dentro de la envolvente del intercambiador de calor en diversas posiciones a todo lo largo de los tubos. Las placas de soporte contienen aberturas a través de las cuales pasan los tubos y tienen sus bordes periféricos conectados a la envolvente del generador de vapor.

A fin de facilitar la instalación de los tubos y permitir una dilatación térmica diferencial entre los tubos y la envolvente, las aberturas en las placas de soporte están sobredimensionadas para permitir el deslizamiento del tubo con relación a la placa de soporte. Sin embargo, las aberturas de la placa tienen que ser lo suficientemente pequeñas como para proporcionar soporte horizontal adecuado para los tubos e impedir una vibración excesiva de los tubos durante el funcionamiento. Por tanto, entre las placas de soporte y los tubos se forman fisuras. Estas fisuras recogen fragmentos y productos de corrosión durante el funcionamiento del generador de vapor, favoreciendo de este modo la corrosión dentro de las fisuras. Además, las juntas entre los tubos y la chapa de tubos previamente descrita contienen fisuras que conducen a la corrosión dentro de las fisuras.

Los tubos del generador de vapor son susceptibles de diversos tipos de mecanismos de corrosión que pueden conducir finalmente a fugas o a un adelgazamiento importante de las paredes. Estos incluyen agrietamiento primario por corrosión bajo tensiones de agua, ataque intergranular lateral secundario, agrietamiento secundario por corrosión intergranular bajo tensiones y desgaste lateral secundario. La degradación lateral primaría se produce típicamente en lugares de tensiones residuales de alta tracción tales como zonas de transición de dilatación, codos en U de fila interna, y en lugares de soporte de tubo. La degradación lateral secundaria se produce en lugares en que pueden concentrarse impurezas, produciendo lugares de corrosión, tales como fisuras de chapa de tubos a tubo, caras intermedias de placa de soporte de tubo a tubo, caras intermedias de barras antivibración, y regiones de acumulación de lodo. Las técnicas actuales para mitigar estos problemas inducidos por la corrosión incluyen: sustitución del generador de vapor, taponamiento de los tubos degradados, electrochapado de las superficies interiores de los tubos, y enmanguitado de los tubos degradados.

La sustitución del generador de vapor es una solución drástica que implica inversiones sustanciales en capital y meses o años de tiempo de indisponibilidad de la central con la pérdida consiguiente de ingresos que acompaña a paradas prolongadas de la central. El taponamiento de los tubos degradados pone a los tubos fuera de servicio, reduciendo el rendimiento del generador de vapor. La posibilidad de taponar los tubos se basa en el "margen de taponamiento" que se calcula basándose en la experiencia de funcionamiento para cada generador de vapor. Una vez que se ha empleado el "margen de taponamiento", el ulterior taponamiento de tubos reduce la capacidad del generador de vapor, y toda la instalación tiene que disminuir el régimen - ser hecha funcionar a una capacidad reducida.

El electrochapado de los tubos del generador de vapor con níquel permite que el tubo permanezca en servicio. Además, el niquelado sellará pequeñas fugas e impedirá la ulterior degradación, pero no restablecerá la integridad estructural del tubo. Por consiguiente, una limitación importante del electrochapado es que es eficaz sólo en pequeñas grietas que se detecten pronto de manera que pueda realizarse la reparación antes de que la resistencia del tubo se vea seriamente degradada.

El enmanguitado es una técnica de mitigación más costosa, pero permite que el tubo permanezca en servicio. El enmanguitado se realiza insertando en la parte dañada del tubo del generador de vapor un corto manguito tubular que tiene un diámetro externo ligeramente menor que el diámetro interno del tubo del generador de vapor y soldando el manguito al tubo. El manguito está hecho generalmente del mismo material que el tubo y, en realidad, sustituye a la sección dañada del tubo. Por consiguiente, la integridad estructural del tubo es restablecida por este método de reparación. El enmanguitado se realiza generalmente cuando se aproxima el "margen de enmanguitado" del generador de vapor.

En la patente de EE.UU. número 5.066.846, concedida el 19 de noviembre de 1991 a William E. Pirl e incorporada aquí por referencia se describe un enfoque o solución al enmanguitado. En esa patente, el manguito se suelda al tubo utilizando una cabeza de soldadura de rayos láser situada dentro del tubo. La energía láser desde una fuente láser es dirigida a través de un cable de fibras ópticas a la cabeza de soldadura en que un espejo inclinado refleja el haz sobre la superficie interior del manguito. La cabeza de soldadura gira en una posición axial a lo largo del tubo cerca de un extremo del manguito y el haz de láser proporciona suficiente calor para unir por fusión el manguito al tubo en una banda circunferencial estrecha alrededor de la cara intermedia entre el manguito y el tubo. La soldadura realizada por este método es lo que corrientemente se denomina en la técnica soldadura autógena ya que el metal de base del manguito y del tubo se funden y se unen por fusión y no se añade metal de relleno adicional durante el proceso de soldadura. Luego se vuelve a situar la cabeza de soldadura en el otro extremo del manguito y se realiza otra soldadura autógena.

Aunque el enmanguitado puede restablecer de esta manera la integridad estructural del tubo, tiene una pluralidad de desventajas. En primer lugar, el manguito disminuye necesariamente el diámetro interno del paso de los tubos, añadiendo caída de presión incrementada al flujo del refrigerante a través del tubo cuando se pone en servicio el generador de vapor. Asimismo, si se sitúa la reparación en la parte inferior de un tubo, tal como en la chapa de tubos, se impide la subsiguiente reparación de la degradación del tubo por encima del lugar del primer manguito, a causa de que no puede insertarse otro manguito más allá del manguito ya instalado. Además, las soldaduras autógenas en ambos extremos del manguito están rebajadas corrientemente desde el extremo del tubo a causa de que es muy difícil realizar una soldadura ortogonal de calidad en el extremo del manguito sin añadir metal de relleno. A causa de que estas soldaduras están rebajadas desde los extremos de los manguitos, queda una fisura entre el manguito y el tubo en la región entre el extremo del manguito y la soldadura. Asimismo, a causa de que las propias soldaduras son bandas circunferenciales estrechas, el área externa del manguito entre las bandas forma una fisura con el tubo. El daño al tubo que necesita la reparación, tal como una grieta o una picadura, permite la entrada de agua en esta fisura. Estas áreas de fisura son otra vez susceptibles a muchas formas de corrosión cuando se vuelve a poner en servicio el generador de vapor.

Se ha intentado utilizar una soldadura autógena continua dentro del tubo, sin el uso de un manguito, para reparar tubos dañados. Estas tensiones han fallado a causa de que la corrosión que condujo a los daños deja las superficies oxidadas, lo que da por resultado defectos y huecos cuando se utiliza la soldadura autógena. Si se utiliza material de relleno en el proceso de soldadura, el material de relleno puede contener agentes desoxidantes y de control de viscosidad que evitan los defectos y huecos asociados con la soldadura autógena. Además, el uso de un material de relleno permite la posibilidad de formar la pared del tubo, proporcionando así una sustitución estructural completa de la pared dañada del tubo con el nuevo depósito de soldadura.

Así, resulta evidente que son necesarias técnicas mejoradas de mitigación para satisfacer las futuras demandas de centrales de energía con PWR. Una vez que se ha utilizado el margen de taponamiento de tubos y se ha instalado una gran cantidad de manguitos (es decir, >10% de los tubos) para permitir una operación continuada, la degradación del tubo conduce eventualmente a la decisión de sustituir el generador de vapor, reducir el régimen de la instalación, o desechar el equipo. Se necesita tecnología de reparación alternativa que pueda proporcionar un servicio prolongado de los tubos hasta el final de la vida de la instalación, a un coste económico.

La Solicitud de Patente Internacional número WO 9419141A describe un aparato para reparar tubos dañados, teniendo el aparato un láser estacionario acoplado a un cable de fibra óptica montado en un manguito giratorio mediante un acoplador óptico dedicado.

Sumario de la invención

La presente invención proporciona un aparato de soldadura láser para soldar la superficie interior de un tubo, que comprende un láser estacionario para generar energía luminosa; un manguito giratorio que incluye un cable de fibra óptica; y un acoplador óptico situado entre dicho láser estacionario y dicho manguito giratorio, incluyendo dicho acoplador óptico un conjunto óptico fijo para recibir dicha energía luminosa desde dicho láser estacionario y producir energía luminosa colimada y enfocada y un conjunto de intercara de cable giratorio para recibir dicha energía luminosa colimada y enfocada y aplicarla a dicho cable de fibra óptica de dicho manguito giratorio, incluyendo dicho conjunto de intercara de cable giratorio una fotocélula para medir la alineación entre dicho conjunto óptico fijo y dicho conjunto de intercara de cable giratorio.

Un conjunto óptico fijo del acoplador óptico recibe energía luminosa desde el láser estacionario y produce energía luminosa colimada y enfocada. Un conjunto de intercara de cable giratorio del acoplador recibe la energía luminosa colimada y enfocada desde el conjunto óptico fijo y la aplica al cable de fibra óptica del manguito giratorio, que entrega la energía luminosa a la superficie interior del tubo de manera que puede utilizarse para producir una soldadura de revestimiento. El conjunto óptico fijo incluye dispositivos de alineación axiales y concéntricos. El conjunto de intercara de cable giratorio incluye medios de alineación y una cavidad de vigilancia o control para proporcionar realimentación óptica respecto de la alineación entre el conjunto óptico fijo y el conjunto de intercara de cable giratorio. El conjunto de intercara de cable giratorio puede construirse de manera que incluya una fibra óptica de seguridad con una fotocélula de fibra óptica de seguridad adjunta que se utiliza para determinar si se está usando energía luminosa excesiva procedente del láser.

Breve descripción de los dibujos

La figura 1 es una vista en alzado en sección de un generador de vapor típico utilizado en una central eléctrica con reactor de agua a presión;

La figura 2 es una vista en sección transversal de una realización del aparato de reparación de soldadura de revestimiento láser situado dentro de un tubo de un generador de vapor que utiliza un arrollamiento previamente situado de alambre como metal de relleno;

La figura 3 es una vista en sección transversal simplificada de otra realización del aparato de soldadura de revestimiento láser situado dentro de un tubo de un generador de vapor cerca de una placa de soporte de tubo;

La figura 4 es una vista en sección transversal de una realización alternativa del aparato de reparación de soldadura de revestimiento láser situado dentro de un tubo de un generador de vapor y que utiliza un arrollamiento de alambre de metal de relleno previamente situado directamente sobre el área que ha de ser soldada y chapada;

La figura 5 es una vista lateral de un aparato de rotación;

La figura 6 es una vista en sección transversal lateral de una cabeza de soldadura giratoria situada en el extremo del manguito de rotación del aparato giratorio de la figura 5;

La figura 7 es una vista lateral de un conjunto de modificación direccional de energía del láser ejecutado con un prisma cuneiforme;

La figura 8 es una vista lateral de un aparato giratorio alternativo;

La figura 9 es una vista en sección transversal lateral de una cabeza de soldadura giratoria situada en el extremo del manguito giratorio del aparato giratorio de la figura 8;

La figura 10 es una vista lateral de un conjunto de modificación direccional de energía del láser ejecutado con un cable de fibra óptica cortada;

La figura 11 es una vista lateral de un conjunto de modificación direccional de energía del láser ejecutado con un cable de fibra óptica doblada;

La figura 12 es una vista en alzado lateral de un acoplador óptico que puede utilizarse de acuerdo con el aparato de la figura 5 en un aparato de soldadura láser de acuerdo con la invención;

La figura 13 es una vista en alzado lateral, a mayor escala, del conjunto óptico fijo del acoplador óptico de la figura 12.

La figura 14 es una vista en alzado lateral, a mayor escala, del conjunto de intercara de cable giratorio del acoplador óptico de la figura 12.

La figura 15 es una vista en alzado lateral, a mayor escala, de una intercara de cable giratorio que incluye una fibra óptica de seguridad y la correspondiente fotocélula de fibra óptica de seguridad.

La figura 16 es una vista en sección transversal lateral de una cabeza de soldadura giratoria situada en el extremo del manguito giratorio que incluye una funda protectora no giratoria.

Descripción detallada

La presente invención es aplicable a la reparación de tubos corroídos o dañados, de pequeño diámetro, utilizados en cualquier aplicación tal como en intercambiadores de calor o en sistemas de transporte de materiales. La siguiente descripción detallada utiliza, a título de ejemplo, un intercambiador de calor especializado conocido como generador de vapor que es utilizado en un ciclo de central nuclear con reactor de agua a presión.

Volviendo ahora a la figura 1, en la que números similares designan componentes similares en todas las diversas figuras, se representa un generador de vapor típico del tipo de retorno. El generador de vapor, generalmente designado como 10, consiste en una envolvente 12, un alojamiento de tubos 14, una chapa de tubos 16 y una caja de agua 18. Para mayor claridad en la ilustración, solamente se representa un tubo en forma de "U" 20, pero se entiende que el haz de tubos 14 puede estar formado por miles de tubos individuales 20. La placa de división 22 divide la caja de agua 18 en una primera sección de entrada 24 y una sección de salida 26. En el funcionamiento, el refrigerante caliente del reactor penetra en la sección de entrada 24 o caja de agua 18 a través de una boquilla 28. Desde la sección de entrada 24, el refrigerante fluye a través de los tubos 20 a la sección de salida 26 de la caja de agua y de nuevo al reactor (no mostrado) a través de una boquilla 30. Agua secundaria penetra en la envolvente 12 a través de una boquilla 40 y es calentada por contacto con los tubos 20. Cuando se calienta el agua secundaria, hierve generando vapor de agua que sale de la envolvente 12 por la parte superior del generador de vapor 10 a través de boquillas 42, 44. El vapor de agua así generado es dirigido hacia una turbina de vapor de agua (no mostrada) en que se expande para impulsar un generador eléctrico (no mostrado).

En el generador de vapor, los tubos 20 están conectados a la chapa de tubos 16 mediante soldadura de estanqueidad o dilatando el tubo dentro de la abertura para tubo en la chapa de tubos 16. A diversas alturas en la envolvente 12 están situadas placas de soporte de tubo 50 que contienen aberturas a su través para el paso de los tubos 20. Las aberturas en las placas de soporte de tubo 50 tienen un diámetro ligeramente mayor que el diámetro exterior de los tubos 20 de manera que los tubos pueden deslizarse verticalmente dentro de las placas de soporte. Esta capacidad de deslizamiento relativo es necesaria para acomodar la dilatación térmica diferencial que se produce cuando el generador de vapor 10 es puesto en línea y es calentado lentamente hasta la temperatura de funcionamiento. Como se ha hecho observar previamente, las fisuras formadas entre las placas de soporte 50 y los tubos 20 así como también las fisuras situadas en la fijación de los tubos 20 a la chapa de tubos 16 son susceptibles a la corrosión que degrada los tubos 20, conduciendo finalmente a la rotura o fallo de los tubos.

Haciendo ahora referencia a la figura 2, se representa una vista en sección transversal de un aparato de reparación de soldadura de revestimiento láser. Esta figura muestra la instalación global para chapar con soldadura el interior de un tubo de pequeño diámetro. Se ilustra una parte de un tubo de generador de vapor 20 en el lugar por el que pasa a través de una placa de soporte de tubo 50. Típicamente, la holgura entre la superficie exterior del tubo 20 y el diámetro interno de la abertura a través de la placa de soporte 50 es del orden de 0,203 a 0,381 mm (0,008 a 0,015 pulgadas). Por tanto, es evidente el potencial de corrosión de las fisuras. El aparato está situado dentro de un tubo de generador de vapor y utiliza un arrollamiento de alambre previamente situado como material de relleno.

Un láser 100 es la fuente de calor para soldar el tubo dañado 20. El láser 100 puede ser de cualquier tipo corrientemente utilizado para soldar, pero más típicamente es un láser Nd:YAG. Un ejemplo de dicho láser que ha sido utilizado por los inventores es un Hobart Laser Products modelo 2400 que produce 2400 vatios de potencia. El láser 100 está conectado a un fibra óptica 102 que guía la energía láser generada por la fuente de láser 100 a la cabeza de soldadura 200.

La cabeza de soldadura 200 comprende un cuerpo giratorio cilíndrico 202. Dentro del cuerpo 202 está alojado un espejo 204 que está orientado con un ángulo predeterminado en relación con el eje del cuerpo 202. Como se describirá en lo que sigue, óptica direccional puede sustituir al espejo 204. En el cuerpo 202 están perforados dos caminos de paso para la luz del haz de láser. El primer camino de paso 203 es concéntrico con el eje cilíndrico del cuerpo 202 y entra desde su superficie inferior y termina en la superficie del espejo 204. El segundo camino de paso 205 está perforado radialmente desde la circunferencia del cuerpo 202 y termina otra vez en la superficie del espejo 204. De esta manera, la luz del haz de láser que penetra por la parte inferior del cuerpo 202 se refleja en el espejo 204 radialmente hacia afuera en dirección a la superficie interior del tubo 20.

Una junta giratoria 206 está conectada a la parte inferior del cuerpo 202. La junta giratoria 206 comprende una parte giratoria superior 208 y una parte estacionaria inferior 210, y permite que el cuerpo 202 de la cabeza de soldadura 200 gire en torno a su eje. Un motor de accionamiento de cabeza giratoria 212 está conectado a la parte estacionaria 210 de la junta giratoria 206. El motor de accionamiento 212 es un motor eléctrico o neumático en miniatura de eje hueco que proporciona la fuerza de rotación necesaria para hacer girar el cuerpo 202 durante el funcionamiento de la cabeza de soldadura 200.

La parte inferior del motor 212 está conectada a un cable flexible 214 que está conectado a la fuente de láser 100 y contiene la fibra óptica 102. El cable 214 incluye también alambres eléctricos (no mostrados) para excitar el motor de accionamiento 212, si es eléctrico.

En caso de que se utilice un motor neumático para impulsar la cabeza de soldadura 200, el cable 214 alojará un tubo neumático (no mostrado) para accionar el motor 212. Además, el cable 214 puede incluir un conducto (no mostrado) para el suministro de gas de blindaje tal como argón o helio para mejorar la soldadura final como es entendido corrientemente por los versados en las técnicas de la soldadura. El gas de blindaje puede ser entregado a través de un tubo o conducto dedicado, aunque más frecuentemente es forzado a través de espacios libres entre el cable de fibra óptica, un conducto de alambre y un manguito. El gas es distribuído entonces a través de agujeros de perforación en la cabeza de soldadura para dirigir el gas hacia el proceso de soldadura.

A causa de que el motor 212 tiene un eje hueco, la energía del láser puede pasar a través del motor 212 y la junta giratoria 206 al espejo 204. Dentro del eje hueco del motor 212 están montadas lentes de enfoque 213 y 215. Estas lentes pueden ajustar la distancia focal del camino de paso de manera que la energía de láser se concentra en la superficie interior del tubo 20. Se encuentran disponibles diversos métodos conocidos de los versados en la técnica para ajustar la distancia entre la lente 213 y la lente 215 que permita que la distancia focal sea ajustada de manera que la misma cabeza de soldadura 200 pueda utilizarse en tubos de diámetros internos diferentes.

Encima del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura está montado un cojinete 220 en forma de anillo. El cojinete 220 está conectado a rotación al cuerpo 202 para permitir movimiento de rotación relativo. Al cojinete giratorio 220 y al motor de accionamiento 212 están conectados muelles de lámina 222 que tienen zapatas 224 montadas en sus extremos distantes. Los muelles de lámina 222 empujan a las zapatas 224 radialmente hacia afuera desde el eje de la línea central de la cabeza de soldadura 200. Las zapatas 224 se aplican a la pared interior del tubo 20 y funcionan para mantener la cabeza de soldadura 200 centrada en el tubo 20 mientras se hace funcionar la cabeza de soldadura. Sin embargo, la fricción relativamente ligera entre las zapatas 224 y el tubo 20 permite que la cabeza de soldadura 200 se mueva fácilmente en dirección axial dentro del tubo de manera que la cabeza de soldadura puede ser situada con exactitud para una operación de soldadura.

Encima del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura y dentro del cojinete en forma de anillo 220 está también montado un motor de alimentación de alambre de relleno 230. Motores de alimentación de alambre de relleno 230 se han utilizado en aplicaciones de soldadura de gas y heliarco en industrias tales como la industria automovilística. Por tanto, su construcción y funcionamiento son conocidos en general en la técnica. El motor de alimentación 230 tiene un eje hueco y una pluralidad de ruedas de fricción 232 que agarran un alambre y lo alimentan linealmente a través del eje hueco. El eje de rotación para las ruedas de fricción 232 está ligeramente desplazado respecto del eje de rotación del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura. Por consiguiente, cuando se hace girar el cuerpo 202 de la cabeza de soldadura, las ruedas de fricción comunican un movimiento lineal al alambre sujeto entre las superficies tangencialmente en aplicación de las ruedas. El eje hueco del motor de alimentación 230 termina en el borde inferior del motor 230, en alineación con una guía de alambre de relleno 234.

La guía de alambre de relleno 234 es un camino de paso perforado a través del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura. La entrada superior a la guía 234 está centrada en la superficie superior del cuerpo 202 y la salida inferior de la guía 234 está en el lado del cuerpo 202 directamente encima de la salida radial del camino de paso 205 del haz de láser. De esta manera, el alambre alimentado a través de la guía 234 es dirigido al lugar de la soldadura. Por encima de la cabeza de soldadura 200 está representado un alambre de relleno 240.

El alambre de relleno 240 está hecho de un material similar al del tubo 20. Preferiblemente, se utiliza una aleación Inconel® con un contenido de cromo más alto que el material de tubo para reducir la susceptibilidad al agrietamiento por corrosión. La aleación Inconel® 625, 52 ó 72 puede utilizarse y puede incluir agentes desoxidantes y de control de viscosidad tales como silicio y titanio.

El alambre de relleno 240 se configura previamente en forma de un arrollamiento que tiene un diámetro exterior que coincide aproximadamente con el diámetro interior del tubo 20. La fricción entre el alambre de relleno arrollado 240 y la superficie interior del tubo 20 mantiene el alambre en su sitio durante el funcionamiento de la cabeza de soldadura 200.

El extremo inferior del alambre de relleno 240 pasa a través de las ruedas de fricción 232 en el motor de alimentación de alambre 230 a la guía 234 y fuera del lado del cuerpo 202 al lugar de la soldadura. La cabeza de soldadura 200 está situada dentro del tubo 20 en el lugar de la reparación. La cabeza de soldadura 200 dirige de nuevo la energía del láser desde la fibra óptica en una dirección radial contra la pared interior del tubo 20.

A continuación describe el procedimiento y la operación utilizados para lograr la reparación de un tubo.

En primer lugar, se arrolla el alambre de refuerzo 240 de manera que el diámetro exterior del arrollamiento coincida aproximadamente con el diámetro interno del tubo 20. Se dobla el extremo inferior del alambre 240 hasta el centro del arrollamiento y se doble luego hacia abajo de manera que el extremo se encontrará en la línea central del tubo 20 después de que se inserte el arrollamiento en el tubo. El arrollamiento de alambre de relleno se inserta luego en el tubo 20 y se empuja a una posición ligeramente por encima de la reparación con soldadura prevista. El arrollamiento puede moverse en el tubo sin deformar su configuración utilizando una manguera hueca flexible de diámetro exterior ligeramente menor que el diámetro interno del tubo 20.

Después de que se ha situado el arrollamiento de alambre, en primer lugar, se inserta la cabeza de soldadura 200 en el tubo 20, mediante el motor de alimentación de alambre 230. La inserción de la cabeza de soldadura 200 es realizada comprimiendo zapatas 224 radialmente hacia adentro e insertando luego la cabeza de soldadura 200 en el tubo 20. La cabeza de soldadura 200 es empujada después dentro del tubo por el cable de alimentación 214 dentro del tubo 20 hasta que la cabeza de soldadura 200 está situada en el lugar de la reparación. Cuando la cabeza de soldadura 200 alcanza el lugar apropiado, el extremo del arrollamiento de alambre de relleno 240, que fue previamente situado, se alimentará al centro del motor de alimentación de alambre 230 y se le aplicarán las ruedas de fricción 232. El arrollamiento de alambre de relleno puede situarse también en un cilindro montado encima de la cabeza de soldadura de manera que tanto la cabeza de soldadura como el alambre de relleno pueden insertarse en el tubo al mismo tiempo.

Para comenzar la soldadura, se aplica potencial, eléctrica o neumática, al motor de accionamiento 212 que hace girar el cuerpo 202 de la cabeza de soldadura. La rotación del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura hace que el motor de alimentación de alambre 230 alimente alambre 240 a través de la guía de alambre 234 a la pared interior del tubo 20. Al mismo tiempo, se conecta la fuente de láser 100 y se transmite energía de láser a la pared interna del tubo 20 a través de la fibra óptica 102 y el espejo 204. La cabeza de soldadura 200 puede moverse axialmente dentro del tubo 20 tirando del cable 214. Alternativamente, una conexión roscada de precisión, bien conocida de los versados en la técnica, entre el cuerpo de soldadura 202 y el soporte de anillo 220 puede efectuar un avance axial uniforme del cuerpo 202 de la cabeza de soldadura durante la operación de soldadura. Por tanto, cuando el cuerpo 202 de la cabeza de soldadura gira, se funde el metal de base del tubo 20, al tiempo que se alimenta alambre de relleno al lugar de la soldadura. El alambre de relleno se funde para producir una soldadura de revestimiento.

Haciendo ahora referencia a la figura 3, se representa una vista en sección transversal simplificada de otro aparato de soldadura de revestimiento láser. Se utiliza una lámina delgada 250 de material de relleno de soldadura en lugar del alambre de relleno 240 previamente descrito. El material de relleno de soldadura utilizado en la lámina puede tener agentes desoxidantes y de control de viscosidad como se ha descrito previamente para el alambre de relleno 240. La lámina 250 de metal de relleno es de aproximadamente 0,64 mm [0,025 pulgadas] de grosor y está curvada en forma de un cilindro hueco que tiene una longitud que coincide con la longitud de la sección del tubo que ha de ser reparado. (El grosor del metal de relleno viene determinado por el grosor de formación o revestimiento deseado). El diámetro externo del cilindro así formado es aproximadamente igual que el diámetro interno del tubo 20 y, por consiguiente, el cilindro puede colocarse previamente de manera similar a la descrita previamente para el arrollamiento de alambre.

Después de que el cilindro se coloca previamente, se inserta la cabeza de soldadura 200 en el tubo y se realiza la soldadura de la misma manera. La soldadura resultante produce un revestimiento uniforme que disminuye el diámetro interno del tubo en solamente 1,28 mm [0,050 pulgadas]. La profundidad de penetración de la soldadura es de aproximadamente 0,56 mm [0,22 pulgadas] dando por resultado un grosor de revestimiento de 1,20 mm [0,047 pulgadas] y se efectúa una unión excelente entre la lámina delgada 250 y el tubo 20. Un grosor de revestimiento de 1,20 mm [0,047 pulgadas] restablece plenamente el grosor de pared original y la integridad estructural del tubo, que tiene un grosor nominal de 1,07 mm [0,042 pulgadas]. Se apreciará que el grosor de penetración y revestimiento es regulado por parámetros de soldadura seleccionados (rendimiento del láser, velocidad de desplazamiento, paso, grosor de la hoja, etc.).

La figura 4 muestra una vista en sección transversal simplificada de un aparato alternativo de reparación por soldadura de revestimiento láser situado dentro de un tubo de un generador de vapor y utilizando un arrollamiento previamente situado de alambre de metal de relleno directamente sobre el área que ha de ser soldada con revestimiento. La cabeza de soldadura 200 consiste en una varilla roscada hueca 300 con un espejo 204 montado encima formando un ángulo predeterminado, por ejemplo, un ángulo de cuarenta y cinco (45) grados. La varilla 300 penetra a rosca en la placa extrema superior circular e internamente roscada 302. El extremo inferior de la varilla 300 sirve de armadura 304 para el motor de accionamiento 212. La placa extrema superior 302 está conectada a una placa extrema inferior en forma de arandela 306 por varillas de guía 310. Placas extremas inferior y superior 306, 302 están mantenidas en posición dentro del tubo 20 por muelles de lámina 222 y zapatas 224. Las varillas de guía 310 tienen forma de "T" en sección transversal y están situadas paralelas al eje de la varilla 300 con pestañas centrales mirando radialmente hacia adentro en dirección al centro del aparato 200 de cabeza de soldadura 200. El estator 312 del motor 212 tiene surcos longitudinales 314 a cada lado que aceptan los bordes de las varillas de guía 310. La parte inferior de la armadura 304 del motor está fijada a la junta giratoria 206 que a su vez está fijada al cable 214.

En el funcionamiento, se sitúa previamente un arrollamiento apretadamente pasado de alambre de relleno 240 dentro del tubo 20 directamente sobre el área que ha de ser soldada con revestimiento. La cabeza de soldadura 200 se inserta luego en el tubo de manera que el espejo 204 esté ligeramente por encima de la parte superior del alambre 240. Cuando se suministra energía del láser a la cabeza de soldadura 200 y se excita el motor 212, la varilla 300 y el espejo 204 giran dirigiendo la energía del láser sobre el arrollamiento de alambre 240. Además, la varilla 300 penetra a rosca en la placa superior 302 haciendo que el haz de soldadura se desplace axialmente hacia abajo a través del alambre arrollado 240 a una velocidad que está sincronizada con su movimiento giratorio. Para acomodar el movimiento axial de la varilla 300, el estator 312 del motor se desliza a lo largo de varillas de guía 310 pero le impiden girar los surcos 314 que están aplicados a los bordes de las varillas de guía 310. Por tanto, el haz de láser gira y se desplaza axialmente dentro del tubo, uniendo por fusión el alambre 240 a la superficie interior del tubo 20, produciendo una soldadura con revestimiento uniforme.

La figura 5 ilustra un aparato giratorio 320 utilizado para reparar tubos dañados 20. El motor de accionamiento 212 de la cabeza giratoria y la junta giratoria acompañante 206 utilizada en las figuras 2-4 son sustituidos por una pluralidad de elementos giratorios. Específicamente, una cabeza de soldadura giratoria 322 está situada en el extremo de un manguito giratorio 324. Un mecanismo de accionamiento giratorio 325 hace girar el manguito 324.

El mecanismo de accionamiento giratorio 325 hace girar simultáneamente un conjunto de relleno 326 que incluye un receptáculo de metal de relleno 328 y un sistema de suministro de metal de relleno 330. El receptáculo de metal de relleno 328 contiene el metal de relleno que ha de ser soldado. En general, el receptáculo de metal de relleno 328 tendrá la forma de un carrete de alambre de metal de relleno. El sistema de suministro de metal de relleno 330 recibe el metal de relleno y lo entrega a un paso de relleno dentro del manguito giratorio 324. Como el manguito giratorio 324 y el conjunto de relleno 326 giran sincrónicamente, el metal de relleno no llega a atascarse.

El sistema de suministro de metal de relleno 330 es accionado a través de anillos rozantes 332 del conjunto de relleno. La velocidad del motor de alimentación de alambre puede variarse para permitir diferentes velocidades de alimentación de alambre, proporcionando control del grosor de chapado y para hacer posible el ajuste de variaciones en los niveles de potencia del láser, la velocidad de desplazamiento, el paso de rotación, y otros factores.

El aparato giratorio 320 incluye también un acoplador de gas 336 que está conectado a un suministro de gas 338. El manguito giratorio 324 incluye un cable giratorio de fibra óptica 340. Un láser 334 suministra energía a un cable fijo de fibra óptica 343. La energía del láser es transferida desde el cable fijo de fibra óptica 343 al cable giratorio de fibra óptica 340 a través de un acoplador óptico 342.

El aparato giratorio 320 es movido a lo largo de su eje longitudinal por un sistema de accionamiento axial 350 montado en un árbol 351. Pueden utilizarse rodillos de guía 349 para guiar el manguito giratorio 324 a posición. Se utiliza un controlador de ordenador 353 para controlar el funcionamiento del mecanismo de accionamiento 325 del aparato giratorio, el sistema de accionamiento axial y el sistema de suministro de metal de relleno 330. En particular, el controlador de ordenador 353 se utiliza para ajustar la velocidad del mecanismo de accionamiento 325 del aparato giratorio, la posición del sistema de accionamiento axial 350 y la velocidad de suministro de relleno para el sistema de suministro de metal de relleno 330.

El funcionamiento del aparato giratorio 320 se apreciará de manera más completa con referencia a la figura 6 que proporciona una vista en sección transversal, a mayor escala, de la cabeza de soldadura giratoria 322. La cabeza de soldadura giratorio 322 incluye un cuerpo 380 que define un paso de relleno 386. El paso de relleno 386, también llamado "conducto para alambre", se extiende por la longitud del manguito giratorio 324. El relleno 388 es obligado desde el sistema de suministro de metal de relleno 330 a través del paso de relleno 386 a una abertura de cuerpo 394. La energía del láser es suministrada a través de la abertura de cuerpo 394 y suelda el relleno 388. Un conducto de gas 389 suministra un gas de blindaje a la cabeza de soldadura 322. Preferiblemente, el conducto de gas 389 termina en canales de distribución (no mostrados) que distribuyen el gas a la abertura 394 en una pluralidad de lugares.

La figura 6 representa también el cable giratorio de fibra óptica 340 situado dentro del cuerpo 380 de la cabeza de soldadura giratoria 322. El cable giratorio de fibra óptica 340 se extiende por la longitud del manguito giratorio 324 y está fijado al mismo.

El cable giratorio de fibra óptica 340 termina en un conjunto de modificación direccional de energía del láser 392. En la descripción previa, el conjunto de modificación direccional de energía del láser 392 se describió en forma de un espejo 204. El conjunto 392 puede estar formado también como un conjunto óptico. La figura 7 describe un conjunto de modificación direccional de energía del láser alternativo 392 que incluye un conjunto de lente de entrada 396, un prisma cuneiforme 397 y un conjunto de lente de salida 398. El prisma cuneiforme 397 sirve para cambiar la dirección de la energía del láser. El prisma cuneiforme 397 proporciona una producción de energía del láser más alto que el que puede obtenerse de un espejo 204.

De preferencia, la energía del láser es dirigida hacia la superficie receptora formando un ángulo no ortogonal. Los dispositivos de la técnica anterior utilizan un espejo para dirigir la energía del láser hacia la superficie de tal manera que la energía del láser incide sobre la superficie de manera ortogonal. En esta configuración, la energía del láser reflectante perturba la energía del láser entrante. Además, se produce una estela y salpicaduras que tienen que eliminarse por técnicas convencionales para impedir daños a la óptica. Cuando la energía del láser es hecha incidir sobre la superficie 20 que ha de ser soldada formando un ángulo de, por ejemplo 45º como se muestra en la figura 7, entonces la energía del láser reflectante no perturba la energía láser entrante.

La figura 8 se corresponde en general con la figura 5; sin embargo, dentro del manguito giratorio 324 está situado un tubo interior fijo 402. El tubo interior fijo 402 permite que un cable fijo de fibra óptica 343 permanezca estacionario al tiempo que gira el manguito giratorio 324A. En otras palabras, a diferencia de la figura 5, el cable de fibra óptica de la figura 8 no gira. Como el cable de fibra óptica no gira, no se requiere el acoplador óptico 342 de la figura 5. En lugar de ello, se utiliza un soporte de tubo interior fijo 404.

La figura 9 ilustra una cabeza de soldadura giratoria 322A que puede utilizarse con el aparato de la figura 8. La figura ilustra un cable fijo de fibra óptica 343 situado dentro de un tubo interior fijo 402. El manguito giratorio 324A gira alrededor del tubo interior fijo 402. El manguito giratorio 324A incluye un conducto de gas 389. El manguito giratorio 324A incluye un surco mecanizado 386A (mostrado en líneas de trazos) que sirve de paso de relleno. El paso de relleno 386A se extiende por la longitud del manguito giratorio 324A. El paso de relleno puede estar formado también como un pequeño tubo que se extiende por la longitud del manguito giratorio 324A.

El conjunto de modificación direccional de energía del láser 392 gira con el manguito giratorio 324A y recibe la energía del láser desde el cable estacionario de fibra óptica 343.

En la figura 10 se ilustra un conjunto de modificación direccional alternativo 392A. El cable de fibra óptica 343A está biselado en su extremo de salida 405 para formar una cuña. Esta estructura produce el mismo efecto que el prisma cuneiforme ilustrado en la figura 7. Esto produce la modificación direccional de energía del láser que previamente requería un prisma cuneiforme o un espejo. El haz de láser sale de la fibra 343A formando un ángulo no ortogonal y se dirige a través de una lente de enfoque 406 hacia el lugar de soldadura. Un beneficio de este diseño es que reduce el número de elementos ópticos (es decir, lente de colimación, lente de enfoque intermedia, y prisma cuneiforme ) y, por consiguiente, reduce las pérdidas de energía en cada intercara y el coste global de la cabeza óptica.

La figura 11 ilustra un conjunto alternativo de modificación direccional de energía del láser 392B. El cable de fibra óptica 343B está curvado para obtener un ángulo no ortogonal preseleccionado con relación a la superficie 20. La salida de energía del láser desde el cable de fibra óptica 343B es dirigida a través de una lente de enfoque 408 hacia el lugar de soldadura en la superficie 20. Este conjunto de modificación direccional elimina una pluralidad de elementos ópticos y reduce de este modo las pérdidas de energía.

Los ejemplos de las figuras 5 a 11 han sido ejecutados utilizando un láser Hobart de 2400 vatios con una longitud de onda de 1064 nanómetros, procedente de Hobart Laser Products, Inc., Livermore, California. El cable óptico utilizado está formado preferiblemente de fibra de sílice fundida encapsulada en una funda flexible metálica. La fibra está recubierta con un revestimiento reflectante para impedir la absorción superficial del rayo láser y mejorar la transmisión. El cable óptico puede tener un tamaño de punto de 600-800 micras. El manguito giratorio 324 puede estar formado de acero inoxidable o de tubería metálica flexible.

El manguito giratorio 324 se ha ejecutado con un manguito circular con un diámetro externo de 1,27 cm [0,5 pulgadas] y un diámetro interno de 9,40 mm [0,370m pulgadas]. El tamaño del paso de relleno 386 está regido por el tamaño del alambre de relleno. El tamaño del paso de relleno 386 es preferiblemente varias centésimas de milímetro (unas pocas milésimas de pulgada) mayor que el diámetro del alambre. Los diámetros de los alambres corrientemente utilizados incluyen 0,5 mm [0,20 pulgadas], 0,6 mm [0,025 pulgadas], 0,75 mm [0,030 pulgadas], y 0,89 mm [0,035 pulgadas].

El acoplador de gas 336 es mantenido estacionario, y al manguito 324 se le permite girar libremente a través del acoplador 336. El acoplador de gas 336 incluye anillos tóricos para permitir la rotación del manguito 324, al tiempo que mantiene presión de gas dentro del acoplador 336. El manguito 324 tiene agujeros en él para permitir que sea transferido gas desde el suministro de gas 338 al interior del manguito 324. El gas es suministrado luego a la cabeza de soldadura 322 a través del conducto de gas 389. En lugar de utilizar un conducto de gas dedicado 389, pueden estar previstos espacios libres entre el cable de fibra óptica 340, el conducto de alambre 386 y el manguito 324.

El mecanismo de accionamiento 325 del aparato giratorio es preferiblemente un motor paso a paso. El mecanismo de accionamiento 325 está acoplado al manguito giratorio 324 y al conjunto de relleno 326 por técnicas convencionales, tales como engranajes o correas.

El sistema de accionamiento axial 350 se ha ejecutado utilizando un motor paso a paso montado en un árbol 351. El movimiento horizontal o plano puede obtenerse colocando a mano el árbol 351. En el caso alternativo, el árbol 351 puede estar colocado en un dispositivo de movimiento plano motorizado (no mostrado), que permite que el aparato giratorio 320 sea colocado en cualquier tubo seleccionado 20.

El sistema de suministro de metal de relleno 330 puede ser del tipo utilizado en los soldadores existentes. Por ejemplo, la invención se ha ejecutado utilizando un alimentador de alambre ASTRO ARC, procedente de ASTRO ARC, Inc., Sun Valley, California. Se ha utilizado el modelo de anillo rozante AC4598, de Litton Poly-Scientific, Blacksburg, Virginia, para activar el sistema de suministro de metal de relleno 330.

El conjunto de modificación direccional de energía del láser 392 de la figura 7 se ha ejecutado utilizando lentes normales. El conjunto de lente de entrada 396 colima el haz de luz láser para formar un haz colimado. El conjunto de lente de entrada 396 incluye una lente de ventanilla 396A, una lente de -20 mm distancia focal 396B, y una lente de +10 mm de distancia focal 396C. El prisma cuneiforme 397 desvía el haz colimado (de 10 a 60 grados, preferiblemente de 20 a 45 grados, y más preferiblemente alrededor de 30 grados) para formar un haz desviado y colimado. El haz desviado y colimado es transmitido al conjunto de lente de salida 398 que incluye una lente de +20mm de distancia focal 398A y una lente de ventanilla 398B. El conjunto de lente de salida 398 forma un haz enfocado y colimado de un pequeño diámetro con una densidad de energía muy alta. El haz proporciona una energía térmica máxima en el punto de soldadura, fundiendo con ello el material de relleno y una parte del material de base de una manera controlada. El conjunto de modificación direccional de energía del láser 392 se ha utilizado a potencia continua de 2400 vatios, sin fallos. Los dispositivos de la técnica anterior que utilizan espejos se han limitado generalmente a energías láser de 1000 vatios.

El tubo interior fijo 402 de la figura 9 está formado preferiblemente de acero inoxidable. El tubo giratorio 324A de la figura 9 está formado preferiblemente de acero inoxidable. Entre el tubo interior fijo 402 y el tubo giratorio 324A se utilizan cojinetes comercialmente disponibles de Nylon o Teflon®.

De una apreciación de la descripción de las figuras 1-11, que son útiles para comprender la presente invención, se hace ahora referencia a las figuras 12 a 16, de las cuales las figuras 12-14 ilustran un acoplador óptico 342 que puede utilizarse en un aparato de soldadura láser de acuerdo con la invención. La figura 15 ilustra una realización de una característica del acoplador óptico 342.

Como se muestra en la figura 12 (véase también la figura 5), el acoplador óptico 342 proporciona una intercara entre el cable fijo de fibra óptica 343 y el manguito giratorio 324, que encapsula un cable giratorio de fibra óptica 340. El acoplador óptico 342 incluye una placa de base 450 que soporta un conjunto óptico fijo 452 y un conjunto de intercara de cable giratorio 454.

La atención se dirige inicialmente hacia el conjunto óptico fijo 452 que se muestra en la figura 13. El conjunto óptico fijo 452 incluye un conjunto de receptáculo óptico 460 que puede ejecutarse como un tubo o como un juego de monturas independientes. De preferencia, el conjunto óptico fijo 452 incluye un conjunto de lente de colimación 462 que tiene una primera lente reductora de divergencia de haz 464, una lente reductora de aberración esférica 466, una segunda lente reductora de divergencia de haz 468, y una lente de colimación 470. El conjunto óptico fijo 452 incluye también preferiblemente una lente de enfoque 472. La óptica del conjunto óptico fijo 452 sirve para colimar y enfocar la energía luminosa del haz de láser 482. Como es conocido por los versados en la técnica, pueden utilizarse para este fin una diversidad de configuraciones ópticas.

El conjunto óptico 452 incluye preferiblemente dispositivos de posicionamiento para proporcionar alineación independiente axial y concéntrica. La figura 13 ilustra una etapa de montaje axial 474 para el conjunto de receptáculo óptico 460. La etapa de montaje axial 474 puede estar situada con un dispositivo de alineación axial 476 a lo largo del eje definido por el cable giratorio de fibra óptica 340 y el cable fijo de fibra óptica 343. El dispositivo de alineación axial 476 puede ser ejecutado en forma de un tornillo roscado que ajusta con un engranaje axial, o una estructura análoga, gran parte de las cuales es conocida por los versados en la técnica.

La figura 13 ilustra también un soporte transversal 478 que puede estar situado a lo largo de un eje que es transversal al eje definido por el cable giratorio de fibra óptica 340 y el cable fijo de fibra óptica 343. Un dispositivo de alineación transversal 480 puede utilizarse para volver a situar la etapa de montaje axial 474 en la dirección transversal especificada (o concéntrica). El dispositivo de alineación transversal 480 puede ejecutarse en forma de un tornillo roscado que ajusta con un engranaje axial, o una estructura equivalente.

Volviendo ahora a la figura 14, se ilustra una realización del conjunto de intercara de cable giratorio 454 del aparato de acuerdo con la invención. El haz de láser enfocado y colimado 482 producido por el conjunto fijo de fibra óptica 452 es recibido por una estructura receptora de intercara 487. Dentro de la estructura receptora de intercara 487 y a lo largo del eje del conjunto de intercara de cable giratorio 454 está situado un cable giratorio de fibra óptica 340. El cable giratorio de fibra óptica 340 consiste en una fibra monofilamentaria de vidrio de sílice fundida con un revestimiento de vidrio de sílice. El manguito giratorio 324 puede incluir un recubrimiento de polímero, capas tampón y una funda metálica protectora que incluye una cubierta de polietileno.

El conjunto de intercara de cable giratorio 454 incluye un primer soporte de cara intermedia 484 y un segundo soporte de cara intermedia 486, ambos de los cuales están conectados a la placa de base 450. El primer soporte de cara intermedia 484 y el segundo soporte de cara intermedia 486 se utilizan para soportar un manguito de montaje 500, que está rodeado por un tubo de alineación 504. El tubo de alineación 504 gira en un juego de cojinetes 506A y 506B situados, respectivamente, en los soportes de cara intermedia 484 y 486. El tubo de alineación 504 puede ser accionado por una rueda dentada 510. La colocación del tubo de alineación 504 puede regularse con un juego de tornillos de alineación 508A, 508B, 508C, y 508D. En una realización de la invención, en cada extremo del tubo de alineación 504 están previstos cuatro tornillos de alineación 508.

Como su propio nombre denota, el tubo de alineación 504 se utiliza para alinear la posición de la fibra óptica 340 con el haz de láser entrante 482. De preferencia, la exactitud de la alineación se mide a través del uso de una cavidad de control 502 situada dentro del manguito de montaje 500. Una fotocélula 512 está conectada ópticamente a la cavidad de control 502. La fotocélula genera una tensión proporcional a la cantidad de luz que hay en la cavidad 502. La señal de tensión (salida) es transmitida a un anillo rozante 514 sobre un conductor 516. El anillo rozante está conectado a una pieza estacionaria de un equipo (no mostrado), tal como un voltímetro digital, que produce una señal correspondiente a la salida de la fotocélula 512. Se consigue alineación axial y concéntrica apropiada cuando el nivel de luz emitido desde la fibra óptica 340 está a un mínimo (y la salida de la fibra óptica 340 está a un máximo) para todas las posiciones rotacionales. Por tanto, los tornillos de alineación 508 se regulan para conseguir este resultado. El dispositivo de alineación axial 476 y el dispositivo de alineación transversal 480 pueden utilizarse para ajustes de ruta.

La figura 15 ilustra una realización alternativa de un conjunto de intercara de cable giratorio 454A que puede utilizarse en un aparato de soldadura láser de acuerdo con la invención. Esta realización de la invención incluye una fibra óptica de seguridad 520. Una fibra óptica de seguridad 520 controla la luz reflejada en un punto de soldadura. La luz reflejada es transmitida a través de la fibra de seguridad 520 a un detector de fotocélula, donde es analizada. Si el nivel de luz controlado es incompatible con el funcionamiento normal, se interrumpe la energía del láser. El uso de este dispositivo de control es importante para reducir al mínimo los daños ópticos debidos a la energía luminosa reflejada dentro de los componentes ópticos.

Si bien el uso de una fibra de seguridad 520 es conocido para un dispositivo de soldadura estacionario, la presente invención incorpora una fibra de seguridad 520 en un aparato de soldadura láser rotacional. Específicamente, el manguito giratorio 324 lleva una fibra óptica adicional 520. La fibra óptica adicional 520 se extiende por la longitud del manguito giratorio 324 y termina en la cabeza de soldadura giratoria 322. En el extremo opuesto del manguito giratorio 324, la fibra de seguridad 520 termina en una fotocélula de fibra óptica de seguridad 522 situada, en esta realización dentro de la cavidad de control 502. La señal de salida desde la fotocélula de fibra óptica de seguridad 522 es vuelta a colocar sobre un segundo conductor 524 al anillo rozante 514. La señal procedente del anillo rozante puede ser analizada entonces por una pieza estacionaria del equipo, como se describe en relación con la fibra óptica transmisora de potencia 488.

La figura 15 ilustra que el manguito giratorio 324 puede ser encapsulado en una funda protectora no giratoria 530. Cojinetes 532 pueden estar situados entre el manguito giratorio 324 y la funda protectora no giratoria 530. La funda 530 proporciona una cubierta protectora para impedir daños y abrasión al manguito giratorio 324 y al cable giratorio de fibra óptica 340 situado en él. La funda 530 permite también que un mecanismo de accionamiento axial agarre directamente la funda 530 de manera que el cable giratorio de fibra óptica 340 puede ser situado en un lugar axial deseado.

La figura 16 ilustra una cabeza de soldadura giratoria 322 encapsulada dentro de una funda protectora no giratoria 530. Cojinetes 532 están situados preferiblemente entre el cuerpo de cabeza de soldadura giratorio 380 y la funda protectora no giratoria 530.

En una realización típica, los cojinetes 532 estarán dispuestos en la cabeza de soldadura giratoria 322 y aproximadamente cada 30 cms [12 pulgadas] a todo lo largo del manguito giratorio 324. En la realización alternativa, puede utilizarse una grasa o lubricante de aceite pesado entre el manguito giratorio 324 y la funda protectora no giratoria 530. La funda protectora no giratoria 530 puede estar formada de nilón o plástico con un refuerzo trenzado de acero inoxidable.

Es factible una pluralidad de variaciones de la funda protectora no giratoria 530. Por ejemplo, la figura 16 ilustra un conducto de gas 389. El conducto de gas 389 puede eliminarse y el gas puede ser transportado a través del hueco 534 definido entre el manguito giratorio 324 y la funda protectora no giratoria 530. En esta configuración, estaría dispuesta una cabeza de suministro de gas en la cabeza de soldadura giratoria 322.

Los versados en la técnica reconocerán una pluralidad de beneficios asociados con el dispositivo de las figuras 12-15. Principalmente, el dispositivo proporciona alineación con precisión entre el cable fijo de fibra óptica 343 y el cable giratorio de fibra óptica 340. Esta característica es extremadamente importante a la vista del hecho de que las fibras ópticas nunca son idénticas y, por tanto, tienen una falta de alineación óptica inherente. La invención acomoda este problema. La invención es también ventajosa porque incorpora una o fibra óptica de seguridad 520 en un aparato giratorio. El aparato de la invención se ha utilizado a velocidades de rotación superiores a 100 RPM.

Los versados en la técnica reconocerán también los numerosos beneficios asociados con el aparato completo de la invención. En su función más básica, la invención proporciona un método sencillo y fácil para reparar tubos dañados. Por tanto, la invención permite la reparación de tubos de generadores de vapor sin requerir un desmontaje importante de un generador de vapor. Como resultado, la invención reduce al mínimo la necesidad de taponar tubos de generadores de vapor y la pérdida resultante en la capacidad del generador de vapor.

Por tanto, habiéndose descrito realizaciones ilustrativas de la invención, se reconoce que los versados en la técnica podrán idear y diseñar cambios y modificaciones en la ejecución de esta invención sin apartarse del alcance de la invención ahora reivindicada.

Claims (12)

1. Un aparato de soldadura láser para soldar la superficie interior de un tubo, que comprende un láser estacionario (334) para generar energía luminosa; un manguito giratorio (324) que encierra un cable de fibra óptica (340); un acoplador óptico (342) situado entre dicho láser estacionario (334) y dicho manguito giratorio (324), caracterizado porque dicho acoplador óptico incluye un conjunto óptico fijo para recibir dicha energía luminosa desde dicho láser estacionario y para producir energía luminosa colimada y enfocada y un conjunto de intercara de cable giratorio (454) para recibir dicha energía luminosa colimada y enfocada y aplicarla a dicho cable de fibra óptica de dicho manguito giratorio (324), incluyendo dicho conjunto de intercara de cable giratorio (454) una fotocélula (512) para medir la alineación entre dicho conjunto óptico fijo y dicho conjunto de intercara de cable giratorio (454).

2. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 1, en el que dicho conjunto de intercara de cable giratorio (454) incluye medios de ajuste de posición para alinear posicionalmente dicha energía luminosa colimada y enfocada con dicho cable de fibra óptica.

3. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 1 ó 2, en el que dicho conjunto de intercara de cable giratorio (454) incluye una cámara que define una cavidad de control (502).

4. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 3, en el que dicha fotocélula (512) está conectada ópticamente a dicha cavidad de control (502) para medir la luz emitida desde señal indicativa de la alineación entre dicho conjunto óptico fijo y dicho cable de fibra óptica (340) de dicho manguito giratorio (324).

5. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 4, que incluye un anillo rozante (516) eléctricamente conectado a dicha fotocélula (512) para recibir dicha señal de salida.

6. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 3 ó 4, que incluye además una fibra óptica de seguridad (520) situada dentro de dicho manguito de control, y una fotocélula de fibra óptica de seguridad (522) ópticamente conectada a dicha fibra óptica de seguridad (520).

7. El aparato de soldadura láser de cualquier reivindicación precedente, que incluye además una funda protectora no giratoria (530) situada alrededor de dicho manguito giratorio (324).

8. El aparato de soldadura láser de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho conjunto de intercara de cable giratorio (454) comprende además dispositivos de posicionamiento para alterar el lugar en que dicha energía luminosa enfocada procedente de dicho conjunto óptico fijo interseca a dicho conjunto de intercara de cable giratorio.

9. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 8, en el que dichos dispositivos de posicionamiento incluyen una etapa de montaje axial (474) para retener dicho conjunto óptico fijo, y un dispositivo de alineación axial (476) para situar axialmente dicha etapa de montaje axial.

10. El aparato de soldadura láser de la reivindicación 9, en el que dichos dispositivos de posicionamiento incluyen un soporte transversal (478) para dicha etapa de montaje axial, y un dispositivo de alineación transversal (480) para proporcionar una colocación concéntrica de dicha etapa de montaje axial.

11. El aparato de soldadura láser según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que dicho conjunto de intercara de cable giratorio incluye un primer soporte de cara intermedia (484) para montar un primer cojinete (506A), un segundo soporte de cara intermedia (486) para montar un segundo cojinete (506B), un tubo de alineación (504) situado dentro de dicho primer cojinete y dicho segundo cojinete, y un manguito de control (500) situado dentro de dicho tubo de alineación, soportando dicho manguito de control dicho cable de fibra óptica de dicho manguito giratorio.

12. El aparato de soldadura láser según una cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11, en el que dichos dispositivos de posicionamiento incluyen un juego de tornillos de alineación (508A-508D) situados dentro de dicho tubo de alineación para regular la posición concéntrica de dicho manguito de control (500).