水下激光焊接

一般的水下焊接方法都需要采用电弧焊工艺以及配有多名潜水员，施焊时通常采用手工或机械化焊接装备进行操作。然而今天，WEC焊接有限公司——隶属于美国LLC电气公司的子公司将激光焊应用到水下焊接中，可作为水下修复技术应用在海洋平台中。

（1）水下激光焊工作原理

水下激光焊接工艺结合了两种激光技术——活性光学纤维及半导体二极管。极亮的半导体二极管发射器被用作光源将聚焦光束通过光纤，从一个很小的光纤腔中发射出极强的亮光。激光束被包含在光学纤维中，光学纤维通过柔韧的装甲金属导管来屏蔽。

水下激光焊利用二极管纤维激光束，熔池通过初次和二次保护气进行保护，保护气通过激光焊枪输送。初次保护气主要作用是排开水，提供一个干燥的焊接环境，同时也为焊接提供保护介质。二次保护气提供一些有利于激光焊系统的功能，以防止焊接时水进入焊接试件中。保护罩用来密封焊接区域，当增压时形成干燥的空腔，如图3-21所示。它是一种通过向焊接部位输送保护气体（Ar）以形成局部的空腔，然后在空腔中使用含钕的钇铝石榴石激光器（Nd：YAG）发射激光束，并同时添加丝状填充金属，从而形成堆焊层的焊接技术。在堆内构件中，为防止发生应力腐蚀、开裂（SCC）而提高耐蚀性的堆焊（CRC），以及针对已发生SCC所导致裂纹的焊接密封所开发的水下激光焊接法对以上两个方面均适用。前者的目标是预防维修，后者则是事后维修。其中，对于密封裂纹的焊接方法而言，主要是依靠焊缝金属封堵裂纹，以便使裂纹与堆内水环境隔离，同时防止堆内的水从裂纹处泄漏。

这种焊接技术不仅节省了在焊接部位的抽水时间，还借助水的屏蔽效果，有效地降低了堆内施工时操作者所遭受的放射性损害。对堆焊及密封焊接后的结果进行分析，二者均获得了具有金属光泽的优良焊缝。通过密封焊接，在裂纹顶上形成了良好的焊接金属层，得以将裂纹封堵。

（2）水下焊接机头

图3-21　水下激光束焊示意图

东芝公司开发的水下激光焊接使用的是Nd：YAG激光，焊接机头局部处于保护气体中。焊接机头是水下焊接系统主要的仪器之一，图3-22为焊接机头的外观和试验装置，从Nd：YAG激光振荡器中发出的激光，通过光纤维传送至焊接机头，依靠内部装有的光学系统聚焦，从而形成焊接熔池。焊接机头进入水槽中，从机头前段送出保护气体，从而使焊接部位能够局部处于保护气体中。同时，送丝装置将焊丝送入熔池中，形成焊接金属层。图中所示的焊接机头是东芝公司针对狭窄部位研制的厚度约为50mm的薄型机头。表3-12为水下激光密封焊接的工艺参数。

图3-22　焊接机头的外观和试验装置

表3-12　水下激光密封焊接的工艺参数

（3）材料的搭配及焊接性分析

表3-13为水下激光焊接技术较为合理的母材与填充金属的搭配。母材分别是堆内结构件中所用到的SUS316L奥氏体不锈钢、DNiCrFe-3镍基合金（相当于BWR材料中的Inconel 182）和DNiCrFe-1J（相当于PWR材料中的Inconel 132）。

另外，对于奥氏体不锈钢与镍基合金的焊接，使用了镍基合金作为填充金属。考虑到焊接时所带来的影响，焊接性的分析主要着眼于焊接时环境的影响（水环境和水深）以及焊接部位外形的影响。

表3-13　水下激光焊接合理的母材与填充金属的搭配

（4）水下焊接与大气中焊接的比较

该焊接技术由于是在水下进行焊接，为了分析水环境及水深的影响，与大气中的激光焊接进行了比较，并且研究了模拟焊接部位水深的激光焊接。大气中焊接后焊缝的外观和截面宏观金相与水下焊接的结果相同。另外，模拟了施工假定部位的水深，在相当于30m深的加压水环境中进行焊接后，焊缝外观和截面宏观金相与正常的焊接一样，这就证实了水深对焊接没有影响。综上所述，水下激光焊接技术与大气中激光焊接几乎没有差别，从而证实了水下激光焊接技术不受焊接环境的影响。

（5）多层焊接的研究

作为堆内结构件的修复工艺，从维持表面耐蚀性及保证必要焊接厚度的观点出发，在实际应用这种焊接技术的地方，应考虑实施多层焊接。为了研究这种多层焊接对焊接加T面造成的重复热影响，进行了侧弯试验。侧弯试验结果显示，两种材料中均无缺陷。

（6）焊接部位外形的影响

适用这种焊接技术的堆内结构件大多是三维外形，所以使用图3-22所示的试验样机进行焊接试验，以研究横焊及其他位置对焊接的影响。结果证明，在横焊、平焊、仰焊、立焊等所有位置上的焊接均可行。再者，为了研究类似实际核电厂中在焊接加工面外形上的焊接性，进行了仿真倾斜位置焊接性的研究。通过倾斜位置仿真焊接试验，对倾斜位置的模拟缺陷进行密封焊接。通过对倾斜位置仿真焊接试样的外观分析，设定焊接机头角度，根据在倾斜位置上得到的保护层，证实了密封焊接的可行性。

（7）水下激光焊接的效果

通过进行全面的焊接试验，证实了无论是堆焊还是密封焊接均可行。在应用该焊接技术时，对于预防维修的堆焊和事后维修的密封焊接，都有必要防止焊后焊缝金属自身产生新的SCC。因此，对焊接后焊缝表面的化学成分进行了分析，证实了奥氏体不锈钢和镍基合金二者良好的化学成分均能达到抗SCC性的要求。同时，密封焊接的目的在于将裂纹与外部环境隔离，从而抑制SCC的扩展。该焊接技术在水下进行，SCC裂纹的内部有可能会残留水，所以要分析裂纹内部残留有水的地方SCC扩展动向的相关情况。分析结果证实，通过密封焊接已将裂纹与外部环境隔离，所以没有发生SCC扩展的现象。

（8）水下激光焊与钨极氩弧焊的异同

水下激光焊中所使用的填充金属与钨极氩弧焊中使用的填充金属一样，确保填充金属与母材能够适合连接。填充金属被送入到激光束形成的熔池中，这与钨极氩弧焊焊接过程非常相似。然而，水下激光焊是采用全自动化焊接工艺，从这点可以看出水下激光焊并不同于钨极氩弧焊，因为钨极氩弧焊在焊接期间还需要操作者来调整设备。

水下激光焊接主要被用于修理／维护的场合，与其他水下工艺方法的应用相似。这些应用包括近海钻探油平台的修理和其他传统焊接方法存在缺陷的海底应用场合。该工艺也很适合应用于存在焊接飞溅的地方（如海岸线附近的船体焊接），这些地方采用传统的电弧焊方法时由于水的流动会对焊工人身安全造成危险。在日本国内，早期的核电厂从开始运行至今已经历了30年以上，对预防维修及事后焊接维修的需求日益增高。针对堆内构件上使用的主要材料的焊接，以及各种不同位置焊接的可行性，东芝公司开发了可信度较高的水下激光焊接技术。该水下激光焊接法采用低热输入，在反应堆内残留有水的情况下，即使是在狭窄部位也能进行焊接，所以该维修工艺缩短了总工作时间，降低了放射性危害，并且减小了对焊接部位的热影响，确实是一种非常有效的焊接方法。今后，应开展与远程操作机器人、检查机器人及其他维修机器人等的配合工作，以各种各样外形结构的堆内部件为对象，研究开发可应用于从检查到维护、维修的高度集成的系统。