局部干法水下激光焊接裝置研制及工藝試驗(yàn)

張義林， 張玉佳， 朱勇輝， 朱加雷， 袁 軍， 付 超

1. 中國核動力研究設(shè)計(jì)院，四川 成都 610213 2. 北京石油化工學(xué)院，北京 102600

0 引言

在核電領(lǐng)域，乏燃料后處理對核安全具有重要意義，是保障核電技術(shù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)國家雙碳目標(biāo)的關(guān)鍵。目前，乏燃料處理方式主要是格架、水池臨時(shí)貯存，待放射性減弱之后再轉(zhuǎn)運(yùn)到指定地點(diǎn)深埋。過往工程經(jīng)驗(yàn)表明，乏燃料水池在長期服役過程中易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂、母材或焊縫點(diǎn)蝕等缺陷。目前主要采用手工焊接進(jìn)行維修，輻照環(huán)境對人體健康危害大，尤其是乏燃料水池邊角等位置，破損幾率和焊接難度均進(jìn)一步增加，急需開發(fā)一種可遠(yuǎn)程操控的水下焊接維修裝置和維修工藝［1-2］。

水下焊接技術(shù)自1917年英國首次應(yīng)用以來，從最初的濕法電弧焊接，逐步發(fā)展出濕法、干法、局部干法等不同類型的水下焊接技術(shù)［3-4］。水下局部干法焊接技術(shù)興起于20 世紀(jì)60 年代末，該技術(shù)綜合了濕法和干法兩者的優(yōu)點(diǎn)，焊接接頭質(zhì)量有了明顯改善，而所需的裝備和操作則比干法簡單靈活，是當(dāng)下水下焊接的一個(gè)重點(diǎn)研發(fā)方向［5-6］。

水下局部干法焊接技術(shù)研究始于20 世紀(jì)70 年代，從最開始的小范圍半自動保護(hù)焊技術(shù)，發(fā)展到現(xiàn)在能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍內(nèi)惰性氣體保護(hù)下的氬弧焊、激光焊接，并且針對不銹鋼等常用材料進(jìn)行了對接工藝試驗(yàn)，優(yōu)化了工藝參數(shù)，國外先進(jìn)的技術(shù)還在核電現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)應(yīng)用［7-15］。但是針對核電乏燃料水池、格架等對象的水下局部激光焊接研究，特別是針對角落難焊位置的焊接工藝研究較少，目前尚未見局部干法水下激光焊接設(shè)備在國內(nèi)核領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用報(bào)道。

本研究針對核電乏燃料水池、格架等研究對象，開發(fā)了一種局部干法水下激光焊接裝置，通過獨(dú)特的排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在普通平焊位置基礎(chǔ)上，重點(diǎn)兼顧了水下乏池角焊縫焊接作業(yè)等需求。基于該焊接裝置，以304不銹鋼角焊縫為母材，開展了水下焊接工藝試驗(yàn)，并對其焊縫組織進(jìn)行了表征，以驗(yàn)證局部干法水下激光焊接裝置的可行性。

1 局部干法水下激光焊接裝置

1.1 焊接裝置總體方案設(shè)計(jì)

局部干法水下激光焊接裝置主要實(shí)現(xiàn)水下焊縫的遠(yuǎn)程自動激光焊接，需要解決三個(gè)主要問題：一是在水下形成穩(wěn)定的局部干燥空間；二是送絲、排水、激光頭等機(jī)構(gòu)在有限空間內(nèi)的集成；三是裝置系統(tǒng)的控制集成。

局部干法水下焊接主要有三種創(chuàng)造局部干燥空間的方式：水簾式（鋼刷式）、微型排水罩式和氣室式，目前常用的是微型排水罩式和氣室式。氣室式能夠提供較大的、穩(wěn)定的局部干燥焊接空間，但是氣室的體積大，靈活性差［16］。微型排水罩加上可移動機(jī)構(gòu)可以在水下實(shí)現(xiàn)靈活、快速創(chuàng)造干燥焊接空間的目的。因此，本焊接系統(tǒng)的排水裝置采用了可移動微型排水罩的方式，焊接系統(tǒng)主要包括激光器、水冷機(jī)、焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)、焊接排水罩、氣源、穩(wěn)壓電源、送絲機(jī)構(gòu)和控制中心等部分，如圖1所示。

焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)攜帶微型排水罩，實(shí)現(xiàn)排水罩在X、Y、Z三個(gè)方向上的移動。氣源為焊接排水罩提供持續(xù)穩(wěn)定的惰性氣體，用于罩內(nèi)排水以及焊接時(shí)的氣體保護(hù)?？刂浦行膶?shí)現(xiàn)對激光器、焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)、氣源以及送絲機(jī)構(gòu)的集中控制。

本裝置的基本工作原理是：由氣源向焊接排水罩內(nèi)部供氣，排出罩內(nèi)的水，并提供一個(gè)適宜于焊接的惰性氣體環(huán)境；控制中心控制焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)帶動排水罩運(yùn)動至焊接位置；通過控制中心調(diào)節(jié)送絲速度、焊接速度等參數(shù)，確定焊接起始坐標(biāo)，并啟動激光器實(shí)施激光焊接。焊接排水罩與氣源、激光器、水冷機(jī)、送絲機(jī)等均具有連接關(guān)系，且包含了核心施焊結(jié)構(gòu)——激光頭，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本裝置需要解決的核心問題。

1.2 焊接排水罩設(shè)計(jì)

焊接排水罩結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包含外罩、激光頭、溫濕度儀、攝像頭、照明、送絲頭以及焊接腔室等部分。外罩為一個(gè)中空腔體，采用鋁合金材料，通過密封條和螺栓連接進(jìn)行密封。外罩右側(cè)開設(shè)多個(gè)孔，為光纖、水冷管道、控制線纜、送絲管路等連接提供通道。外罩內(nèi)部以激光頭為主體，激光頭設(shè)置有多個(gè)接口，分別與攝像、水冷、光纖及控制線纜等部分連接，實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能結(jié)構(gòu)在焊接排水罩內(nèi)部的集成。L形激光頭將通過光纖傳輸?shù)募す膺M(jìn)行90°轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)激光豎直向下發(fā)射，同時(shí)在激光頭內(nèi)部實(shí)現(xiàn)激光準(zhǔn)直、聚焦功能。

圖2 焊接排水罩結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of welded drainage cover structure

焊接腔室的主要功能是為水下焊接提供一個(gè)穩(wěn)定的、不受干擾的焊接環(huán)境。它是一個(gè)兩段連接的中空腔體結(jié)構(gòu)，與外罩通過螺紋連接。焊接腔室主要由上殼體和下殼體兩部分構(gòu)成，通過螺紋連接，如圖3所示。上殼體分布有1 個(gè)大孔和4 個(gè)小孔，小孔是惰性氣體通道，大孔是氣壓傳感器安裝位置；下殼體主要作為屏障隔絕外部的水環(huán)境。下殼體有兩種不同的結(jié)構(gòu)，分別適用于平焊和角焊兩種狀態(tài)，圖3為角焊的連接狀態(tài)，下殼體的短邊邊緣為45°角，用以貼合角落位置。

圖3 焊接腔室結(jié)構(gòu)Fig.3 Welding chamber structure

在焊接腔室內(nèi)部，分布著從外罩中伸出的激光光路保護(hù)罩、溫濕度儀、攝像頭、照明、送絲頭等，實(shí)現(xiàn)對焊接環(huán)境及焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，如圖4所示。除送絲頭外，其他處于焊接腔室內(nèi)部的器件均采用防水保護(hù)設(shè)計(jì)，尤其是激光頭。激光光路保護(hù)罩采用了單獨(dú)的氣體保護(hù)設(shè)計(jì)，通過在鏡片下方的圓柱形中空腔體內(nèi)引入一路氣體，向下方持續(xù)噴出，防止水霧和飛濺水滴對鏡片的干擾。

圖4 焊接腔室內(nèi)的器件分布Fig.4 Distribution of components inside the welding chamber

2 焊接工藝試驗(yàn)

使用局部干法水下激光焊接裝置，在尺寸為680 mm×520 mm×220 mm 的實(shí)驗(yàn)水箱內(nèi)開展不銹鋼角焊縫焊接試驗(yàn)。焊接母材為核電站乏池常用的304 不銹鋼，厚度為10 mm，保護(hù)氣體為99.99%氬氣。作為對比，采用同樣的焊接參數(shù)，在相同位置對同種304不銹鋼進(jìn)行空氣中的角焊縫試驗(yàn)。試驗(yàn)前，在水箱內(nèi)放置待焊的不銹鋼平板，組合形成角焊縫結(jié)構(gòu)，采用壓緊工裝固定并對該位置標(biāo)記。通過排水罩調(diào)整工裝將整個(gè)焊接排水罩由豎直向下調(diào)整為與水平面呈45°夾角，用于角焊縫焊接。

2.1 水下焊接工藝試驗(yàn)

通過控制中心面板設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制，通過X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動相配合，使排水罩（含激光頭）運(yùn)動到標(biāo)記的角焊縫起始點(diǎn)位置，記錄該位置的坐標(biāo)參數(shù)。通過控制中心控制惰性氣體的輸入流量，向排水罩內(nèi)輸入惰性氣體，對待焊位置進(jìn)行排水。通過攝像頭顯示屏觀察焊接腔室內(nèi)的排水情況，直到焊接試件表面干燥。通過精確位置調(diào)整，將焊接光束與焊縫對齊；調(diào)整焊接位置（改變離焦量）并設(shè)置焊接速度、送絲速度、送絲角度等參數(shù)，如表1所示。啟動激光器和送絲機(jī)進(jìn)行水下激光填絲焊接作業(yè)，焊接長度約100 mm。

表1 水下焊接工藝參數(shù)Table 1 Underwater Welding Process Parameters

2.2 空氣焊接工藝試驗(yàn)

在干燥水箱中相同位置設(shè)置待焊角焊縫結(jié)構(gòu)，接通裝置電源，通過控制中心驅(qū)動焊接運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使焊接激光頭運(yùn)動到記錄的坐標(biāo)點(diǎn)位置。對齊光束并聚焦之后，采用與表1 相同的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行角焊縫焊接，焊接長度同樣為100 mm。

2.3 焊接結(jié)果分析

圖5 為兩種焊接環(huán)境下獲得的角焊縫宏觀形貌。焊縫成形連續(xù)穩(wěn)定，均顯示魚鱗狀特征，表面光亮，未見氧化層和裂紋、氣孔等表面缺陷。說明局部干法水下環(huán)境可達(dá)到與普通空氣環(huán)境類似的焊接保護(hù)效果和焊縫質(zhì)量。

圖5 角焊縫宏觀形貌Fig.5 Macro morphology of fillet welds

圖6為兩種環(huán)境焊縫的橫截面形貌。兩種焊縫的橫截面特征類似，截面均呈月牙形，組成拐角位置的豎板和底板通過角焊縫成功熔合，且在焊縫熔合區(qū)和熱影響區(qū)均未見氣孔和裂紋等缺陷。進(jìn)一步放大焊縫熔合區(qū)，如圖7所示，可見空氣環(huán)境和局部干法水下環(huán)境焊縫的熔合區(qū)均以柱狀晶為主，一次枝晶和二次枝晶清晰。其中，空氣環(huán)境下枝晶干長度略大于局部干法水下環(huán)境，這與空氣環(huán)境下的冷卻速率更慢有關(guān)。

圖6 橫截面形貌Fig.6 Cross section morphology

圖7 焊縫熔合區(qū)金相組織Fig.7 Metallographic structure of weld fusion zone

3 結(jié)論

研制了一套可用于角焊縫局部干法水下焊接的激光焊接設(shè)備，并利用該設(shè)備開展了焊接工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，主要結(jié)論如下：

（1）通過對焊接排水罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能的一體優(yōu)化，完成了局部干法水下激光焊接裝置研制，不僅可實(shí)現(xiàn)平焊位置的局部干法水下焊接，還可用于角焊縫局部干法水下焊接。

（2）局部干法水下激光焊接裝置不僅實(shí)現(xiàn)了焊接必需的激光能量傳輸、送絲、排水及焊縫保護(hù)等功能，還具備照明、焊接環(huán)境及焊接過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及焊接區(qū)域的溫濕度監(jiān)測，具備較強(qiáng)的工程應(yīng)用潛力。

（3）利用304 奧氏體不銹鋼開展了局部干法水下激光焊接裝置的工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，并與空氣中相同參數(shù)的角焊縫焊接效果進(jìn)行對比，二者的焊縫成形質(zhì)量和金相組織未見顯著差異，焊縫均成形良好，表明局部干法水下激光填絲角焊焊接過程穩(wěn)定，為邊角位置局部干法水下激光焊接奠定了良好基礎(chǔ)。