浙江至德鋼業(yè)有限公司采用自主研發(fā)的分離式激光整形和環(huán)形反射聚焦系統(tǒng)，對小口徑不銹鋼管件內(nèi)壁進行了重熔，并對重熔后的試樣進行了宏觀成形與顯微組織分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)無需旋轉(zhuǎn)機構(gòu)即可實現(xiàn)對口徑在30ｍｍ以下的不銹鋼管件進行內(nèi)壁重熔；在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下，重熔層成形質(zhì)量良好，無螺旋形搭接邊和焊接魚鱗紋；熔池呈圓環(huán)形，可有效防止熱裂紋的產(chǎn)生；隨著激光掃描次數(shù)增加，重熔層的熔深先增大后變小；隨著掃描速率增大，重熔層的熔深降低，表面粗糙度降低。

    內(nèi)壁堆焊或補焊是管道維修最為經(jīng)濟、有效的方法，但當管徑小到一定尺寸時，一些常規(guī)的堆焊方法便不再適用。這主要是由于設(shè)備終端執(zhí)行單元（焊槍、焊距）的固有構(gòu)造限制了其可縮小的尺寸下限，從而難以進入蒸汽發(fā)生器和熱交換器的傳熱管、化工冷凝管和排管等口徑小于30ｍｍ的管道內(nèi)部實施堆焊或補焊作業(yè)。因此，目前的傳熱管維修主要采用堵管、襯管、切割更換等方式，但這些方法存在傳熱效率低、可靠性差、維修成本高且工期長等缺點。另外，在海洋、化工及武器等領(lǐng)域，由于工況的要求，經(jīng)常需要內(nèi)壁具備耐蝕、耐磨以及一些特殊的性能。當管徑小到傳統(tǒng)堆焊方法無法進行時，為了滿足性能的要求，管件通常采用價格昂貴的單一材料進行制造，存在加工難度大、制造成本高、資源浪費嚴重等問題。很少有堆焊層內(nèi)襯相對廉價的小口徑金屬復(fù)合管可供商用選擇。因此，開發(fā)小口徑管內(nèi)壁堆焊技術(shù)是管道維修和金屬復(fù)合管材生產(chǎn)領(lǐng)域亟待解決的問題。近年來，研究人員在管內(nèi)壁熔覆和堆焊方面進行了大量的技術(shù)革新，并取得了一些可喜的成績。目前，以電弧為熱源的堆焊技術(shù)在小口徑不銹鋼管內(nèi)作業(yè)時仍存在諸多問題，如：難以適應(yīng)內(nèi)徑較小的管件，加工深度受限，焊接頭易因過熱而損毀等。鑒于上述問題，研究人員將關(guān)注的重點轉(zhuǎn)向一些新型熱源，其中，最具代表性的是大功率激光光源。在核電維修領(lǐng)域，研究人員針對蒸汽發(fā)生器傳熱管的維修開發(fā)了激光襯管設(shè)備，其終端執(zhí)行機構(gòu)可以伸入傳熱管內(nèi)部進行焊接，完成一道環(huán)焊僅需幾秒。然而，該設(shè)備只能在短時間內(nèi)作業(yè)，無法用于內(nèi)壁堆焊等長時間的工作。本課題組采用自主研發(fā)的激光整形和分離式環(huán)形反射聚焦系統(tǒng)，嘗試在不添加焊材的前提下，對口徑為30ｍｍ的304不銹鋼管件內(nèi)壁進行重熔，以檢驗環(huán)形熱源的熔深能力及重熔層的成形質(zhì)量，目的是為該設(shè)備未來在小口徑管道內(nèi)壁的堆焊或補焊操作中提供技術(shù)參考。

一、實驗

  實驗采用內(nèi)徑為30ｍｍ、壁厚為5ｍｍ、長度為100ｍｍ的304不銹鋼管為研究對象。保護氣體采用純度為99.99％的高純氬氣。激光器采用美國IPG公司的高功率光纖激光器，重熔設(shè)備采用自主研發(fā)的小口徑管內(nèi)壁激光加工裝置，其結(jié)構(gòu)如圖所示。從圖中可以看出，該設(shè)備主要由整形單元、夾具、聚焦鏡、水冷管及直線運動機構(gòu)構(gòu)成。實驗前，通過底座調(diào)節(jié)器將整形單元和夾具上的待焊管件調(diào)至與聚焦鏡同軸。水冷管為雙層剛性結(jié)構(gòu)，由電機和絲杠驅(qū)動的直線運動機構(gòu)通過水冷管使聚焦鏡作直線運動。圖給出了錐形聚焦鏡的外形特征及反射聚焦后的環(huán)形光斑形狀。錐形聚焦鏡的外形為圓錐形，直徑為24ｍｍ，與管壁的最小距離為3ｍｍ，聚焦面為拋物面，焦距為15.5ｍｍ，管壁處的環(huán)形光斑寬度為0.5ｍｍ，直徑為30ｍｍ。圖給出了采用自主研發(fā)的分離式激光整形和環(huán)形反射聚焦系統(tǒng)對管件進行加工的過程。

   重熔加工時，同軸設(shè)置在管內(nèi)的聚焦鏡作回抽式直線運動，進行單向掃描，掃描距離為60ｍｍ。調(diào)整的工藝參數(shù)包括：激光功率、掃描速率及重復(fù)掃描次數(shù)，具體設(shè)置如下：激光功率固定為４KＷ；掃描速率為ｍｍ/s時，分別掃描２、３、４、５次。加工完成后，將管件試樣剖開，觀察表面的成形質(zhì)量，然后截取小塊試樣，用溶液腐蝕40秒，觀察試樣的顯微組織，并用像素法測量熔深。

二、工作原理

    圖給出了小口徑不銹鋼管內(nèi)壁激光加工裝置的光路原理。從圖中可以看出，經(jīng)光纖導(dǎo)入的發(fā)散型激光束照射到準直反射鏡的表面，反射后形成準直實心光束。準直光束經(jīng)凸錐面反射鏡反射后形成中空發(fā)散光束，然后再經(jīng)錐形凹面鏡反射，就形成了實驗要求的中空、準直光束，其內(nèi)、外徑分別為6ｍｍ和18ｍｍ。將整形后的光束導(dǎo)入待加工管的內(nèi)部，使其照射到同軸設(shè)置在管內(nèi)的錐形聚焦鏡上，經(jīng)周向偏轉(zhuǎn)反射聚焦后，在管內(nèi)壁形成圓環(huán)形高能量密度的焦斑。與此同時，聚焦鏡作直線運動，環(huán)形焦斑在管內(nèi)壁產(chǎn)生圓柱面加工軌跡，從而實現(xiàn)了對整個管內(nèi)壁的加熱熔化。從原理上看，本研究的聚焦模塊結(jié)構(gòu)簡單，且于管內(nèi)同軸布置，空間干涉小。另外，加工過程僅作直線運動，省略了結(jié)構(gòu)復(fù)雜的無極旋轉(zhuǎn)機構(gòu)及大量的線纜，故能適應(yīng)小口徑管件的內(nèi)壁加工。

三、結(jié)果與分析

1. 重熔層的成形特點與顯微組織

    圖給出了管內(nèi)壁重熔層的成形特征，可以看出：重熔層表面較為平整，未出現(xiàn)焊道魚鱗紋，以及由于旋轉(zhuǎn)加熱所產(chǎn)生的螺旋形搭接邊，也未觀察到肉眼可見的裂紋、氣孔及夾雜等焊接缺陷。實際上，這種成形效果與熔池形狀有關(guān)。在常規(guī)的重熔或堆焊工藝中，熔池大多呈橢圓形，從中心到邊緣，結(jié)晶速度逐漸降低，晶粒的生長速度不一致，從而會在焊道上形成周期性的魚鱗紋。在本實驗中，熔池形狀為首尾相接的圓環(huán)形，各處同時加熱和冷卻，凝固結(jié)晶速度一致，因而，不會出現(xiàn)魚鱗狀凝固紋路。另外，熔池各處同時熔化和凝固帶來的另一個優(yōu)點是凝固收縮和熱收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力在環(huán)向上相互抵消，可以有效防止熱裂紋的產(chǎn)生。

    圖給出了管內(nèi)壁重熔層的顯微組織照片。從圖中可以看出，重熔層的晶粒非常細小，管壁表層的晶粒平行于軸線，內(nèi)部的晶粒斜向上生長。在堆焊過程中，熔池隨著熱源而移動，而晶粒的初始生長方向指向瞬時熱源的位置，且與散熱方向相反。因此，熔池表層的晶粒幾乎平行于表面生長，熔池內(nèi)部的晶粒以一定的角度斜向上生長，且生長的角度隨深度的增大而增大。另外，表面線和熔合線非常平直，幾乎無起伏，說明工藝過程穩(wěn)定，成形良好。從圖中可以看出，重熔層的顯微組織呈胞狀晶結(jié)構(gòu)，主要由亮色的奧氏體胞狀樹枝晶和分布在晶界、亞晶界處的暗色鐵素體組成，表層的晶粒尺寸均勻，形態(tài)一致。環(huán)形光斑作為熱源時，在圓周方向上加熱均勻，這給管內(nèi)壁各處的熔體提供了相同的結(jié)晶條件。晶粒形核后，以相同的溫度梯度和生長速度進行凝固，從而保障了內(nèi)壁重熔層宏觀性能的一致，這對提高管件的服役壽命具有重要作用。

  2. 工藝參數(shù)的影響

     圖給出了掃描速率為2mm/s時，不同掃描次數(shù)下重熔層的成形形貌。對比圖左側(cè)的宏觀形貌可以發(fā)現(xiàn)，隨著重復(fù)掃描次數(shù)增多，重熔層表面出現(xiàn)了規(guī)則、等距的橫紋，而且紋路的深度隨著掃描次數(shù)的增多而加深。這可能與焊接熱輸入增多導(dǎo)致環(huán)形熔池的寬度增大有關(guān)。另外，在掃描６次的試樣中，重熔層出現(xiàn)了氧化發(fā)黑的痕跡，其原因在于該試樣所對應(yīng)的焊接熱輸入相對較高，而焊后沒有適當延長保護氣的通氣時間，導(dǎo)致該管件未充分冷卻而發(fā)生了氧化。

    從圖右側(cè)的顯微組織照片中可以看出，管內(nèi)壁的表面線和熔合線非常平直，幾乎無起伏，說明環(huán)形光斑各處的能量密度非常均勻。另外，對比顯微組織照片還可以發(fā)現(xiàn)，隨著重復(fù)加熱次數(shù)增多，重熔層的熔深先增大后變小。理論上，熔深會隨著掃描次數(shù)的增多而增大，但在本實驗中，當重復(fù)加熱到６次時，熔深反而降低。經(jīng)仔細觀察后發(fā)現(xiàn)，該工藝所對應(yīng)試樣的底部出現(xiàn)了金屬堆積的現(xiàn)象，說明熔池金屬出現(xiàn)了流動。其原因在于，重復(fù)加熱次數(shù)增多，熔池中熔融金屬的體積增大，在重力的作用下，熔融金屬沿環(huán)形熔池流向管件底部，導(dǎo)致管件頂部和側(cè)壁的重熔層減薄。因此，在小口徑管內(nèi)壁激光重熔或堆焊工藝制定中應(yīng)避免這類現(xiàn)象的發(fā)生。

   當激光功率為4KW，掃描速率為2ｍm/s時，重熔層的熔深與激光掃描次數(shù)的關(guān)系如圖所示。由圖可見，隨著掃描次數(shù)增加，熔深逐漸增加，當掃描次數(shù)為５時，熔深最大，達到334μｍ，隨后熔深隨著掃描次數(shù)的繼續(xù)增大而減小至172μｍ。這表明在該工藝條件下，小口徑不銹鋼管內(nèi)壁重熔層的熔深存在一個最大值。同樣的變化趨勢也出現(xiàn)在掃描速率為1ｍｍ/s的工藝中。圖給出了掃描５次，不同掃描速率下重熔層的宏觀形貌。可以看出：當掃描速率為1ｍｍ/s時，試樣上的橫紋較深，且部分發(fā)生了彎曲，說明熔池金屬在凝固之前出現(xiàn)了流動現(xiàn)象；當掃描速率為2ｍｍ/s時，試樣上的橫紋非常均勻平直；當掃描速率為3ｍm/s時，試樣上幾乎觀察不到橫紋，表面非常光潔。由此可以推斷，在其他工藝條件相同的情況下，隨著掃描速率增大，重熔層的橫紋深度變小，表面粗糙度降低。其原因在于：一方面，熔池中熔融金屬的量減少，加工過程中的熔池波動和流動幅度減緩；另一方面，凝固時間變短，熔池金屬出現(xiàn)流動堆積之前即可凝固。由此可見，提高掃描速率有利于提高重熔層的成形質(zhì)量。

   圖給出了不同掃描速率下重熔層熔深的變化趨勢。可以看出，隨著掃描速率提高，重熔層的熔深變小，這顯然與熱輸入的降低有關(guān)。在本研究中，將傳統(tǒng)的點狀或圓斑狀熱源改變?yōu)榄h(huán)形，不但降低了單位面積的能量密度，而且增大了熱源周圍的散熱邊界，這對于重熔或焊接技術(shù)中要求的聚熱效應(yīng)是極為不利的。例如，在激光功率為4KW時，直徑為30ｍｍ、寬度為0.5ｍｍ的環(huán)形光斑的能量密度明顯要大于100Ａ、10Ｖ條件下氬弧焊熱源（直徑為６ｍｍ左右）的能量密度，但熔化效果卻明顯不如后者。這主要是由于環(huán)形焦斑的散熱邊界長度約為氬弧焊熱源的１０倍，即熱量難以聚集產(chǎn)生升溫效果，達到熔化工件的目的。在這種情況下，雖然提高掃描速率有助于提高成形質(zhì)量和生產(chǎn)效率，但重熔層的熔深將明顯減小。如果要求提高掃描速率的同時保證熔深，提高激光功率是一個最為直接的辦法，這就需要選用輸出功率更大的激光器。另一個辦法是減小目標管件的口徑，即目標管徑越小，在激光輸出功率一定的情況下，環(huán)形光斑單位面積上的功率密度就越大，熔化效果就越顯著。但須注意對聚焦鏡的保護，因為聚焦鏡與熔池的距離也會縮短。

四、結(jié)論

    浙江至德鋼業(yè)有限公司所采用的分離式激光整形和反射聚焦系統(tǒng)輸出的環(huán)形光斑僅通過直線運動即可對口徑為30ｍｍ的不銹鋼管件內(nèi)壁進行整體重熔，無螺旋形搭接邊產(chǎn)生，成形質(zhì)量顯著提高。當激光功率為4KW，掃描速率為2ｍｍ/s時，最大熔深可達334μｍ。環(huán)形光斑加熱均勻，管內(nèi)壁各處的結(jié)晶速度一致，避免了魚鱗狀焊道凝固紋路的出現(xiàn)，且凝固收縮和熱收縮所產(chǎn)生的應(yīng)力在環(huán)向上相互抵消，可有效緩減熱裂紋傾向。隨著掃描次數(shù)增多，熔深先增大后變小，表面粗糙度降低；隨著掃描速率增大，熔深降低，表面粗糙度降低。