CN103521919B - 一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的方法和组合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实现水下激光焊接和喷丸的方法和组合装置，将激光焊接-喷丸组件、超声检测装置、水-氩气入口、焊条填充装置安装于同一密闭罩，密封罩置于水下；拥有激光焊接、激光喷丸两种功能，并能在处理结束后直接对工件进行激光超声检测。通过设置不同的激光波长与密封罩腔内环境，可以使用不同的功能；当激光焊接时，将氩气从水-氩气入口充入密闭罩腔内；当激光喷丸时，则将水从水-氩气入口充入密闭罩腔内。本发明的组合装置结构巧妙、易于操作、适应性强、加工效率高，可应用于水下焊接和激光喷丸交替或连续作业，特别适用于特殊环境下工作，缺陷所在面面积较小的缺陷修复。

Description

一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的方法和组合装置
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特指一种集水下激光焊接和激光喷丸于一体的方法和组合装置，特别适用于特殊环境下工作，缺陷所在面面积较小的缺陷修复。
背景技术
在核电厂中，反应堆压力容器内部构件是最重要的部件之一，据报告，近年在反应堆(压力)容器内安装的堆内构件中，发现有应力腐蚀开裂(SCC)引起的裂纹。裂纹产生大多是狭窄部位，同时在核电厂中工作时的放射性侵害也使得接近施工对象部位比较困难。2005年，日本东芝公司的M.Tamura等人发明了一种水下激光焊接技术，通过想焊接部位输送保护气体(Ar)以形成局部的空腔，然后在空腔中使用激光器发射激光束，并同时添加丝状填充金属，从而形成堆焊层的焊接技术。该技术具有热输入低，设备小型化的特点，适于在狭窄部位进行工作，是一种可靠性较高的焊接技术。
为了保护焊接构件，提高其抗应力腐蚀裂纹性能，一般需要对焊缝进行消除表面应力的后续处理，2007年日本东芝公司的SanoY，AdachiT在维修核电站反应堆压力容器和管道焊缝中开发了一种激光喷丸设备与工艺。即采用小能量和小光斑(光斑Φ0.8mm，能量200mJ，脉宽8nm)激光对核反应堆压力容器焊缝、管道接头的焊缝进行激光冲击处理，以提高焊缝的抗压力腐蚀裂纹性能。由于核反应堆中空间限制，不能像常规的激光冲击处理那样布置吸收层，该公司采用的是无吸收层的激光冲击处理技术，并采用光纤传导激光的方式，直接在作为约束介质的水中冲击。
以上技术对于核反应内部构件的修复、保护、检测都很有效，但是每次修复工件，激光焊接、激光喷丸以及之后的检测作业连续性差，这大大的增加了操作的难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的组合装置，即拥有激光焊接和激光喷丸两种功能，可通过将该组合装置置于水下，通过向密封罩内充水或氩气来改变密封罩内加工环境，再改变激光波长与焦距来实现不同的功能；可以在激光喷丸的光斑基础上通过水的折射来产生激光焊接需要的正离焦量，在棱镜位置不变的情况下，可选择不同作业。在处理结束后，还可以根据需要进行激光超声检测。
为了解决以上技术问题，本发明采用的具体技术方案如下：
一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的组合装置，其特征在于：包括激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)、水-氩气入口(2)、焊条填充装置(5)安装于密封罩(1)上；激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)和焊条填充装置(5)分别对准待加工工件(10)的待加工位置；超声检测装置(3)包括两个超声检测探头分别安装于靠近密封罩(1)一侧的两个拐角，并垂直对准待加工工件(10)，探头与待加工工件(10)表面距离5mm；激光焊接-喷丸组件(4)安装于密封罩(1)另一侧并向超声检测装置(3)反方向倾斜15°；水-氩气入口(2)安装于靠近超声检测装置(3)一侧侧面、焊条填充装置(5)安装于靠近激光焊接-喷丸组件(4)一侧侧面；密封罩(1)长、宽、高均为85mm，内部深度为45mm。
所述激光焊接-喷丸组件(4)内部为棱镜，并设有光纤连接装置(11)以联接激光器，可以将外部激光脉冲接入并聚焦。
所述超声检测装置(3)内部为超声传感器，并可以与示波器相联接；水-氩气入口(2)包括一个气阀(14)，与气阀(14)联通的气管(15)与密封罩腔(9)顶部相通，在冲入水的时候气阀(14)打开将氩气排出。
所述密封罩(1)底部装有橡胶密封圈(6)；激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)、水-氩气入口(2)、焊条填充装置(5)、气管(15)与密封罩(1)连接处均分别使用塑料密封圈(6)密封。
所述密封罩(1)、水-氩气入口(2)、激光喷丸激光-焊接组件(4)、焊条填充装置(5)、超声检测装置(3)可联接控制系统，通过控制系统可以控制：组合装置的移动，水-氩气入口(2)充入水或氩气，气阀(14)通断，激光脉冲的焦距、波长、能量，焊条(7)的填充，超声检测装置(3)开关。
当激光喷丸时，所述激光的脉冲波长为532nm、脉宽范围为8-20ns、脉冲能量范围为30-300mJ、光斑直径0.2-2mm；当激光焊接时，所述激光的脉冲波长为1064nm、激光输入功率范围为0.9-1.2kW、焊接速度范围为30-50cm/min。
本发明的创新在于将激光焊接和激光喷丸集中一个组合装置内，只需要改变少量参数就可以使用不同功能；可以在激光喷丸的光斑基础上通过水的折射来产生激光焊接需要的正离焦量，在棱镜位置不变的情况下，可选择不同作业；在处理结束后方便的进行激光超声检测。
本发明的优点：本发明结构巧妙，集两种功能于一身，仅需要改变密封罩内环境以及部分参数就可以进行不同加工，操作简单；本发明的组合装置体积小，适应性强，可以对小面积工件进行加工；本发明可以在激光喷丸的光斑基础上通过水的折射来产生激光焊接需要的正离焦量，在棱镜位置不变的情况下，可选择不同作业，连续性强，加工效率高；本发明可以在加工结束后直接使用激光超声检测功能，可靠性强。
附图说明
图1是本发明的水下激光焊接和激光喷丸的组合装置示意图；
图2是本发明的激光焊接(a)与激光喷丸(b)焦距示意图；
图中：1.密封罩，2.水-氩气入口，3.超声检测装置，4.激光焊接-喷丸组件，5.焊条填充装置，6.塑料密封圈，7.焊条，8.熔池，9.密封罩腔，10.待加工工件，11.光纤连接装置，12.水，13.激光，14.气阀，15.气管。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明提出的具体组合装置的细节和工作情况。
实现本发明的装置如图1所示，包括激光焊接-喷丸组件4、超声检测装置3、水-氩气入口2、焊条填充装置5、密封罩1。其中，激光焊接-喷丸组件4、超声检测装置3、水-氩气入口2、焊条填充装置5安装于密封罩上；激光焊接-喷丸组件4、超声检测装置3、焊条填充装置2对准待加工工件10需要加工的位置。其中超声检测装置3包括两个超声检测探头分别安装于靠近密封罩1其中一侧的两个拐角，并垂直对准待加工工件10，探头与待加工工件表面距离5mm；激光焊接-喷丸组件4安装于密封罩1另一侧并向超声检测装置3反方向倾斜15°；水-氩气入口2安装于靠近超声检测装置3一侧侧面、焊条填充装置5安装于靠近激光焊接-喷丸组件4一侧侧面，密封罩1长宽高皆为85mm，内部深度45mm。
超声检测装置3内部为超声传感器，并可以与示波器相联接；激光焊接-喷丸组件4内部为棱镜，并设有光纤连接装置(11)以联接激光器，可以将外部激光脉冲接入并聚焦；水-氩气入口2包括一个气阀14，气阀14联通的气管15与密封罩腔9顶部相通，在冲入水的时候气阀14打开可以将氩气排出；密封罩底部装有塑料密封圈6；激光焊接-喷丸组件4、超声检测装置3、水-氩气入口2、焊条填充装置5、气管15与密封罩1连接处皆需使用密封圈密封。
该组合装置中的密封罩1、水-氩气入口2、激光喷丸激光-焊接组件4、焊条填充装置5、超声检测装置3可联接控制系统，通过控制系统可以控制：组合装置的移动，水-氩气入口2充入水或氩气，气阀14通断，激光脉冲的焦距、波长、能量，焊条7填充，超声检测装置3开关。
本发明的原理为将激光焊接-喷丸组件4、超声检测装置3、水-氩气入口2、焊条填充装置5安装于密封罩1上，将密封罩1置于水下，通过水-氩气入口2改变密封罩腔9内的环境，以及通过与激光焊接-喷丸组件4相联的控制系统改变激光焦距、波长来实现不同功能。组合装置主要参数范围为：当激光喷丸时，激光脉冲波长532nm，激光脉宽8-20ns，脉冲能量30-300mJ，光斑直径0.2-2mm；当激光焊接时，激光波长1064nm，激光输入功率0.9-1.2kW，焊接速度30-50cm/min。
实施例1
在316L不锈钢上作开口宽度0.3mm，长度10mm，深度3mm的预制人工裂纹，并对该裂纹使用组合装置进行水下激光焊接。首先将组合装置与外部设备包括控制系统，激光发生器和示波器连接，选择82铝合金作为焊条填充进焊条填充装置5，将组合装置置于水下，罩住需要加工的位置，并使密封罩腔9内气管15口总是在上方以确保密封罩腔9内空气可以排出；控制水-氩气入口2向密封罩腔9内充入氩气作为保护气体，待密封罩腔9内水排空后，焊条填充装置5将焊条伸至需焊接位置，通过控制系统调节激光脉冲波长为1060nm，激光能量1100W，焊接速度40cm/min，氩气流速50l/min，焊条填充速度50l/min。焊接结果表明，组合装置内没有形成氧化，裂纹得到完全封闭。
实施例2
对304L不锈钢上使用组合装置进行激光喷丸。首先将组合装置与外部设备包括控制系统，激光发生器和示波器连接，将组合装置置于水下，罩住需要加工的位置，并使密封罩腔9内气管15口总是在上方以确保密封罩腔9内空气可以排出；打开气阀14，控制水氩气入口2向密封罩腔9内充入水作为约束层，待气体排出后，调节激光脉冲波长为532nm，脉宽8ns，光斑直径0.7mm，脉冲能量70mJ，能量密度7000脉冲/cm2。激光喷丸后，304L不锈钢的残余应力显著增加。
实施例3
一块40×40mm的304L不锈钢上有一个大小为0.2mm的已知缺陷，对其使用组合装置进行激光超声检测。首先将组合装置与外部设备包括控制系统，激光发生器和示波器连接，将组合装置置于水下，罩住需要检测的位置，并使密封罩腔9内气管15口总是在上方以确保密封罩腔9内空气可以排出；打开气阀14，控制水氩气入口2向密封罩腔9内充入水作为约束层，待气体排出后，调节激光脉冲波长为1064nm，激光能量45mJ/脉冲，移动组合装置完成整个区域的检测，通过观察两个与超声检测装置3相连的示波器来定位缺陷位置。当激光照射位置与超声检测装置3检测位置之间存在缺陷时，示波器显示较大的振幅，通过两个示波器准确地定位到缺陷位置。

Claims (7)

1.一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的方法，其特征在于：将激光焊接和激光喷丸集中一个组合装置内，将该组合装置置于水下，通过向密封罩(1)内充水(12)或氩气来改变密封罩(1)内加工环境，再改变激光波长与焦距来实现不同的功能；在激光喷丸的光斑基础上通过水的折射来产生激光焊接需要的正离焦量，在棱镜位置不变的情况下，可选择不同作业；在处理结束后方便的进行激光超声检测。
2.采用如权利要求1所述的一种可实现水下激光焊接和激光喷丸的方法的组合装置，其特征在于：包括激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)、水-氩气入口(2)、焊条填充装置(5)，均安装于密封罩(1)上；激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)和焊条填充装置(5)分别对准待加工工件(10)的待加工位置；超声检测装置(3)包括两个超声检测探头，其分别安装于靠近密封罩(1)一侧的两个拐角，并垂直对准待加工工件(10)，探头与待加工工件(10)表面距离5mm；激光焊接-喷丸组件(4)安装于密封罩(1)另一侧并向超声检测装置(3)反方向倾斜15°；水-氩气入口(2)安装于靠近超声检测装置(3)一侧侧面、焊条填充装置(5)安装于靠近激光焊接-喷丸组件(4)一侧侧面；密封罩(1)长、宽、高均为85mm，内部深度为45mm。
3.如权利要求2所述的组合装置，其特征在于：所述激光焊接-喷丸组件(4)内部为棱镜，并设有光纤连接装置(11)以联接激光器，可以将外部激光脉冲接入并聚焦。
4.如权利要求2所述的组合装置，其特征在于：所述超声检测装置(3)内部为超声传感器；水-氩气入口(2)包括一个气阀(14)，与气阀(14)联通的气管(15)与密封罩腔(9)顶部相通，在冲入水的时候气阀(14)打开将氩气排出。
5.如权利要求2所述的组合装置，其特征在于：所述密封罩(1)底部装有橡胶密封圈(6)；激光焊接-喷丸组件(4)、超声检测装置(3)、水-氩气入口(2)、焊条填充装置(5)、气管(15)与密封罩(1)连接处均分别使用塑料密封圈(6)密封。
6.如权利要求2或3所述的组合装置，其特征在于：密封罩(1)、水-氩气入口(2)、激光喷丸激光-焊接组件(4)、焊条填充装置(5)、超声检测装置(3)可联接控制系统，通过控制系统可以控制：组合装置的移动，水-氩气入口(2)充入水或氩气，气阀(14)通断，激光脉冲的焦距、波长、能量，焊条(7)的填充，超声检测装置(3)开关。
7.如权利要求6所述的组合装置，其特征在于：当激光喷丸时，所述激光的脉冲波长为532nm、脉宽范围为8-20ns、脉冲能量范围为30-300mJ、光斑直径范围为0.2-2mm；当激光焊接时，所述激光的脉冲波长为1064nm、激光输入功率范围为0.9-1.2kW、焊接速度范围为30-50cm/min。
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