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(guān)鍵設(shè)備及堆內(nèi)構(gòu)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(fēng)險，相關(guān)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(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(shù)的原理及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，重點介紹了激光加工技術(shù)在核電水下維修領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時對該技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了探討。

關(guān)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(biāo)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(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件及燃料組件由于結(jié)構(gòu)及材料種類復(fù)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(yīng)[2]。為了在安全運行的前提下延長核反應(yīng)堆的使用壽命，對難以更換的老化設(shè)備及構(gòu)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(fù)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(shù)在核電站特別是反應(yīng)堆設(shè)備修復(fù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)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(yīng)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(shè)備配合實現(xiàn)遠程操作。水下激光加工技術(shù)已成為水下維修領(lǐng)域的研究熱點，目前，已經(jīng)應(yīng)用及有望應(yīng)用于核電水下維修領(lǐng)域的激光加工技術(shù)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(shù)的原理及應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，并探討相關(guān)技術(shù)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(shù)的一個重要分支，激光焊接在設(shè)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(fù)水下核設(shè)備表面的裂紋。當(dāng)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(yīng)力腐蝕發(fā)展的目的;當(dāng)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(fù)。

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(zhì)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(zhì)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(xué)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(yīng)用

目前，濕法水下激光焊接由于受限于水介質(zhì)對激光束的衰減，尚未獲得應(yīng)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(zhì)量，還會增加焊縫中的氧、氫含量，導(dǎo)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(zhì)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(shè)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(shè)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(yīng)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(jié)果表明，堆焊層顯著提高了材料的耐應(yīng)力腐蝕性能。隨后，東芝公司對壓力容器管道內(nèi)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(nèi)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(xué)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(yīng)用表明，水下激光焊接質(zhì)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(dāng)會導(dǎo)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(yù)熱有望進一步提高接頭質(zhì)量，相關(guān)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(yīng)力狀態(tài)，對材料應(yīng)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(dāng)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(zhì)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(yīng)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(yīng)用

奧氏體不銹鋼及鎳基合金作為核電站常用結(jié)構(gòu)材料，均具有較高應(yīng)力腐蝕敏感性，即在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力的共同作用下容易開裂[24]。反應(yīng)堆壓力容器中易發(fā)生應(yīng)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(shè)備的損傷修復(fù)對先進而可靠的高端維修技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。激光沖擊強化技術(shù)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(yīng)堆關(guān)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(yīng)力。結(jié)果表明，激光沖擊強化使得的合金表面殘余應(yīng)力實現(xiàn)了“拉→壓”轉(zhuǎn)變，壓應(yīng)力層深度超過1 mm。試驗結(jié)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(yīng)力腐蝕敏感性在激光沖擊強化后明顯降低。

由于反應(yīng)堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(zhǔn)和光學(xué)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(dǎo)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(shè)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(nèi)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(yīng)力腐蝕開裂，通過軸向逐步移動激光頭可對整個管內(nèi)壁焊縫區(qū)域進行沖擊強化。

法國在激光沖擊強化領(lǐng)域開展了大量基礎(chǔ)性研究[26]，包括建立激光沖擊強化的理論模型，殘余應(yīng)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(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，深度可達4.3 mm，且應(yīng)力深度與強化層數(shù)量有顯著關(guān)系，這一轉(zhuǎn)變抑制了焊縫發(fā)生應(yīng)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(shè)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(shù)具有切割速度快、熱損傷小、切割質(zhì)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(zhì)向空氣中擴散，可應(yīng)用于核設(shè)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(yīng)用

我國學(xué)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(zhì)量會隨著光程增大、水中雜質(zhì)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(zhì)量的影響。結(jié)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(dǎo)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(shù)相比，由于水介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)在核反應(yīng)堆在役檢查、應(yīng)急維修、退役處理等領(lǐng)域均具有較好的應(yīng)用前景。未來，適用于核電維修領(lǐng)域的水下激光加工設(shè)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(shù)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(zhì)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(wù)。

參考文獻：

[1] 盧本，張煉. 焊接在核電工程中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代焊接，2006（8）：24-28.

[2] Itaru Chida，Naruhiko Mukai，Wataru Kono，et al. Develo-pment of multifunction laser welding head as maintenancetechnologies against stress corrosion cracking for nuclearpower reactors[C]. Belgium，ICONE17-75138，2009.

[3] 朱加雷. 核電廠檢修局部干法自動水下焊接技術(shù)研究[D].北京：北京化工大學(xué)，2010.

[4] 周利，劉一搏，郭寧，等. 水下焊接技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 電焊機，2012，42（11）：6-10.

[5] 曹海春. 淺談水下激光焊自動化修復(fù)工藝[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（11）：120.

[6] 陳旭陽. 金屬材料加工工藝中激光技術(shù)的應(yīng)用[J]. 中國高新科技，2019（11）：62-64.

[7] Yamashita Y，Kawano T，Mann K. Underwater laser weldingby 4 kW CW YAG laser[J]. Journal of nuclear Science andTechnology，2001，38（10）：891-895.

[8] 賈建平. 局部干法水下焊接工藝及焊縫質(zhì)量研究[D]. 江西：南昌大學(xué)，2013.

[9] 姚杞. 不銹鋼水下激光焊接研究[D]. 天津：天津大學(xué)，2014.

[10] Takahashi K. In-water laser ablation of metals by Q-switched Nd：YAG laser，Preprints of the National Meetingof JWS，66：70-71.

[11] 周田華，陳衛(wèi)標(biāo)，賀巖，等. 通過海氣界面的上行激光光場分布[J]. 中國激光，2010，37（8）：1978-1982.

[12] 姚杞，羅震，李洋，等. 不銹鋼水下激光焊接焊縫成形與力學(xué)性能[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報，2015（3）：333-336.

[13] LABANOWSKI J，F(xiàn)YDRYCH D，ROGALSKI G. Underw-ater welding：a review[J]. Advances in Materials Sciences，2008，8（3）：11-22.

[14] 韓雷剛，鐘啟明，陳國棟，等. 局部干法水下焊接技術(shù)的發(fā)展[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2019（7）：1252-1264.

[15] Ning G，Yunlong F，Xiao X，et al. Underwater local drycavity laser welding of 304 stainless steel[J]. Journal ofMaterials Processing Technology，2018（260）：146-155.

[16] Zhang X，Chen W，Ashida E. Laser-material interactionand process sensing in underwater Nd：yttrium aluminumgarnet laser welding[J]. Journal of Laser Applications，2003，15（4）：279-284.

[17] Habenicht I，dos Santos J F，Szelagowski P，et al. Develo-pment of a nozzle for underwater laser beam welds[R].American Society of Mechanical Engineers，New York，NY（United States），1996.

[18] Hino T，Tamura M，Tanaka Y，et al. Development of und-erwater laser cladding and underwater laser seal weldingtechniques for reactor components[J]. Journal of Power andEnergy Systems，2009，3（1）：51-59.

[19] Makihara Y，Miwa Y，Hirose N，et al. The application ofthe welding technique at fillet groove by the YAG-laserrepair-welding robot for underwater environment[C]//12thInternational Conference on Nuclear Engineering，Ameri-can Society of Mechanical Engineers，2004：149-155.

[20] Miwa Y，Satoh S，Hirose N. Remote-Controlled InspectionRobot for Nuclear Facilities in Underwater Environment[C].10th International Conference on Nuclear Engineering，American Society of Mechanical Engineers，2002：143-152.

[21] 魯金忠，周婉婷，張圣洋，等. 激光沖擊強化層數(shù)對6061-T6鋁合金抗腐蝕性能的影響[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），49（3）：842-849.

[22] 吳嘉俊，趙吉賓，喬紅超，等. 激光沖擊強化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 光電工程，2018（2）：1-7.

[23] Takuya Uehara，Masaki Yoda，Yuji Sano，et al. Laser pee-ning systems for preventive maintenance against stress co-rrosion cracking in nuclear power reactors[C]，ICONE16-48202，Orlando，F(xiàn)lorida，USA，2008.

[24] 汪衛(wèi)兵. 核電安全端異種金屬焊接接頭應(yīng)力腐蝕開裂裂尖力學(xué)特征[D]. 陜西：西安科技大學(xué)，2017.

[25] Yoda M，Newton B. Underwater laser peening[C]. Procee-dings of the Welding and Repair Technology for PowerPlants Eighth International EPRI Conference，F(xiàn)ort Myers，F(xiàn)L，USA. 2008：18-20.

[26] Peyre P，Berthe L，F(xiàn)abbro R. Improving the Properties ofMaterials With Laser-Peening：An Overview on FrenchActivities[C]. ASME 2006 Pressure Vessels and Piping/ICPVT-11 Conference. American Society of MechanicalEngineers，2006：185-192.

[27] DeWald A T，Rankin J E，Hill M R，et al. Assessment oftensile residual stress mitigation in Alloy 22 welds due tolaser peening[J]. Journal of Engineering Materials and Te-chnology，2004，126（4）：465-473.

[28] Jain R K，Agrawal D K，Vishwakarma S C，et al. Develo-pment of underwater laser cutting technique for steel andzircaloy for nuclear applications[J]. Pramana，2010，75（6）：1253-1258.

[29] 張文瑤，裘達夫，陳瑞芳. 水下激光切割技術(shù)的探討[J].中國修船，2012，25（2）：42-43，54.

[30] 王儉辛，朱青，黎文航，等. 水下切割研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，32（2）：180-185.

[31] 朱華. 激光水下切割不銹鋼的試驗研究[D]. 江蘇：江蘇大學(xué)，2007.

[32] 李倩，孫桂芳，盧軼，等. 光纖激光水下切割1 mm厚304不銹鋼的實驗研究[J]. 中國激光，2016，43（6）：51-60.

[33] 王威，檀財旺，徐良，等. 水下50 m激光切割30 mm厚鋼板特性[J]. 焊接學(xué)報，2015，36（1）：35-38.

[34] Ambar Choubey，R K Jain，Sabir Ali，et al. Studies on pu-lsed Nd：YAG laser cutting of thick stainless steel in dryair and underwater environment for dismantling applications[J]. Optics and Laser Technology，2015（71）：6-15.