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(fù)研究和應(yīng)用狀況的回顧，論述了先進的激光加工技術(shù)的主要特點，揭示了在部隊裝備制造和維修中大力推廣先進的激光加工技術(shù)的重要性和潛在的經(jīng)濟與軍事價值。
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 年度在全球范圍內(nèi)的統(tǒng)計，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%。可見激光加工是當(dāng)今具有代表性的先進制造技術(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(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(yīng)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??；在操作過程中無污染；容易實現(xiàn)自動化，能自動焊接復(fù)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(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]。
圖1 激光電弧復(fù)合焊原理示意圖
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[3，4]，圖1 是其原理示意圖。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，電弧對被焊母材進行預(yù)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(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，建立了一個新型先進激光加工生產(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(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(fù)合焊用于其艦船的建造，如通過對HY-80 鋼激光復(fù)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(dāng)?shù)暮附庸に嚄l件下，焊接接頭的性能均滿足美國軍標(biāo)對HY-80 鋼的性能要求[6]。
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[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(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<
