王偉 王澤明 魏連峰 張恒泉 侯藹麟 王世忠

摘要：核能是一種安全、清潔、高效的能源，發(fā)展核電將成為未來(lái)世界電力發(fā)展的主要趨勢(shì)。核電站關(guān)鍵設(shè)備及堆內(nèi)構(gòu)件在長(zhǎng)期運(yùn)行于高放射性高溫環(huán)境后，需進(jìn)行檢修及退役處理，為降低檢測(cè)和維修人員受輻照的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)檢修工作需要在水下進(jìn)行。水下激光加工由于具有熱輸入低、作用位置精確、可遠(yuǎn)程傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在核電領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。概述了水下激光焊接、沖擊強(qiáng)化、切割等水下激光加工技術(shù)的原理及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了激光加工技術(shù)在核電水下維修領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：水下激光焊接;水下激光沖擊強(qiáng)化;水下激光切割;核電維修

中圖分類(lèi)號(hào)：TG456.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0074-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.11

0 前言

核反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件及燃料組件由于結(jié)構(gòu)及材料種類(lèi)復(fù)雜[1]，且長(zhǎng)期服役于高溫、高振動(dòng)、高放射性環(huán)境，不可避免地會(huì)出現(xiàn)諸如磨損、腐蝕、疲勞開(kāi)裂等損傷效應(yīng)[2]。為了在安全運(yùn)行的前提下延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的使用壽命，對(duì)難以更換的老化設(shè)備及構(gòu)件進(jìn)行在役維修是行之有效的方法。然而，由于高放射性及狹窄水下空間等環(huán)境因素的限制，采用傳統(tǒng)的人工修復(fù)方法不僅成本高、操作難度大，而且作業(yè)效率也越來(lái)越難以滿足行業(yè)的發(fā)展需求[3-4]。

水下激光加工技術(shù)在核電站特別是反應(yīng)堆設(shè)備修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，這得益于激光可通過(guò)光纖遠(yuǎn)距離傳輸，具有較好的狹窄空間適應(yīng)性，且相比于火焰、電弧等傳統(tǒng)熱源，激光束能量密度高、熱輸入小，不僅作用位置精確[5]，還可集成多種加工工藝于一體，易于與機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。水下激光加工技術(shù)已成為水下維修領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前，已經(jīng)應(yīng)用及有望應(yīng)用于核電水下維修領(lǐng)域的激光加工技術(shù)包括激光焊接、沖擊強(qiáng)化、切割等，文中將就上述水下激光加工技術(shù)的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并探討相關(guān)技術(shù)的研究熱點(diǎn)與發(fā)展方向。

1 水下激光焊接

1.1 水下激光焊接分類(lèi)及特點(diǎn)

作為先進(jìn)材料連接技術(shù)的一個(gè)重要分支，激光焊接在設(shè)備制造及維修中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[6]。日本機(jī)械工程師協(xié)會(huì)指出[7]，可采用激光焊接方式修復(fù)水下核設(shè)備表面的裂紋。當(dāng)裂紋尺寸較小時(shí)，通過(guò)在裂紋表面堆焊耐蝕層可達(dá)到阻礙裂紋擴(kuò)張、抑制應(yīng)力腐蝕發(fā)展的目的;當(dāng)裂紋超過(guò)臨界尺寸則需開(kāi)坡口補(bǔ)焊，即采用機(jī)加工方式挖除裂紋，并進(jìn)行激光填絲修復(fù)。

水下激光焊接根據(jù)工作環(huán)境的不同可分為濕法焊接與局部干法焊接[8]。濕法焊接即激光束直接透過(guò)水介質(zhì)進(jìn)行焊接，而局部干法則需借助排水裝置對(duì)待焊區(qū)域進(jìn)行局部排水，以獲得干燥的局部施焊空間。姚杞等[9]使用上述兩種方法進(jìn)行不銹鋼水下焊接的對(duì)比研究，由于水介質(zhì)及水中氣泡對(duì)激光束的散射、折射作用[10-11]，濕法焊接時(shí)，焊接位置無(wú)法獲得連續(xù)穩(wěn)定的能量輸入，焊縫成形較差。相比之下，局部干法焊接過(guò)程穩(wěn)定，且所得接頭力學(xué)性能優(yōu)異[12]，更加適合于水下維修。

1.2 水下激光焊接的研究及應(yīng)用

目前，濕法水下激光焊接由于受限于水介質(zhì)對(duì)激光束的衰減，尚未獲得應(yīng)用，水下激光焊接以局部干法為主。而進(jìn)行局部干法水下激光焊接的首要條件是獲得穩(wěn)定的局部干燥空間。倘若焊接過(guò)程中水分侵入焊接區(qū)易形成氣溶膠，不僅會(huì)影響激光傳輸質(zhì)量，還會(huì)增加焊縫中的氧、氫含量，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)合金元素的燒損及氧化物夾雜[13-14]。目前，局部干法焊接常用的排水裝置按屏蔽介質(zhì)可分為氣簾式及水簾式兩種[15-16]。德國(guó)BIAS公司使用氣簾式排水裝置進(jìn)行了奧氏體不銹鋼板水下激光焊接試驗(yàn)[17]，研究人員通過(guò)優(yōu)化氣流量的方式獲得了相對(duì)穩(wěn)定的局部干燥空間，然而由于無(wú)法填充焊絲，該設(shè)備僅可實(shí)現(xiàn)自熔焊，無(wú)法堆焊耐蝕層。為了實(shí)現(xiàn)表面堆焊及開(kāi)坡口補(bǔ)焊，日本日立公司（Hitachi）開(kāi)發(fā)出水簾式水下激光填絲設(shè)備[7]，如圖1所示，并在0.3 MPa水壓條件下成功進(jìn)行了U型及V型坡口焊縫的焊接。通過(guò)匹配水流速可控制水簾強(qiáng)度，由于水相比于氣體具有更高的粘度和表面張力，因此水簾式排水裝置所獲得的局部干燥空間更加穩(wěn)定。

針對(duì)壓力容器安全端接管焊縫易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的問(wèn)題，日本東芝公司（Toshiba）使用水下激光堆焊耐蝕層的方法對(duì)焊縫及熱影響區(qū)進(jìn)行強(qiáng)化[18]。研究人員使用鎳基焊材分別對(duì)600合金及304L不銹鋼進(jìn)行表面堆焊，結(jié)果表明，堆焊層顯著提高了材料的耐應(yīng)力腐蝕性能。隨后，東芝公司對(duì)壓力容器管道內(nèi)壁進(jìn)行了水下激光堆焊試驗(yàn)，獲得了成形良好的全位置堆焊層，堆焊裝置及堆焊層形貌如圖2所示。

此外，日本石川化成重工業(yè)公司（IHI）進(jìn)行了核電站高放射性容器內(nèi)部的遠(yuǎn)程檢修工作[19-20]，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的水下遙控監(jiān)測(cè)和激光焊接機(jī)器人，使用水下激光焊方法進(jìn)行了SUS304不銹鋼的填絲焊接，得到的焊縫力學(xué)性能良好，與大氣環(huán)境下的焊接接頭性能相近。

局部干法水下激光焊接應(yīng)用表明，水下激光焊接質(zhì)量受局部干燥空間的穩(wěn)定性、焊接參數(shù)匹配程度等諸多因素的影響，保護(hù)不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)氣孔及夾雜缺陷，在條件允許的情況下，進(jìn)行局部預(yù)熱有望進(jìn)一步提高接頭質(zhì)量，相關(guān)研究也是一個(gè)熱點(diǎn)。

2 水下激光沖擊強(qiáng)化

2.1 水下激光沖擊強(qiáng)化原理及特點(diǎn)

激光表面沖擊強(qiáng)化由于可改變材料表面應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能起到較好的抑制作用[21]。水下激光沖擊強(qiáng)化原理如圖3所示，當(dāng)納秒激光作用于水下工件表面時(shí)，表面材料吸收激光能量從而產(chǎn)生等離子體。此時(shí)，工件上方的水介質(zhì)作為天然約束層對(duì)等離子體的爆發(fā)性膨脹產(chǎn)生約束作用，金屬材料表面受到等離子體沖擊產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，并出現(xiàn)壓應(yīng)力層，顯著提高材料的表面硬度及耐磨、耐蝕性[22]。

2.2 水下激光沖擊強(qiáng)化的研究及應(yīng)用

奧氏體不銹鋼及鎳基合金作為核電站常用結(jié)構(gòu)材料，均具有較高應(yīng)力腐蝕敏感性，即在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力的共同作用下容易開(kāi)裂[24]。反應(yīng)堆壓力容器中易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的部位包括安全端接管焊縫、下封頭與套管貫穿件J型焊縫、注水接管焊縫等，如圖4所示[23]，這些承壓設(shè)備的損傷修復(fù)對(duì)先進(jìn)而可靠的高端維修技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)不僅能用于焊縫的強(qiáng)化，還能提高材料表面的耐蝕、耐磨性，可顯著改善核反應(yīng)堆關(guān)鍵部件的安全性與可靠性。

M. Yoda等[25]采用波長(zhǎng)532 nm的納秒激光對(duì)304不銹鋼進(jìn)行水下激光沖擊強(qiáng)化試驗(yàn)，使用X射線衍射法測(cè)量沖擊強(qiáng)化前后材料表面的殘余應(yīng)力。結(jié)果表明，激光沖擊強(qiáng)化使得的合金表面殘余應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了“拉→壓”轉(zhuǎn)變，壓應(yīng)力層深度超過(guò)1 mm。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，沖擊強(qiáng)化前后材料的微觀組織無(wú)明顯差別，而其應(yīng)力腐蝕敏感性在激光沖擊強(qiáng)化后明顯降低。

由于反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，日本東芝公司最初采用鏡面反射進(jìn)行激光遠(yuǎn)程傳輸，通過(guò)精密的對(duì)準(zhǔn)和光學(xué)跟蹤系統(tǒng)精確控制激光束的作用位置[23]。隨著光纖激光器的快速發(fā)展，通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)了脈沖激光的遠(yuǎn)距離傳輸，極大地提升了系統(tǒng)的加工柔性。適用于壓水堆的水下激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)如圖6所示，激光通過(guò)光纖引導(dǎo)至壓力容器底部下封頭與套管貫穿件J型焊縫區(qū)域，通過(guò)控制激光頭進(jìn)行軸向圓周運(yùn)動(dòng)，可對(duì)該易腐蝕區(qū)域進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。由于可同時(shí)使用多套設(shè)備進(jìn)行高效作業(yè)，極大程度地縮短了停堆時(shí)間，降低了維修成本。

壓力容器安全端接管焊縫內(nèi)表面的水下激光沖擊強(qiáng)化過(guò)程如圖7所示。安全端接管焊縫為異種材料接頭，易出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，通過(guò)軸向逐步移動(dòng)激光頭可對(duì)整個(gè)管內(nèi)壁焊縫區(qū)域進(jìn)行沖擊強(qiáng)化。

法國(guó)在激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域開(kāi)展了大量基礎(chǔ)性研究[26]，包括建立激光沖擊強(qiáng)化的理論模型，殘余應(yīng)力的數(shù)值計(jì)算，以及激光強(qiáng)化工藝對(duì)鋁合金及不銹鋼的抗疲勞、耐磨耐腐蝕性的改善行為等。

美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究了激光沖擊強(qiáng)化對(duì)乏燃料、核廢料罐材料（UNS N06022）的影響[27]，激光沖擊強(qiáng)化使得焊縫中心的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，深度可達(dá)4.3 mm，且應(yīng)力深度與強(qiáng)化層數(shù)量有顯著關(guān)系，這一轉(zhuǎn)變抑制了焊縫發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的傾向。

研究開(kāi)發(fā)強(qiáng)脈沖、高頻率、高柔性的抗輻射水下激光沖擊強(qiáng)化系統(tǒng)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。

3 水下激光切割

3.1 水下激光切割原理及特點(diǎn)

水下激光切割過(guò)程示意如圖8所示，使用高壓輔助氣體排開(kāi)工件表面水膜以形成一個(gè)局部氣腔，使得激光可以直接作用于待切割工件表面。由于激光束能量密度較高，激光作用區(qū)材料迅速升溫至熔點(diǎn)甚至沸點(diǎn)，高壓輔助氣體吹除熔融金屬以形成切口，設(shè)置激光束的移動(dòng)軌跡，則可獲得寬度均勻的切縫[28]。

水下激光切割技術(shù)具有切割速度快、熱損傷小、切割質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)[29-30]，而且可以抑制受輻照材料的碎片和金屬蒸汽等有害物質(zhì)向空氣中擴(kuò)散，可應(yīng)用于核設(shè)施輻照后的維修、退役以及乏燃料儲(chǔ)存格架的改造等。

3.2 水下激光切割的研究及應(yīng)用

我國(guó)學(xué)者朱華等[31]分別使用CO2激光器和Nd-YAG固體激光器對(duì)304不銹鋼進(jìn)行水下切割，波長(zhǎng)為532 μm的激光束在水中的穿透能力更好，但切割質(zhì)量會(huì)隨著光程增大、水中雜質(zhì)增多而降低。李倩等[32]使用光纖激光器在模擬海洋環(huán)境的鹽水中進(jìn)行304不銹鋼板的切割試驗(yàn)，研究了水體條件、激光參數(shù)等對(duì)切割效率及質(zhì)量的影響。結(jié)果表明，水的鹽度和溫度將顯著影響切割效率。

王威等[33]使用高壓密封艙模擬50 m水深環(huán)境，在艙中進(jìn)行30 mm厚SS304不銹鋼板的水下激光切割試驗(yàn)研究，切割阻力隨切割速度的增加而增大，不利于熔融產(chǎn)物的吹除，導(dǎo)致切縫底部紋理后拖，切口表面粗糙度增加，不同切割速度下的激光切縫形貌如圖9所示。

Ambar等[34]使用脈沖激光器進(jìn)行304不銹鋼板水下切割試驗(yàn)。使用氧氣作為輔助氣體切割時(shí)，通過(guò)增加脈沖持續(xù)時(shí)間、降低光斑重疊率，可將切割速度提高約3倍。與大氣中的一般激光切割技術(shù)相比，由于水介質(zhì)的激冷作用，水下激光切縫的熱影響區(qū)更小，切割區(qū)的晶粒粗化現(xiàn)象明顯減小，割口顯微組織如圖10所示。

與傳統(tǒng)的切割方法相比，水下激光切割更加安全與便捷，適用于水下環(huán)境放射性結(jié)構(gòu)的拆解，如何提高切割效率、切割厚度，以及最大程度降低切割碎屑對(duì)水體的污染將成為未來(lái)的研究重點(diǎn)。

4 展望

激光加工技術(shù)在核反應(yīng)堆在役檢查、應(yīng)急維修、退役處理等領(lǐng)域均具有較好的應(yīng)用前景。未來(lái)，適用于核電維修領(lǐng)域的水下激光加工設(shè)備將朝著高度集成及模塊化的方向發(fā)展，達(dá)到同時(shí)滿足清洗、切割、焊接、沖擊強(qiáng)化、熱處理等多種工藝需求，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”。同時(shí)，水下激光加工技術(shù)會(huì)向自動(dòng)化、智能化邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)維修區(qū)域智能識(shí)別及檢修過(guò)程在線監(jiān)測(cè)、維修質(zhì)量評(píng)估等，在保障安全的前提下，能夠經(jīng)濟(jì)、高效地完成核電站維修任務(wù)。

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