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光纤激光焊接应用于核设施建造

2015-11-10 14:30
论恒
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  实际上除了激光蛇项目,早在2006年之前,英国曼彻斯特大学为了研究如何加速核设施退役,就已安装了可以算是英国功率最高之一的商业化光纤激光器。激光能够节约时间提高生产率,而引进新技术会影响到公司长期的市场地位。光纤激光器因为降低了成本但提高了灵活性和加工能力而引发了激光应用的革命。

  曼彻斯特大学激光加工研究中心(LPRC)是英国领先的激光制造技术研究机构。作为世界级激光研究的权威,中心主任LinLi教授和他的同事发表了大量的论文,基于激光器的核电站退役技术以及核电站制造中的激光加工技术在其中占据了重要的地位。他们与开放了位于坎布里亚郡的科尔德霍尔核电站(全球第一座商用核电站)、用于对核工程各方面进行研究的曼彻斯特大学道尔顿核能研究所有密切的联系。激光加工研究中心(LPRC)还与英国大型制造商合作,研究在特殊制造工艺中激光器在特殊系统中的使用。用最新型的超级激光器对包括核能单元实体模型在内的设施进行加工,来研究核工业的前沿应用。

  在整个由曼彻斯特大学主导、谢菲尔德大学协助的新核能制造(NNUMAN)项目,负责开发最大化生产率和安全性的技术,Li领导着从事焊接研究的团队。这个项目采用了高功率激光焊接这种在建造现有运行中的核设施中从未使用过的方法。

  “在建造现有的民用核电站时,高功率激光技术还没有被开发,”Li强调。“因此当时的制造工艺采用了主要基于传统技术的方法。”他强调在对激光焊接技术的研究中还未专门对铁素体材料,例如SA508钢进行过描述。“在核设施厚板制造中还未采用激光焊接。因此,我们的发现可能是这个领域中最先进的。”

  新核能制造项目(NNUMAN)于2012年10月启动时获得了由两所大学组成的英国工程和物理科学研究委员会400万英镑的基金支持。该项目也从与行业的密切联系中受益,后者提供了具体应用和更多财务支持,以帮助这些技术走出实验室成为实际的产品。“由来自众多国际核设施供应商和研究机构的行业专家和学者组成的咨询委员会指导了我们的工作,”Li表示。

  新核能制造项目(NNUMAN)使用IPG光子公司16kW激光器和Kuk6轴机器人,位于道尔顿核能研究所制造技术实验室。

  16kW光纤激光器

  因为光纤激光器的出色性能,激光焊接现在已成为核工业的一种潜在选择。“光纤激光器能够提供最高的平均功率(甚至高达100kW),通过光纤传输进行远程操作,”Li表示。

  传统的CO2激光器无法用这种方式进行传输。同时光纤激光器具有更高的电光转换率,与转换率低的CO2激光器相比,IPG光纤激光器转换率目前已经可以达到45%。此外,与波长更长的CO2激光器相比,波长更短的光纤激光器的光束更易于被金属材料吸收。

  因此,新核能制造项目(NNUMAN)开发出在英国功率最高之一的光纤激光系统,一套16kW的IPG激光器系统。该系统与带有Precitec焊接头的6轴Kuka机器人配合,安装在2维旋转升降台上。Li的团队用这种系统焊接试样来模拟核反应堆部件,例如核燃料容器、管道及阀门,来最小化材料变形和热影响、最大化焊缝的完整性。除此之外,该实验室还拥有IPG/Kuka16kW光纤激光机器人远程熔覆系统和IPG/Kuka16kW光纤激光机器人远程切割系统。

  ”需要对核电站构件中材料焊接的特殊要求,包括极好焊接质量和焊缝完整性,以及长使用寿命进行证明,“Li解释说。”我们计划焊接80-130mm的铁素体钢,例如SA508和80mm的不锈钢,实现高度的焊缝完整性和低残余应力,“他补充到。该团队还比较了焊接时没有采用填充材料的自熔焊与诸如添丝焊等基于填充材料的焊接方法。

  新核能制造项目(NNUMAN)在2015年已经实现了80-130mm核电站材料的焊接。

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