摘要：通過(guò)對(duì)近年來(lái)國(guó)外激光焊接、激光切割和激光熔覆和修復(fù)研究和應(yīng)用狀況的回顧，論述了先進(jìn)的激光加工技術(shù)的主要特點(diǎn)，揭示了在部隊(duì)裝備制造和維修中大力推廣先進(jìn)的激光加工技術(shù)的重要性和潛在的經(jīng)濟(jì)與軍事價(jià)值。
關(guān)鍵詞：激光焊接 激光切割 激光熔覆 裝備制造和維修
自1960 年，世界上第一臺(tái)激光器誕生后，激光技術(shù)得到了發(fā)展，極大地帶動(dòng)了與激光有關(guān)技術(shù)研究的蓬勃開(kāi)展，激光加工技術(shù)就是其中之一。與傳統(tǒng)的加工熱源相比，激光具有高亮度性、高方向性、高單色性和高相干性等特點(diǎn)，因此，激光加工是一種新型的高能束流加工技術(shù)，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的自動(dòng)化和無(wú)污染，以及減少材料消耗等起到愈來(lái)愈重要的作用。根據(jù)2000 年度在全球范圍內(nèi)的統(tǒng)計(jì)，工業(yè)激光按應(yīng)用領(lǐng)域分配額為[1]：激光切割占32%，標(biāo)記占30%，激光焊接占13%，微處理占13%，激光打孔占4%，其它占8%�？梢�(jiàn)激光加工是當(dāng)今具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)，為材料加工和結(jié)構(gòu)制造提供了一種新的實(shí)用手段。下面將從激光焊接、激光切割、激光熔覆和修復(fù)等方面介紹激光加工技術(shù)在海軍裝備制造和維修中潛在的應(yīng)用。
1 激光焊接
激光焊接是將光斑非常細(xì)小高強(qiáng)度的激光照射到工件表面，通過(guò)激光與物質(zhì)的相互作用，使作用區(qū)域內(nèi)的母材局部快速熔化、汽化，實(shí)現(xiàn)焊接。許多試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用表明，激光焊接有不少優(yōu)點(diǎn)：焊接速度高；焊縫小，焊接熔深大；熱影響區(qū)窄，焊接變形�。辉诓僮鬟^(guò)程中無(wú)污染；容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，能自動(dòng)焊接復(fù)雜形狀；無(wú)需后續(xù)工序。采用單熱源激光焊接也存在不足，如激光對(duì)母材的作用時(shí)間短，冷卻速度快，可能在焊縫中生成氣孔、疏松和裂紋等缺陷；由于激光光斑直徑很小，熱作用區(qū)域很小，對(duì)被焊接母材端面接口要求高，裝配精度要求高；材料表面狀態(tài)和溫度影響材料表面對(duì)激光的吸收效果等。
為消除或減少單熱源激光焊接的缺陷，在保持激光加熱的優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用其他熱源的加熱特性來(lái)改善激光對(duì)工件的加熱，從而形成了激光與其他熱源一起的激光復(fù)合焊接，主要有激光與電弧、等離子弧、高頻感應(yīng)熱源復(fù)合焊接以及雙激光束焊接等[2]。
在造船業(yè)中應(yīng)用的激光復(fù)合焊工藝是激光與氣體金屬電弧焊。激光與電弧復(fù)合焊接是在激光束附近外加電弧，利用電弧的熱作用范圍較大，電弧對(duì)被焊母材進(jìn)行預(yù)熱，使母材溫度升高，提高了材料對(duì)激光的吸收率，緩和激光焊接對(duì)接口的要求。同時(shí)，由于激光束具有對(duì)電弧的聚焦、引導(dǎo)作用，使焊接熔深大大增加，可以提高電弧的焊接速度和焊接質(zhì)量。另外，電弧熱作用范圍大，熱影響區(qū)加大，使溫度剃度減小，冷卻速度降低，減少或消除氣孔或裂紋的生成。
為了提高造船業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力和滿足顧客的需要，降低船體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵工藝之一——焊接的總工時(shí)量和焊接引起薄板的熱變形，德意志聯(lián)邦教育和研究部的資助 Meyer Werft 造船廠從1994 年起開(kāi)展了“金屬三明治形的鑲板”（Metallic Sandwich Planes）結(jié)構(gòu)激光焊接方法的研究，并演變成為歐洲SANDWICH研究計(jì)劃[5]。1998 年，意大利Fincantier 造船廠建立了用18KW CO2 激光可焊接長(zhǎng)達(dá)16m、板厚度達(dá)20mm的激光焊接工作站[4]；1999~2001 年，在Meyer Werft，建立了一個(gè)新型先進(jìn)激光加工生產(chǎn)車(chē)間，采用自動(dòng)化的模塊生產(chǎn)方式，用不同強(qiáng)度級(jí)別、厚度的鋼制造鋼結(jié)構(gòu)，其激光復(fù)合焊接站能夠生產(chǎn)20m× 20m 的平面分段。采用激光復(fù)合焊接方式，達(dá)到了生產(chǎn)高度的柔性化和高生產(chǎn)效率與減少熱變形的組合。
歐、美等國(guó)將激光/氣體金屬電弧復(fù)合焊用于其艦船的建造，如通過(guò)對(duì)HY-80 鋼激光復(fù)合焊接的試樣進(jìn)行拉伸、沖擊、動(dòng)態(tài)撕裂、爆炸等試驗(yàn)，在恰當(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下，焊接接頭的性能均滿足美國(guó)軍標(biāo)對(duì)HY-80 鋼的性能要求。
日本科研人員用激光焊接修復(fù)水下核反應(yīng)堆壓力容器。激光焊接是在水壓達(dá)到0.4MPa，采用氣保護(hù)的條件下，用激光功率 3~4KW 的Nd：YAG 激光器，以4.2~33.3mm/s 的速度，填充SUS308L 不銹鋼材料，焊接10mm 厚的SUS304 不銹鋼，得到了無(wú)焊接缺陷的深熔焊縫。
香港工業(yè)大學(xué)的研究人員用2KW 連續(xù)Nd：YAG 激光重熔錳鎳鋁青銅（MAB）螺旋槳表面，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)[]：與鑄造的相比，激光表面重熔處理后的螺旋槳表面在3.5wt% NaCl 人造海水中耐空泡腐蝕能力增加了5.8 倍，甚至超過(guò)了鎳鋁青銅（NAB）。因此，激光表面重熔可以提高螺旋槳的空泡腐蝕能力和腐蝕阻力。
對(duì)鋁和鋼這種熔點(diǎn)相差懸殊，線膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱性和熱容量差別大的異種材料的激光焊接研究表明，只要制定合適的激光焊接工藝，是可以得到結(jié)合強(qiáng)度較高、焊縫質(zhì)量好的異種材料的焊接接頭。
2 激光切割
激光切割是用高功率密度的激光直接聚集在切割零件的表面，產(chǎn)生足以使被切割材料熔化甚至汽化的溫度，再輔以噴射氣體吹化，從而達(dá)到分離材料的目的。與其它常規(guī)的加工方法相比，如水切割，氧-乙炔，激光切割所形成的割縫窄，質(zhì)量（精度）高，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割縫質(zhì)量好，無(wú)掛渣、邊緣垂直、表面光滑；激光切割因能量密度高，切割熱影響區(qū)�。患す馇懈罟ぜ䶮o(wú)機(jī)械變形，易于與自動(dòng)化裝備相結(jié)合，容易實(shí)現(xiàn)切割自動(dòng)化，無(wú)刀具磨損，因此，效率高，速度快和柔性高。激光板材切割已經(jīng)實(shí)用化，沒(méi)有鋸屑，可在任何方向切割任何圖形，沒(méi)有工具的磨損和噪聲，在加工精度、成品率以及可變性等方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的加工方法。
激光切割技術(shù)有三十多年的發(fā)展歷史，根據(jù)2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全世界用于工業(yè)切割的激光加工系統(tǒng)有40000臺(tái)（套），其中美國(guó)占了將近 30000套，德國(guó)和日本僅次于美國(guó)，各擁有激光切割系統(tǒng)近5000臺(tái)。在歐洲一些造船廠，為了滿足船體的模塊化建造需要，紛紛建立了激光切割車(chē)間，鋼質(zhì)造船廠（Odense Steel Shipyard）的激光切割車(chē)間，在數(shù)控機(jī)床的引導(dǎo)下，其工作范圍在1m×4m×16m。James Harris 和 Milan Brandt用Nd：YAG激光器進(jìn)行了16~50mm低碳鋼板的切割試驗(yàn)研究，各種工藝條件下的切口情況如圖4�？梢�(jiàn)，在合適的工藝參數(shù)條件下完全可以得到優(yōu)質(zhì)的割縫。
美國(guó)阿拉巴馬州的Bender 船舶修造公司研究了用功率小于2KW 的CO2 激光器和（增壓）氧氣組合的“LASOX”切割新工藝，成功地切割了50mm 厚的鋼板；在切割38mm 厚的鋼板研究試驗(yàn)表明，每切割一張鋼板比火焰切割平均節(jié)省時(shí)間40min，大大降低了作業(yè)成本。該公司稱(chēng)一旦克服此技術(shù)現(xiàn)有的缺點(diǎn)，這種激光輔助切割技術(shù)將被用于潛水艇的建造，這將使新一代鋼鐵艦船的建造費(fèi)用更加便宜。
3 激光熔覆和修復(fù)
激光表面合金化與熔覆是用能量密度高的激光照射材料表面，使激光束掃描的母材和添加的材料快速熔化快速凝固,在金屬材料表面原位制造出高合金化,高性能的表面強(qiáng)化層的新技術(shù)。利用激光表面合金化與熔覆新技術(shù)可以有效提高金屬材料的硬度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、疲勞裂紋擴(kuò)展抗力和磨損疲勞壽命等性能；在機(jī)器、設(shè)備的易磨損或易腐蝕部位，采用激光在其表面熔覆具有耐磨、耐蝕、耐熱等優(yōu)異的綜合性能的熔覆層，從而可以大大延長(zhǎng)機(jī)器、設(shè)備的使用壽命；在保證原零件尺寸和材料性能的條件下，可以對(duì)磨損的零件表面進(jìn)行修復(fù)，實(shí)現(xiàn)廢物的再利用。
激光表面合金化與熔覆技術(shù)的研究和發(fā)展已有近三十年的歷史，是近年來(lái)發(fā)展最快,也是最成熟的現(xiàn)代先進(jìn)的表面處理技術(shù)。與傳統(tǒng)的表面處理技術(shù)，如堆焊﹑噴鍍、熱噴涂、噴焊等技術(shù)相比，激光表面處理技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：熔覆層與基體可以形成牢固的冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高；可以獲得低稀釋率的熔覆層；熱影響區(qū)和熱變形小使得工件變形小、自動(dòng)化程度高；激光表面處理屬于快速凝固過(guò)程，容易得到細(xì)晶組織或形成常規(guī)處理無(wú)法得到的新相等。當(dāng)然，它也存在不足，主要有兩點(diǎn)：一個(gè)是熔覆層可能出現(xiàn)裂紋，尤其在熔覆層硬度高時(shí)；另一個(gè)是采用的大功率激光器購(gòu)買(mǎi)和維護(hù)費(fèi)用較高，增加了產(chǎn)品成本。但是，只要采用恰當(dāng)?shù)墓に嚧胧┦强梢员苊馊鄹矊赢a(chǎn)生裂紋；對(duì)于精密零部件、大型零件的修復(fù)，由于零件的本身的價(jià)值高，這樣可以克服成本因素帶來(lái)的不利影響，因此，激光表面合金化和熔覆被譽(yù)為“綠色再制造技術(shù)”。
4 結(jié)束語(yǔ)
先進(jìn)的激光加工技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，激光加工技術(shù)正朝著智能化、集成化方向發(fā)展，激光加工顯示出低成本、高效率、高柔性的特點(diǎn)。將其引入到裝備制造和維修將會(huì)豐富裝備維修保障方法、手段，提高維修保障能力，并帶來(lái)潛在的經(jīng)濟(jì)效益。
