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，論述了先進的激光加工技術的主要特點，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的重要性和潛在的經濟與軍事價值。

自1960 年，世界上第一臺激光器誕生后，激光技術得到了發(fā)展，極大地帶動了與激光有關技術研究的蓬勃開展，激光加工技術就是其中之一。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，對提高產品質量和勞動生產率，實現生產的自動化和無污染，以及減少材料消耗等起到愈來愈重要的作用。根據2000 年度在全球范圍內的統(tǒng)計，工業(yè)激光按應用領域分配額為[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%�？梢娂す饧庸な钱斀窬哂写�表性的先進制造技術，為材料加工和結構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在海軍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，通過激光與物質的相互作用，使作用區(qū)域內的母材局部快速熔化、汽化，實現焊接。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��；在操作過程中無污染；容易實現自動化，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，降低船體結構關鍵工藝之一——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）結構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車間，采用自動化的模塊生產方式，用不同強度級別、厚度的鋼制造鋼結構，其激光復合焊接站能夠生產20m×20m 的平面分段。采用激光復合焊接方式，達到了生產高度的柔性化和高生產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，在恰當的焊接工藝條件下，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[]：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、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，是可以得到結合強度較高、焊縫質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，質量（精度）高，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割縫質量好，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)��；激光切割工件無機械變形，易于與自動化裝備相結合，容易實現切割自動化，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]

激光切割技術有三十多年的發(fā)展歷史，根據2000年的統(tǒng)計數據[1]，全世界用于工業(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鋼質造船廠（Odense Steel Shipyard）的激光切割車間[11]，在數控機床的引導下，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�？梢�，在合適的工藝參數條件下完全可以得到優(yōu)質的割縫。

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現有的缺點，這種激光輔助切割技術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。利用激光表面合金化與熔覆新技術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，實現廢物的再利用。

激光表面合金化與熔覆技術的研究和發(fā)展已有近三十年的歷史，是近年來發(fā)展最快,也是最成熟的現代先進的表面處理技術。與傳統(tǒng)的表面處理技術，如堆焊﹑噴鍍、熱噴涂、噴焊等技術相比，激光表面處理技術具有以下優(yōu)點：熔覆層與基體可以形成牢固的冶金結合，界面結合強度高；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，增加了產品成本。但是，只要采用恰當的工藝措施是可以避免熔覆層產生裂紋；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”。

圖5 激光熔覆修復的傳動軸[15]

國外目前已經將激光表面合金化與熔覆技術應用于實際生產中[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中心，為激光熔覆技術的應用提供技術支持和工藝操作培訓。

圖6 激光熔覆齒輪軸頸的裝置[15]

4 結束語

先進的激光加工技術在民用領域得到了廣泛的應用，激光加工技術正朝著智能化、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。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，并帶來潛在的經濟效益。