水下激光加工技術在核電維修領域的應用現(xiàn)狀及發(fā)展

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)展核電將成為未來世界電力發(fā)展的主要趨勢。核電站關鍵設備及堆內構件在長期運行于高放射性高溫環(huán)境后，需進行檢修及退役處理，為降低檢測和維修人員受輻照的風險，相關檢修工作需要在水下進行。水下激光加工由于具有熱輸入低、作用位置精確、可遠程傳輸?shù)奶攸c，在核電領域具有廣闊的應用前景。概述了水下激光焊接、沖擊強化、切割等水下激光加工技術的原理及國內外研究現(xiàn)狀，重點介紹了激光加工技術在核電水下維修領域的應用現(xiàn)狀，同時對該技術的發(fā)展趨勢進行了探討。

關鍵詞：水下激光焊接;水下激光沖擊強化;水下激光切割;核電維修

中圖分類號：TG456.5 文獻標志碼：C 文章編號：1001-2303（2020）07-0074-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.11

0 前言

核反應堆堆內構件及燃料組件由于結構及材料種類復雜[1]，且長期服役于高溫、高振動、高放射性環(huán)境，不可避免地會出現(xiàn)諸如磨損、腐蝕、疲勞開裂等損傷效應[2]。為了在安全運行的前提下延長核反應堆的使用壽命，對難以更換的老化設備及構件進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)的人工修復方法不僅成本高、操作難度大，而且作業(yè)效率也越來越難以滿足行業(yè)的發(fā)展需求[3-4]。

水下激光加工技術在核電站特別是反應堆設備修復領域具有廣闊的應用前景，這得益于激光可通過光纖遠距離傳輸，具有較好的狹窄空間適應性，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，易于與機器人等自動化設備配合實現(xiàn)遠程操作。水下激光加工技術已成為水下維修領域的研究熱點，目前，已經(jīng)應用及有望應用于核電水下維修領域的激光加工技術包括激光焊接、沖擊強化、切割等，文中將就上述水下激光加工技術的原理及應用現(xiàn)狀進行分析，并探討相關技術的研究熱點與發(fā)展方向。

1 水下激光焊接

1.1 水下激光焊接分類及特點

作為先進材料連接技術的一個重要分支，激光焊接在設備制造及維修中發(fā)揮著越來越重要的作用[6]。日本機械工程師協(xié)會指出[7]，可采用激光焊接方式修復水下核設備表面的裂紋。當裂紋尺寸較小時，通過在裂紋表面堆焊耐蝕層可達到阻礙裂紋擴張、抑制應力腐蝕發(fā)展的目的;當裂紋超過臨界尺寸則需開坡口補焊，即采用機加工方式挖除裂紋，并進行激光填絲修復。

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水介質進行焊接，而局部干法則需借助排水裝置對待焊區(qū)域進行局部排水，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行不銹鋼水下焊接的對比研究，由于水介質及水中氣泡對激光束的散射、折射作用[10-11]，濕法焊接時，焊接位置無法獲得連續(xù)穩(wěn)定的能量輸入，焊縫成形較差。相比之下，局部干法焊接過程穩(wěn)定，且所得接頭力學性能優(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用

目前，濕法水下激光焊接由于受限于水介質對激光束的衰減，尚未獲得應用，水下激光焊接以局部干法為主。而進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。倘若焊接過程中水分侵入焊接區(qū)易形成氣溶膠，不僅會影響激光傳輸質量，還會增加焊縫中的氧、氫含量，導致焊縫出現(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可分為氣簾式及水簾式兩種[15-16]。德國BIAS公司使用氣簾式排水裝置進行了奧氏體不銹鋼板水下激光焊接試驗[17]，研究人員通過優(yōu)化氣流量的方式獲得了相對穩(wěn)定的局部干燥空間，然而由于無法填充焊絲，該設備僅可實現(xiàn)自熔焊，無法堆焊耐蝕層。為了實現(xiàn)表面堆焊及開坡口補焊，日本日立公司（Hitachi）開發(fā)出水簾式水下激光填絲設備[7]，如圖1所示，并在0.3 MPa水壓條件下成功進行了U型及V型坡口焊縫的焊接。通過匹配水流速可控制水簾強度，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。

針對壓力容器安全端接管焊縫易發(fā)生應力腐蝕開裂的問題，日本東芝公司（Toshiba）使用水下激光堆焊耐蝕層的方法對焊縫及熱影響區(qū)進行強化[18]。研究人員使用鎳基焊材分別對600合金及304L不銹鋼進行表面堆焊，結果表明，堆焊層顯著提高了材料的耐應力腐蝕性能。隨后，東芝公司對壓力容器管道內壁進行了水下激光堆焊試驗，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）進行了核電站高放射性容器內部的遠程檢修工作[19-20]，開發(fā)了專用的水下遙控監(jiān)測和激光焊接機器人，使用水下激光焊方法進行了SUS304不銹鋼的填絲焊接，得到的焊縫力學性能良好，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用表明，水下激光焊接質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，保護不當會導致焊縫出現(xiàn)氣孔及夾雜缺陷，在條件允許的情況下，進行局部預熱有望進一步提高接頭質量，相關研究也是一個熱點。

2 水下激光沖擊強化

2.1 水下激光沖擊強化原理及特點

激光表面沖擊強化由于可改變材料表面應力狀態(tài)，對材料應力腐蝕開裂能起到較好的抑制作用[21]。水下激光沖擊強化原理如圖3所示，當納秒激光作用于水下工件表面時，表面材料吸收激光能量從而產(chǎn)生等離子體。此時，工件上方的水介質作為天然約束層對等離子體的爆發(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)生強烈的塑性變形，并出現(xiàn)壓應力層，顯著提高材料的表面硬度及耐磨、耐蝕性[22]。

2.2 水下激光沖擊強化的研究及應用

奧氏體不銹鋼及鎳基合金作為核電站常用結構材料，均具有較高應力腐蝕敏感性，即在腐蝕介質及拉應力的共同作用下容易開裂[24]。反應堆壓力容器中易發(fā)生應力腐蝕開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]，這些承壓設備的損傷修復對先進而可靠的高端維修技術的發(fā)展和應用提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。激光沖擊強化技術不僅能用于焊縫的強化，還能提高材料表面的耐蝕、耐磨性，可顯著改善核反應堆關鍵部件的安全性與可靠性。

M. Yoda等[25]采用波長532 nm的納秒激光對304不銹鋼進行水下激光沖擊強化試驗，使用X射線衍射法測量沖擊強化前后材料表面的殘余應力。結果表明，激光沖擊強化使得的合金表面殘余應力實現(xiàn)了“拉→壓”轉變，壓應力層深度超過1 mm。試驗結果如圖5所示，沖擊強化前后材料的微觀組織無明顯差別，而其應力腐蝕敏感性在激光沖擊強化后明顯降低。

由于反應堆內部結構復雜，日本東芝公司最初采用鏡面反射進行激光遠程傳輸，通過精密的對準和光學跟蹤系統(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，通過光纖實現(xiàn)了脈沖激光的遠距離傳輸，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化系統(tǒng)如圖6所示，激光通過光纖引導至壓力容器底部下封頭與套管貫穿件J型焊縫區(qū)域，通過控制激光頭進行軸向圓周運動，可對該易腐蝕區(qū)域進行沖擊強化。由于可同時使用多套設備進行高效作業(yè)，極大程度地縮短了停堆時間，降低了維修成本。

壓力容器安全端接管焊縫內表面的水下激光沖擊強化過程如圖7所示。安全端接管焊縫為異種材料接頭，易出現(xiàn)應力腐蝕開裂，通過軸向逐步移動激光頭可對整個管內壁焊縫區(qū)域進行沖擊強化。

法國在激光沖擊強化領域開展了大量基礎性研究[26]，包括建立激光沖擊強化的理論模型，殘余應力的數(shù)值計算，以及激光強化工藝對鋁合金及不銹鋼的抗疲勞、耐磨耐腐蝕性的改善行為等。

美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究了激光沖擊強化對乏燃料、核廢料罐材料（UNS N06022）的影響[27]，激光沖擊強化使得焊縫中心的殘余拉應力轉變?yōu)閴簯?，深度可達4.3 mm，且應力深度與強化層數(shù)量有顯著關系，這一轉變抑制了焊縫發(fā)生應力腐蝕開裂的傾向。

研究開發(fā)強脈沖、高頻率、高柔性的抗輻射水下激光沖擊強化系統(tǒng)是目前的一個研究熱點和發(fā)展方向。

3 水下激光切割

3.1 水下激光切割原理及特點

水下激光切割過程示意如圖8所示，使用高壓輔助氣體排開工件表面水膜以形成一個局部氣腔，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甚至沸點，高壓輔助氣體吹除熔融金屬以形成切口，設置激光束的移動軌跡，則可獲得寬度均勻的切縫[28]。

水下激光切割技術具有切割速度快、熱損傷小、切割質量好等優(yōu)點[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向空氣中擴散，可應用于核設施輻照后的維修、退役以及乏燃料儲存格架的改造等。

3.2 水下激光切割的研究及應用

我國學者朱華等[31]分別使用CO2激光器和Nd-YAG固體激光器對304不銹鋼進行水下切割，波長為532 μm的激光束在水中的穿透能力更好，但切割質量會隨著光程增大、水中雜質增多而降低。李倩等[32]使用光纖激光器在模擬海洋環(huán)境的鹽水中進行304不銹鋼板的切割試驗，研究了水體條件、激光參數(shù)等對切割效率及質量的影響。結果表明，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，在艙中進行30 mm厚SS304不銹鋼板的水下激光切割試驗研究，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]使用脈沖激光器進行304不銹鋼板水下切割試驗。使用氧氣作為輔助氣體切割時，通過增加脈沖持續(xù)時間、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相比，由于水介質的激冷作用，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)境放射性結構的拆解，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水體的污染將成為未來的研究重點。

4 展望

激光加工技術在核反應堆在役檢查、應急維修、退役處理等領域均具有較好的應用前景。未來，適用于核電維修領域的水下激光加工設備將朝著高度集成及模塊化的方向發(fā)展，達到同時滿足清洗、切割、焊接、沖擊強化、熱處理等多種工藝需求，實現(xiàn)“一機多用”。同時，水下激光加工技術會向自動化、智能化邁進，實現(xiàn)維修區(qū)域智能識別及檢修過程在線監(jiān)測、維修質量評估等，在保障安全的前提下，能夠經(jīng)濟、高效地完成核電站維修任務。

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