蒸汽發(fā)生器傳熱管焊接堵管用小型化激光頭研制

楊二娟，陳吉朋，毛玉林，丁海陽，蔡 暉，劉福廣

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710032；2.南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.南京輝銳光電科技有限公司，江蘇 南京 211121）

蒸汽發(fā)生器是核反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?qū)⒁换芈防鋮s劑的熱量傳遞給二回路給水并產(chǎn)生飽和蒸汽供汽輪機(jī)做功，同時(shí)也是構(gòu)成第二道安全屏障的重要設(shè)備之一[1]。蒸汽發(fā)生器管板和傳熱管支撐板是蒸汽發(fā)生器中的主要部件。蒸汽發(fā)生器管板是一、二回路間的壓力邊界，上面排布有大量傳熱管管孔，并與傳熱管相脹接，起到固定傳熱管的作用[2]。傳熱管是核島一回路中壓力邊界最薄弱的位置[3]，傳熱管面積占一回路承壓邊界面積的80%左右，而其壁厚一般僅為1.0～1.5 mm[4]，且在室溫下抗拉強(qiáng)度Rm/MPa≥630[5]。服役過程中，傳熱管長(zhǎng)期在高溫、高壓及高輻射作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械或化學(xué)損傷，導(dǎo)致傳熱管破損從而發(fā)生放射性冷卻劑外泄，造成嚴(yán)重的社會(huì)、環(huán)境問題和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，需對(duì)破損傳熱管進(jìn)行堵管作業(yè)。

堵管是在破損傳熱管兩端分別增加堵頭，從而將破損傳熱管隔離于一回路介質(zhì)外。目前各國(guó)在核電站維修實(shí)踐中，主要采用爆炸堵管、焊接堵管和機(jī)械堵管三類堵管方式[6]。爆炸堵管由于高殘余應(yīng)力，容易導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕，基本已不再使用[7]。機(jī)械堵管依靠拉動(dòng)錐形堵頭滑塊產(chǎn)生徑向脹緊力，使得堵頭套筒膨脹并貼緊傳熱管內(nèi)壁[8]。機(jī)械堵管工藝簡(jiǎn)單，堵管所需時(shí)間很短，目前廣泛應(yīng)用于在役堵管服務(wù)，但堵頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要通過結(jié)構(gòu)塑性變形實(shí)現(xiàn)密封[7]。機(jī)械堵管實(shí)質(zhì)是依靠殘余應(yīng)力將堵頭與管子緊密結(jié)合，一旦應(yīng)力松弛或消失將導(dǎo)致堵管失效[9]。焊接堵管利用焊接方法將堵頭材料與破損的管板局部熔合，焊接堵管堵頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能可靠，成本低。文獻(xiàn)[7]報(bào)道了深圳中廣核工程設(shè)計(jì)有限公司設(shè)計(jì)了新型蒸汽發(fā)生器自熔焊焊接堵管堵頭，并利用鎢極惰性氣體保護(hù)焊實(shí)現(xiàn)了焊接堵管作業(yè)。

激光焊接（laser welding）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，是一種現(xiàn)代化高端焊接工藝。激光焊接其能量密度高度集中，具有優(yōu)良的傳輸及聚焦特性，其焊接熱輸入小，焊縫變形小殘余應(yīng)力低[10-12]。激光焊接適用于精密加工，廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天等裝備制造業(yè)領(lǐng)域中，在核電裝備制造和堵管作業(yè)中，有廣闊的應(yīng)用前景。如韓國(guó)重工和建筑公司（Korea heavy industries and construction co.ltd）利用功率范圍為150～730 W 的Nd：YAG 激光器，開展了激光焊接堵管實(shí)驗(yàn)研究[13]。

現(xiàn)階段，如何提高堵管焊接質(zhì)量，進(jìn)一步降低堵管作業(yè)的近程操作時(shí)間，是堵管作業(yè)的重要研究課題。盡管激光焊接堵管有望獲得較好的焊接質(zhì)量，然而，小型化專用激光焊接頭的缺乏，阻礙了激光焊接技術(shù)面向堵管作業(yè)的實(shí)際應(yīng)用。其原因包括兩方面：第一，受限于蒸汽發(fā)生器管板結(jié)構(gòu)的空間結(jié)構(gòu)和尺寸，過大的激光頭容易造成干涉或者帶來焊接盲區(qū)；第二，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化焊接堵管，需利用多軸機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行單元，但是過重的激光頭往往加重或超出多軸機(jī)器人的工作負(fù)荷。因此，亟須開發(fā)小型化的激光頭，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程焊接堵管作業(yè)提供專門焊接裝置。

1 激光頭光路分析與設(shè)計(jì)

為了達(dá)到材料焊接所需的能量密度，需進(jìn)行激光聚焦。激光光束的聚焦常用有兩種方式：透射式和反射式。其中，透射式激光光束聚焦點(diǎn)易于調(diào)整且允許光束有微小偏心，幾乎可獲得任何尺寸的焦斑。因此，采用透射式光束聚焦。如圖1（a）所示，激光頭光路主要由光纖、準(zhǔn)直透鏡和聚焦透鏡組成。光纖激光器輸出的光斑接近高斯型分布，已知光纖的數(shù)值孔徑為NA，入射高斯光束的束腰到透鏡的距離近似等于透鏡的焦距f，可確定經(jīng)薄透鏡后的光束直徑D：

圖1 激光頭光路圖Fig.1 The optical path of the laser head

式中：D——入射光束大小，mm；

Dfiber——光纖芯徑，mm。

通過光束大小可以確定機(jī)械固定件的尺寸孔徑大小，預(yù)防激光能量的損失和對(duì)殼體散熱的影響。

使用單透鏡聚焦時(shí)，系統(tǒng)中的焦點(diǎn)直徑、焦深和發(fā)散角之間存在以下數(shù)值關(guān)系[14]：

式中：α——實(shí)際發(fā)散角，rad；

w'——束腰直徑，mm；

λ——激光波長(zhǎng)，mm；

D——透鏡的通光口徑，mm；

f'——透鏡的焦距，mm。

由式（2）、式（3）、式（4）可以得到焦深Δf'與像方張角θ的關(guān)系：

式中：Δf'——焦深即2 倍的瑞麗長(zhǎng)度，mm；

θ——像方張角，（°）。

通過式（5）可知，焦深 Δf'與像方張角θ的平方成反比。因此，可根據(jù)不同的焦深要求制定不同的像方張角，從而獲得機(jī)械外形的傾角尺寸。

根據(jù)高斯光束透鏡變換公式[15]，可確定任意離焦位置Δz處的光斑直徑：

式中：Δw'——光斑直徑，mm；

Δz——離焦距離，mm。

根據(jù)以上分析，采用光纖準(zhǔn)直一體式結(jié)構(gòu)的光纖耦合輸出模塊，數(shù)值孔徑NA=0.22，聚焦透鏡f'=125 mm，通光口徑25.4 mm。如圖1所示，光路采用透射式光束聚焦，光學(xué)元件少，易于調(diào)節(jié)且容差性好。

2 激光頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真

2.1 激光頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的小型激光焊接頭外觀如圖2（a）所示。激光頭由光纖接口、安裝座、殼體、氣路、水路、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、保護(hù)鏡片等部件構(gòu)成。激光通過光纖接口傳導(dǎo)至激光頭主體部分。所用的光纖接口為QBH 接頭，該接頭采用定制化設(shè)計(jì)將準(zhǔn)直鏡集成于接口單元中，從而縮小激光頭的尺寸。從準(zhǔn)直鏡穿過的激光通過聚焦鏡聚焦后，從激光頭端部的錐形孔中射出。

圖2 小型激光頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of the small-sized laser head

為防止激光燒蝕，激光頭的出口端錐形孔大于激光光束尺寸。激光頭中保護(hù)鏡片的作用是防止焊接過程中產(chǎn)生的高溫金屬蒸汽等損傷聚焦鏡等光學(xué)鏡頭。為實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程中的熔池保護(hù)，需在焊接過程中提供惰性保護(hù)氣體。保護(hù)氣體可通過旁軸輸送或者同軸輸送的方式實(shí)現(xiàn)。旁軸輸送保護(hù)氣體需增加旁軸氣路及其輔助固定裝置。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)采用同軸輸氣方式。同軸輸氣的實(shí)現(xiàn)方式是在激光頭上增加氣路接頭，惰性氣體通過接頭后在激光頭中的錐形孔中噴出。此外，在激光頭上還設(shè)置有水路結(jié)構(gòu)，該水路結(jié)構(gòu)的目的是給聚焦鏡片降溫。冷卻水通道如圖2（b）所示。在鏡頭圓周附近設(shè)置水槽結(jié)構(gòu)，水槽的兩頭分別安裝進(jìn)水管和出水管，冷卻水流過水槽的同時(shí)帶走鏡頭附近的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)鏡頭的降溫。冷卻水通過外部連接的水冷機(jī)降溫后循環(huán)供給激光頭裝置。

2.2 激光頭運(yùn)動(dòng)仿真

考慮到蒸汽發(fā)生器給水端的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和空間尺寸，激光頭安裝于六軸機(jī)器人上，并作為機(jī)器人的末端執(zhí)行裝置實(shí)現(xiàn)自熔焊接作業(yè)。為防止小型激光頭的與蒸汽發(fā)生器管板結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，需對(duì)激光頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，考查其在蒸汽發(fā)生器內(nèi)焊接運(yùn)動(dòng)性能和干涉特性。

運(yùn)動(dòng)仿真在SolidWorks Motion 環(huán)境進(jìn)行，設(shè)置激光器的運(yùn)動(dòng)軌跡繞指定的傳熱管進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)。如圖3 所示，結(jié)果表明小型激光頭在蒸汽發(fā)生器內(nèi)未發(fā)生明顯干涉，進(jìn)一步，在近壁面也未發(fā)生明顯干涉（運(yùn)動(dòng)姿態(tài)有所受限），說明該小型激光頭能滿足蒸汽發(fā)生器的焊接堵管作業(yè)的基本需求。

圖3 激光頭在蒸汽發(fā)生器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)仿真Fig.3 The motion simulation of the laser head in the steam generator

3 激光頭加工和焊接驗(yàn)證

3.1 激光頭加工

所加工的小型激光頭如圖4 所示。激光頭冷卻模塊和末端噴嘴采用銅材，以提高傳熱和散熱效果。激光頭底座結(jié)構(gòu)采用鋁合金，以降低裝置的整體重量。其中，冷卻模塊的工程圖如圖5 所示。

圖4 激光頭實(shí)物圖Fig.4 The machined sample of the laser head

圖5 冷卻模塊的工程圖Fig.5 The engineering drawing of the cooling module

3.2 激光頭的焊接驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證激光頭的焊接效果，進(jìn)行了焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用蒸汽發(fā)生器傳熱管模擬件，并根據(jù)模擬件設(shè)計(jì)了焊接堵頭結(jié)構(gòu)。模擬傳熱管的內(nèi)徑為13 mm，所設(shè)計(jì)的堵頭材料為 inconel690，直徑 13 mm，長(zhǎng)度20 mm，與模擬傳熱管之間的配合公差小于0.05 mm。焊接功率為500 W，采用激光自熔焊的方式，焊接進(jìn)給速率為600 mm/min。堵頭、傳熱管模擬件以及焊接后的工件如圖6 所示。將焊接工件沿著軸向剖切，并進(jìn)行制樣觀察，得到金相特性如圖7 所示。在堵頭和模擬傳熱管的配合處（即軸孔配合處），經(jīng)測(cè)試材料在0～3 mm 深度范圍內(nèi)已經(jīng)完全融合，在室溫下堵頭橫截面的抗拉強(qiáng)度Rm/MPa≥680，初步證明了所設(shè)計(jì)的激光頭易操作和有效性，可用于蒸汽發(fā)生器傳熱管的焊接堵管加工。

圖6 焊接實(shí)驗(yàn)樣本Fig.6 The welding sample

圖7 焊接工件的截面金相Fig.7 The metallograph of the weld cross section

4 結(jié)論

（1）所設(shè)計(jì)的小型激光頭包括光纖接口、安裝座、殼體、氣路、水路、準(zhǔn)直鏡、聚焦鏡、保護(hù)鏡片等部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造。

（2）小型激光頭在蒸汽發(fā)生器內(nèi)未發(fā)生明顯干涉，滿足蒸汽發(fā)生器焊接堵管作業(yè)的尺寸需求。

（3）焊接驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和強(qiáng)度測(cè)試表明，所設(shè)計(jì)的小型激光頭較好地實(shí)現(xiàn)了材料熔合，可用于蒸汽發(fā)生器焊接堵管作業(yè)。