自1967年TWI首次实现气体辅助激光切割以来，行业一直在不断尝试，以各种方式优化可实现的切割质量。这取决于很多因素，但一个非常重要的参数是喷嘴尖端和板表面之间的距离(离合距离)，必须保持小而恒定的切割头移动。为了帮助保持这种紧公差的对峙距离，先进的高度感应系统，以控制喷嘴尖端。
现在想想，如果激光切割对切割质量的要求，以及对小而恒定的距离的要求被取消，激光切割可能会有什么效果。其中一个应用就是核退役领域。本文将介绍自2010年TWI开始在该领域开展工作以来，激光切割退役技术的进展。
非常适合核工业的方法
激光切割在退役方面有几个潜在的用途，主要是在核能和海上石油和天然气部门。在退役时，两个部门的质量都不是问题:退役的主要标准是被切割的部件必须分离。在核部门，应用包括反应堆压力容器及其内容物，相关的管道和支撑结构。第二组核应用涉及燃料后处理工厂的退役，包括切断管道和容器，这些管道和容器通常由不锈钢制成，这是燃料后处理化学过程的一部分。
核工业在退役方面非常保守。目前使用的主要技术有磨料水射流切割、金刚石线锯和机械剪切。由于许多放射性物质都储存在水下，因此还需要在水下进行切割，或者用核能的话说就是“缩小尺寸”。这样做的一个主要原因是减少材料(如空燃料储存容器)的体积，目前在核设施许可的许多“池”中占据(昂贵的)空间。
几乎每一年，美国、英国和法国都会重新评估(给纳税人的)解除核负债的成本。计算出来的成本如此之大，难以理解，以至于用数字来记录几乎没有意义。然而，有一点是明确的，那就是负责退役的机构现在想要以更低的成本和更快的速度完成这一任务，同时又不牺牲安全。安全仍然是最重要的因素。可靠、紧凑的1微米激光源，以及它们向光纤输送大功率级的能力，使退役的激光切割成为可能。这主要是因为设备的昂贵部分可以放置在远离放射性区域的地方，因此在一个工作完成后可以重复使用。
单面切割，对隔离距离不敏感
早在2010年，TWI在这个问题上首先被问到的问题之一就是“你能从一侧切割不锈钢管吗?”起初，我们是怀疑的，但单面管切割，实际上，是一个很好的例子，激光切割可以实现。如果对质量边缘光洁度的要求被删除，那么对隔离距离的公差就会变得更大。TWI切割不锈钢管(仅从一侧)，直径170mm，壁厚8mm，仅使用5kW激光源和专门开发的切割头。“单面”管切割的示范，可以在下面的视频中看到。这张图显示了一组不同尺寸的管子(包括同心管子)，在一个关节臂机器人的帮助下，只用压缩空气辅助气体切割。视频已经加快了速度，但整个阵列的剪辑只花了15分钟。
最近，工作重点是切割厚(40mm和100mm) C-Mn钢棒和板材料，参数保持对切割头位置的大公差。这项工作涉及的应用中，处理必须完全远程完成，组件的确切位置和大小是未知的。下面的视频显示了切割40mm厚的C-Mn钢板，同样使用了5kW的功率，但是切割头沿切割长度进行了两次上下循环，距离为100mm，而所有其他参数保持不变。同样，这个视频被加速，喷嘴尖端的实际水平速度是50mm/min。显而易见的是，在距离上存在巨大的容忍度。使用10kW的动力，可以以20mm/min的速度切割超过100mm的C-Mn钢板。
可在水下手动展开
在与英国核组织的各种讨论中，我们也被问到是否有可能用手持激光“枪”进行切割。起初，我们对这个建议一笑置之，但事实上，我们继续演示，你可以带一个激光切割头，添加一个手枪握把，提供合适的个人防护装备(在广泛的风险评估后)，就这样做。下面的视频展示了在TWI的一个处理细胞中这一过程。在这个剪辑的最后，可以看到以这种方式退役的一个好处:它能够实现较高的填充密度的结果部件。这一点很重要，因为在储存放射性废料时，体积等于成本。
之前提到的水下切割能力也有利于退役。虽然这种特殊设计的切割头实际上使用了额外的压缩空气流，在激光束与被切割表面相互作用的地方建立了一个局部干燥区，但这一点现在也已经被证明了。这个工作可以在视频剪辑4中看到，头部被用来切割12和35毫米厚的不锈钢板，水下，使用一个5kW的激光源。在这个视频中，切割是实时的。在这项工作中有趣的是，尽管水对被切割材料的散热器效应，速度接近那些可能的时候，传统的“空气中”切割仍然可以实现。
巨大的节约潜力
前面提到，储存核废料的规模和成本是密切相关的。在英国，有大量的放射性金属储存罐，多年来一直用于储存和移动麦格诺克斯反应堆的燃料元素。储存低、中水平核废料的成本与零部件的数量有关，在这种情况下，零部件的数量约为100万件3.每跳过。对英国纳税人来说，保存这样一段时间的储存成本估计为50万英镑。在英国大概有3000个这样的跳绳。镁诺克斯合金有了退役的方法对这些跳过这将导致显著减少放射性物质的数量必须存储,因为几乎所有的放射性物质在这些跳过实际上是限制在只有1.5毫米的材料表面。
方法是使用激光切割将箕斗(它的两个边有一个复杂的几何形状)分成5块。然后，每一块碎片将被送入五轴铣床，在那里，它的几何形状将被扫描，并开发一个程序，将每个暴露的表面切割约1.5毫米。一旦切削渣和磨屑被回收，这些活性材料的质量将超过50kg，而空箕斗的重量为450kg。它也将有一个高的包装密度，因此在储存中剩余的体积将大大减少。
另一个“绿色”的好处是，剩余的(非活性)材料可以熔化和回收。尽管激光切割系统和多轴铣床的投资相对较高，但仅节省300英镑的潜在成本估计就高达3000万英镑。TWI公司参与了开发该工艺的切削参数和机器人编程。2014年初，该过程在TWI进行了演示，Magnox人员和其他受邀的核能部门人员在那里组装了激光切割单元和机器人部件操作器的模型。由于这次演示的成功，该设备随后被转移到英国一家获得现场许可的公司进行主动跳跃的首次试验，并于2014年12月成功进行。下面的视频显示了在TWI演示过程中一个这样的跳过。可以看出，箕斗的两个平面窄边的切割非常简单，而加固材料以u形通道的形式焊接在两个长边上，使得切割这些边更加困难，但仍然可以使用5kW激光。
获奖的创新
我们的第一次激光切割废料的工作是在2011年进行的，但使用放射性材料进行切割花了三年多的时间。这个时间表的原因是，在建立在核环境中使用激光切割的“安全案例”方面有太多的工作要做。这就是我们所说的风险评估，但要严重得多。在进行上述试验的同时，TWI也一直在研究这个安全案例的各个方面。这涉及到，例如，测量和量化产生的渣滓和烟雾，以及“散乱的”激光束，通过切割，对过程附近的其他项目的影响。
TWI利用激光进行核退役的工作得到了认可NDA创新奖在2015年。有关我们在这方面的工作的更多信息，请访问我们的激光加工网页或联系我们．
文章由Paul Hilton和Ali Khan撰写，TWI。