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激光加工在装备制造和维修中的研究与应用 |
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摘要：通过对近年来国外激光焊接、激光切割和激光熔覆和修复研究和应用状况的回顾，论述了先进的激光加工技术的主要特点，揭示了在部队装备制造和维修中大力推广先进的激光加工技术的重要性和潜在的经济与军事价值。
关键词：激光焊接 激光切割 激光熔覆 装备制造和维修
自1960 年，世界上第一台激光器诞生后，激光技术得到了发展，极大地带动了与激光有关技术研究的蓬勃开展，激光加工技术就是其中之一。与传统的加工热源相比，激光具有高亮度性、高方向性、高单色性和高相干性等特点，因此，激光加工是一种新型的高能束流加工技术，对提高产品质量和劳动生产率，实现生产的自动化和无污染，以及减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。根据2000 年度在全球范围内的统计，工业激光按应用领域分配额为[1]：激光切割占32%，标记占30%，激光焊接占13%，微处理占13%，激光打孔占4%，其它占8%。可见激光加工是当今具有代表性的先进制造技术，为材料加工和结构制造提供了一种新的实用手段。下面将从激光焊接、激光切割、激光熔覆和修复等方面介绍激光加工技术在海军装备制造和维修中潜在的应用。
1 激光焊接
激光焊接是将光斑非常细小高强度的激光照射到工件表面，通过激光与物质的相互作用，使作用区域内的母材局部快速熔化、汽化，实现焊接。许多试验和实际应用表明，激光焊接有不少优点：焊接速度高；焊缝小，焊接熔深大；热影响区窄，焊接变形小；在操作过程中无污染；容易实现自动化，能自动焊接复杂形状；无需后续工序。采用单热源激光焊接也存在不足，如激光对母材的作用时间短，冷却速度快，可能在焊缝中生成气孔、疏松和裂纹等缺陷；由于激光光斑直径很小，热作用区域很小，对被焊接母材端面接口要求高，装配精度要求高；材料表面状态和温度影响材料表面对激光的吸收效果等。
为消除或减少单热源激光焊接的缺陷，在保持激光加热的优点的基础上，利用其他热源的加热特性来改善激光对工件的加热，从而形成了激光与其他热源一起的激光复合焊接，主要有激光与电弧、等离子弧、高频感应热源复合焊接以及双激光束焊接等[2]。
图1 激光电弧复合焊原理示意图
在造船业中应用的激光复合焊工艺是激光与气体金属电弧焊[3，4]，图1 是其原理示意图。激光与电弧复合焊接是在激光束附近外加电弧，利用电弧的热作用范围较大，电弧对被焊母材进行预热，使母材温度升高，提高了材料对激光的吸收率，缓和激光焊接对接口的要求。同时，由于激光束具有对电弧的聚焦、引导作用，使焊接熔深大大增加，可以提高电弧的焊接速度和焊接质量。另外，电弧热作用范围大，热影响区加大，使温度剃度减小，冷却速度降低，减少或消除气孔或裂纹的生成。
为了提高造船业的竞争能力和满足顾客的需要，降低船体结构关键工艺之一——焊接的总工时量和焊接引起薄板的热变形，德意志联邦教育和研究部的资助 Meyer Werft 造船厂从1994 年起开展了“金属三明治形的镶板”（Metallic Sandwich Planes）结构激光焊接方法的研究，并演变成为欧洲SANDWICH研究计划[5]。1998 年，意大利Fincantier 造船厂建立了用18KW CO2 激光可焊接长达16m、板厚度达20mm的激光焊接工作站[4]；1999~2001 年，在Meyer Werft，建立了一个新型先进激光加工生产车间，采用自动化的模块生产方式，用不同强度级别、厚度的钢制造钢结构，其激光复合焊接站能够生产20m× 20m 的平面分段。采用激光复合焊接方式，达到了生产高度的柔性化和高生产效率与减少热变形的组合[5]。
欧、美等国将激光/气体金属电弧复合焊用于其舰船的建造，如通过对HY-80 钢激光复合焊接的试样进行拉伸、冲击、动态撕裂、爆炸等试验，在恰当的焊接工艺条件下，焊接接头的性能均满足美国军标对HY-80 钢的性能要求[6]。
日本科研人员用激光焊接修复水下核反应堆压力容器[7]，其工艺示意图如图2。激光焊接是在水压达到0.4MPa，采用气保护的条件下，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 不锈钢材料，焊接10mm 厚的SUS304 不锈钢，得到了无焊接缺陷的深熔焊缝。
图2 水下激光焊接工艺示意图[7]
香港工业大学的研究人员用2KW 连续Nd：YAG 激光重熔锰镍铝青铜（MAB）螺旋桨表面，通过研究发现[]：与铸造的相比，激光表面重熔处理后的螺旋桨表面在3.5wt% NaCl 人造海水中耐空泡腐蚀能力增加了5.8 倍，甚至超过了镍铝青铜（NAB）。因此，激光表面重熔可以提高螺旋桨的空泡腐蚀能力和腐蚀阻力[8]。
对铝和钢这种熔点相差悬殊，线膨胀系数、导热性和热容量差别大的异种材料的激光焊接研究表明，只要制定合适的激光焊接工艺，是可以得到结合强度较高、焊缝质量好的异种材料的焊接接头[9，10]。
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，产生足以使被切割材料熔化甚至汽化的温度，再辅以喷射气体吹化，从而达到分离材料的目的。与其它常规的加工方法相比，如水切割，氧-乙炔，激光切割所形成的割缝窄，质量（精度）高，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑；激光切割因能量密度高，切割热影响区小；激光切割工件无机械变形，易于与自动化装备相结合，容易实现切割自动化，无刀具磨损，因此，效率高，速度快和柔性高。激光板材切割已经实用化，没有锯屑，可在任何方向切割任何图形，没有工具的磨损和噪声，在加工精度、成品率以及可变性等方面都优于传统的加工方法。
图3 Odense 船厂激光加工车间[11]
激光切割技术有三十多年的发展历史，根据2000年的统计数据[1]，全世界用于工业切割的激光加工系统有40000台（套），其中美国占了将近 30000套，德国和日本仅次于美国，各拥有激光切割系统近5000台。在欧洲一些造船厂，为了满足船体的模块化建造需要，纷纷建立了激光切割车间，图3 是丹麦Odense钢质造船厂（Odense Steel Shipyard）的激光切割车间[11]，在数控机床的引导下，其工作范围在1m×4m×16m。James Harris 和 Milan Brandt[12]用Nd：YAG激光器进行了16~50mm低碳钢板的切割试验研究，各种工艺条件下的切口情况如图4。可见，在合适的工艺参数条件下完全可以得到优质的割缝。
图4 激光功率和切割速度对低碳钢厚板切口的影响[12]
美国阿拉巴马州的Bender 船舶修造公司研究了用功率小于2KW 的CO2 激光器和（增压）氧气组合的“LASOX”切割新工艺[13]，成功地切割了50mm 厚的钢板；在切割38mm 厚的钢板研究试验表明，每切割一张钢板比火焰切割平均节省时间40min，大大降低了作业成本。该公司称一旦克服此技术现有的缺点，这种激光辅助切割技术将被用于潜水艇的建造，这将使新一代钢铁舰船的建造费用更加便宜。
3 激光熔覆和修复
激光表面合金化与熔覆是用能量密度高的激光照射材料表面，使激光束扫描的母材和添加的材料快速熔化快速凝固,在金属材料表面原位制造出高合金化,高性能的表面强化层的新技术。利用激光表面合金化与熔覆新技术可以有效提高金属材料的硬度、屈服强度、疲劳强度、疲劳裂纹扩展抗力和磨损疲劳寿命等性能；在机器、设备的易磨损或易腐蚀部位，采用激光在其表面熔覆具有耐磨、耐蚀、耐热等优异的综合性能的熔覆层，从而可以大大延长机器、设备的使用寿命；在保证原零件尺寸和材料性能的条件下，可以对磨损的零件表面进行修复，实现废物的再利用。
激光表面合金化与熔覆技术的研究和发展已有近三十年的历史，是近年来发展最快,也是最成熟的现代先进的表面处理技术。与传统的表面处理技术，如堆焊﹑喷镀、热喷涂、喷焊等技术相比，激光表面处理技术具有以下优点：熔覆层与基体可以形成牢固的冶金结合，界面结合强度高；可以获得低稀释率的熔覆层；热影响区和热变形小使得工件变形小、自动化程度高；激光表面处理属于快速凝固过程，容易得到细晶组织或形成常规处理无法得到的新相等。当然，它也存在不足，主要有两点：一个是熔覆层可能出现裂纹，尤其在熔覆层硬度高时；另一个是采用的大功率激光器购买和维护费用较高，增加了产品成本。但是，只要采用恰当的工艺措施是可以避免熔覆层产生裂纹；对于精密零部件、大型零件的修复，由于零件的本身的价值高，这样可以克服成本因素带来的不利影响，因此，激光表面合金化和熔覆被誉为“绿色再制造技术”。
图5 激光熔覆修复的传动轴[15]
国外目前已经将激光表面合金化与熔覆技术应用于实际生产中[14，15]，图5 是一个典型的传动轴，由于花键磨损不能继续使用而报废，但是经过激光熔覆修复就延长了被视为废物的寿命，激光修复后，整个修复部位也没有产生变形，也不需要任何热处理就可以直接使用；图6 是激光熔覆齿轮轴颈的装置。在澳大利亚就建立了激光熔覆技术中心，为激光熔覆技术的应用提供技术支持和工艺操作培训。
图6 激光熔覆齿轮轴颈的装置[15]
4 结束语
先进的激光加工技术在民用领域得到了广泛的应用，激光加工技术正朝着智能化、集成化方向发展，激光加工显示出低成本、高效率、高柔性的特点。将其引入到装备制造和维修将会丰富装备维修保障方法、手段，提高维修保障能力，并带来潜在的经济效益。(end)
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(1/19/2008) |
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