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實(shí)際上除了激光蛇項(xiàng)目，早在2006年之前，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)為了研究如何加速核設(shè)施退役，就已安裝了可以算是英國(guó)功率最高之一的商業(yè)化光纖激光器。激光能夠節(jié)約時(shí)間提高生產(chǎn)率，而引進(jìn)新技術(shù)會(huì)影響到公司長(zhǎng)期的市場(chǎng)地位。光纖激光器因?yàn)榻档土顺杀镜岣吡遂`活性和加工能力而引發(fā)了激光應(yīng)用的革命。
曼徹斯特大學(xué)激光加工研究中心（LPRC）是英國(guó)領(lǐng)先的激光制造技術(shù)研究機(jī)構(gòu)。作為世界級(jí)激光研究的權(quán)威，中心主任LinLi教授和他的同事發(fā)表了大量的論文，基于激光器的核電站退役技術(shù)以及核電站制造中的激光加工技術(shù)在其中占據(jù)了重要的地位。他們與開放了位于坎布里亞郡的科爾德霍爾核電站（全球第一座商用核電站）、用于對(duì)核工程各方面進(jìn)行研究的曼徹斯特大學(xué)道爾頓核能研究所有密切的聯(lián)系。激光加工研究中心（LPRC）還與英國(guó)大型制造商合作，研究在特殊制造工藝中激光器在特殊系統(tǒng)中的使用。用最新型的超級(jí)激光器對(duì)包括核能單元實(shí)體模型在內(nèi)的設(shè)施進(jìn)行加工，來(lái)研究核工業(yè)的前沿應(yīng)用。
在整個(gè)由曼徹斯特大學(xué)主導(dǎo)、謝菲爾德大學(xué)協(xié)助的新核能制造（NNUMAN）項(xiàng)目，負(fù)責(zé)開發(fā)最大化生產(chǎn)率和安全性的技術(shù)，Li領(lǐng)導(dǎo)著從事焊接研究的團(tuán)隊(duì)。這個(gè)項(xiàng)目采用了高功率激光焊接這種在建造現(xiàn)有運(yùn)行中的核設(shè)施中從未使用過(guò)的方法。
“在建造現(xiàn)有的民用核電站時(shí)，高功率激光技術(shù)還沒(méi)有被開發(fā)，”Li強(qiáng)調(diào)。“因此當(dāng)時(shí)的制造工藝采用了主要基于傳統(tǒng)技術(shù)的方法。”他強(qiáng)調(diào)在對(duì)激光焊接技術(shù)的研究中還未專門對(duì)鐵素體材料，例如SA508鋼進(jìn)行過(guò)描述。“在核設(shè)施厚板制造中還未采用激光焊接。因此，我們的發(fā)現(xiàn)可能是這個(gè)領(lǐng)域中最先進(jìn)的。”
新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）于2012年10月啟動(dòng)時(shí)獲得了由兩所大學(xué)組成的英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)400萬(wàn)英鎊的基金支持。該項(xiàng)目也從與行業(yè)的密切聯(lián)系中受益，后者提供了具體應(yīng)用和更多財(cái)務(wù)支持，以幫助這些技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室成為實(shí)際的產(chǎn)品。“由來(lái)自眾多國(guó)際核設(shè)施供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)的行業(yè)專家和學(xué)者組成的咨詢委員會(huì)指導(dǎo)了我們的工作，”Li表示。
新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）使用IPG光子公司16kW激光器和Kuk6軸機(jī)器人，位于道爾頓核能研究所制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室。
16kW光纖激光器
因?yàn)楣饫w激光器的出色性能，激光焊接現(xiàn)在已成為核工業(yè)的一種潛在選擇。“光纖激光器能夠提供最高的平均功率（甚至高達(dá)100kW），通過(guò)光纖傳輸進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，”Li表示。
傳統(tǒng)的CO2激光器無(wú)法用這種方式進(jìn)行傳輸。同時(shí)光纖激光器具有更高的電光轉(zhuǎn)換率，與轉(zhuǎn)換率低的CO2激光器相比，IPG光纖激光器轉(zhuǎn)換率目前已經(jīng)可以達(dá)到45%。此外，與波長(zhǎng)更長(zhǎng)的CO2激光器相比，波長(zhǎng)更短的光纖激光器的光束更易于被金屬材料吸收。
因此，新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）開發(fā)出在英國(guó)功率最高之一的光纖激光系統(tǒng)，一套16kW的IPG激光器系統(tǒng)。該系統(tǒng)與帶有Precitec焊接頭的6軸Kuka機(jī)器人配合，安裝在2維旋轉(zhuǎn)升降臺(tái)上。Li的團(tuán)隊(duì)用這種系統(tǒng)焊接試樣來(lái)模擬核反應(yīng)堆部件，例如核燃料容器、管道及閥門，來(lái)最小化材料變形和熱影響、最大化焊縫的完整性。除此之外，該實(shí)驗(yàn)室還擁有IPG/Kuka16kW光纖激光機(jī)器人遠(yuǎn)程熔覆系統(tǒng)和IPG/Kuka16kW光纖激光機(jī)器人遠(yuǎn)程切割系統(tǒng)。
”需要對(duì)核電站構(gòu)件中材料焊接的特殊要求，包括極好焊接質(zhì)量和焊縫完整性，以及長(zhǎng)使用壽命進(jìn)行證明，“Li解釋說(shuō)。”我們計(jì)劃焊接80-130mm的鐵素體鋼，例如SA508和80mm的不銹鋼，實(shí)現(xiàn)高度的焊縫完整性和低殘余應(yīng)力，“他補(bǔ)充到。該團(tuán)隊(duì)還比較了焊接時(shí)沒(méi)有采用填充材料的自熔焊與諸如添絲焊等基于填充材料的焊接方法。
新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）在2015年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了80-130mm核電站材料的焊接。
走向商業(yè)化
盡管新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）的第一年以準(zhǔn)備項(xiàng)目所需的專業(yè)知識(shí)、設(shè)備和設(shè)施為主，Li的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的路上向前邁步。”我們證明了將單面自熔焊和雙面添絲焊相結(jié)合的方法在狹小焊縫間焊接30mm鐵素體鋼和20mm不銹鋼，“Li說(shuō)到。“這些顯示了將激光焊接技術(shù)擴(kuò)展到厚板焊接的前景。采用這些技術(shù)的熱影響與弧焊產(chǎn)生熱影響相比減少了10%。”
除了激光焊和窄間隙埋弧焊，新核能制造項(xiàng)目（NNUMAN）團(tuán)隊(duì)還研究了電子束焊。這些最具前景的技術(shù)將通過(guò)英國(guó)核能戰(zhàn)略的另外一個(gè)重要部門——核能先進(jìn)制造研究中心（AMRC）投入市場(chǎng)。
因此激光焊接必須在2015年4月前證明其對(duì)于厚板的焊接能力。“接下來(lái)的就是提供詳細(xì)資料和微結(jié)構(gòu)分析，同時(shí)還要進(jìn)行機(jī)械性能、殘余應(yīng)力和輻射環(huán)境測(cè)試，”Li進(jìn)行了說(shuō)明。“這些測(cè)試結(jié)果將激光焊接技術(shù)的轉(zhuǎn)化推向核能先進(jìn)制造研究中心（AMRC），行業(yè)合作估計(jì)將于2016年開始。”（注：在發(fā)稿之前，IPGB作者已經(jīng)通過(guò)郵件與LinLi教授進(jìn)行了確認(rèn)，LinLi教授的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)完成了證明。）
即使不能保證英國(guó)的新型核電站一定會(huì)采用激光焊接，Li依然對(duì)其性能充滿信心：“激光焊接若想通過(guò)修改行業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)被主流核電站構(gòu)件制造商采用，就必須證明它具有長(zhǎng)期的穩(wěn)定性以及所能帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益，”他強(qiáng)調(diào)到。“然而，我們相信我們的技術(shù)將展示出的諸多優(yōu)勢(shì)，會(huì)在未來(lái)被核電站構(gòu)件制造商所考慮，不僅是在英國(guó)，還可以在全球各地。”
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