光纖激光焊接應(yīng)用于核設(shè)施建造
曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心（LPRC）是英國領(lǐng)先的激光制造技術(shù)研究機構(gòu)。作為世界級激光研究的權(quán)威，中心主任LinLi教授和他的同事發(fā)表了大量的論文，基于激光器的核電站退役技術(shù)以及核電站制造中的激光加工技術(shù)在其中占據(jù)了重要的地位。他們與開放了位于坎布里亞郡的科爾德霍爾核電站（全球第一座商用核電站）、用于對核工程各方面進行研究的曼徹斯特大學(xué)道爾頓核能研究所有密切的聯(lián)系。激光加工研究中心（LPRC）還與英國大型制造商合作，研究在特殊制造工藝中激光器在特殊系統(tǒng)中的使用。用最新型的超級激光器對包括核能單元實體模型在內(nèi)的設(shè)施進行加工，來研究核工業(yè)的前沿應(yīng)用。
在整個由曼徹斯特大學(xué)主導(dǎo)、謝菲爾德大學(xué)協(xié)助的新核能制造（NNUMAN）項目，負(fù)責(zé)開發(fā)最大化生產(chǎn)率和安全性的技術(shù)，Li領(lǐng)導(dǎo)著從事焊接研究的團隊。這個項目采用了高功率激光焊接這種在建造現(xiàn)有運行中的核設(shè)施中從未使用過的方法。
“在建造現(xiàn)有的民用核電站時，高功率激光技術(shù)還沒有被開發(fā)，”Li強調(diào)?！耙虼水?dāng)時的制造工藝采用了主要基于傳統(tǒng)技術(shù)的方法?！彼麖娬{(diào)在對激光焊接技術(shù)的研究中還未專門對鐵素體材料，例如SA508鋼進行過描述?！霸诤嗽O(shè)施厚板制造中還未采用激光焊接。因此，我們的發(fā)現(xiàn)可能是這個領(lǐng)域中最先進的?！?
新核能制造項目（NNUMAN）于2012年10月啟動時獲得了由兩所大學(xué)組成的英國工程和物理科學(xué)研究委員會400萬英鎊的基金支持。該項目也從與行業(yè)的密切聯(lián)系中受益，后者提供了具體應(yīng)用和更多財務(wù)支持，以幫助這些技術(shù)走出實驗室成為實際的產(chǎn)品?！坝蓙碜员姸鄧H核設(shè)施供應(yīng)商和研究機構(gòu)的行業(yè)專家和學(xué)者組成的咨詢委員會指導(dǎo)了我們的工作，”Li表示。
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新核能制造項目（NNUMAN）使用IPG光子公司16kW激光器和Kuk6軸機器人，位于道爾頓核能研究所制造技術(shù)實驗室。
16kW光纖激光器
因為光纖激光器的出色性能，激光焊接現(xiàn)在已成為核工業(yè)的一種潛在選擇?！肮饫w激光器能夠提供最高的平均功率（甚至高達100kW），通過光纖傳輸進行遠程操作，”Li表示。
傳統(tǒng)的CO2激光器無法用這種方式進行傳輸。同時光纖激光器具有更高的電光轉(zhuǎn)換率，與轉(zhuǎn)換率低的CO2激光器相比，IPG光纖激光器轉(zhuǎn)換率目前已經(jīng)可以達到45%。此外，與波長更長的CO2激光器相比，波長更短的光纖激光器的光束更易于被金屬材料吸收。
因此，新核能制造項目（NNUMAN）開發(fā)出在英國功率最高之一的光纖激光系統(tǒng)，一套16kW的IPG激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)與帶有Precitec焊接頭的6軸Kuka機器人配合，安裝在2維旋轉(zhuǎn)升降臺上。Li的團隊用這種系統(tǒng)焊接試樣來模擬核反應(yīng)堆部件，例如核燃料容器、管道及閥門，來最小化材料變形和熱影響、最大化焊縫的完整性。除此之外，該實驗室還擁有IPG/Kuka16kW光纖激光機器人遠程熔覆系統(tǒng)和IPG/Kuka16kW光纖激光機器人遠程切割系統(tǒng)。
”需要對核電站構(gòu)件中材料焊接的特殊要求，包括極好焊接質(zhì)量和焊縫完整性，以及長使用壽命進行證明，“Li解釋說。”我們計劃焊接80-130mm的鐵素體鋼，例如SA508和80mm的不銹鋼，實現(xiàn)高度的焊縫完整性和低殘余應(yīng)力，“他補充到。該團隊還比較了焊接時沒有采用填充材料的自熔焊與諸如添絲焊等基于填充材料的焊接方法。
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新核能制造項目（NNUMAN）在2015年已經(jīng)實現(xiàn)了80-130mm核電站材料的焊接。
走向商業(yè)化盡管新核能制造項目（NNUMAN）的第一年以準(zhǔn)備項目所需的專業(yè)知識、設(shè)備和設(shè)施為主，Li的團隊已經(jīng)開始在實現(xiàn)目標(biāo)的路上向前邁步?！蔽覀冏C明了將單面自熔焊和雙面添絲焊相結(jié)合的方法在狹小焊縫間焊接30mm鐵素體鋼和20mm不銹鋼，“Li說到。“這些顯示了將激光焊接技術(shù)擴展到厚板焊接的前景。采用這些技術(shù)的熱影響與弧焊產(chǎn)生熱影響相比減少了10%?！?
除了激光焊和窄間隙埋弧焊，新核能制造項目（NNUMAN）團隊還研究了電子束焊。這些最具前景的技術(shù)將通過英國核能戰(zhàn)略的另外一個重要部門——核能先進制造研究中心（AMRC）投入市場。
因此激光焊接必須在2015年4月前證明其對于厚板的焊接能力?！敖酉聛淼木褪翘峁┰敿氋Y料和微結(jié)構(gòu)分析，同時還要進行機械性能、殘余應(yīng)力和輻射環(huán)境測試，”Li進行了說明?！斑@些測試結(jié)果將激光焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)化推向核能先進制造研究中心（AMRC），行業(yè)合作估計將于2016年開始?！保ㄗⅲ涸诎l(fā)稿之前，IPGB作者已經(jīng)通過郵件與LinLi教授進行了確認(rèn)，LinLi教授的團隊已經(jīng)完成了證明。）
即使不能保證英國的新型核電站一定會采用激光焊接，Li依然對其性能充滿信心：“激光焊接若想通過修改行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)被主流核電站構(gòu)件制造商采用，就必須證明它具有長期的穩(wěn)定性以及所能帶來的經(jīng)濟效益，”他強調(diào)到?！叭欢?，我們相信我們的技術(shù)將展示出的諸多優(yōu)勢，會在未來被核電站構(gòu)件制造商所考慮，不僅是在英國，還可以在全球各地?！?
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