蒸汽發生器傳熱管焊接堵管用小型化激光頭研制

楊二娟，陳吉朋，毛玉林，丁海陽，蔡 暉，劉福廣

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.南京林業大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037；3.南京輝銳光電科技有限公司，江蘇 南京 211121）

蒸汽發生器是核反應堆冷卻劑系統的關鍵設備，能夠將一回路冷卻劑的熱量傳遞給二回路給水并產生飽和蒸汽供汽輪機做功，同時也是構成第二道安全屏障的重要設備之一[1]。蒸汽發生器管板和傳熱管支撐板是蒸汽發生器中的主要部件。蒸汽發生器管板是一、二回路間的壓力邊界，上面排布有大量傳熱管管孔，并與傳熱管相脹接，起到固定傳熱管的作用[2]。傳熱管是核島一回路中壓力邊界最薄弱的位置[3]，傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，而其壁厚一般僅為1.0～1.5 mm[4]，且在室溫下抗拉強度Rm/MPa≥630[5]。服役過程中，傳熱管長期在高溫、高壓及高輻射作用下，會產生機械或化學損傷，導致傳熱管破損從而發生放射性冷卻劑外泄，造成嚴重的社會、環境問題和巨大的經濟損失。因此，需對破損傳熱管進行堵管作業。

堵管是在破損傳熱管兩端分別增加堵頭，從而將破損傳熱管隔離于一回路介質外。目前各國在核電站維修實踐中，主要采用爆炸堵管、焊接堵管和機械堵管三類堵管方式[6]。爆炸堵管由于高殘余應力，容易導致應力腐蝕，基本已不再使用[7]。機械堵管依靠拉動錐形堵頭滑塊產生徑向脹緊力，使得堵頭套筒膨脹并貼緊傳熱管內壁[8]。機械堵管工藝簡單，堵管所需時間很短，目前廣泛應用于在役堵管服務，但堵頭結構復雜，需要通過結構塑性變形實現密封[7]。機械堵管實質是依靠殘余應力將堵頭與管子緊密結合，一旦應力松弛或消失將導致堵管失效[9]。焊接堵管利用焊接方法將堵頭材料與破損的管板局部熔合，焊接堵管堵頭結構簡單，密封性能可靠，成本低。文獻[7]報道了深圳中廣核工程設計有限公司設計了新型蒸汽發生器自熔焊焊接堵管堵頭，并利用鎢極惰性氣體保護焊實現了焊接堵管作業。

激光焊接（laser welding）是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，是一種現代化高端焊接工藝。激光焊接其能量密度高度集中，具有優良的傳輸及聚焦特性，其焊接熱輸入小，焊縫變形小殘余應力低[10-12]。激光焊接適用于精密加工，廣泛應用于汽車、船舶、航空航天等裝備制造業領域中，在核電裝備制造和堵管作業中，有廣闊的應用前景。如韓國重工和建筑公司（Korea heavy industries and construction co.ltd）利用功率范圍為150～730 W 的Nd：YAG 激光器，開展了激光焊接堵管實驗研究[13]。

現階段，如何提高堵管焊接質量，進一步降低堵管作業的近程操作時間，是堵管作業的重要研究課題。盡管激光焊接堵管有望獲得較好的焊接質量，然而，小型化專用激光焊接頭的缺乏，阻礙了激光焊接技術面向堵管作業的實際應用。其原因包括兩方面：第一，受限于蒸汽發生器管板結構的空間結構和尺寸，過大的激光頭容易造成干涉或者帶來焊接盲區；第二，為實現遠程自動化焊接堵管，需利用多軸機器人作為運動執行單元，但是過重的激光頭往往加重或超出多軸機器人的工作負荷。因此，亟須開發小型化的激光頭，為實現自動化遠程焊接堵管作業提供專門焊接裝置。

1 激光頭光路分析與設計

為了達到材料焊接所需的能量密度，需進行激光聚焦。激光光束的聚焦常用有兩種方式：透射式和反射式。其中，透射式激光光束聚焦點易于調整且允許光束有微小偏心，幾乎可獲得任何尺寸的焦斑。因此，采用透射式光束聚焦。如圖1（a）所示，激光頭光路主要由光纖、準直透鏡和聚焦透鏡組成。光纖激光器輸出的光斑接近高斯型分布，已知光纖的數值孔徑為NA，入射高斯光束的束腰到透鏡的距離近似等于透鏡的焦距f，可確定經薄透鏡后的光束直徑D：

圖1 激光頭光路圖Fig.1 The optical path of the laser head

式中：D——入射光束大小，mm；

Dfiber——光纖芯徑，mm。

通過光束大小可以確定機械固定件的尺寸孔徑大小，預防激光能量的損失和對殼體散熱的影響。

使用單透鏡聚焦時，系統中的焦點直徑、焦深和發散角之間存在以下數值關系[14]：

式中：α——實際發散角，rad；

w'——束腰直徑，mm；

λ——激光波長，mm；

D——透鏡的通光口徑，mm；

f'——透鏡的焦距，mm。

由式（2）、式（3）、式（4）可以得到焦深Δf'與像方張角θ的關系：

式中：Δf'——焦深即2 倍的瑞麗長度，mm；

θ——像方張角，（°）。

通過式（5）可知，焦深 Δf'與像方張角θ的平方成反比。因此，可根據不同的焦深要求制定不同的像方張角，從而獲得機械外形的傾角尺寸。

根據高斯光束透鏡變換公式[15]，可確定任意離焦位置Δz處的光斑直徑：

式中：Δw'——光斑直徑，mm；

Δz——離焦距離，mm。

根據以上分析，采用光纖準直一體式結構的光纖耦合輸出模塊，數值孔徑NA=0.22，聚焦透鏡f'=125 mm，通光口徑25.4 mm。如圖1所示，光路采用透射式光束聚焦，光學元件少，易于調節且容差性好。

2 激光頭結構設計與運動仿真

2.1 激光頭結構設計

設計的小型激光焊接頭外觀如圖2（a）所示。激光頭由光纖接口、安裝座、殼體、氣路、水路、準直鏡、聚焦鏡、保護鏡片等部件構成。激光通過光纖接口傳導至激光頭主體部分。所用的光纖接口為QBH 接頭，該接頭采用定制化設計將準直鏡集成于接口單元中，從而縮小激光頭的尺寸。從準直鏡穿過的激光通過聚焦鏡聚焦后，從激光頭端部的錐形孔中射出。

圖2 小型激光頭結構示意圖Fig.2 The structure of the small-sized laser head

為防止激光燒蝕，激光頭的出口端錐形孔大于激光光束尺寸。激光頭中保護鏡片的作用是防止焊接過程中產生的高溫金屬蒸汽等損傷聚焦鏡等光學鏡頭。為實現對焊接過程中的熔池保護，需在焊接過程中提供惰性保護氣體。保護氣體可通過旁軸輸送或者同軸輸送的方式實現。旁軸輸送保護氣體需增加旁軸氣路及其輔助固定裝置。為簡化結構，本設計采用同軸輸氣方式。同軸輸氣的實現方式是在激光頭上增加氣路接頭，惰性氣體通過接頭后在激光頭中的錐形孔中噴出。此外，在激光頭上還設置有水路結構，該水路結構的目的是給聚焦鏡片降溫。冷卻水通道如圖2（b）所示。在鏡頭圓周附近設置水槽結構，水槽的兩頭分別安裝進水管和出水管，冷卻水流過水槽的同時帶走鏡頭附近的熱量，實現對鏡頭的降溫。冷卻水通過外部連接的水冷機降溫后循環供給激光頭裝置。

2.2 激光頭運動仿真

考慮到蒸汽發生器給水端的現場環境和空間尺寸，激光頭安裝于六軸機器人上，并作為機器人的末端執行裝置實現自熔焊接作業。為防止小型激光頭的與蒸汽發生器管板結構發生干涉，需對激光頭進行運動仿真，考查其在蒸汽發生器內焊接運動性能和干涉特性。

運動仿真在SolidWorks Motion 環境進行，設置激光器的運動軌跡繞指定的傳熱管進行圓周運動。如圖3 所示，結果表明小型激光頭在蒸汽發生器內未發生明顯干涉，進一步，在近壁面也未發生明顯干涉（運動姿態有所受限），說明該小型激光頭能滿足蒸汽發生器的焊接堵管作業的基本需求。

圖3 激光頭在蒸汽發生器內的運動仿真Fig.3 The motion simulation of the laser head in the steam generator

3 激光頭加工和焊接驗證

3.1 激光頭加工

所加工的小型激光頭如圖4 所示。激光頭冷卻模塊和末端噴嘴采用銅材，以提高傳熱和散熱效果。激光頭底座結構采用鋁合金，以降低裝置的整體重量。其中，冷卻模塊的工程圖如圖5 所示。

圖4 激光頭實物圖Fig.4 The machined sample of the laser head

圖5 冷卻模塊的工程圖Fig.5 The engineering drawing of the cooling module

3.2 激光頭的焊接驗證

為進一步驗證激光頭的焊接效果，進行了焊接驗證實驗。焊接驗證實驗采用蒸汽發生器傳熱管模擬件，并根據模擬件設計了焊接堵頭結構。模擬傳熱管的內徑為13 mm，所設計的堵頭材料為 inconel690，直徑 13 mm，長度20 mm，與模擬傳熱管之間的配合公差小于0.05 mm。焊接功率為500 W，采用激光自熔焊的方式，焊接進給速率為600 mm/min。堵頭、傳熱管模擬件以及焊接后的工件如圖6 所示。將焊接工件沿著軸向剖切，并進行制樣觀察，得到金相特性如圖7 所示。在堵頭和模擬傳熱管的配合處（即軸孔配合處），經測試材料在0～3 mm 深度范圍內已經完全融合，在室溫下堵頭橫截面的抗拉強度Rm/MPa≥680，初步證明了所設計的激光頭易操作和有效性，可用于蒸汽發生器傳熱管的焊接堵管加工。

圖6 焊接實驗樣本Fig.6 The welding sample

圖7 焊接工件的截面金相Fig.7 The metallograph of the weld cross section

4 結論

（1）所設計的小型激光頭包括光纖接口、安裝座、殼體、氣路、水路、準直鏡、聚焦鏡、保護鏡片等部件，結構簡單，易于制造。

（2）小型激光頭在蒸汽發生器內未發生明顯干涉，滿足蒸汽發生器焊接堵管作業的尺寸需求。

（3）焊接驗證實驗和強度測試表明，所設計的小型激光頭較好地實現了材料熔合，可用于蒸汽發生器焊接堵管作業。