薛龍,毛雪松,黃繼強,張瑞英,王瑃
(北京石油化工學院,光機電裝備技術北京市重點實驗室,北京,102617)
海洋裝備長期受水體腐蝕及波浪循環(huán)變載荷作用,部分地區(qū)還要經受風暴、洋流、潮汐等環(huán)境侵蝕,甚至是地震的影響,服役環(huán)境十分惡劣,而且海洋工程結構常使用厚大的高強鋼結構板,焊接接頭多且類型復雜,在長期服役過程中難免會產生銹蝕、裂紋等缺陷.據統(tǒng)計,貨運船舶的維修養(yǎng)護費用普遍占其總固定成本的16%以上[1],而使用水下修復技術能夠縮短工期,并節(jié)約大量養(yǎng)護費用.研究表明,目前世界上約有30%的海洋平臺正處于超期服役狀態(tài),國內也有部分海洋平臺已達到或超出設計壽命[2],可見海洋裝備的維修養(yǎng)護需求正日益迫切.不僅如此,遠海服役的裝備大多難以得到及時救援,一旦發(fā)生事故將會造成重大財產損失甚至危及人員生命安全.因此發(fā)展水下修復技術是海洋裝備應用與發(fā)展的重要基石,對進一步探索遠海、開發(fā)海洋資源也具有顯著的現實意義.
水下增材修復技術是一類以焊接、表面熔覆、堆疊沉積等增材方式為基礎,直接在水下對破損結構進行修復的技術.迄今為止,水下激光修復技術已經在海洋油氣資源的開采與運輸、船舶應急維修、船塢港口裝備、水利工程、核動力工程等領域得到了廣泛的關注與研究.隨著高功率激光器的發(fā)展與普及,使用激光為熱源的修復技術憑借其功率密度高、熱影響區(qū)小、熱源均勻穩(wěn)定等特點已經在陸上常規(guī)環(huán)境下成為了優(yōu)勢技術[3].而激光特有的高功率密度使其可以達到極高的熔深,在常用厚大高強鋼板的海洋工程結構的修復上具有獨特優(yōu)勢[4].近年來也有許多學者專注于水下激光修復領域,并在這一領域取得了豐碩的研究成果.未來,水下激光修復技術的應用將進一步豐富水下修復技術儲備,為船舶、海洋平臺、海底油氣管道等海洋裝備的水下原位修復作業(yè)提供全新的技術路線.
水下激光修復技術作為海洋裝備維修養(yǎng)護與應急搶修領域的國家戰(zhàn)略儲備技術,其重要地位在“北溪二號”事件愈演愈烈的如今更加凸顯.雖然已經有部分研究就水下焊接或激光焊技術作了相應總結[5-7],但尚未見到聚焦于水下激光修復工藝問題的產生機理及其解決方案的論述與總結.水下激光修復技術作為一種優(yōu)勢技術在新興領域的前沿探索,到目前為止尚且不夠成熟,仍存在一些諸如激光衰減、空化侵蝕、羽流堆積、淬硬等關鍵問題亟待解決.文中從工藝問題出發(fā)分別對濕法、高壓干法、局部干法三種形式的水下激光修復技術進行分析,并總結其發(fā)展趨勢.
水下激光修復依照對水環(huán)境的防護程度分為水下濕法、高壓干法與局部干法三類.濕法即直接在水環(huán)境進行修復,是設備最簡單、靈活性最強的一種方式;高壓干法即在密封的高壓干艙中進行修復,其系統(tǒng)復雜、成本高,主要用于修復難度大、質量要求高的情形[8];局部干法則是一種使用特制的排水罩,僅排空熔池周邊的液體從而創(chuàng)造出局部干腔進行修復的方法,兼顧了隔水效果與設備的靈活性,是一種折中方案.
雖然早在上世紀九十年代Shannon 等人[9-10]就進行了激光濕法的可行性與基礎機理研究,但由于水環(huán)境對激光的強烈干擾,水下濕法激光修復技術到目前為止依然存在許多亟待解決的問題.
純水的吸收系數主要由入射激光的波長決定,波長為1.064 μm的Nd:YAG 激光的吸收系數約為0.17 cm-1,波長為10.6 μm的CO2激光,吸收系數則大于100 cm-1,如圖1 所示[11],故使用不同泵浦源的激光器進行的濕法試驗往往會得出截然不同的結論,這也決定了用于水下濕法研究的激光器波長應當避開水體吸收峰.
圖1 不同水深下的激光焊效果[11]Fig.1 Laser welding under different water depth
秦航等人[12]使用光纖激光器對TC4 鈦合金進行了濕法激光焊試驗,結果表明濕法激光焊在水深達到8 mm 左右時便已無法進行;Guo 等人[11]在研究穿透水層深度對激光焊的影響時也得到了類似的結果,并指出光束通道的形成是水下濕法激光焊能夠順利進行的關鍵.隨著水深的不斷增加直至超過某個臨界,光束通道會變得不穩(wěn)定,并直接導致焊接無法進行.因此,濕法激光修復技術到目前為止僅能在極淺水深下獲得較好的修復效果.
邢霄等人[13]認為在達到臨界水深前,焊接熱作用產生的蒸氣云會將水體持續(xù)排開以形成穩(wěn)定的光束通道,并在其研究中將超過臨界水深的激光修復過程描述為一種不穩(wěn)定的周期性焊接行為,即蒸氣團不斷出現、漲大、破開水面、蒸氣排出導致壓力降低、水面開口閉合的循環(huán)過程.在這個過程中,光束通道周期性的建立與關閉導致了焊接過程的不穩(wěn)定.當激光能量密度超過閾值,蒸氣云中心位置的氣體在吸收足夠能量之后會發(fā)生電離成為低溫等離子體[14].Zhang 等人[15-16]對Nd:YAG 激光水下濕法激光焊光發(fā)射的研究中發(fā)現,光發(fā)射信號在更深的水層下(10 mm)停止了周期性波動,由相對穩(wěn)定的強紫外輻射與弱紅外輻射組成,認為此時已不存在正常的焊接過程,且產生了大量強紫外放射的等離子體,這些等離子體對激光的強烈屏蔽使焊接無法進行.故水下濕法激光修復技術的關鍵瓶頸在于焊接時的激光能量衰減,這種衰減主要由水體的折射吸收和蒸氣與等離子體云的屏蔽產生,如圖2 所示.
圖2 水下濕法焊接中的激光誘導等離子體[15]Fig.2 Photoinduced plasma in underwater wet welding
值得注意的是,在相當比例的文獻中都僅將光束通道的建立與氣體排開水層形成空腔聯系起來,但Zhang 等人[17]研究表明,理想水體對波長為1.06 μm的Nd:YAG 激光的吸收率僅為0.014 mm-1.這意味著其在穿透30 mm的水層后,仍能保留約75%的能量;Mullick 等人[18]則構建了集總參數分析模型,以定量估算水環(huán)境對激光的衰減,其結果也表明,在設定的工藝參數范圍內,蒸氣與等離子體云的散射與吸收占總熱損失的38%~ 52%,是造成激光功率損失的最主要因素,同比水體對流帶來的熱損失僅占總熱損失的8%~ 16%.可見蒸氣與等離子體云是導致入射激光衰減的主因,其帶來的能量損失甚至比水體所導致的更加嚴重.如果其不能順利的從激光路徑上排出或清除,光束通道亦無法形成,故應當意識到光束通道的建立與蒸氣和等離子體云的順利排出或清除也是密切相關的.
秦航等人[19]在工藝參數對焊縫成形的影響研究中指出,提高激光功率能夠在一定范圍內增大可焊水深,并有利于獲得連續(xù)且成形良好的焊縫(圖3).Guo 等人[11]也注意到在激光功率3.0 kW、焊接速度0.6 m/min時,可焊水深僅有7 mm;在激光功率6.0 kW、焊接速度0.1 m/min時,可焊水深超過了20 mm.可見增大線能量是提高可焊水深的有效措施之一,但過高的功率密度會使水體沸騰的更加劇烈,從而增加水體射流對熔池的干擾,所以提高功率密度對焊接質量的改善也存在較大限制.
圖3 水深4 mm 激光功率對成形效果的影響[19]Fig.3 Influence of laser power on forming effect under 4 mm deep water layer
Sakate 等人[20]在焊接時引入了速度2 m/s,方向平行于基板且與焊接方向相反的水流,有效加速了蒸氣與等離子體云的去除,從而得到了更大的可焊深度;Wen 等人[21]在進行水下濕法激光焊試驗時將一種主要由CaCO3,CaF2,TiO2,Si,Mn,基材粉末和環(huán)氧樹脂組成的輔助防護材料涂覆在基板上,成功提高了可焊深度,并抑制了焊縫的氧化與氫裂.該團隊在其另一項研究中將涂覆材料的防護機理描述為:CaCO3在焊接時產生了電離能更高的氣體(CO2)稀釋了水蒸氣的濃度,從而大大降低了氣團整體的電離程度;CaF2用于抑制氫裂;TiO2,Si 和Mn 則抑制了有害金屬氧化物的形成[22].秦航等人[19]在含有類似造氣劑(CaCO3)與造渣劑(CaF2和TiO2)的涂覆材料中添加了Al 與Fe2O3,利用其反應熱間接增大了熱輸入,以降低焊縫的熱裂紋敏感性.
除了入射激光的衰減,氣泡與水流擾動也是水環(huán)境對濕法激光修復的重要影響因素,其中最直接的便是水-氣界面的折射與反射,有研究表明在水下濕法激光修復中,適當的額外負離焦量有利于焊縫的成形[19].作為參考,吳廣成等人[23]在水下激光傳輸光束空間分布的研究中得出了水體對激光的總體影響會使光斑趨于擴展的結論,且能量衰減越強烈,光斑擴展也越明顯.
濕法激光焊還會產生氧化、氫裂、氣孔等缺陷,馮相如等人[22]認為其成因與激光誘導空化和水體爆炸沸騰密切相關.目前已有大量研究表明,高能量密度的激光能夠誘導空化,且空化侵蝕已經被應用在了激光切割、雕刻、精密微成形等領域[24-27].Zhao 等人[28]對激光誘導空化氣泡動力學的研究表明,空泡產生之后會不斷膨脹直至內部壓力小于其飽和蒸氣壓后崩潰,空泡會如此震蕩數次直至泡中氣體完全液化或溶解;Chen 等人[29]認為空化的破壞力主要體現在當空泡在壁面(固體壁面或者任何具有粘度差的界面)附近潰滅時會受非均勻壓力場的影響,產生一個指向壁面的高速液體射流,其試驗表明,空泡的存在時間與液體射流的沖擊力都會隨激光能量的增加而增大;強豪等人[30]則更詳細的分析了不同激光能量密度下空泡的脈動次數與潰滅時對靶材的能量耦合效率.
蔡志海等人[31]在鋁青銅的濕法激光焊中發(fā)現,空泡潰滅時的水射流使水分侵入熔池并形成了大量氣孔,致使焊縫表面起伏,并帶來了嚴重的氧化,之后該團隊使用在基材表面預置助焊粉末的方法改善了焊縫成形;Kumar 等人[32]也在鎳基材激光焊的試驗中指出水介質中的焊縫相較于氣體中形成了更多的氧化物,且具有更高的顯微硬度;Feng 等人[33]在鎳鋁青銅板的濕法激光修復中使用了具有鋅與鈦表皮的焊絲,利用低沸點金屬鋅作為造氣劑以減輕激光誘導空化的破壞性影響,并使用鈦增加表面張力,以提高熔池對高速水射流的抵抗能力.
水下濕法激光修復時水環(huán)境致使入射激光衰減和激光誘導空化侵蝕的作用機理雖然已經較為清晰,但目前還沒有成熟有效的解決方案,該技術距離實用仍有較大差距.在已有的研究中,降低激光衰減的方案主要集中于使用氣、水射流輔助吹除蒸氣與等離子體云,或使用高電離能氣體稀釋水蒸氣以降低電離度兩個方面.而抵抗激光誘導空化水射流侵蝕、提升成形質量的方案則主要集中于預置助焊劑以提高熔池的表面張力,或使用氣化覆層保護熔池.
水下干法是一種在壓力艙室中使用壓縮氣將水體排出,從而為激光修復提供干燥或半干燥作業(yè)環(huán)境的方法.其根據艙內壓力可分為常壓干法與高壓干法,但常壓干法要求壓力艙室完全密封,作業(yè)費用與設備復雜程度遠超高壓干法,在實際工程中極少應用,故水下干法一般指高壓干法.高壓干法與陸上激光修復相比只受到環(huán)境壓力一個因素影響,所以其能以穩(wěn)定可靠的成形效果與焊接質量,成為高修復難度或高質量要求時的第一選擇.
肖鐫璐等人[34]進行的高壓干式激光熔覆表面修復試驗顯示,高氣壓會使修復過程的穩(wěn)定性降低,且存在較為嚴重的飛濺與煙塵.但只要工藝參數適宜,熔覆層仍能保持穩(wěn)定的成形,很少有氧化、裂紋、氣孔等缺陷產生.雖然高氣壓不會像水層那樣對激光修復造成破壞性的影響,但為了充分了解高壓干法激光修復法的特性,對其進行深入剖析依然是十分必要的.邵長磊等人[35]發(fā)現系統(tǒng)的熱損失隨著壓力的升高有所增加,同時煙塵和羽流也降低了激光的實際熱輸入,導致熔池的流動性降低、熔覆層堆高略有增加、熔寬略有減小;Pang 等人[36]則指出壓力導致的基材熔、沸點變化也是熔池及匙孔形態(tài)變化的主因之一,環(huán)境壓力的提高將導致熔池表面溫度上升,使得形成匙孔所需的總吸熱量增大,從而降低熔深,這一點在高壓或亞大氣壓下均適用;Luo 等人[37]的研究表明,高壓力下金屬沸點的提升還將降低匙孔形成與加深的速率,并使得匙孔的形成更加穩(wěn)定;Su 等人[38]則將上述原因綜合并歸結為加快了凝固速度,當環(huán)境壓力從100 Pa 增加至4.5 MPa時,焊縫的平均晶粒尺寸減小約37%,且受冷卻方向變化的驅動,晶粒的生長方向明顯從兩側向中心表面移動.
Wang 等人[39]在探究不同保護氣體種類對水下激光焊組織和性能的影響時,在15 m的水深下對雙相不銹鋼S32101 進行焊接試驗,發(fā)現氮對奧氏體的形成有促進作用.使用氮氣作為保護氣體時,焊縫奧氏體含量為51.6%,相比于氬氣(奧氏體含量為32.2%)有所提高.該團隊在其另一項研究中進一步指出,氮在鐵素體中的溶解度會隨著溫度的降低而降低,過飽和的氮容易與鉻反應形成Cr2N,造成部分區(qū)域鉻耗盡,從而使得焊縫熱影響區(qū)的耐點蝕能力降低[40].此外,氧化物的形成也可以歸因于高壓下的高氧氣濃度,故在高壓環(huán)境下對保護氣體保護效果的要求也更嚴苛.
為了更加透徹的了解高壓所導致的激光羽流變化,Luo 等人[41]在壓力對激光焊接羽流影響的研究中表示,高壓下激光的熔深可能由于羽流對入射激光的吸收與折射而嚴重降低,并分析稱羽流可以被認為是金屬蒸氣與激光誘導等離子體的混合物.史俊鋒[42]在激光深熔焊數值模擬中發(fā)現,羽流對入射激光的影響不僅在于損耗,還會產生透鏡效應偏轉激光束,致使其光斑擴展、能量密度下降.
高功率激光作業(yè)時,熔池溫度會迅速升高并形成金屬蒸氣,當金屬蒸氣與保護氣體的混合物溫度繼續(xù)上升直至電子能量達到雪崩電離條件,氣體電離形成光致等離子體[43],而電子-原子的吸收系數很小,因此可僅考慮電子-離子吸收系數.又因為發(fā)生雪崩電離的電子能量密度閾值與激光波長的平方成反比,羽流造成的CO2激光(波長為10.6 μm)損耗遠高于相同條件下的Nd:YAG 激光(波長為1.06 μm);Kawahito 等人[44]使用Nd:YAG 激光器在常壓下進行了20 mm 厚的304 不銹鋼板焊接,其結果顯示當激光功率達到10 kW時,光致等離子體所造成的最大衰減僅為4%;但Long 等人[45]發(fā)現在1.8 MPa 壓力下,激光焊所產生的羽流在高度方向上的膨脹率僅為常壓(0.1 MPa)下的2.7%,這使得其對入射激光的屏蔽作用增加了12.97 倍(圖4),該團隊在其另一項研究中使用了側向氣流進行輔助擴散,使羽流高度顯著降低,并明顯偏離了激光路徑,改善了高壓下激光的穿透能力[46];孫大為[47]則在進行側向氣流輔助擴散的基礎上總結了不同氣體流量的吹掃效果與對應的等離子體溫度、體積、三維形態(tài)及吸收系數變化;Qiu 等人[48]采用無源電探針檢測羽流等離子體的電信號,并使用高速CCD 相機同步記錄其形態(tài),發(fā)現探針與基板間的電壓增加標志著等離子體的收縮,該團隊之后建立了電信號與等離子體形態(tài)之間的表征關系,并基于此對等離子體的波動特性進行了分析.
圖4 不同壓力的光致等離子體云瞬態(tài)膨脹行為[45]Fig.4 Photoinduced plasma transient expansion behavior under different pressures
水下高壓干法激光修復技術是目前修復環(huán)境最優(yōu)、修復質量最高的水下激光修復技術,其只有環(huán)境壓力一個特殊影響因素,且高壓所帶來的羽流擴散緩慢等問題也存在有效的解決方案.工程應用主要的限制來自于復雜的壓力艙室搭建,而非激光修復工藝,在技術成熟度方面有著較大優(yōu)勢.
水下局部干法激光修復技術是使用特制排水罩創(chuàng)造局部干腔,以排除水環(huán)境對激光與熔池影響的水下修復技術,其既能夠提供較為適宜的修復環(huán)境,又在一定程度上保證了修復裝備的靈活性.水下局部干法激光修復如今已經能夠達到較好的修復效果,且實現了少量工程應用.2009年,日本東芝公司就使用水下局部干法激光修復技術針對核反應堆乏燃料池的開裂研發(fā)了一套維修與預防性養(yǎng)護設備[49],該技術還曾被應用于水下鋼結構焊接等領域[50].
水下局部干法激光修復技術的主要問題來自高冷卻速率與高壓力,與高壓干法相比水僅有冷卻速率與流場的差異.姚杞[51]在其不銹鋼焊接研究中指出水下局部干法的高冷卻速率主要來自水環(huán)境,保護氣體流量帶來的影響并不顯著;李叢偉等人[52]在304 不銹鋼局部干法激光熔覆中重點研究了熔覆層的組織和性能,發(fā)現了快速冷卻所導致的焊縫硬度上升與部分奧氏體發(fā)生馬氏體轉變的現象;Di 等人[53]在研究水下高冷卻速率對E550 鋼焊縫組織的影響中發(fā)現,焊縫材料中的Ti 和Mn 出現了明顯的損耗區(qū)(圖5),并分析稱這是由于在析出時針狀鐵素體更容易在Ti 和Mn 氧化物上成核,這些夾雜物的形成顯著消耗了周圍基體中的Ti 和Mn,但在高冷卻速率下熔融金屬難以擴散與均質化,從而形成損耗區(qū);Luo 等人[41]的研究表明水下的強冷卻環(huán)境使得激光焊熔池的上表面加速凝固,并顯著削弱了熔池上部的流場;黃尊月等人[54]研究了不同種類的活性劑(一種廣泛應用于改善焊接熔池形貌或組織和性能的方法[55])對水下激光焊縫形貌與組織和性能的影響,并制備了有效改善熔池深寬比并抑制表面氧化的活性劑.需要注意的是,海洋工程結構多使用高強鋼厚大板材,這類情況原本就容易引發(fā)彎曲變形或拘束裂紋,而水下的強冷卻環(huán)境會進一步加重冷、熱裂紋與拘束裂紋的問題[54,56].雖然這類影響多因材料而異,但相關研究普遍認為水下環(huán)境帶來的高冷卻速率將使得填充部分的硬度提高、韌性與斷后伸長率下降、某些成分分布不均(非偏析),其組織也會發(fā)生對應轉變,并在凝固表面留下更加清晰的魚鱗紋.
圖5 水下強冷卻環(huán)境中形成的Ti 和Mn 損耗區(qū)[53]Fig.5 Ti and Mn-depletion zone caused by high cooling rate
除了焊接之外,表面熔覆也是一種重要的激光修復形式,是水下表面修復等領域的關鍵技術.Guo 與Fu 等人[57-58]在水下激光絲材熔覆領域做了大量研究,在對鋁合金與鈦合金的表面熔覆試驗中觀察到了明顯的氧化與飛濺,并認為這種現象由激光的散射引起.由于水下強冷卻環(huán)境,沉積金屬在基材上的潤濕性、沉積角和流動性均有所下降,表面氧化膜的拘束和應力集中還引起了不同程度的以穿晶裂紋為主的冷裂紋(圖6),之后該團隊還嘗試提高線能量以補償熱損失,成功減少了氧化、裂紋等缺陷并改善了熔覆層的組織性能[59];在水下激光送粉熔覆方面,Liu 等人[60]在A32 鋼基板上制備了鐵基涂層,并研究了送粉氣流量、送粉速率、激光功率等工藝參數對沉積質量的影響.雖然水下激光表面熔覆主要應用于水下修復,但也有學者嘗試使用水下局部干法激光增材沉積出了鋁合金薄壁管道,并對沉積質量做了評估[61].
圖6 水下和常規(guī)環(huán)境的激光熔覆層對比[58]Fig.6 Comparison of laser cladding in local dry and normal environments
水下局部干法激光修復不論通過焊接還是表面熔覆,均已能夠得到較為良好的修復效果,高冷卻速率所造成的問題也能在良好工藝參數的調控下有效改善,但相較于更為成熟的水下局部干法電弧修復技術,其有待探索的方向還很多.
在前文總結的水下激光修復技術現狀中,有多位學者都曾在基板上涂覆防護層,用以提高水下濕法激光修復的質量,卻罕有將已在水下自動電弧焊中得到廣泛關注的自保護藥芯焊絲引入水下激光修復領域的研究[62].還有學者提出使用側吹氣流對高壓下的激光羽流進行吹掃,卻未見利用排水罩現有流場實現高壓羽流吹掃的設計.復合熱源、外加磁場、超聲波等已經被證明對激光修復質量有幫助的輔助能量形式,在水下激光修復領域也尚未引起足夠關注[63-65].足以見得水下激光修復技術還有較大潛力尚未被發(fā)掘出來.
從技術的角度出發(fā),水下濕法激光修復目前存在入射激光衰減與空化水射流侵蝕兩大已被證明無法通過單純的改良工藝參數解決的問題,使其發(fā)展受到了嚴重限制,主流觀點認為主動吹掃蒸氣與等離子云和引入焊接保護劑會是可能的突破口.水下高壓干法與局部干法激光修復在試驗條件下已經能夠實現較高質量的水下作業(yè),未來在這一領域的研究將可能集中于使其工藝匹配現有的高強度海工鋼、船用鋼,使其向著實用技術進一步轉化.此外,依據常規(guī)環(huán)境下激光修復的現有研究,激光與磁場、超聲波等輔助能量形式結合也可能有較高的研究價值.
目前水下修復門類下的工程應用高度集中于水下濕法藥皮焊條手工電弧焊,在部分重大工程中,為保證施工質量也會采用水下高壓干法,水下激光修復技術的實際應用案例尚不多見.但在大功率激光器逐漸國產化的如今,其與傳統(tǒng)電弧熱源的價格壁壘已不復存在.以此為基礎,可以預見水下激光修復技術不論作為應急水下維修搶險的儲備技術,還是作為水下裝備常規(guī)養(yǎng)護的應用技術都有較大的發(fā)展前景.
(1)水下濕法激光修復受入射激光衰減和激光誘導空化侵蝕兩個問題的制約,尚無法達到實際修復需要,雖然兩個問題都已有了多種改善的途徑,但該技術距離實用依舊還有很長的路要走.
(2)水下高壓干法與局部干法激光修復技術均已能在適宜工藝參數的調控下取得較為良好的修復效果,其高氣壓、高冷卻速率所帶來的羽流擴散與匙孔形成緩慢、材料淬硬、氫裂等問題也已經存在較為有效的解決方案.
(3)水下激光修復技術作為一種優(yōu)勢技術在新興領域的前沿探索雖然尚未成熟,但隨著高功率激光器的逐步普及與國產化,激光熱源的修復技術憑借其功率密度高、熱影響區(qū)小、熱源均勻穩(wěn)定等特點,有望彌補現有技術的不足,并為水下修復技術補全下一塊拼圖.