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核电领域激光焊接技术的研究与应用现状.pdf

1、Electric Welding MachineVol.53 No.7Jul.2023第 53 卷 第 7 期2023 年7 月核电领域激光焊接技术的研究与应用现状陈挥扬,卓理政,崔运佳,张龙强,王运喜中核国电漳州能源有限公司,福建 漳州 363300摘要:核电厂的建造与运行是一个极其复杂的系统,焊接是其设备制造、装配、检修等过程中必不可少的重要工艺之一,焊缝质量的好坏直接关系到核电厂设备的可靠性和运行状态。相较于传统焊接工艺,使用激光焊接不仅能改善焊接质量,减少变形和残余应力,还能够提高效率,缩短工期。但目前在核电领域,激光焊接技术的应用并不多。为推广激光焊接技术在核电领域的应用,介绍了近年

2、来激光焊接核级材料的研究现状。包括对常见的Zr合金、不锈钢以及新型材料等的激光焊接性能研究;分析其在核电厂设备的维修以及制造等领域的应用与研究现状。在此基础上,对目前核电厂激光焊接技术应用较少的原因进行分析,并对其将来的研究方向进行展望。关键词:激光焊接;核级材料;核电设备;焊接性能中图分类号:TG456.7;TM623.7 文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2023)07-0081-09Research and Application of Laser Welding in Nuclear Power FieldCHEN Huiyang,ZHUO Lizheng,CUI Yunj

3、ia,ZHANG Longqiang,WANG YunxiCNNP Guodian Zhangzhou Energy Co.,Ltd.,Zhangzhou 363000,ChinaAbstract:The construction and operation of nuclear power plant is an extremely complicated system.Welding is one of the essential technic in the process of equipment manufacturing,assembly,maintenance and so on

4、.The quality of weld directly affects the reliability and running state of nuclear power equipment.Compared with traditional process,laser welding can not only improve weld quality,reduce deformation and residual stress,but also raise efficiency and shorten the construction period.However,this techn

5、ology is not widely used in nuclear power field.In order to promote the application of laser welding in nuclear field,the research status that about laser welding of nuclear grade materials in recent years is introduced.Including the research of laser welding properties of Zr alloy,stainless steel a

6、nd new materials,etc.Its application and research status on nuclear power plant equipment maintenance and manufacturing are analyzed.On this basis,the reasons for the low application of laser welding in nuclear power plants are analyzed,and the future research directions are prospected.Keywords:lase

7、r welding;nuclear grade materials;nuclear power equipment;welding properties引用格式:陈挥扬,卓理政,崔运佳,等.核电领域激光焊接技术的研究与应用现状 J.电焊机,2023,53(7):81-89.Citation:CHEN Huiyang,ZHUO Lizheng,CUI Yunjia,et al.Research and Application of Laser Welding in Nuclear Power FieldJ.Electric Welding Machine,2023,53(7):81-89.0 前

8、言核电厂的建造与运行是一个极其复杂的系统,焊接是其设备制造、装配、检修等过程中必不可少的重要工艺之一,焊缝质量的好坏直接关系到核电厂设备的可靠性以及运行状态。在对焊接质量要求越来越高的当下,传统的焊接技术愈发难以满足核电厂的标准。激光焊接与传统焊接工艺相比,具有热输入量小、效率高、热影响区小等优势,不仅能改善焊接质量,减少变形和残余应力,还能够提高效率,缩短工期。且激光焊接为非接触式加工,能使工作人员在 收稿日期:2023-02-10修回日期:2023-03-29作者简介:陈挥扬(1996),男,硕士,主要从事激光焊接、容器设备的研究工作。E-mail:。DOI:10.7512/j.issn.

9、1001-2303.2023.07.122023 年检修时与设备保持一定的距离,甚至可以依靠机器人完成远程自动化操作,从而大大改善工作环境,减少工作人员受到的辐射剂量。随着近年来工业激光器的不断发展,关于核电领域的激光焊接技术研究也在不断增多。本文旨在对近年来关于核级材料的激光焊接研究以及用于核电厂建设、维修以及设备制造的激光焊接技术研究进行综述,并就激光焊接技术在核电领域的发展与应用前景进行探讨。1 核级材料的激光焊接技术研究现状低活化铁素体/马氏体钢(Reduced Activation Ferritic Martensitic)具有良好的机械、热物理、抗辐射、耐腐蚀和焊接性能,是公认的良

10、好聚变堆结构材料1。CLF-1为我国目前主要研制的RAFM钢种之一。北京工业大学的吴世凯1-2等人用光纤激光器分别对17.5 mm和35 mm的CLF-1厚板进行激光焊接(其中35 mm厚钢板采用的为超窄间隙激光填丝焊工艺),均能获得形貌良好,无裂纹、气孔等明显缺陷的焊缝,并且焊缝有着优于母材的抗拉强度和接近母材的平均冲击吸收能。之后对比了在激光焊接与真空电子束焊接下得到的CLF-1钢焊缝的微观结构跟机械性能,发现在13 mm厚的钢板中,激光焊接和电子束焊接都能得到无空隙、裂纹等缺陷的良好焊缝,并且都具有好的抗拉强度和接近母材的平均冲击吸收能,如图1所示。激光焊接得到的焊缝之所以具有较好的冲击

11、韧性,是因为-铁氧体含量低、有效晶粒尺寸小、晶粒尺寸梯度大、晶界角高、M23C6碳化物含量小、MX碳化物中钽含量高、位错密度低,导致LBW接头具有较高的冲击韧性,但电子束焊接得到的焊缝从微观结构上并没有显著的增加冲击韧性的变化,具体原因暂不得知3。徐国建4等实现了10 mm板厚CLF-1钢的单道一次单面焊双面成形,并且发现,焊后热处理是改善RAFM钢焊缝综合性能的有效手段。Zr合金有着优秀的机械强度和抗氧化性,常被用于压力管和燃料包壳,目前已有大量关于Zr合金的焊接工艺研究5。由于焊缝性能很大程度上取决于氧或氢的污染、表面残余应力以及焊接熔化区和热影响区金相的形成6。相比于传统的 Arc 电弧

12、焊、TIG焊和电阻焊,电子束焊接和激光焊接得到的焊缝在熔化区和热影响区的微观结构更为优秀,但是由于电子束焊接要求高真空,且真空腔在一定程度上限制了其可焊工件的尺寸,不适用于较大的工件7,因此相对来说,激光焊接会更适用于Zr合金的焊接。Bharadwaj8等人研究了脉冲激光的热输入对Zr-2.5 wt.%Nb合金焊缝机械强度和微观组织的影响。研究结果表明热输入量对焊接深度和热影响区宽度起着至关重要的作用,随着热输入量的增加,二者也随之增加,如图2所示。在热输入量为800 J/mm的情况下能得到宏观形貌和微观结构都较好的焊缝,但是由于焊缝熔化区和热影响区的显微硬度和拉伸残余应力较高,使得焊缝的延展

13、性相比于母材较差,这或许是由于熔化区和热影响区内相与残余相的剧烈变化导致的。蒸汽发生器是压水堆核电站中,用于连接一、二回路的关键设备。一回路冷却剂将堆芯产生的热量带到蒸汽发生器,并通过它将热量传递给二回路产生蒸汽,从而推动汽轮机转动进而发电。因为其的重要性以及恶劣的工作环境(高温、高辐照),所以对设备采用的材料提出了更高的要求。Inconel合金具有耐高温、抗氧化、耐腐蚀等特性而适合在极端环境下使用 9。Kim J D10等人对Nd:YAG激光焊接的Inconel 600和Inconel 690的焊接接头进行应力腐蚀试验,发现焊缝处具有比母材更好的抗应力腐蚀性能。Thejasree11等人对1

14、 mm厚Inconel 图1激光焊接(LBW)和电子束焊接(EBW)接头的拉伸强度和延展率3Fig.1Tensile strength and elongation results for LBW and EBW joints382第 7 期陈挥扬,等:核电领域激光焊接技术的研究与应用现状718合金进行激光焊接,并研究其机械性能。得到的焊缝无宏观缺陷,熔化区硬度略低于母材,且在拉伸试验中展现出的为韧性断裂,说明激光焊接对于Inconel 718合金是一种有效的焊接方式。不锈钢作为最常见的工业设备建造材料之一,在核电领域也有着广泛应用。陆永浩12等人观察不同激光焊接速度下得到的不锈钢焊接接头组织

15、,通过模拟核电厂运行时的腐蚀环境,对其进行分区域点腐蚀以及晶间腐蚀的试验以研究各区域相应的腐蚀性能。发现随着焊接速度的增加,接头抗点腐蚀、抗晶间腐蚀的能力随之提高,且在同一焊速下,焊接接头各区域的抗腐蚀性能表现为热影响区接头整体焊缝区;而在高温水应力腐蚀试验中发现,应力腐蚀容易发生在低焊速得到的焊缝中,其裂纹倾向于在热影响区中产生和扩展。由于不锈钢在中子辐照的作用下会出现各种损伤,美国橡树岭国家实验室的Gussev13等人针对受中子辐照、不同氦含量的AISI 304L不锈钢的激光焊接微观组织进行分析,发现虽然焊接件的横截面没有明显的裂纹,但是在热影响区中已经出现了早期的氦相关损伤前兆,主要表现

16、为晶界退化。其中随机的高角度晶界最容易受到氦相关损伤,而低角度和双晶边界似乎能更好地抵抗氦和焊接的联合作用影响。这一发现表明,减少随机高角度晶界和增加双晶边界可能是减轻氦致脆化的一种方法。Chen J14研究了激光修复焊接对高辐照不锈钢中的氦致裂纹的抑制作用。针对氦浓度高达20 appm的304不锈钢,进行不同的工艺条件下的激光焊接(不同焊接速度、有无应用ABSI(Auxiliary Beam Stress Improved)技术等,发现采用ABSI技术能有效减少焊缝热影响区中微观结构的缺陷。核级高硅含钛奥氏体不锈钢的性能良好,能够在反应堆内高温、高辐照的极端环境下正常工作,因此张正浩等人针对

17、该类材料,进行了激光-电弧复合焊接工艺研究。结果表明,提高焊接速度与离焦量能够明显减少焊缝内部的气孔率15。自日本福岛核事故发生以来,人们对材料在事故耐受性能更加重视,FeCrAl合金以其优异的耐辐照和抗氧化性,优越的机械性能和加工性能而备受关注,被认为是第四代核电站有前途的包壳材料之一。Field K G16等人对中子辐照下的不同元素比例的FeCrAl合金进行机械性能实验,结果表明,FeCrAl合金的组成与微观结构对其在轻水堆的工作条件下的力学性能有至关重要的作用。Hu17等人对核级FeCrAl合金的激光焊接接头laves相和气孔缺陷的协同效应进行实验和晶体塑性模拟。他们在激光焊接接头中观察

18、到了明显的软化,分析认为laves相的两极尺寸分布是引起焊缝软化的内在原(a)312 J/mm;(b)520 J/mm;(c)650 J/mm;(d)800 J/mm图2不同热输入下的焊缝截面形貌8Fig.2Macrographs of the cross-section of weld beads developed at different heat input8832023 年因;此外,经过原位力学响应证实,孔隙引起的应力集中是焊缝内部裂纹产生与扩展的主要原因。因此,消除孔隙的同时提高laves相的沉淀是提高FeCrAl合金激光焊接接头性能的有效策略。通过上述综述可知,随着核级材料的更新

19、换代以及人们对于设备焊接要求越发严格,传统的焊接方式逐渐无法满足新的要求。能量集中、效率更高、热影响区更小的激光焊接与电子束焊接成了核级材料焊接的新选择,而由于激光焊接不需要构建真空环境,因此较电子束焊接应用范围要更广一些。在多种核级材料的激光焊接研究当中都证明,激光焊接可以得到与传统焊接相同,甚至更好的焊缝质量。而激光焊接相比于传统焊接,还有焊接效率更高,热影响区更小等诸多优点,在将来势必成为核电领域设备部件焊接的主要方式之一。但目前激光焊接技术在核电领域应用较少,其主要原因在于目前的研究大多是在实验室条件下进行的,与实际核电厂工作条件差别较大,出于保守决策,其推广一直较为缓慢。因此在研究过

20、程中,有必要将焊缝质量验证的条件设置更为苛刻一些,使其更加接近真实工作条件。图3焊缝不同位置的硬度曲线15Fig.3Hardness curves of welded joints at different positions15(a)(b)F1C5AY合金;(c)(d)B183Y2合金;(e)(f)Kanthal APMT合金图4320 下受辐照样件的拉伸断裂截面16Fig.4The fracture surfaces after tensile testing at 320C of irradiated sample1684第 7 期陈挥扬,等:核电领域激光焊接技术的研究与应用现状2 核电

21、厂先进激光焊接工艺研究与应用现状2.1 核主泵屏蔽套激光焊接技术核电厂主泵屏蔽套负责保护电动机泵组以及防止冷却剂泄漏,是核电厂主泵的关键部件之一。因为屏蔽套的工作环境极为恶劣,在承受一定机械强度的同时还要耐腐蚀介质。且作为超薄构件(厚度在0.30.8 mm),对焊缝质量以及焊件的变形控制要求更加严格。蒋立佳18研究激光焊接质量对核主泵屏蔽套涡流损耗的影响,发现为保证电机功率不受影响,在保证屏蔽套强度的前提下,应降低焊缝余高来减小屏蔽套在主泵运行过程中产生的涡流损耗;分析认为在焊缝处,厚度变化在10%以内对于屏蔽套整体的涡流损耗变化影响有限。郭玉泉19通过有限元分析研究,建立基于能量间歇作用的核

22、主泵屏蔽套用哈氏合金薄板脉冲激光焊接热力过程,并详细分析了脉冲激光焊接过程中,薄板的温度场、瞬时应力应变、残余应力应变和薄板变形的分布规律。在此基础上进一步研究哈氏合金薄板脉冲激光焊接变形调控策略,发现哈氏合金薄板加热、冷却过程中形成的应力应变分布受刚性固定拘束距离影响大,且距离越小,对焊缝和近缝区的约束就越强烈,越有利于控制焊接横向的残余应力和变形20;而若采用随焊激冷法,即在激光热源后面适当位置设置一同步移动的,对焊缝及近缝区产生急剧冷却作用的热沉,则可以对纵向残余应力和挠曲变形实现有效控制,图 5 为装置示意21。马广义22通过实验证实,脉冲激光焊接可以实现核主泵屏蔽套材料哈氏合金薄板的

23、优良焊接,焊件变形满足屏蔽套的制造精度要求。于京令、吴东江23等人对哈氏合金薄板激光填丝焊接接头的高周疲劳性能进行实验与评价,探究工艺参数对哈氏合金薄板变形的影响。研究发现,在激光填丝焊的过程中,通过影响弯曲刚度和等效载荷,线能量和相对送丝量最终会影响焊件的纵向挠曲变形。线能量增大最终会使得焊件的纵向挠曲变形呈增大的趋势,但焊缝形貌的变化会使得弯曲刚度以减小增大减小的趋势变化,因此可以在一定范围内增加线能量,而使挠曲变形相对较小;在等效载荷不变的情况下,增大相对送丝量,可以增大样件弯曲刚度从而减小纵向挠曲变形24。核主泵屏蔽套的上下法兰密封焊接是哈氏合金和SS304不锈钢的异种金属焊接,程波针

24、对这一情况,研究二者之间的激光填丝焊接工艺及成形机理。工艺实验表明,随着热输入的增加,焊缝表面成形质量变差;焊缝的余高主要与相对送丝量相关,受其他工艺参数影响不明显。并提出一种低温冷却填丝焊接组织调控工艺,通过该工艺使焊缝内未熔合区宽度减小、析出相含量减少、晶粒细化,并提高了小角度晶界的比例和耐蚀元素的含量。当冷却温度为-10 条件下,激光填丝焊接接头的平均显微硬度提升 11.7%,抗机械撕裂性能提升10.3%,自腐蚀电位提高12.7%,自腐蚀电流密度下降38.9%,并降低了焊接接头的晶间腐蚀敏感性25。2.2 水下激光焊接工艺核电站容器大多工作在高辐射的环境下,如压图5尾部带有热沉的脉冲激光

25、焊接装置21Fig.5Schematic diagram of pulse laser welding with trailing heat sink21852023 年力容器、稳压器、凝汽器、乏燃料池、蒸汽发生器等。由于长期受辐照作用,设备容易产生腐蚀裂纹等缺陷,将严重影响核电站的安全运行,而更换设备成本巨大,甚至有些设备是不可更换的,因此对容器设备的修复成了保障核电站安全运行与延寿的重要手段。鉴于容器特殊的工作环境,多数情况下对其的修复工作需要在水下进行26。水下焊接是核电厂关键的修复技术之一,按工作环境不同,水下焊接方法可以分为水下湿法焊接、水下干法焊接和局部干法水下焊接27。根据热源的

26、不同又能分为水下电弧焊和水下激光焊接等。相较于水下电弧焊接,水下激光焊接的能量密度更高、焊后工件变形较小、工件内部残余应力较低、激光束受水压影响小更适合深水作业。同时,水下激光焊接更易控制,容易实现自动化,从而减少工作人员在辐射环境下的工作时间28。姚杞29针对核电厂使用较多的AISI304不锈钢的水下激光焊接技术进行研究。分别在湿法焊接和局部干法焊接两种情况下,研究工艺参数对焊缝质量的影响。研究发现,湿法水下焊接修复时,水中的气泡以及水面的扰动,都对激光光束质量存在衰减作用。在局部干法水下激光修复时,气体压力、气溶胶粒子的散射和折射作用以及气体密度分布是影响焊缝质量的主要因素。同时,无论是哪

27、种方法,随着水深的变化,对最终修复效果起决定作用的因素也会随之改变。钛合金具备优良的综合性能,是具有良好发展潜力的新型材料,其中以TC4钛合金应用最为广泛。哈尔滨工业大学的施项中30对TC4钛合金的水下激光焊接工艺进行了研究,研发了双层水下激光排水装置以实现局部干法焊接。装置分为内外两层,外层采用侧向进气方式通入压缩空气,内层采用斜通式进气方式通入焊接保护气体,并通过仿真模拟与实验,找到合适的参数,得到了质量优良的焊接接头。2.3 大型厚壁构件的激光焊接技术研究核电站的许多设备属于高服役性能的大型设备,具有厚壁、多结构等特点。传统的厚壁构件焊接工艺为电弧焊接,虽然有着操作简单、灵活性强的优点,

28、但由于焊接过程需要大的坡口尺寸以及较低的焊接速度,使得焊接存在效率较低、线性能量大、变形应力大等不足。工程上采用窄间隙焊接方法可以有效规避这些缺陷31。而激光在焊接厚壁构件时,除了采用高功率之外,也能够结合窄间隙焊接工艺,实现用较低的功率焊接较厚的构件。上海交通大学的张益文32针对SA508Gr.3Cl.2核电用钢进行窄间隙激光填丝焊的工艺研究。分析实验结果发现,焊道数对气孔率的影响最为显著,焊道数减少时,气孔率会显著增加。而随着预热温度、坡口角度的增加,气孔率会随之下降。而在裂纹倾向实验中发现,裂纹率随激光功率增加、焊接速度减小而变大,随送丝速度增加而减小。李军兆、孙清洁33-34等人对激光

29、窄间隙垂直焊接的特性进行了研究。发现垂直向上激光焊接对孔隙的敏感性要低于垂直向下焊接。提高焊接速度能够提高焊接过程的稳定性,降低孔隙的形成率;利用表面张力的传递方式,可以实现填丝的有效预热并得到较为稳定的焊接过程;而采用振荡激光束可以增加激光辐照面积,使熔池温度更为均匀,促进对焊接金属的“润湿”作用,减弱焊接过程中熔融金属下垂的趋势,图6为垂直焊接过程示意。之后还针对SUS316L奥氏体不锈钢,进行电磁场辅助扫描激光窄间隙焊接工艺研究。结果表明,交变电磁场能够实现焊丝在焊缝横向位置的可控熔化行为,使窄间隙焊接接头的熔宽增加,熔深减小,焊缝对称性提高,而且接头中的未熔合及气孔缺陷也得到了抑制。3

30、 展望激光焊接相比于传统焊接,具有热输入量小、冷却速率快、焊缝深宽比大、热影响区小等特点,同时更易实现自动化与远程操作,这在核电领域应用不仅能提高建设、维修效率,还能大大减少工作人员所受的工作剂量,并且相对于电子束焊接,激光焊接不需要真空室,对工作环境适应性较强。因此,激光焊接技术在未来,能够取代传统焊接方式,在核电站的建设与维修中得到更为广泛的应用。然而现阶段核电领域激光焊接的应用不多,多数情况下仍然采用传统焊接模式,其主要有以下几86第 7 期陈挥扬,等:核电领域激光焊接技术的研究与应用现状个方面的考量,也是接下来激光焊接要在核电领域应用的研究方向:(1)安全性与可靠性。安全是核工业的生命

31、线,是核工业生存和发展的根基。国内外有不少关于核级材料的激光焊接研究,对焊缝质量的判断大多使用常规方式进行实验验证,缺少焊缝在辐射环境下的性能表现数据。同时,考虑到核电站现场建设与维修的环境,要求激光器在实际使用中要具有更高的可靠性,且要能满足一些特殊环境的作业。因此,今后的核电领域激光焊接技术研究需要考虑焊缝在辐射环境下工作时材料、性能的变化;研究激光器的轻量化以及实际激光焊接的灵活性以适应不同的工作环境。(2)生产成本与效率。使用激光焊接能提高焊接效率,减少人工成本,缩短建设、维修工期,从长远来看,是能够降低成本的。但相比于传统焊接,目前激光焊接的一次性投入成本较高,因此要推广激光焊接在核

32、电领域的应用,需要研究降低激光器的制造以及维护成本,实现自动化激光焊接以减少人工成本。4 结论(1)激光焊接相比传统焊接模式,有着许多独到的优势,随着激光焊接技术的不断发展,其在核电领域中的应用也会越来越广泛。(2)核电领域的激光焊接技术研究主要集中在核级材料的激光焊接研究以及具体核电设备、核电工程中的激光焊接工艺研究。激光焊接的可焊材料种类丰富,不乏核电领域的关键材料。但目前关于实际激光焊接在核电领域的应用工艺研究较少,核电站使用激光焊接技术也十分稀少。(3)为了推广激光焊接技术在核电领域的应用,今后的激光焊接技术研究应该从安全性与可靠性、生产成本与效率几方面入手。参考文献:1 张建超,乔俊

33、楠,吴世凯,等.低活化铁素体/马氏体钢厚板光纤激光焊接接头组织及力学性能分析 J.焊接学报,2018,39(04):124-128+134.ZHANG J C,QIAO J N,WU S K,et al.Microstructure and mechanical properties of fiber laser welded joints of reduced activation ferritic/martensitic CLF-1 steel heavy plate J.Transactions of the China Welding Institution,2018,39(04):1

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35、perties of LBW and EBW weld joints of CLF-1 steel:A comparative analysisJ.Journal of Nuclear Materials,2021,549:152914.4 徐国建,井志成,张国瑜,等.激光焊接核电用CLF-1钢的组织与性能 J.沈阳工业大学学报,2022,44(03):277-282.(a)垂直向上焊接(b)垂直向下焊接图6焊接过程小孔及熔池示意33Fig.6The schematic diagram of molten pool and keyhole33872023 年XU G J,JING Z C,ZH

36、ANG G Y,et al.Microstructures and properties of CLF-1 steel for laser welding in nuclear power plantJ.Journal of Shenyang University of Technology,2022,44(03):277-282.5 Rudling P,Adamson R,Cox B,et al.High burnup fuel issuesJ.Nuclear Engineering and Technology,2008,40(1):1-8.6 Srivastava D,Mani Kris

37、hna K V,Neogy S,et al.Evolution of Microstructure,Microtexture and Texture in Dilute Zirconium Based Structural Components of Pressurised Heavy Water ReactorsC/International Conference on Nuclear Engineering,2009:401-409.7 Slobodyan M.Resistance,electron-and laser-beam welding of zirconium alloys fo

38、r nuclear applications:a review J.Nuclear Engineering and Technology,2021,53(4):1049-1078.8 Bharadwaj V,Rai A K,Upadhyaya B N,et al.A study on effect of heat input on mode of welding,microstructure and mechanical strength in pulsed laser welding of Zr-2.5 wt.%Nb alloyJ.Journal of Nuclear Materials,2

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