激光焊接在核电领域的应用

  近年来，我国核电审批进程加速，预计“十四五”期间，将保持每年6-8台核电机组的核准开工节奏，核电装机规模将逐步扩大。与火力发电相比，核电作为技术较为成熟的清洁能源，将在国家能源结构中逐步提升比例。

  激光加工技术作为“新质生产力”的代表，将深入去参加了。此前，国外企业利用激光工艺在核电设施的日常维护和保养方面做了许多创新性探索，为国内激光技术在核电领域的应用与发展，提供了借鉴和案例分享。

  核电站运转发电示意图。核反应堆是通过蒸汽加热水和旋转发电机来发电。水从天然水体被吸入冷凝器，在反应堆容器中加热，产生蒸汽。加压后的蒸汽通过蒸汽涡轮机，涡轮机的轴驱动发电机

  在核能发电中，涡轮机轴是一个关键设备。没有它，就无法驱动涡轮机发电。它是铀裂变反应产生的蒸汽与照亮城市的电力之间的重要纽带。这就是怎么回事核电厂的一名操作员在计划安装的全新涡轮机轴上发现缺口时感到震惊的原因。

  对于普通人来说，轴颈可能听起来是小事一桩，但对于核电厂的运营者来说，这就是轴能否年复一年可靠地转动涡轮机，与轴出现裂纹或故障时城市停电之间的区别。这是因为核电站的涡轮机轴必须全部符合规格。这样当它旋转时，整根轴上的力才能均匀分布。但是，划痕会导致旋转不一致，对金属造成应力，最终可能会引起裂纹。即使是微小的裂纹也会增加金属的薄弱环节和旋转不一致性，因此导致更多的裂纹，增加风险。

  核电站的涡轮机轴是由一种密度极高的奥氏体镍铬超级合金制成的，这种合金被称为铬镍铁合金，是专门为在高压和高动能的极端环境中使用而开发的。它在高温下比钢或铝更耐用，但在制作的完整过程中出现了难以加工的不一致性。此前，美国某地一核电站的技术人员在对轴进行例行检查时发现了划痕，于是向阿尔法激光公司进行询问并寻求解决方案。

  任何金属，即使是最硬的合金，都能够最终靠焊接去除划痕。传统焊接或氩弧焊的问题就在于会对金属造成很大破坏，并降低热影响区（焊接区域及其周围）的硬度（洛氏硬度）。因此，虽然焊接处的金属看起来没有受损，但实际上却比未焊接的区域更软，从而使轴在这些点上变得更脆弱。

  由于激光焊接的精确性，焊接区域不会出现减弱，因为热影响区较小，而且会立即冷却。与激光焊接相比，氩弧焊非常不精确，会在金属表明产生更大的材料堆积。这些堆积物必须用机械加工去除，精确到千分之一英寸。因此，激光焊接也减少了机加工车间的工作量。

  核电厂运营商确信激光焊接是可行的方法，于是将重达2万磅的轴运到阿尔法激光公司，在那里进行激光焊接。由于要焊接一根重达20000磅、长15英尺、直径在11英寸到6英尺之间的高密度镍合金轴，需要机动性和强大的动力，阿尔法激光公司在Alflak移动激光器上安装了一台功率强大的500W Nd:YAG激光器。这不仅能很有效地焊接受损区域，而且还非常灵活，能轻松地焊接到轴上的任何位置。

  阿尔法激光公司花了5天时间来修复这些缺口。由于时间是工厂操作员的主要考虑因素，当公司在宾夕法尼亚州完成工作时，他们将轴带到了一个机械车间进行精加工，并在现场快速修复和加工任何新的不一致之处。

  事实证明，轴修理的总周转时间为20天，包括运输、修理和加工。如果将轴送回生产厂商重新生产，工厂的停机时间可能长达20周，而不是几天。激光焊接显然是更好的选择。

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