局部干法水下激光焊接裝置研制及工藝試驗

張義林， 張玉佳， 朱勇輝， 朱加雷， 袁 軍， 付 超

1. 中國核動力研究設計院，四川 成都 610213 2. 北京石油化工學院，北京 102600

0 引言

在核電領域，乏燃料后處理對核安全具有重要意義，是保障核電技術發展、實現國家雙碳目標的關鍵。目前，乏燃料處理方式主要是格架、水池臨時貯存，待放射性減弱之后再轉運到指定地點深埋。過往工程經驗表明，乏燃料水池在長期服役過程中易出現應力腐蝕開裂、母材或焊縫點蝕等缺陷。目前主要采用手工焊接進行維修，輻照環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一步增加，急需開發一種可遠程操控的水下焊接維修裝置和維修工藝［1-2］。

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

水下局部干法焊接技術研究始于20 世紀70 年代，從最開始的小范圍半自動保護焊技術，發展到現在能夠實現較大范圍內惰性氣體保護下的氬弧焊、激光焊接，并且針對不銹鋼等常用材料進行了對接工藝試驗，優化了工藝參數，國外先進的技術還在核電現場實現應用［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備在國內核領域的相關應用報道。

本研究針對核電乏燃料水池、格架等研究對象，開發了一種局部干法水下激光焊接裝置，通過獨特的排水結構設計，在普通平焊位置基礎上，重點兼顧了水下乏池角焊縫焊接作業等需求?；谠摵附友b置，以304不銹鋼角焊縫為母材，開展了水下焊接工藝試驗，并對其焊縫組織進行了表征，以驗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計

局部干法水下激光焊接裝置主要實現水下焊縫的遠程自動激光焊接，需要解決三個主要問題：一是在水下形成穩定的局部干燥空間；二是送絲、排水、激光頭等機構在有限空間內的集成；三是裝置系統的控制集成。

局部干法水下焊接主要有三種創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構可以在水下實現靈活、快速創造干燥焊接空間的目的。因此，本焊接系統的排水裝置采用了可移動微型排水罩的方式，焊接系統主要包括激光器、水冷機、焊接運動機構、焊接排水罩、氣源、穩壓電源、送絲機構和控制中心等部分，如圖1所示。

焊接運動機構攜帶微型排水罩，實現排水罩在X、Y、Z三個方向上的移動。氣源為焊接排水罩提供持續穩定的惰性氣體，用于罩內排水以及焊接時的氣體保護?？刂浦行膶崿F對激光器、焊接運動機構、氣源以及送絲機構的集中控制。

本裝置的基本工作原理是：由氣源向焊接排水罩內部供氣，排出罩內的水，并提供一個適宜于焊接的惰性氣體環境；控制中心控制焊接運動機構帶動排水罩運動至焊接位置；通過控制中心調節送絲速度、焊接速度等參數，確定焊接起始坐標，并啟動激光器實施激光焊接。焊接排水罩與氣源、激光器、水冷機、送絲機等均具有連接關系，且包含了核心施焊結構——激光頭，其結構設計是本裝置需要解決的核心問題。

1.2 焊接排水罩設計

焊接排水罩結構如圖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。外罩為一個中空腔體，采用鋁合金材料，通過密封條和螺栓連接進行密封。外罩右側開設多個孔，為光纖、水冷管道、控制線纜、送絲管路等連接提供通道。外罩內部以激光頭為主體，激光頭設置有多個接口，分別與攝像、水冷、光纖及控制線纜等部分連接，實現各個功能結構在焊接排水罩內部的集成。L形激光頭將通過光纖傳輸的激光進行90°轉向，實現激光豎直向下發射，同時在激光頭內部實現激光準直、聚焦功能。

圖2 焊接排水罩結構示意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穩定的、不受干擾的焊接環境。它是一個兩段連接的中空腔體結構，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成，通過螺紋連接，如圖3所示。上殼體分布有1 個大孔和4 個小孔，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境。下殼體有兩種不同的結構，分別適用于平焊和角焊兩種狀態，圖3為角焊的連接狀態，下殼體的短邊邊緣為45°角，用以貼合角落位置。

圖3 焊接腔室結構Fig.3 Welding chamber structure

在焊接腔室內部，分布著從外罩中伸出的激光光路保護罩、溫濕度儀、攝像頭、照明、送絲頭等，實現對焊接環境及焊接過程的實時監測，如圖4所示。除送絲頭外，其他處于焊接腔室內部的器件均采用防水保護設計，尤其是激光頭。激光光路保護罩采用了單獨的氣體保護設計，通過在鏡片下方的圓柱形中空腔體內引入一路氣體，向下方持續噴出，防止水霧和飛濺水滴對鏡片的干擾。

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

2 焊接工藝試驗

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

2.1 水下焊接工藝試驗

通過控制中心面板設置參數實現焊接運動機構的控制，通過X、Y、Z三個方向的運動相配合，使排水罩（含激光頭）運動到標記的角焊縫起始點位置，記錄該位置的坐標參數。通過控制中心控制惰性氣體的輸入流量，向排水罩內輸入惰性氣體，對待焊位置進行排水。通過攝像頭顯示屏觀察焊接腔室內的排水情況，直到焊接試件表面干燥。通過精確位置調整，將焊接光束與焊縫對齊；調整焊接位置（改變離焦量）并設置焊接速度、送絲速度、送絲角度等參數，如表1所示。啟動激光器和送絲機進行水下激光填絲焊接作業，焊接長度約100 mm。

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

2.2 空氣焊接工藝試驗

在干燥水箱中相同位置設置待焊角焊縫結構，接通裝置電源，通過控制中心驅動焊接運動機構，使焊接激光頭運動到記錄的坐標點位置。對齊光束并聚焦之后，采用與表1 相同的焊接工藝參數進行角焊縫焊接，焊接長度同樣為100 mm。

2.3 焊接結果分析

圖5 為兩種焊接環境下獲得的角焊縫宏觀形貌。焊縫成形連續穩定，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境可達到與普通空氣環境類似的焊接保護效果和焊縫質量。

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

圖6為兩種環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，且在焊縫熔合區和熱影響區均未見氣孔和裂紋等缺陷。進一步放大焊縫熔合區，如圖7所示，可見空氣環境和局部干法水下環境焊縫的熔合區均以柱狀晶為主，一次枝晶和二次枝晶清晰。其中，空氣環境下枝晶干長度略大于局部干法水下環境，這與空氣環境下的冷卻速率更慢有關。

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

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

3 結論

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備，并利用該設備開展了焊接工藝試驗驗證，主要結論如下：

（1）通過對焊接排水罩內部結構和功能的一體優化，完成了局部干法水下激光焊接裝置研制，不僅可實現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現了焊接必需的激光能量傳輸、送絲、排水及焊縫保護等功能，還具備照明、焊接環境及焊接過程的實時監測，以及焊接區域的溫濕度監測，具備較強的工程應用潛力。

（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驗證，并與空氣中相同參數的角焊縫焊接效果進行對比，二者的焊縫成形質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定，為邊角位置局部干法水下激光焊接奠定了良好基礎。