摘要： 借助于光纖的柔性傳輸技術(shù)，激光焊擺脫了傳統(tǒng)光路不易改變的限制，并衍生出了手持式激光焊接設(shè)備，其靈活性大大拓展了激光焊工藝的應(yīng)用場(chǎng)景，并經(jīng)歷了從固體燈抽運(yùn)激光器、光釬激光器到擺動(dòng)式激光焊接機(jī)等三代的發(fā)展成熟。但目前手持式激光焊主要應(yīng)用于建筑家裝等少數(shù)行業(yè)，且在規(guī)范層面缺乏針對(duì)性的評(píng)定體系和指引，本文以某核電站燃料格架薄壁不銹鋼的焊接為例進(jìn)行了應(yīng)用探索，驗(yàn)證了手持式激光焊的工藝性能、力學(xué)性能以及焊縫成形質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品高效優(yōu)質(zhì)的焊接，同時(shí)針對(duì)手持式激光焊提出了規(guī)范層面的評(píng)定建議，為該設(shè)備及工藝在核電及其他重要領(lǐng)域的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞： 手持式激光焊；薄壁不銹鋼；光釬激光器

中圖分類號(hào)：TG 456.7

Application and qualification of handheld laser welding in nuclear power product

XIU Yanfei^1，2， WANG Zixia^1，2， FENG Juntao^1，2，F(xiàn)AN Xiangbo^1，2，DOU Cunyin^1，2，LI Haining^1，2

（1. Shan Dong Nuclear Power Equipment Manufacturing Company， Haiyang， 265118， China; 2. Yantai Nuclear Equipment Engineering Technology and Research Center， Haiyang， 265118， China）

Abstract： With the help of the flexible transmission technology of optical fiber， laser welding completely gets rid of the restriction that the traditional optical path is not easy to change， and derives the handheld laser welding equipment. Its flexibility greatly expands the application scene of laser welding， and has experienced three generations of development and maturity， from solidstate lamp pumped laser， optical brazing laser to swing laser welding machine. However， at present， handheld laser welding is mainly used in a few industries such as construction and home decoration， and there is a lack of targeted evaluation system at the normative level. This paper takes the welding of 1 mm thinwalled neutron absorption plate cover plate of a nuclear power plant fuel grid as an example to explore the application， and studies the influence of laser frequency， pulse width and other parameters on the weld size and penetration， realizing the highquality and efficient welding of products， At the same time， a set of feasible evaluation rules and specifications for handheld laser welding process are proposed， which provides a detailed reference for the promotion and application of this process in the field of nuclear power and other important product manufacturing.

Key words：" handheld laser welding; thinwalled stainless steel; optical brazing laser

0 前言薄壁不銹鋼是核電設(shè)備制造經(jīng)常涉及到的一類材料，焊接時(shí)極易燒穿、塌陷、變形，影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特性，如強(qiáng)度、尺寸精度、耐腐蝕性等^[1]。通常采用鎢極氬弧焊（GTAW）工藝，但必須嚴(yán)格控制焊接的熱輸入量，且對(duì)焊工技能要求非常高。相較于傳統(tǒng)的氬弧焊，等離子焊或激光焊在薄板焊接方面具有巨大的優(yōu)勢(shì)，但是受制于其昂貴的設(shè)備價(jià)格、高能耗以及巨大的體積而難以得到廣泛的應(yīng)用。

隨著光纖的柔性傳輸技術(shù)的發(fā)展，激光焊徹底擺脫了傳統(tǒng)光路不易改變的限制，并衍生出了手持式激光焊接設(shè)備，其靈活和便捷性大大拓展了激光焊的應(yīng)用場(chǎng)景，并經(jīng)歷了從固體燈抽運(yùn)激光器、光釬激光器到擺動(dòng)式激光焊接機(jī)等三代的發(fā)展成熟，具備了振鏡式和旋轉(zhuǎn)式的擺動(dòng)焊接頭，能耗和體積達(dá)到了可接受的程度^[2]。但目前手持式激光焊主要應(yīng)用于建筑家裝等少數(shù)行業(yè)，且在規(guī)范層面尚缺乏針對(duì)性的評(píng)定規(guī)則。

文中以核電站燃料格架為案例，介紹了手持式激光焊原理及工藝優(yōu)缺點(diǎn)，研究了激光頻率、能量、焦斑尺寸等工藝參數(shù)，驗(yàn)證了手持式激光焊的工藝性能、力學(xué)性能以及焊縫成形質(zhì)量，并基于《ASME IX釬焊及焊接評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的基礎(chǔ)框架提出了針對(duì)性的完善和補(bǔ)充，為后續(xù)手持式激光焊的推廣和應(yīng)用提出了規(guī)范化方面的建議。

1 核電站燃料格架焊接應(yīng)用實(shí)例

1.1 焊接難點(diǎn)和焊接工藝現(xiàn)狀分析

燃料格架為核電站貯存新燃料和乏燃料的特殊設(shè)備，燃料格架及貯存腔如圖1所示，每個(gè)貯存腔外側(cè)四面均設(shè)計(jì)有用于固定中子吸收板的不銹鋼包殼板，其材質(zhì)為H06Cr19Ni10Ti，規(guī)格約4 500 mm×200 mm×1 mm，四周為焊腳尺寸為1 mm的角焊縫。設(shè)計(jì)上對(duì)產(chǎn)品焊接成形精度要求高，貯存腔中心線對(duì)底板的垂直度≤4 mm，保證貯存腔內(nèi)壁拉拔試驗(yàn)?zāi)Σ亮Α?20 N；同時(shí)焊接線能量要小，焊后內(nèi)外表面不允許氧化，防止發(fā)生晶間腐蝕，降低耐腐蝕性能。此外，焊縫焊接量大，單機(jī)組的格架包殼板焊接量接近4.5萬(wàn)米，對(duì)焊接效率提出來(lái)更高的要求。

目前國(guó)內(nèi)核電站的燃料格架中子吸收板包殼板的焊接主要采用氬弧焊工藝，但焊接速度較低（約8 cm/min），薄板焊接變形大，且對(duì)焊工技能要求高，影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量和制造進(jìn)度。

1.2 手持激光焊原理及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法，分為熱傳導(dǎo)性焊接和激光深熔焊接^[3]，如圖2所示。當(dāng)功率密度小于1×10⁴～1×10⁵ W/cm²時(shí)為熱傳導(dǎo)焊接，此時(shí)激光照射到材料表面時(shí)，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，材料將光能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱熔化。材料表層的熱量繼續(xù)以熱傳導(dǎo)的方式傳遞到材料的深層，最終將兩個(gè)焊件焊接在一起。當(dāng)功率密度大于1×10⁵～1×10⁷W/cm²時(shí)形成深熔焊，兩者的區(qū)別為熔池被激光束穿透成孔。熱傳導(dǎo)性焊接時(shí)熔池的表面保持封閉，對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)很小，所以在激光傳導(dǎo)焊接過(guò)程中焊縫不易被氣體侵入。

手持式激光焊的功率密度相對(duì)偏低，屬于熱傳導(dǎo)性焊接，具有焊接速度快、變形小且技能要求低的特點(diǎn)，尤其適合于板厚度在0.5～2.5 mm的薄板不銹鋼的焊接。下表1為手持式激光焊與常規(guī)氬弧焊的對(duì)比。ASEM IX^[4] 焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)在2017版本中增加了對(duì)傳導(dǎo)性激光焊的規(guī)范要求，將其從激光焊中獨(dú)立出來(lái)進(jìn)行評(píng)定和控制，并命名為低功率密度激光焊（Lower-power Density Laser Beam Welding），同時(shí)增加了對(duì)低功率密度激光焊線能量計(jì)算方法的定義。根據(jù)規(guī)范變素表QW264.2，首先制作與產(chǎn)品等比例的樣件，通過(guò)調(diào)整手持式激光焊的激光頻率、能量、光斑尺寸、焊接速度等一系列重要變素參數(shù)進(jìn)行工藝調(diào)試，使工件熔化形成特定的熔池。經(jīng)調(diào)試后的焊縫成形效果較好，表面及截面的成形見(jiàn)下圖3和圖4所示。不填絲的情況下焊縫美觀一致，焊接變形小，背部除起收弧點(diǎn)外，其他基本無(wú)氧化，填絲焊的焊縫可形成1 mm的焊角，接頭輪廓過(guò)渡圓滑，對(duì)應(yīng)的激光焊的工藝參數(shù)如下：填絲H06Cr19Ni10Ti φ0.8 mm，激光頻率5 000 Hz，振鏡速度100 Hz，振寬1.5 mm，占空比50%，送絲速度1.5 mm/s，輸出功率500 W。

除了采用等比例模擬件的形式進(jìn)行工藝評(píng)定外，為了驗(yàn)證該工藝的接頭力學(xué)性能，進(jìn)一步進(jìn)行了對(duì)接試板的焊接和評(píng)定，按照相關(guān)規(guī)范要求完成了拉伸、側(cè)彎及晶間腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，最終成功應(yīng)用于某核電機(jī)組燃料格架中子吸收板包殼板的焊接，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

2 手持式激光焊工藝控制及評(píng)定思考

手持式激光焊工藝優(yōu)勢(shì)明顯，然而作為一種新型設(shè)備及工藝，在應(yīng)用到核電、航天、造船等重要領(lǐng)域，其必然遇到評(píng)定和質(zhì)量控制等一系列問(wèn)題，以滿足行業(yè)規(guī)范和質(zhì)保體系要求。筆者調(diào)研了國(guó)內(nèi)外關(guān)于激光焊相關(guān)的評(píng)定規(guī)范，均無(wú)適用的評(píng)定指導(dǎo)和要求，而手持式激光焊作為一種新型設(shè)備，主要面向的市場(chǎng)上是非核領(lǐng)域，要求偏低，在軟件設(shè)計(jì)上很多參數(shù)量顯示不完整且即使顯示也是存在定性而不定量的問(wèn)題。手持式激光焊在核電裝備制造中的成功應(yīng)用具有一定的示范和樣板作用，這里可歸納總結(jié)為以下三個(gè)方面：

2.1 評(píng)定變量的完整性

根據(jù)ASME IX 表Q264.2工藝評(píng)定變素，部分變素?zé)o法直接獲取，需要通過(guò)繁瑣的公式或者儀器儀表進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算。例如工作模式（脈沖或連續(xù)光等）的顯示和切換的功能缺失、光束直徑和焦點(diǎn)光斑直徑需要計(jì)算、鏡頭到工件的距離、光束軸與工件的角度需要測(cè)量等，缺少的變素應(yīng)按照質(zhì)量體系控制原則通過(guò)設(shè)備軟件升級(jí)或者輔助工裝等方式進(jìn)行完善。

2.2 評(píng)定變量的量化性

在保證上述變素完整顯示的前提下進(jìn)行量化以保證獲取到準(zhǔn)確值，例如激光的脈沖能量、離焦量以檔位或模擬量的形式體現(xiàn)，無(wú)法滿足評(píng)定和質(zhì)量控制的要求。通過(guò)激光功率計(jì)和測(cè)距儀，對(duì)不同模擬量對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值進(jìn)行了測(cè)量，并建立映射關(guān)系，進(jìn)而完善對(duì)工藝參數(shù)等重要變素的量化顯示和調(diào)控。

2.3 評(píng)定變量的穩(wěn)定性

激光焊接對(duì)焊縫成形穩(wěn)定件的影響最主要的參數(shù)是激光光斑的功率密度，在光束模式和聚焦鏡焦距一定的情況下，功率密度取決于激光功率和光束焦點(diǎn)位置。而激光功率和焦點(diǎn)位置則是焊接過(guò)程中可能發(fā)生波動(dòng)而難于監(jiān)控的參數(shù)。

（1）對(duì)于功率密度，雖然從激光器輸出的激光功率穩(wěn)定性很高且容易監(jiān)控，但由于有導(dǎo)光和聚焦系統(tǒng)的損耗，到達(dá)工件的激光功率會(huì)發(fā)生變化，而這種損耗與光學(xué)工件的質(zhì)量、使用時(shí)間及表面污染情況有關(guān)，故不易監(jiān)測(cè)，成為焊接質(zhì)量的不確定因素。此外，手持式激光焊設(shè)備內(nèi)置的激光器功率設(shè)定的模擬信號(hào)量與實(shí)際值并非線性對(duì)應(yīng)，加之衰減現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)定值與實(shí)測(cè)值出現(xiàn)偏離，推薦做法是加裝激光功率計(jì)或能量計(jì)，并定期委托權(quán)威第三方對(duì)不同脈沖能量下的出光功率進(jìn)行檢測(cè)，建立基準(zhǔn)，開(kāi)展周期標(biāo)定，從而保證激光焊工藝的穩(wěn)定性。

（2）對(duì)于光束焦點(diǎn)位置，是焊接參數(shù)中對(duì)焊接質(zhì)量影響極大而又最難監(jiān)測(cè)和控制的一個(gè)因素。目前在生產(chǎn)中需靠人工調(diào)節(jié)和反復(fù)工藝試驗(yàn)的方法確定合適的焦點(diǎn)位置，以獲得理想的熔深。但在焊接過(guò)程中由于操作人員手法不穩(wěn)、工件變形，熱透鏡效應(yīng)或者空間曲線的多維焊接，焦點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化而可能超出允許的范圍，需要制定相應(yīng)的控制措施。

對(duì)于上述兩種情況，一方面要采用高質(zhì)量、高穩(wěn)定性的光學(xué)元件，并經(jīng)常維護(hù)，防止污染，保持清潔；另一方面應(yīng)積極發(fā)展激光焊接過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制方法，以優(yōu)化參數(shù)，監(jiān)視到達(dá)工件的激光功率和焦點(diǎn)位置的變化，采用機(jī)器人及視覺(jué)跟蹤等方式實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，提高激光焊接質(zhì)量的可靠件和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）手持式激光焊工藝優(yōu)勢(shì)明顯，尤其對(duì)于0.5～2 mm的超薄材料，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效焊接，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

（2）應(yīng)盡快建立一套手持式激光焊的獨(dú)立的工藝評(píng)價(jià)方法，以便工藝的推廣和應(yīng)用。

（3）未來(lái)手持式激光焊接應(yīng)與機(jī)械小車或工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行集成，提高激光焊工藝的穩(wěn)定性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

［1］ 王琪珉，來(lái)新民，麥建明，等.金屬超薄板光纖激光焊接[J] 機(jī)械設(shè)計(jì)與研究 2011，27（1）：69-72.

[2] 陳阿海， 劉海濤. 手持式激光焊技術(shù)在磁浮車體中的應(yīng)用[J]. 軌道交通裝備與技術(shù)， 2021（5）：32-34.

[3] 韓曉輝， 張志毅， 李剛卿. 激光焊接技術(shù)在不銹鋼軌道客車制造中的應(yīng)用與展望[J]. 電焊機(jī)， 2018， 48（3）：1-8.

[4] ASME IX qualification standard for welding and brazing procedures，welders，brazers，and welding and brazing operators [S]. AMERICAN ，ASME 2017 EDITON.

收稿日期： 2024-09-05

修延飛簡(jiǎn)介： 1985年出生，碩士，高級(jí)工程師。主要研究方向：核電焊接工藝開(kāi)發(fā)及智能化制造；Email：yanfei859@163.com。

通訊作者簡(jiǎn)介： 王子夏，1998年出生，本科，主要從事核電領(lǐng)域焊接工藝技術(shù)方向的工作。