申请/专利权人：上海核工程研究设计院股份有限公司

申请日：2019-07-17

公开（公告）日：2024-06-18

公开（公告）号：CN110238515B

主分类号：B23K26/12

分类号：B23K26/12;B23K26/21;B23K26/70

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.18#授权;2023.04.11#著录事项变更;2020.08.11#实质审查的生效;2019.09.17#公开

摘要：本发明提供了一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置及试验方法，该装置包括模拟水池装置1、激光器2、水冷箱3、控制装置4、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6；乏燃料水池水下激光焊接试验装置结构简单，操作方便，试验成本低，可以模拟不同水深的焊接工况；水下激光焊接头完全置于水中，可用于指导工程项目水下激光焊接工艺的制定；试验装置采用模块化设计，独立拆解后可用于乏燃料水池底板的激光修复焊接，避免原临时封堵等应对措施带来的有效期短、施工不便等问题。

主权项：1.一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置的试验方法，其特征在于：所述试验装置包括：模拟水池装置1、激光器2、水冷箱3、控制装置4、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6；所述水下激光焊接移动定位装置6位于所述模拟水池装置1的内部，所述模拟水池装置1水位盖过所述水下激光焊接移动定位装置6，所述激光器2通过光纤穿过所述模拟水池装置1连接至水下激光焊接移动定位装置6；所述加压装置5为所述模拟水池装置1提供加压氮气；所述水冷箱3用于对所述激光器2和所述水下激光焊接移动定位装置6实施冷却；所述控制装置4对所述激光器2、所述水冷箱3、所述加压装置5和所述水下激光焊接移动定位装置6的激光-冷却-送气-运动的全过程进行综合控制；所述水下激光焊接移动定位装置6包括水下激光焊接头7、运动机构8、机架9、配重块10和试验底板11；所述水下激光焊接头7带有移动气罩，并集成焊缝视觉检测和焊接送丝功能；所述运动机构8为滚珠丝杠机构实现所述水下激光焊接头7的XYZ轴方向运动；所述机架9为框架结构，所述框架结构上部设有吊耳用于支撑所述水下激光焊接头7和所述运动机构8；所述配重块10为不锈钢块，设置在所述机架9的两侧；所述试验底板11吊装在所述机架9的框架底部；所述试验方法包括：识别行走试验：将所述水下激光焊接移动定位装置6置于水面以下，将所述试验底板11置于所述水下激光焊接移动定位装置6内部进行功能试验，所述水下激光焊接移动定位装置6内的所述水下激光焊接头7识别待焊路径，并输出带有XY坐标系的待焊路径与通过识别生成的焊接路径的重合图像；通过所述运动机构8带动所述水下激光焊接移动定位装置6生成行走指令进行模拟行走；排水试验：所述加压装置5对所述模拟水池装置1提供压力，所述水下激光焊接头7在相对静止和带有焊接速度时分别进行排水，记录所述模拟水池装置1内不同气体流量与移动气罩内的湿度变化情况；焊接功能试验：所述水下激光焊接头7采用平板堆焊或对接焊缝，通过调节不同焊接工艺参数确认合适的焊接参数。

全文数据：一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置及试验方法技术领域本发明涉及水下焊接技术领域，特别涉及一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置及试验方法。背景技术乏燃料水池是核电站用于暂存核废料乏燃料的主要设施，是以不锈钢材料为主的大型金属结构，其制造和安装过程大量采用焊接技术。这些焊缝在核电站整个运行周期中始终处于带水和高辐射环境中，容易发生局部腐蚀、损伤和破坏，是核电站特种维修领域重点关注的对象。由于乏燃料水池处于高放射性区域，高辐射会对人体造成很大伤害，不利于维修人员直接接近待修部位进行焊接修复，部分国外电厂只能采用聚合物进行临时封堵，但聚合物材料在高放射环境中的使用寿命不能有效保证。焊接修复是常用的修复方法，与常规焊接方法相比，激光焊接的热输入较低，焊接工件变形小，热影响区也小，成型焊缝深宽比大，且无需开坡口，能最大程度的保持水池原貌，确保不会影响水池底部支撑燃料及其贮存格架的功能、不影响换料设备操作。但乏燃料水池水下激光焊接缺乏有效的试验装置和试验验证方法，开发水下激光焊接试验装置并确定试验方法具有较强的现实需求和意义。发明内容为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：该装置包括模拟水池装置1、激光器2、水冷箱3、控制装置4、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6；所述水下激光焊接移动定位装置6位于所述模拟水池装置1的内部，所述模拟水池装置1水位盖过所述水下激光焊接移动定位装置6，所述激光器2通过光纤穿过所述模拟水池装置1连接至水下激光焊接移动定位装置6上的激光焊接头11；所述加压装置5为所述模拟水池装置1提供加压氦气，一方面用于排开水实施水下激光焊接，另一方面用于调节模拟水池装置1中压力；所述水冷箱3用于对所述激光器2和所述水下激光焊接移动定位装置6实施冷却；所述控制装置4对所述激光器2、所述水冷箱3、所述加压装置5、所述水下激光焊接移动定位装置6的激光-冷却-送气-运动的综合控制。所述控制装置4除提供激光-冷却-送气-运动的综合控制的人机界面、数据库存储功能等外，还能够实现对摄像头视频信号的处理、存储，裂缝图像自动识别，焊接轨迹规划等功能。优选的，所述模拟水池装置1设有超压排放口，防止压力过高造成事故。优选的，所述模拟水池装置1开有玻璃视窗。优选的，所述模拟水池装置1采用304不锈钢。优选的，所述激光器2为6KW光纤激光器。优选的，所述加压装置5提供0.15MPa以上的加压氮气。优选的，所述水下激光焊接移动定位装置6包括水下激光焊接头7、运动机构8、机架9、配重块10和试验底板11；所述水下激光焊接头7带有移动气罩，并集成焊缝视觉检测和焊接送丝功能，并且通过密封设计实现了全防水，可实现局部干式焊接；所述运动机构8为滚珠丝杠机构实现所述水下激光焊接头7的XYZ轴方向运动；所述机架9为框架结构，所述框架结构上部设有吊耳用于支撑所述水下激光焊接头7和所述运动机构8；所述配重块10为不锈钢块，设置在所述机架9的两侧，用于防止排气焊接时结构往上串动；所述试验底板11吊装在所述机架9的框架底部。优选的，所述水下激光焊接头7的光学放大比为3。优选的，所述机架9为304不锈钢焊接而成。优选的，所述试验底板11为ASMESA240S32101双相不锈钢板。一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置的试验方法，所述试验方法包括，识别行走试验：将所述水下激光焊接移动定位装置6置于水面以下，将所述试验底板11置于所述水下激光焊接移动定位装置6内部进行功能试验，所述水下激光焊接移动定位装置6内的所述水下激光焊接头7识别待焊路径，并输出带有XY坐标系的待焊路径与通过识别生成的焊接路径的重合图像；通过所述运动机构8带动所述所述水下激光焊接移动定位装置6生成行走指令进行模拟行走；排水试验：所述加压装置5对所述模拟水池装置1提供压力，所述水下激光焊接头7在相对静止和带有焊接速度时分别进行排水，记录所述模拟水池装置1内不同气体流量与移动气罩内的湿度变化情况；焊接功能试验：所述水下激光焊接头7采用平板堆焊或对接焊缝，通过调节不同焊接工艺参数确认合适的焊接参数。优选的，所述试验方法包括对模拟件焊缝进行目视检测、液体渗透检测、超声波检测和射线检测。乏燃料水池水下激光焊接试验装置结构简单，操作方便，试验成本低，可以模拟不同水深的焊接工况；水下激光焊接头完全置于水中，可用于指导工程项目水下激光焊接工艺的制定；试验装置采用模块化设计，独立拆解后可用于乏燃料水池底板的激光修复焊接，避免原临时封堵等应对措施带来的有效期短、施工不便等问题。附图说明图1为乏燃料水池水下激光焊接试验装置示意图；图2为水下激光焊接移动定位装置示意图。其中：模拟水池装置1；激光器2；水冷箱3；控制装置4；加压装置5；水下激光焊接移动定位装置6；水下激光焊接头7；运动机构8；机架9；配重块10；试验底板11。具体实施方式为了解决现有技术中乏燃料水池装置聚合物进行临时封堵不能解决高放射环境中的使用寿命、激光焊接修复缺乏有效工艺试验验证装置的问题。本发明实施例提供了一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置及试验方法。如图1所示，本发明实施例中的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置包括：模拟水池装置1、激光器2、水冷箱3、控制装置4、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6。其中水下激光焊接移动定位装置6位于模拟水池装置1的内部，激光器2通过光纤穿越模拟水池装置1连接至水下激光焊接移动定位装置6上的激光焊接头；加压装置5提供加压氦气，一方面用于排开水实施水下激光焊接，另一方面用于调节模拟水池装置1中压力；水冷箱3用于对激光器2和水下激光焊接头实施冷却；控制装置4实现对激光器2、水冷箱3、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6的激光-冷却-送气-运动的综合控制。所述的模拟水池装置1主体材料采用304不锈钢制造，外部开有玻璃视窗，用于实时观测激光焊接情况，模拟水池装置中的水位完全盖过水下激光焊接移动定位装置6，模拟水池装置还有设有超压排放口，防止压力过高造成事故。所述的激光器2选用6KW光纤激光器。所述的控制装置4除提供激光-冷却-送气-运动的综合控制的人机界面、数据库存储功能等外，还能够实现对摄像头视频信号的处理、存储，裂缝图像自动识别，焊接轨迹规划等功能。所述的加压装置5可提供0.15MPa以上的加压氮气。所述的水下激光焊接移动定位装置6由水下激光焊接头7、运动机构8、机架9、配重块10、试验底板11等部件组成。其中，水下激光焊接头7的光学放大比为3，集成焊缝视觉检测、焊接送丝功能，并且通过密封设计实现了全防水，并带有移动气罩，可实现局部干式焊接；运动机构8采用滚珠丝杠机构实现水下激光焊接头7的XYZ轴方向运动；机架9为框架结构，采用304不锈钢焊接而成，用于支撑水下激光焊接头7和运动机构8，机架上部设有吊耳；配重块10为不锈钢块，在机架9的两侧各配有一块，用于防止排气焊接时结构往上串动；试验底板11采用ASMESA240S32101双相不锈钢板。下面以乏燃料水池ASMESA240S32101双相不锈钢底板焊接板为例，对本发明中的水下激光焊接试验装置的形成作举例说明，使本领域技术人员理解本发明的技术方案，但是不用于限制本发明。1陆上干式环境下焊接试验方法：利用开发的水下移动气罩式激光焊接试验装置系统，进行ASMESA240S32101双相不锈钢的陆上干式环境下焊接试验。a干式环境焊接功能试验将ASMESA240S32101试验底板置于焊接试验装置内部进行功能试验，焊接试验装置应能实现待焊路径识别，并能输出带有XY坐标系的待焊路径与通过识别生成的焊接路径的重合图像。经人工确认后，焊接试验装置生成行走指令进行模拟行走。b焊接工艺试验采用平板堆焊或对接焊缝的形式，通过不断调整焊接工艺参数入射光束功率、离焦量、焊接速度、送丝速度、保护气体种类和流量等，确认合适的焊接参数范围，以保证陆上干式环境下双相不锈钢的焊接工艺性良好，熔池清晰，焊接飞溅小，焊缝成形好；进行熔敷金属常规理化性能试验包括拉伸、冲击、弯曲、晶间腐蚀试验等。2浅水环境下焊接试验方法：a行走试验试验时，焊接试验装置刚好处于水面以下，对ASMESA240S32101试验底板待焊位置进行识别追踪，焊接试验装置应能在浅水环境下完成与干式环境下一致的识别及模拟。b静止排水试验试验时，焊接试验装置刚好处于水面以下，水下激光焊接头处于相对静止情况下进行排水试验，记录不同气体流量与移动气罩内的湿度变化情况。c移动排水试验试验时，焊接试验装置刚好处于水面以下，按照一定的焊接速度进行排水试验，记录不同气体流量与移动气罩内的湿度变化情况。d焊接工艺评定采用双相不锈钢S32101与双相不锈钢S32101的母材组合及配套焊丝，按ASME规范第IX和XI卷、AWSD3.6M的要求进行焊接工艺评定；评定采用对接焊缝形式，评定试验水深不小于4m；焊接工艺评定报告中记录输出功率、焊接速度、最大热输入以及ASME规范第IX和XI卷、AWSD3.6M要求的变素。3加压模拟水深环境下焊接试验方法：a模拟水深排水试验将焊接试验装置置入水下激光焊接模拟水池装置进行模拟水深排水试验，通过控制系统将模拟水池装置的压力设置为0.15MPa，在焊接试验装置与试件相对运动情况下进行排水试验，记录不同气体流量情况下移动气罩内湿度变化情况。b焊接路径定位试验焊接试验装置完成与浅水环境下功能一致的识别及模拟行走。c焊接模拟件试验利用所述焊接试验装置，采用评定合格的焊接工艺，进行相应的焊接模拟件试验。模拟件采用双相不锈钢S32101试板对接接头。模拟件焊缝进行目视检测、液体渗透检测、超声波检测和射线检测，检测方法和验收标准根据工程技术文件要求。以上详细描述了本发明的具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

权利要求：1.一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：该装置包括模拟水池装置1、激光器2、水冷箱3、控制装置4、加压装置5、水下激光焊接移动定位装置6；所述水下激光焊接移动定位装置6位于所述模拟水池装置1的内部，所述模拟水池装置1水位盖过所述水下激光焊接移动定位装置6，所述激光器2通过光纤穿过所述模拟水池装置1连接至水下激光焊接移动定位装置6；所述加压装置5为所述模拟水池装置1提供加压氦气；所述水冷箱3用于对所述激光器2和所述水下激光焊接移动定位装置6实施冷却；所述控制装置4对所述激光器2、所述水冷箱3、所述加压装置5、所述水下激光焊接移动定位装置6的激光-冷却-送气-运动的综合控制。2.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述模拟水池装置1设有超压排放口。3.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述模拟水池装置1开有玻璃视窗。4.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述模拟水池装置1采用304不锈钢。5.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述激光器2为6KW光纤激光器。6.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述加压装置5提供0.15MPa以上的加压氮气。7.如权利要求1所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述水下激光焊接移动定位装置6包括水下激光焊接头7、运动机构8、机架9、配重块10和试验底板11；所述水下激光焊接头7带有移动气罩，并集成焊缝视觉检测和焊接送丝功能；所述运动机构8为滚珠丝杠机构实现所述水下激光焊接头7的XYZ轴方向运动；所述机架9为框架结构，所述框架结构上部设有吊耳用于支撑所述水下激光焊接头7和所述运动机构8；所述配重块10为不锈钢块，设置在所述机架9的两侧；所述试验底板11吊装在所述机架9的框架底部。8.如权利要求7所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述水下激光焊接头7的光学放大比为3。9.如权利要求7所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述机架9为304不锈钢焊接而成。10.如权利要求7所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置，其特征在于：所述试验底板11为ASMESA240S32101双相不锈钢板。11.一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置的试验方法，其特征在于：所述试验方法包括，识别行走试验：将所述水下激光焊接移动定位装置6置于水面以下，将所述试验底板11置于所述水下激光焊接移动定位装置6内部进行功能试验，所述水下激光焊接移动定位装置6内的所述水下激光焊接头7识别待焊路径，并输出带有XY坐标系的待焊路径与通过识别生成的焊接路径的重合图像；通过所述运动机构8带动所述所述水下激光焊接移动定位装置6生成行走指令进行模拟行走；排水试验：所述加压装置5对所述模拟水池装置1提供压力，所述水下激光焊接头7在相对静止和带有焊接速度时分别进行排水，记录所述模拟水池装置1内不同气体流量与移动气罩内的湿度变化情况；焊接功能试验：所述水下激光焊接头7采用平板堆焊或对接焊缝，通过调节不同焊接工艺参数确认合适的焊接参数。12.如权利要求11所述的一种乏燃料水池水下激光焊接试验装置的试验方法，其特征在于：所述试验方法包括对模拟件焊缝进行目视检测、液体渗透检测、超声波检测和射线检测。

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