LaserPipe項(xiàng)目涉及兩個(gè)業(yè)界合作伙伴，分別是英國(guó)焊接研究所(TWI )和Ol ive r Cr i spin Robotics (OCR)公司。該項(xiàng)目受到創(chuàng)新英國(guó)資金計(jì)劃的支持，目標(biāo)是通過使用高功率的工業(yè)激光器以及蛇形機(jī)器人設(shè)計(jì)和開發(fā)出適用于內(nèi)孔多部位激光焊接的激光焊接頭。
這一項(xiàng)目的主要驅(qū)動(dòng)力在于展現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的、相對(duì)高效的解決方案，用于核設(shè)施的常規(guī)維護(hù)，以更換受腐蝕或已蝕薄的管道。由于要從外部進(jìn)入管道進(jìn)行維護(hù)或生產(chǎn)新的管道來替代被腐蝕的管道是比較困難的，因而工廠經(jīng)常會(huì)面臨長(zhǎng)時(shí)間的停產(chǎn)。所謂的LaserPipe焊接方法則可以通過采用激光管內(nèi)焊接的方式來實(shí)現(xiàn)管道的遠(yuǎn)程和原地生產(chǎn)和維修。結(jié)合使用蛇形機(jī)器人和光纖激光器，能夠在管道內(nèi)部進(jìn)行可靠的遠(yuǎn)程焊接，目標(biāo)是減少加工周期，盡可能減少工廠停產(chǎn)時(shí)間。
進(jìn)行管內(nèi)自體激光焊接需要攻克諸多挑戰(zhàn)。主要的工業(yè)激光焊接工藝大部分采用了平焊位（PA），但要對(duì)管道進(jìn)行內(nèi)孔多部位焊接，必須考慮諸多新的因素：
● 需要加大力度，以控制和減少有限空間內(nèi)的飛濺物和煙塵；
● 在可能發(fā)生熱損傷的情況下，確保光學(xué)部件的便捷更換；
● 要實(shí)現(xiàn)穿透型焊接，因?yàn)檫@是在一個(gè)或盡可能少的焊道內(nèi)完成焊接的最高效的方式。
必須充分理解焊接過程中的重力作用，以及焊接熔池和透孔中的液體和蒸氣流動(dòng)機(jī)制，因?yàn)樾D(zhuǎn)的激光頭將焊接從平焊位（PA）擴(kuò)展為向上立焊（PF）、仰焊（PE），最后到立向下焊（PG）位置。
材料和設(shè)備設(shè)置
開展的內(nèi)孔焊接試驗(yàn)主要采用對(duì)焊方式將不銹鋼管焊接在一起。用兩種不同尺寸的管道進(jìn)行了這些實(shí)驗(yàn)。
● 外徑（OD）324.2mm，內(nèi)徑（ID）315mm，壁厚4.6mm；
● OD為273.4mm，ID為265mm，壁厚4.2mm。
選擇這些尺寸是因?yàn)樗鼈兪菢?biāo)準(zhǔn)管徑，可在市場(chǎng)上買到，成本低。此外，4–4.6mm的壁厚同樣也適用于核工業(yè)所用的管道。
所用的激光系統(tǒng)是連續(xù)波摻鐿光纖激光器，光束通過光纖被傳輸?shù)礁鞣N廣泛使用的現(xiàn)成加工頭組件中。
光學(xué)元件設(shè)置專門設(shè)計(jì)用以反射與焊接頭垂直的光束，并且確?？刹捎矛F(xiàn)成組件，以此在性能、尺寸小型化及相對(duì)較低的設(shè)備投資成本之間保持平衡。所有光學(xué)元件都放置在專門設(shè)計(jì)，供內(nèi)孔管道焊接的創(chuàng)新型激光焊接頭（圖1）中。
圖1：特制的TWI加工頭可集成在現(xiàn)成的光學(xué)元件中
應(yīng)當(dāng)配置一把氣刀，用于保護(hù)加工頭（尤其是光學(xué)部件）免受實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的飛濺和煙塵的損傷。工件附近采用了氮保護(hù)氣體，因?yàn)榈獨(dú)庠诓讳P鋼中的溶解度相對(duì)較高，從之前的激光焊接結(jié)果可知，與氬氣或氦氣相比，可以減少焊接金屬氣孔。通過緊靠焊接點(diǎn)的四根銅管組成的排管裝置向焊接部位通入氮?dú)膺M(jìn)行保護(hù)。焊接部位根部則通過特別設(shè)計(jì)制造的不銹鋼項(xiàng)圈使其免受大氣氧帶來的損害。氣體保護(hù)項(xiàng)圈設(shè)有進(jìn)氣/排氣閥、方便管道更換的鉸鏈區(qū)，以及供氮?dú)馀c焊接部位進(jìn)行交互作用的機(jī)加工通道。大部分實(shí)驗(yàn)中，激光焊接加工頭被裝在六軸鉸接臂機(jī)器人上。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)不同位置的激光束焦點(diǎn)的情況進(jìn)行了考察。
使用一款基于內(nèi)窺鏡攝像頭的高分辨率監(jiān)控系統(tǒng)，確保機(jī)器人按照設(shè)定程序?qū)⒕劢辜す馐闇?zhǔn)需要焊接的區(qū)域。在所有試驗(yàn)中，肉眼可見的引導(dǎo)式激光器均瞄準(zhǔn)焊接線，而高功率焊接激光束（紅外光，肉眼可見）采用與引導(dǎo)式激光器相同的路徑進(jìn)行工作。
三根低功率的指向型激光二極管用于確保在焊接過程中瞄準(zhǔn)焦點(diǎn)位置。采用三角形的安裝布局，激光二極管分別位于計(jì)算好的激光束焦點(diǎn)位置上，指向同一個(gè)方向，形成一個(gè)焦點(diǎn)。
這樣，在編程過程中如果材料表面的光斑圖像各自分開，表明光束焦點(diǎn)在焊接表面的位置不正確，從而需要進(jìn)行修正。
圖2:用于保護(hù)焊接部位根部區(qū)域的氣體保護(hù)項(xiàng)圈（右）。
在測(cè)試中經(jīng)過優(yōu)化的焊接參數(shù)包括功率、移動(dòng)速度。氣體保護(hù)項(xiàng)圈見圖2。
多部位內(nèi)孔管道焊接
所制定的焊接工藝規(guī)程（WPS）能打造出有望滿足核工業(yè)所需的高質(zhì)量、全滲透型焊接點(diǎn)。特別需要指出的是，這些焊接點(diǎn)具有以下特征：
● 均勻一致的、無裂縫的焊接表面；
● 將近4mm寬的焊縫，用以改善組件的組裝公差；
● 焊接表面在焊縫寬度、褪色方面看不出有任何差異，也無材料滴穿現(xiàn)象，這是因?yàn)楹附游恢玫淖兓峭ㄟ^焊接頭的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。這可能也歸因于不銹鋼的粘滯度比鋁相對(duì)更高所致；
● 由氣體保護(hù)裝置將焊接點(diǎn)與氧氣進(jìn)行適當(dāng)阻隔，在管道的所有部分形成光亮的銀色焊接外觀；
● 通過多個(gè)位置進(jìn)行的影像學(xué)分析結(jié)論顯示，內(nèi)孔焊接材料沒有產(chǎn)生穿透壁厚的微孔（圖3）；
圖3：在平焊(a)、立向上焊(b)、仰焊(c)、和立向下焊(d)位置對(duì)4.6mm的不銹鋼進(jìn)行自體激光焊接，所產(chǎn)生的對(duì)接焊縫的X射線照片的典型特征。
● 根據(jù)BS EN ISO 13919-1（焊接.電子和激光束焊接接頭.缺陷的質(zhì)量級(jí)別導(dǎo)則）進(jìn)行的焊縫質(zhì)量評(píng)估，總體上達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定缺陷范圍的嚴(yán)格質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。
圖4顯示的是全滲透管道內(nèi)孔焊接表面以及從同一根管道外側(cè)根部的圖片。該管道壁厚為4.6mm。由于管道呈橢圓塌陷，在焊接前會(huì)存在高低錯(cuò)位。但是，激光焊接參數(shù)使得焊縫可通過自體激光焊接獲得均勻的密封。
圖4：內(nèi)(a)外(b)側(cè)壁厚為4.6mm的管道的典型對(duì)角焊縫。由于管道橢圓塌陷，焊縫有些區(qū)域存在高低錯(cuò)位的現(xiàn)象。
圖5顯示的是另一個(gè)全滲透型焊接管組件，壁厚4.2毫米。與圖4所示焊接組件類似，由于管道有些橢圓塌陷，沿著焊縫方向存在一些高低錯(cuò)位。采用了與圖4相同的焊接參數(shù)，顯示在管道裝配時(shí)參數(shù)的重現(xiàn)性并不是最優(yōu)的。
圖5：管內(nèi)(a)外(b)壁厚為4.2mm的典型對(duì)焊。由于管道橢圓形塌陷，焊接部位出現(xiàn)了高低錯(cuò)位。
結(jié)論
通過多部位內(nèi)孔激光焊接不銹鋼實(shí)驗(yàn)，得到的主要結(jié)論包括：
● 隨著焊接部位的變化，沒有觀察到明顯的焊縫差別，如焊縫寬度、褪色、材料滴穿；
● 如果完全焊透厚實(shí)的橫截面可能需要熔融大量材料，由于重力的作用，焊縫的外觀看上去就會(huì)隨著焊接部位的變化而改變，因此，可能需要改變功率和（或）速度等焊接參數(shù)；
● 可通過多部位內(nèi)孔自體激光焊接完成壁厚最高達(dá)5mm的不銹鋼管的焊接，核工業(yè)因此可以通過最大程度地縮短停機(jī)時(shí)間而受益。所開發(fā)的技術(shù)有助于應(yīng)對(duì)當(dāng)前管道生產(chǎn)及維修過程中所需要的從外部進(jìn)入才能焊接等相關(guān)問題。
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