激光加工在裝備制造和維修中的研究與應用

摘要 通過對近年來國外激光焊接、激光切割和激光熔覆和修復研究和應用狀況的回顧，論述了*的激光加工技術(shù)的主要特點，揭示了在*裝備制造和維修中大力推廣*的激光加工技術(shù)的重要性和潛在的經(jīng)濟與軍事價值。

自1960 年，世界上*臺激光器誕生后，激光技術(shù)得到了發(fā)展，極大地帶動了與激光有關(guān)技術(shù)研究的蓬勃開展，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，因此，激光加工是一種新型的高能束流加工技術(shù)，對提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化和無污染，以及減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。根據(jù)2000 年度在范圍內(nèi)的統(tǒng)計，工業(yè)激光按應用領(lǐng)域分配額為[1]：激光切割占32%，標記占30%，激光焊接占13%，微處理占13%，激光打孔占4%，其它占8%。可見激光加工是當今具有代表性的*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用手段。下面將從激光焊接、激光切割、激光熔覆和修復等方面介紹激光加工技術(shù)在*裝備制造和維修中潛在的應用。

1 激光焊接

激光焊接是將光斑非常細小高強度的激光照射到工件表面，通過激光與物質(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，實現(xiàn)焊接。許多試驗和實際應用表明，激光焊接有不少優(yōu)點：焊接速度高；焊縫小，焊接熔深大；熱影響區(qū)窄，焊接變形小；在操作過程中無污染；容易實現(xiàn)自動化，能自動焊接復雜形狀；無需后續(xù)工序。采用單熱源激光焊接也存在不足，如激光對母材的作用時間短，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)點的基礎(chǔ)上，利用其他熱源的加熱特性來改善激光對工件的加熱，從而形成了激光與其他熱源一起的激光復合焊接，主要有激光與電弧、等離子弧、高頻感應熱源復合焊接以及雙激光束焊接等[2]。

圖1 激光電弧復合焊原理示意圖

在造船業(yè)中應用的激光復合焊工藝是激光與氣體金屬電弧焊[3，4]，圖1 是其原理示意圖。激光與電弧復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，電弧對被焊母材進行預熱，使母材溫度升高，提高了材料對激光的吸收率，緩和激光焊接對接口的要求。同時，由于激光束具有對電弧的聚焦、引導作用，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)的競爭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研究計劃[5]。1998 年，意大利Fincantier 造船廠建立了用18KW CO2 激光可焊接長達16m、板厚度達20mm的激光焊接工作站[4]；1999~2001 年，在Meyer Werft，建立了一個新型*激光加工生產(chǎn)車間，采用自動化的模塊生產(chǎn)方式，用不同強度級別、厚度的鋼制造鋼結(jié)構(gòu)，其激光復合焊接站能夠生產(chǎn)20m×20m 的平面分段。采用激光復合焊接方式，達到了生產(chǎn)高度的柔性化和高生產(chǎn)效率與減少熱變形的組合[5]。

歐、美等國將激光/氣體金屬電弧復合焊用于其艦船的建造，如通過對HY-80 鋼激光復合焊接的試樣進行拉伸、沖擊、動態(tài)撕裂、爆炸等試驗，在恰當?shù)暮附庸に嚄l件下，焊接接頭的性能均滿足美國軍標對HY-80 鋼的性能要求[6]。

日本科研人員用激光焊接修復水下核反應堆壓力容器[7]，其工藝示意圖如圖2。激光焊接是在水壓達到0.4MPa，采用氣保護的條件下，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，得到了無焊接缺陷的深熔焊縫。

圖2 水下激光焊接工藝示意圖[7]

香港工業(yè)大學的研究人員用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[8]。

對鋁和鋼這種熔點相差懸殊，線膨脹系數(shù)、導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)合強度較高、焊縫質(zhì)量好的異種材料的焊接接頭[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，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)小；激光切割工件無機械變形，易于與自動化裝備相結(jié)合，容易實現(xiàn)切割自動化，無刀具磨損，因此，效率高，速度快和柔性高。激光板材切割已經(jīng)實用化，沒有鋸屑，可在任何方向切割任何圖形，沒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。

圖3 Odense 船廠激光加工車間[11]

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)計數(shù)據(jù)[1]，*用于工業(yè)切割的激光加工系統(tǒng)有40000臺（套），其中美國占了將近30000套，德國和日本僅次于美國，各擁有激光切割系統(tǒng)近5000臺。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間，圖3是丹麥Odense鋼質(zhì)造船廠（Odense Steel Shipyard）的激光切割車間[11]，在數(shù)控機床的引導下，其工作范圍在1m×4m×16m。James Harris 和 Milan Brandt[12]用Nd：YAG激光器進行了16~50mm低碳鋼板的切割試驗研究，各種工藝條件下的切口情況如圖4。可見，在合適的工藝參數(shù)條件下*可以得到的割縫。

圖4 激光功率和切割速度對低碳鋼厚板切口的影響[12]

美國阿拉巴馬州的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[13]，成功地切割了50mm 厚的鋼板；在切割38mm 厚的鋼板研究試驗表明，每切割一張鋼板比火焰切割平均節(jié)省時間40min，大大降低了作業(yè)成本。該公司稱一旦克服此技術(shù)現(xiàn)有的缺點，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用更加便宜。

3 激光熔覆和修復

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、屈服強度、疲勞強度、疲勞裂紋擴展抗力和磨損疲勞壽命等性能；在機器、設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，從而可以大大延長機器、設備的使用壽命；在保證原零件尺寸和材料性能的條件下，可以對磨損的零件表面進行修復，實現(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，是近年來發(fā)展zui快,也是zui成熟的現(xiàn)代*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：熔覆層與基體可以形成牢固的冶金結(jié)合，界面結(jié)合強度高；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、自動化程度高；激光表面處理屬于快速凝固過程，容易得到細晶組織或形成常規(guī)處理無法得到的新相等。當然，它也存在不足，主要有兩點：一個是熔覆層可能出現(xiàn)裂紋，尤其在熔覆層硬度高時；另一個是采用的大功率激光器購買和維護費用較高，增加了產(chǎn)品成本。但是，只要采用恰當?shù)墓に嚧胧┦强梢员苊馊鄹矊赢a(chǎn)生裂紋；對于精密零部件、大型零件的修復，由于零件的本身的價值高，這樣可以克服成本因素帶來的不利影響，因此，激光表面合金化和熔覆被譽為“綠色再制造技術(shù)”。

圖5 激光熔覆修復的傳動軸[15]

國外目前已經(jīng)將激光表面合金化與熔覆技術(shù)應用于實際生產(chǎn)中[14，15]，圖5 是一個典型的傳動軸，由于花鍵磨損不能繼續(xù)使用而報廢，但是經(jīng)過激光熔覆修復就延長了被視為廢物的壽命，激光修復后，整個修復部位也沒有產(chǎn)生變形，也不需要任何熱處理就可以直接使用；圖6 是激光熔覆齒輪軸頸的裝置。在澳大利亞就建立了激光熔覆技術(shù)中心，為激光熔覆技術(shù)的應用提供和工藝操作培訓。

圖6 激光熔覆齒輪軸頸的裝置[15]

4 結(jié)束語

*的激光加工技術(shù)在民用領(lǐng)域得到了廣泛的應用，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、率、高柔性的特點。將其引入到裝備制造和維修將會豐富裝備維修保障方法、手段，提高維修保障能力，并帶來潛在的經(jīng)濟效益。