浙江至德鋼業有限公司采用自主研發的分離式激光整形和環形反射聚焦系統，對小口徑不銹鋼管件內壁進行了重熔，并對重熔后的試樣進行了宏觀成形與顯微組織分析。結果表明：該系統無需旋轉機構即可實現對口徑在30ｍｍ以下的不銹鋼管件進行內壁重熔；在優化的工藝參數條件下，重熔層成形質量良好，無螺旋形搭接邊和焊接魚鱗紋；熔池呈圓環形，可有效防止熱裂紋的產生；隨著激光掃描次數增加，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。

    內壁堆焊或補焊是管道維修最為經濟、有效的方法，但當管徑小到一定尺寸時，一些常規的堆焊方法便不再適用。這主要是由于設備終端執行單元（焊槍、焊距）的固有構造限制了其可縮小的尺寸下限，從而難以進入蒸汽發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的管道內部實施堆焊或補焊作業。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、化工及武器等領域，由于工況的要求，經常需要內壁具備耐蝕、耐磨以及一些特殊的性能。當管徑小到傳統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。很少有堆焊層內襯相對廉價的小口徑金屬復合管可供商用選擇。因此，開發小口徑管內壁堆焊技術是管道維修和金屬復合管材生產領域亟待解決的問題。近年來，研究人員在管內壁熔覆和堆焊方面進行了大量的技術革新，并取得了一些可喜的成績。目前，以電弧為熱源的堆焊技術在小口徑不銹鋼管內作業時仍存在諸多問題，如：難以適應內徑較小的管件，加工深度受限，焊接頭易因過熱而損毀等。鑒于上述問題，研究人員將關注的重點轉向一些新型熱源，其中，最具代表性的是大功率激光光源。在核電維修領域，研究人員針對蒸汽發生器傳熱管的維修開發了激光襯管設備，其終端執行機構可以伸入傳熱管內部進行焊接，完成一道環焊僅需幾秒。然而，該設備只能在短時間內作業，無法用于內壁堆焊等長時間的工作。本課題組采用自主研發的激光整形和分離式環形反射聚焦系統，嘗試在不添加焊材的前提下，對口徑為30ｍｍ的304不銹鋼管件內壁進行重熔，以檢驗環形熱源的熔深能力及重熔層的成形質量，目的是為該設備未來在小口徑管道內壁的堆焊或補焊操作中提供技術參考。

一、實驗

  實驗采用內徑為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，重熔設備采用自主研發的小口徑管內壁激光加工裝置，其結構如圖所示。從圖中可以看出，該設備主要由整形單元、夾具、聚焦鏡、水冷管及直線運動機構構成。實驗前，通過底座調節器將整形單元和夾具上的待焊管件調至與聚焦鏡同軸。水冷管為雙層剛性結構，由電機和絲杠驅動的直線運動機構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，管壁處的環形光斑寬度為0.5ｍｍ，直徑為30ｍｍ。圖給出了采用自主研發的分離式激光整形和環形反射聚焦系統對管件進行加工的過程。

   重熔加工時，同軸設置在管內的聚焦鏡作回抽式直線運動，進行單向掃描，掃描距離為60ｍｍ。調整的工藝參數包括：激光功率、掃描速率及重復掃描次數，具體設置如下：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壁激光加工裝置的光路原理。從圖中可以看出，經光纖導入的發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。準直光束經凸錐面反射鏡反射后形成中空發散光束，然后再經錐形凹面鏡反射，就形成了實驗要求的中空、準直光束，其內、外徑分別為6ｍｍ和18ｍｍ。將整形后的光束導入待加工管的內部，使其照射到同軸設置在管內的錐形聚焦鏡上，經周向偏轉反射聚焦后，在管內壁形成圓環形高能量密度的焦斑。與此同時，聚焦鏡作直線運動，環形焦斑在管內壁產生圓柱面加工軌跡，從而實現了對整個管內壁的加熱熔化。從原理上看，本研究的聚焦模塊結構簡單，且于管內同軸布置，空間干涉小。另外，加工過程僅作直線運動，省略了結構復雜的無極旋轉機構及大量的線纜，故能適應小口徑管件的內壁加工。

三、結果與分析

1. 重熔層的成形特點與顯微組織

    圖給出了管內壁重熔層的成形特征，可以看出：重熔層表面較為平整，未出現焊道魚鱗紋，以及由于旋轉加熱所產生的螺旋形搭接邊，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。在常規的重熔或堆焊工藝中，熔池大多呈橢圓形，從中心到邊緣，結晶速度逐漸降低，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形，各處同時加熱和冷卻，凝固結晶速度一致，因而，不會出現魚鱗狀凝固紋路。另外，熔池各處同時熔化和凝固帶來的另一個優點是凝固收縮和熱收縮所產生的應力在環向上相互抵消，可以有效防止熱裂紋的產生。

    圖給出了管內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構，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，形態一致。環形光斑作為熱源時，在圓周方向上加熱均勻，這給管內壁各處的熔體提供了相同的結晶條件。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. 工藝參數的影響

     圖給出了掃描速率為2mm/s時，不同掃描次數下重熔層的成形形貌。對比圖左側的宏觀形貌可以發現，隨著重復掃描次數增多，重熔層表面出現了規則、等距的橫紋，而且紋路的深度隨著掃描次數的增多而加深。這可能與焊接熱輸入增多導致環形熔池的寬度增大有關。另外，在掃描６次的試樣中，重熔層出現了氧化發黑的痕跡，其原因在于該試樣所對應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，導致該管件未充分冷卻而發生了氧化。

    從圖右側的顯微組織照片中可以看出，管內壁的表面線和熔合線非常平直，幾乎無起伏，說明環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現，隨著重復加熱次數增多，重熔層的熔深先增大后變小。理論上，熔深會隨著掃描次數的增多而增大，但在本實驗中，當重復加熱到６次時，熔深反而降低。經仔細觀察后發現，該工藝所對應試樣的底部出現了金屬堆積的現象，說明熔池金屬出現了流動。其原因在于，重復加熱次數增多，熔池中熔融金屬的體積增大，在重力的作用下，熔融金屬沿環形熔池流向管件底部，導致管件頂部和側壁的重熔層減薄。因此，在小口徑管內壁激光重熔或堆焊工藝制定中應避免這類現象的發生。

   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的關系如圖所示。由圖可見，隨著掃描次數增加，熔深逐漸增加，當掃描次數為５時，熔深最大，達到334μｍ，隨后熔深隨著掃描次數的繼續增大而減小至172μｍ。這表明在該工藝條件下，小口徑不銹鋼管內壁重熔層的熔深存在一個最大值。同樣的變化趨勢也出現在掃描速率為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，且部分發生了彎曲，說明熔池金屬在凝固之前出現了流動現象；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。在本研究中，將傳統的點狀或圓斑狀熱源改變為環形，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中要求的聚熱效應是極為不利的。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量和生產效率，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、結論

    浙江至德鋼業有限公司所采用的分離式激光整形和反射聚焦系統輸出的環形光斑僅通過直線運動即可對口徑為30ｍｍ的不銹鋼管件內壁進行整體重熔，無螺旋形搭接邊產生，成形質量顯著提高。當激光功率為4KW，掃描速率為2ｍｍ/s時，最大熔深可達334μｍ。環形光斑加熱均勻，管內壁各處的結晶速度一致，避免了魚鱗狀焊道凝固紋路的出現，且凝固收縮和熱收縮所產生的應力在環向上相互抵消，可有效緩減熱裂紋傾向。隨著掃描次數增多，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。