基于激光焊接技術(shù)的水下焊縫修復系統(tǒng)研究*

卞向南，邵長磊，張曉春，翁志敏，梅 樂，賀小明

(上海核工程研究設計院有限公司，上海 200233)

0 引 言

核電站內(nèi)的建筑、設備等在長期服役的過程中會逐漸出現(xiàn)表面磨損、應力腐蝕開裂等老化現(xiàn)象[1]，需要對其進行在役修復以避免對電站的安全運行造成威脅。以用途為貯存乏燃料的乏燃料水池(以下簡稱乏池)為例，為有效屏蔽核輻射，乏燃料存放在注滿水的乏池中，乏池四壁及底面均使用不銹鋼板包覆以防止放射性物質(zhì)滲漏。乏池的焊縫多且長，在生產(chǎn)運行過程中可能會產(chǎn)生貫穿裂紋導致泄漏。

目前電站一般采用排空乏池、人員進入池中近距離焊接的措施進行修復。該種方案會產(chǎn)生乏燃料轉(zhuǎn)移貯存較為困難，人員近距離接觸污染物導致人體吸收劑量增加等多種弊端。

針對乏池的在役水下裂紋修復需求，開發(fā)了一套基于激光焊接技術(shù)的水下焊縫修復自動化系統(tǒng)，其可實現(xiàn)遠程控制，以焊絲熔覆的方式修復水下環(huán)境中的焊縫裂紋。

1 修復方法及原理

根據(jù)水中環(huán)境不同水下焊接可分為三種方法：濕法、干法和局部干法[2]。直接在水中進行焊接為濕法焊接；大型壓力艙沉入水底將焊接設備及焊接對象籠罩在艙中并排干艙內(nèi)全部水進行焊接為干法焊接；使用小型排氣罩只將正在焊接部位包裹形成局部干式環(huán)境，其余部件置于水中的方法為局部干法。局部干法具有焊接質(zhì)量高，占用空間小等優(yōu)點，選用其作為乏池修復方案較佳。與其他水下焊接技術(shù)相比，激光焊接具有熱輸入低、可控性好[3]、焊接系統(tǒng)簡化便于集成化組裝[4]、焊接功能部件體積小等優(yōu)點，與局部干法焊接匹配度較高。

通過結(jié)合水下局部干法激光焊接及自動化技術(shù)，開發(fā)了一種基于水下局部干法及激光焊接的水下焊縫修復系統(tǒng)，其可實現(xiàn)乏池在役環(huán)境下，對池底的焊縫裂紋進行自動化焊接熔覆修復。

2 系統(tǒng)組成

水下焊縫修復系統(tǒng)由水上設備、水下設備及用以模擬乏池的模擬水槽(包含加壓設備)等組成。水上設備包含激光器、整個系統(tǒng)的控制柜、為系統(tǒng)提供冷卻水源的冷卻箱等。水下設備由焊接組件和支承組件組成。焊接組件在水底承擔焊接任務，其包括各種環(huán)境傳感器、激光頭、排水氣罩、送絲機、照明設備、視覺傳感器等零部件。支承組件為焊接組件提供各自由度的運動及距離精度控制。水下焊縫修復系統(tǒng)組成圖如圖 1所示。

圖1 水下焊縫修復系統(tǒng)組成圖

乏池面積廣、池底環(huán)境復雜，且焊接組件重量較大，系統(tǒng)采用具有較強負載能力的落地式桁架為支承組件的樣式，通過廠房吊車將水下設備吊入乏池需修復位置。設備支承部件采用鋁合金材質(zhì)以減輕重量，對于選用的耐輻照電氣零部件的外殼均采用不銹鋼材質(zhì)以提高對輻照的屏蔽效果。支承組件利用屏蔽電機以齒形帶傳動驅(qū)動焊接組件在水平X、Y方向移動，以齒輪齒條傳動調(diào)節(jié)焊接組件在垂直Z方向與工作對象的距離。電機采用48 V直流伺服電機外加屏蔽殼體密封，確保電機的水密、耐輻照性能及用電安全。圖 2為水下焊縫修復系統(tǒng)水下設備的組成樣式。

圖2 水下焊縫修復系統(tǒng)水下設備外形圖

3 焊接組件設計

如圖3(a)所示，焊接組件由焊接裝置和排水氣罩兩部分組成。焊接裝置內(nèi)置焊接所需的激光頭、送絲機、視覺模塊(焊接熔池監(jiān)控CCD)等，外部使用不銹鋼殼體進行密封和包裹。

為減少焊接裝置的整體體積，對視覺模塊、激光頭、送絲機進行了結(jié)構(gòu)集成。波長為950 nm的紅外激光可從分光鏡穿透，池底照明設備產(chǎn)生的波長較短的可見光則在分光鏡上發(fā)生反射并被視覺模塊接受，光路圖如圖 3(b)所示。

圖3 焊接組件內(nèi)外部結(jié)構(gòu)

排水氣罩用以為焊接區(qū)域創(chuàng)造獨立的局部干式空間。主體設有阻燃海綿、溫/濕度傳感器、氣壓傳感器、照明燈、環(huán)狀氣室等，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。保護氣體通過導氣管進入氣罩內(nèi)的環(huán)狀氣室，氣室的管線上均布3 mm孔徑氣孔，氣體在氣室內(nèi)得到充分緩沖，速度和壓力進入氣罩后分布較為均勻，可保持氣流穩(wěn)定，并下壓焊接煙霧將其排出。

圖4 排水氣罩整體樣式圖

氣罩底部與池底接觸部分為阻燃海綿，海綿在氣罩向下的壓力作用下能夠根據(jù)底板和焊縫的形狀做適應性改變，起到良好的密封效果。海綿的內(nèi)側(cè)裝有金屬防護網(wǎng)，外側(cè)為橡膠膠皮，可維持海綿在運動過程中不發(fā)生橫向變形。

4 控制系統(tǒng)設計

水下設備在工作區(qū)域就緒后，控制系統(tǒng)根據(jù)各傳感器的信號反饋，對設備的各運動部件進行調(diào)整，包括焊接裝置的X/Y軸水平移動、焊接裝置Z軸方向的高度調(diào)節(jié)、水下照明強度、排水氣罩內(nèi)的保護氣體流量等。水下焊縫修復系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示，視覺模塊在獲取池底焊縫裂紋(已經(jīng)過前期處理)的圖像后，利用圖像識別算法自動生成焊縫的系列坐標，計算機按照既定的程序及激光參數(shù)通過PLC控制各驅(qū)動器和排氣、送絲、焊接的焊接過程運行。

5 水下焊接試驗

使用可加壓的試驗水箱對焊縫修復系統(tǒng)進行水下焊接模擬試驗(見圖6)。試驗對象為ASME SA240 S3210雙相不銹鋼鋼板，其表面預制V型坡口的直線焊縫。多次試驗后，焊接參數(shù)擬定為：激光功率3 000 W、焊接速度480 mm/min、光斑直徑5 mm、送絲速度275 cm/min、保護氣為99.99%氬氣、保護氣流量25 L/min、模擬水深10 m。

圖5 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)展示圖

圖6 水下焊接模擬試驗

最終焊接成形焊縫外形如圖7所示，熔覆焊縫的外表光滑，成形良好，沒有明顯的咬邊和氣孔缺陷，焊縫與原坡口的一致性較好，滿足了水下焊縫裂紋修復的質(zhì)量要求。

圖7 水下激光填絲熔覆焊縫

6 結(jié) 語

介紹了一種用于核電站乏池可水下工作的焊縫修復系統(tǒng)的設計方法，其結(jié)構(gòu)可靠，運行精度較高，水密性能好，耐輻照能力高，試驗結(jié)果表明其能滿足核電站在役水下遠程修復的需求，有望在將來推廣到核電廠的實際應用中，以減少近距離接觸的人工活動，保護核工業(yè)維修人員的安全。