激光加工在装备制造和维修中的研究与应用

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]。
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。
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