Ремонт неодимового лазера: Ремонт неодимовых лазеров любой сложности на компонентном уровне

Abstract

Возможности передачи мощности лазера по волокну были продемонстрированы во многих успешных производственных применениях в самых разных отраслях промышленности. Эти лазерные системы также предлагают значительные возможности для удаленной обработки и, в частности, ремонтных работ. В этой статье описывается работа, проведенная с использованием Nd:YAG-лазера с непрерывным волокном мощностью 4 кВт, для исследования возможности выполнения ремонта на месте компонента из мягкой стали с низким содержанием кремния, используемого в активной зоне реактора Magnox с газовым охлаждением. Из-за высоких давлений и температур при эксплуатации, а также из-за условий окружающей среды эти компоненты подвержены образованию оксидов. Конструкция компонента такова, что оксид может инициировать растрескивание дуговых сварных швов, используемых в исходном производственном процессе. Описаны процедуры, которые позволяют одному и тому же лазерному источнику как удалить оксидный слой с детали, так и впоследствии залечить область трещины. Были оценены методы однопроходной сварки и сварки с переплетением, а также добавление материала присадочной проволоки для усиления сварного шва. Описаны потенциальные преимущества использования такой лазерной процедуры по сравнению с традиционными методиками восстановления.

Введение

Уран, содержащийся в топливных элементах британского ядерного реактора типа «Магнокс», запечатан в контейнеры, чтобы предотвратить утечку продуктов деления, поскольку избыточное количество продуктов деления в потоке охлаждающего газа реактора будет представлять опасность для здоровья и радиации и затруднит техническое обслуживание котлов. . Следовательно, необходимо иметь систему, которая будет предупреждать о любых развивающихся утечках в топливных баках на ранней стадии, чтобы можно было избежать сильного загрязнения газового контура.

Система обнаружения лопнувших банок (BCD), используемая в реакторах Magnox, позволяет контролировать газ-хладагент, когда он выходит из верхней части активной зоны реактора. Он может отбирать газ из отдельных каналов и в случае утечки продуктов деления в газ немедленно предоставляет информацию диспетчеру реактора. Внутри корпуса реактора под давлением (RPV) подвешены линии отбора проб газа BCD, что позволяет отбирать пробы газа в различных местах. Эти пробоотборные линии транспортируют газ к измерительному оборудованию, расположенному за пределами сосуда высокого давления. Линии образцов поддерживаются в RPV, среди прочего, свободными подвесками. На рис. 1 показана фотография четырех подвесок BCD на месте, сделанная удаленной камерой. Подвески BCD изготовлены из двух пластин толщиной около 4 мм, сваренных дугой с каждой стороны прокладки толщиной около 6 мм.

Рис.1: Фотография подвесок BCD на месте (показаны 4 подвески вместе с линиями отбора проб)

В рамках плановых и детальных осмотров реактора наблюдается наличие трещин в некоторых подвесках BCD. Эти трещины представляют собой низкую вероятность отказа BCD, и, кроме того, любой отказ системы BCD приведет к безопасному останову реактора. Тем не менее, будет коммерческий штраф, связанный с отказом BCD из-за образования потерь, и поэтому выполняется программа усиления / ремонта сварных швов.

Подвески чувствительны к окисному домкрату на границе между боковыми пластинами и распоркой, что может привести к растрескиванию сварных швов. На рис. 2 показан крупный план подвески компенсатора плавучести, на котором видны трещины в сварном шве. Оксидный подпор — это явление, вызванное накоплением оксида на мягкой стали в атмосфере двуокиси углерода при высоком давлении и температуре. Поскольку оксид занимает больший объем, чем исходный материал, могут возникать напряжения, которые раздвигают компоненты. Это может привести к растрескиванию сварных швов или разрушению болтов. Ремонт некоторых компонентов может потребоваться на месте, чтобы продлить срок службы.

Рис. 2: Крупный план подвесок компенсатора плавучести (стрелка указывает на трещину, подлежащую ремонту)

Для ремонта компонентов атомных электростанций были разработаны различные методики ^[1-4] . Большинство из них связаны с методами дуговой сварки, но использование волоконных лазерных систем для этих задач растет из-за преимуществ, которые может обеспечить мощность лазера. Цель работы, о которой здесь сообщается, состояла в том, чтобы разработать для подвески BCD процедуры как ремонта трещин, так и усиления сварного шва с использованием лазерного луча Nd: YAG, доставляемого по волокну.

Подход

Для проведения ремонтных экспериментов были изготовлены холостые образцы, окисленные и растрескавшиеся. Они были изготовлены с использованием низкоуглеродистой стали с низким содержанием кремния, а начальные сварочные проходы выполнялись ручной дуговой сваркой металлическим электродом. Для этой цели использовали рутиловый электрод из мягкой стали ESAB OK 46.00 диаметром 2,4 мм. Затем в образцах индуцировали растрескивание путем окисления в автоклаве. При извлечении из автоклава образцы обычно покрывались оксидным слоем толщиной примерно 0,4 мм.

Для ремонтной обработки использовался лазер Multiwave Auto ^TM Nd:YAG производства GSI Lumonics Ltd. Лазер излучал инфракрасный свет с длиной волны 1,064 мкм с максимальной непрерывной средней мощностью на изделии около 4 кВт. Ступенчатый оптоволоконный кабель с диаметром сердцевины 0,6 мм и длиной 30 м передал пучок на корпус вывода волокна. Выходной корпус состоял из коллиматорно-фокусирующей линзовой системы, в результате чего сфокусированное пятно имело номинальный диаметр 0,6 мм. Выходной корпус монтировался на роботе дуговой сварки Kawasaki Heavy Industries JS-6. Сварные швы производились путем перемещения выходного корпуса над неподвижной заготовкой.

Образцы удерживались вертикально в тисках (аналогично положению, которое они занимали бы в корпусе реактора, как показано на рис. 1 ). Сварочная головка располагалась по отношению к заготовке, как показано на рис. 3 . Вся сварка производилась в вертикальном положении. Присадочная проволока, если она использовалась, подавалась к передней кромке расплавленной ванны под углом примерно 60° к лазерной головке с использованием системы подачи проволоки MIG. В процедуре ремонта использовалась присадочная проволока MIG из мягкой стали A18 диаметром 1,2 мм. Коаксиальное сопло с выходным отверстием диаметром 20 мм и расстоянием отступа 5 мм, прикрепленное к системе доставки луча, использовалось для защиты зоны сварки от окисления во время обработки. Кроме того, коаксиальное сопло также использовалось для управления факелом. Газообразный гелий (с расходом 50 л/мин) использовали в качестве технологического газа.

Рис. 3: Положение сварочной головки и присадочной проволоки по отношению к образцу

Были оценены две возможности ремонта трещин и, таким образом, увеличения срока службы детали. Первый включал использование лазерного луча для простого повторного расплавления трещины, образовавшейся в металле сварного шва исходной дуговой сварки, а второй включал использование присадочной проволоки для придания определенной степени армирования исходному сварному шву. Образцы для испытаний были снабжены оксидом и с удаленным внешним оксидным слоем. Исследовалась также возможность использования лазерного луча для скалывания оксидного слоя перед ремонтом. Чтобы установить условия обработки для повторного плавления трещины, на образцах низкоуглеродистой стали с низким содержанием кремния при доступной мощности лазера было выполнено несколько валиков на пластине.

Полное восстановление возможно только путем полного повторного расплавления трещины и окружающей ее области. Основная трудность в достижении этого заключалась в том, что происхождение и направление распространения трещин были неизвестны и отличались от образца к образцу. Основываясь на этих знаниях и результатах испытаний валика на пластине, были оценены пять различных возможностей ремонта, а именно: использование линейного, одно- и двухпроходного автогенного повторного плавления области трещины, использование линейного, одно- и двухпроходного повторного плавления. -плавление с добавлением подачи проволоки и использование техники плетения с подачей проволоки.

Результаты и анализ

Большинство отремонтированных образцов были разрезаны, отполированы и подготовлены для оптической металлографии. Эти поперечные сечения использовались для определения результирующего профиля сварного шва и наблюдения за степенью ремонта трещин.

В первую очередь была разработана методика удаления оксидного слоя с поверхности образца. Поскольку целью было удалить оксид с поверхности, а не расплавить основной металл, использовалась меньшая мощность лазера (1 кВт на заготовке). При фокусировке лазера на поверхности и скорости сканирования 2 м/мин оксид легко скалывался, но также наблюдалось плавление основного материала. Этот эффект можно свести к минимуму, используя меньшую мощность лазера, используя более высокую скорость сканирования или используя расфокусированный лазерный луч. Был принят последний вариант. При фокусировке лазерного луча на высоте 20 мм над поверхностью оксид толщиной 0,4 мм отслаивался в виде чешуек шириной ~15 мм с каждой стороны от точки падения лазерного луча при скорости сканирования 2 м/мин. Признаков плавления основного металла в этих условиях не наблюдалось. Дифференциальное термоциклирование оксида и подложки (основной металл) и разница в коэффициентах теплового расширения между оксидом и подложкой (основной металл) приводили к разъединению оксидного слоя при сканировании образца лазером. .

Результаты использования одного ремонтного прохода без добавления подачи проволоки на образце с оксидом можно увидеть на Рис. 4 . На этом поперечном сечении сварного шва для ясности нарисованы края первоначального дугового сварного шва (жирная линия), края сварного шва, полученного лазерным восстановлением (пунктирная линия), и возможное положение исходной трещины, обозначенное значком Стрелка. Проникновение при лазерном ремонте типично самое глубокое, доступное с использованием доступных параметров лазера (фокус лазера на поверхности). В данном конкретном случае видно, что выбранное положение переплавленной дорожки не полностью охватывало всю площадь трещины. На этой микрофотографии также хорошо виден зазор между лонжероном и проставкой подвески, где скопление оксида инициировало трещину.

Рис.4: Поперечное сечение однопроходной лазерной сварки (под углом 45°) на образце с оксидом. Наполнитель не использовался. Мощность лазера: 3,9 кВт, скорость сварки: 0,3 м/мин. Фокус лазера: на поверхности.

Аналогично, оксидный слой на внешних краях образца также виден в поперечном сечении. Полученный профиль «металла сварного шва» в этом случае также имел небольшую подрезку. При аналогичном ремонте, выполненном с удаленным оксидным слоем, проникновение лазерного луча фактически было ниже, что связано с тем, что оксидный слой способствовал соединению лазерного луча.

При ремонте за один проход с добавлением присадочной проволоки на образце с удаленным оксидом был получен сильно выпуклый и более широкий профиль валика, но с меньшим проникновением. В этом случае снижение проникновения было связано с использованием расфокусированного лазерного луча. Снятый разрез ( Рисунок 5 ) указывает на то, что трещина была успешно устранена. Поскольку сварка выполнялась в вертикальном положении, в однопроходном шве с присадочной проволокой наблюдалось продвижение вниз присадочной проволоки. Очевидно, что при ремонте за один проход (с шпаклевкой и без нее) позиционирование лазерного луча по отношению к заготовке будет иметь решающее значение, если требуется полный ремонт трещины. Это связано с размером доступной ванны расплава и степенью неопределенности положения любой трещины. В попытке преодолеть эту проблему ремонт также производился с использованием двух проходов.

Рис. 5: Поперечное сечение однопроходной лазерной сварки (под углом 45°) на образце с удаленным оксидом. Скорость подачи проволоки 1,0 м/мин. Мощность лазера: 3,9 кВт, скорость сварки: 0,3 м/мин. Фокус лазера: 5 мм над поверхностью.

В двухпроходных сварных швах, выполненных на оксидированных образцах с добавлением присадочной проволоки, наблюдались большие площади расплава. Разрез одного из таких ремонтов можно увидеть на Рисунок 6 . Хотя это свидетельствует о полном заживлении трещины, в корне первого прохода видны небольшие включения. Они могут возникать из-за оксида, который вызывает растрескивание. Также можно было увидеть некоторую небольшую степень подреза в полученном верхнем валике. Поскольку это было сочтено неприемлемым, была предпринята дальнейшая работа с использованием схемы переплетения с лазерным лучом.

Рис. 6: Поперечное сечение двухпроходной лазерной сварки (при 30° и 60°) на образце с оксидом. Скорость подачи проволоки: 1,0 м/мин. Мощность лазера: 3,9 кВт. Скорость сварки: 0,3 м/мин. Фокус лазера: 5 мм над поверхностью.

Соотношение сторон (глубина/ширина) при ремонте, выполненном лазером, сфокусированным на поверхности, было порядка 2. На практике считалось, что такое высокое соотношение сторон не потребуется для ремонта, поэтому расфокусированный лазер балка использовалась для дальнейшей обработки с целью получения более широкого шва.

Выбранный рисунок плетения показан на рис. 7 . На рис. 8 показан фрагмент ремонта, выполненного на окисленном образце с использованием этой техники и добавлением материала присадочной проволоки. По полученному поперечному сечению можно сделать вывод, что наблюдались переплавленные швы без видимых трещин. Однако некоторые незначительные распределенные включения и незначительные подрезы все еще были характерными чертами этих сварных швов с рисунком переплетения. Из-за размера образца и конфигурации соединения трудно оценить прочность произведенного ремонта.

Рис.7: Схема узора переплетения, использованного в исследовании

Рис.8: Поперечное сечение лазерной сварки на образце с оксидом. Скорость подачи проволоки: 1,6 м/мин. Мощность лазера: 3,9 кВт. Скорость сварки: 0,2 м/мин. Фокус лазера: 5 мм над поверхностью.

Однако прочность соединения на растяжение может быть соотнесена со значениями твердости сварного шва. В результате исследования твердости были проведены на образце, отремонтированном методом переплетения.

Разрезы были сделаны в двух разных местах по длине сварного шва ( Рисунок 9 ), а в корне и на крышке шва были сделаны поперечные сечения, как указано в Рисунок 10 . Полученные результаты показаны на рис. 11 .

Рис.9: Участки, где образцы были вырезаны для исследования твердости. Скан 1: 5 мм от начала, Скан 2: 25 мм от начала

Рис. 10: Места, где проводились измерения твердости

Рис. 11: Результаты исследования твердости. Все указанные значения твердости указаны в твердости по Виккерсу. Сплошная линия – шапка, пунктир – корень. Срезы, взятые из сварных швов с переплетением, как показано на рисунке 8. «a» — сканирование 1 (5 мм от начала сварного шва), «b» — сканирование 2 (25 мм от начала сварного шва). См. рис. 9& 10.

В металле сварного шва отремонтированной подвески наблюдалось увеличение твердости (~90%) по сравнению с основным металлом. Полученные максимальные значения твердости (210HV) свидетельствуют об отсутствии образования хрупкой фазы (мартенсита) в шве. Более высокие значения твердости сварного шва могут быть связаны с составом металла шва и термическим циклом сварки. Существенных различий между значениями твердости, полученными в корне и на вершине шва, не наблюдалось. Кроме того, не было замечено заметных различий в значениях твердости, полученных в двух выбранных местах на пути ремонта.

Полученные значения твердости были очень похожи на значения, полученные в образцах, отремонтированных с помощью существующей технологии MIG. Таким образом, можно сделать вывод, что свойства отремонтированного шва (в целом) были лучше, чем у основного металла.

Считается, что наличие или отсутствие включений в металле отремонтированного шва не имеет большого значения для твердости исследуемых образцов. Возможно, что их присутствие может влиять на ударную вязкость, но то, как содержание включений влияет на характеристики роста трещин, может быть установлено только путем дальнейшего эксперимента.

Обсуждение

Ремонт подвесок BCD сваркой МИГ представляет собой многоэтапную операцию ^[1,3] . Большая часть времени уходит на настройку (перемещение удаленного сварочного оборудования и оборудования для удаления окислов на место). Текущая практика включает процедуру удаления оксидного слоя с последующей сваркой MIG. Одна из трудностей, выявленных в этом процессе, заключается в том, что для замыкания цепи для сварки требуется заземление. Заземление каждого образца, подлежащего ремонту, требует много времени и является самостоятельной операцией. Размер сварочного оборудования также имеет значение, так как расстояние и расположение подвесок BCD определяют доступ. Эти первоначальные эксперименты показали, что ремонт трещин с помощью лазерной сварки возможен. При использовании этого процесса нет необходимости выполнять заземление, и требование по удалению оксида перед сваркой может быть ослаблено, хотя для подтверждения последнего потребуется дополнительная, более детальная работа. Удаление оксида с помощью лазера также кажется возможным, и, опять же, дальнейшая работа с оксидом различной толщины на разных поверхностях полностью охарактеризует процесс.

Одним из основных преимуществ лазерного подхода является необходимость размещения в реакторе только одной упаковки. Однако требование точного позиционирования лазерного луча и устройства подачи проволоки делает лазерную систему более сложной, чем система сварки MIG. При любом практическом применении лазерного процесса для такого типа ремонта будет разработана более компактная лазерная головка, чтобы получить лучший доступ к компонентам, требующим ремонта. Поскольку качество луча необходимого типа лазера постоянно улучшается, это не представляет проблемы для реализации этого метода ремонта в условиях реактора. Снова рекомендуются дальнейшие испытания, связанные с минимизацией размера сварочной головки и обеспечением надежных средств позиционирования лазерного луча по отношению к образцу в реакторе.

Выводы

По работе были сделаны следующие выводы:

• При мощности лазера 1 кВт и поверхности заготовки на 20 мм ниже фокуса луча эффективное удаление оксида стало возможным при скорости перемещения 2 м/мин.
• Ремонт сварного шва, выполненный методом переплетения, показал успешное повторное плавление трещины. Кроме того, не было заметного изменения значений твердости, зарегистрированных в различных местах по длине сварного шва и от корня до вершины сварного шва с переплетением.
• Как правило, лучшее проникновение в отремонтированные участки можно увидеть на образцах, покрытых оксидом. Это было связано с повышенным поглощением лазерной энергии в областях, покрытых оксидом, по сравнению с основным материалом подвески.
• Представляется целесообразным использовать лазер Nd:YAG с доставкой по оптоволокну для ремонта на месте подвесок BCD, при условии, что технологическая головка может быть спроектирована достаточно малой для обеспечения доступа в корпус реактора и что требуемая точность позиционирования головки может быть достигнута. поддерживаться. Использование лазерного луча для этого ремонта имело бы несколько преимуществ по сравнению с используемым в настоящее время методом сварки MIG.
• По сравнению с процессом ремонта MIG время простоя реактора может быть короче при использовании лазерного процесса, в основном из-за того, что лазерный процесс позволяет избежать двух дополнительных этапов, необходимых в процессе MIG.

Благодарности

Выражаем благодарность компании BNFL Magnox Generation и другим участникам проекта TWI «Использование мощного лазера Nd:YAG» за разрешение опубликовать эту работу.

Каталожные номера

Познакомьтесь с авторами

№	Автор	Название
1	Морган-Уоррен, Э. Дж.	Разработка и применение процесса MIG для дистанционной сварки в ядерных реакторах. Документ 35. Материалы Международной конференции «Достижения в процессах соединения и резки», Харрогейт, Великобритания, 30 октября – 2 ноября 1989 г. Издательство Abington Publishing. стр. 543 – 552.
2	Годен, Дж. П.	Ремонтно-сварочные работы на АЭС. Welding Review International, Vol. 13, № 2, 19 мая94, стр. 253-254, 256, 258.
3	Морган-Уоррен, Э. Дж.	Дистанционная ремонтная сварка в атомных реакторах. Сварка и изготовление металлов, Vol. 57, № 3, апрель 1989 г., стр. 109, 111-112, 116.
4	Вимер, К., Ричес, С.Т., Фишер, С.	Приложения удаленной обработки с использованием лазеров Nd:YAG в атомной энергетике. Труды, Euromat 96, Материалы и ядерная энергия, Борнмут, Великобритания, 21–23 октября 1996 г. Институт материалов. стр. 359- 366.

Н.К. Сехар присоединился к TWI (Институт сварки) в Кембридже, Великобритания, в качестве руководителя проекта (технический) в ноябре 1998 года. Он получает докторскую степень в Кембриджском университете, Кембридж, Великобритания. В TWI он участвовал в разработке процедур сварки и резки сплавов черных и цветных металлов с использованием лазеров Nd:YAG. Он принимал активное участие в применении разработанных процедур в промышленном контексте.

Д-р П. А. Хилтон является менеджером по технологиям лазеров в TWI (Институте сварки) в Кембридже, Великобритания, где он отвечает за стратегическое развитие лазерной обработки материалов. Таким образом, он сыграл важную роль в создании и управлении несколькими европейскими совместными исследовательскими проектами. Доктор Хилтон ранее работал в индустрии лазерных систем в Великобритании, а до этого был исследователем в Международном научном институте во Франции.