實(shí)際上除了激光蛇項(xiàng)目，早在2006年之前，英國曼徹斯特大學(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)會影響到公司長期的市場地位。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）是英國領(lǐng)先的激光制造技術(shù)研究機(jī)構(gòu)。作為世界級激光研究的權(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。用最新型的超級激光器對包括核能單元實(shí)體模型在內(nèi)的設(shè)施進(jìn)行加工，來研究核工業(yè)的前沿應(yīng)用。
在整個由曼徹斯特大學(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)在對激光焊接技術(shù)的研究中還未專門對鐵素體材料，例如SA508鋼進(jìn)行過描述。“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月啟動時(shí)獲得了由兩所大學(xué)組成的英國工程和物理科學(xué)研究委員會400萬英鎊的基金支持。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。“由來自眾多國際核設(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），通過光纖傳輸進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，”Li表示。
傳統(tǒng)的CO2激光器無法用這種方式進(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，與波長更長的CO2激光器相比，波長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)升降臺上。Li的團(tuán)隊(duì)用這種系統(tǒng)焊接試樣來模擬核反應(yīng)堆部件，例如核燃料容器、管道及閥門，來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，以及長使用壽命進(jìn)行證明，“Li解釋說。”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、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)將通過英國核能戰(zhàn)略的另外一個重要部門——核能先進(jìn)制造研究中心（AMRC）投入市場。
因此激光焊接必須在2015年4月前證明其對于厚板的焊接能力。“接下來的就是提供詳細(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)境測試，”Li進(jìn)行了說明。“這些測試結(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。）
即使不能保證英國的新型核電站一定會采用激光焊接，Li依然對其性能充滿信心：“激光焊接若想通過修改行業(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期的穩(wěn)定性以及所能帶來的經(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，會在未來被核電站構(gòu)件制造商所考慮，不僅是在英國，還可以在全球各地。”
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