摘要：激光制造是對(duì)一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)影響最大的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，包括船舶在內(nèi)的運(yùn)輸機(jī)械輕型化和短流程制造是工業(yè)發(fā)展的新方向，激光是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的首選手段。本文首先簡(jiǎn)單介紹了激光制造在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀，然后通過對(duì)影響激光制造過程的關(guān)鍵光束特性的分析，探討了激光技術(shù)在船舶制造中的優(yōu)越性、經(jīng)濟(jì)性以及可行性，最后介紹了現(xiàn)代激光制造技術(shù)的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：激光制造 運(yùn)輸機(jī)械 光束質(zhì)量 焊接 切割

前言

激光科學(xué)與工程是一個(gè)完整的科學(xué)體系，隨著科學(xué)的進(jìn)步，光子技術(shù)逐漸被人們發(fā)現(xiàn)、認(rèn)識(shí)和利用，逐漸成為一個(gè)具有無限性和可持續(xù)性發(fā)展的科學(xué)領(lǐng)域，既是傳統(tǒng)科學(xué)的繼承，又是現(xiàn)代科學(xué)的先導(dǎo)。光子技術(shù)將超越電子學(xué)，在科學(xué)領(lǐng)域逐漸發(fā)揮其先導(dǎo)性作用，引起科學(xué)界又一次革命性變化。

激光作為一種新型的能源用于工業(yè)制造，區(qū)別于傳統(tǒng)制造方式，是對(duì)力加工、火焰加工、電加工等傳統(tǒng)加工方式的挑戰(zhàn)，將逐步完成對(duì)傳統(tǒng)加工方式的技術(shù)改造，煥發(fā)出極大生產(chǎn)力，最終取而代之。激光制造和信息與通訊、醫(yī)療保健與生命科學(xué)、國防是世界范圍內(nèi)激光技術(shù)應(yīng)用最主要的四個(gè)領(lǐng)域，其中激光制造所占比例最大，同時(shí)也是發(fā)展最快、對(duì)一個(gè)國家國民經(jīng)濟(jì)影響最大的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，以更短波長(zhǎng)、更高能量、更高品質(zhì)的激光作為能源的新型激光制造系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，推動(dòng)著激光制造技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展，許多過去認(rèn)為不可能完成的任務(wù)，激光都做到了，被譽(yù)為“未來制造系統(tǒng)共同的加工手段”，從具有微小結(jié)構(gòu)的芯片，到大型飛機(jī)的制造，激光都是不可或缺的重要手段。

1   激光制造在船舶制造中應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1   激光制造在運(yùn)輸機(jī)械制造中的優(yōu)越性

激光制造是將激光作為一種能源，利用光子能量這個(gè)新型能源的加工方式，通過光纖或者鏡組以非常高的速度實(shí)現(xiàn)對(duì)光的傳遞，從而完成加工任務(wù)的過程。激光制造具有一系列傳統(tǒng)制造方法不具備的優(yōu)點(diǎn)，如：加工速度快、效率高、噪音小、可在空氣中傳輸、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等，而且隨著工業(yè)發(fā)展和人們對(duì)激光技術(shù)認(rèn)識(shí)水平的不斷提高，激光在運(yùn)輸機(jī)械制造過程中所占的比例在一定程度上體現(xiàn)了制造水平。

在船舶、飛機(jī)、汽車和機(jī)車車輛等運(yùn)輸機(jī)械的制造中，板材結(jié)構(gòu)的連接直到目前仍主要使用鉚接工藝，這是由于傳統(tǒng)的焊接方法(如火焰、電弧、等離子體弧等)熱源是發(fā)散的，能量密度較低，因此焊接速度低，熱輸入量大，造成焊接接頭性能差。與傳統(tǒng)焊接熱源不同，激光具有優(yōu)良的傳輸和聚焦特性，經(jīng)過聚焦鏡組后可以將能量高度集中。因此，激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的區(qū)域，作用時(shí)間大大縮短，加工速度大大提高，得到極其細(xì)小的焊縫組織，近縫區(qū)的熱影響很小，焊接結(jié)構(gòu)的變形也最小，保證了焊接接頭良好的性能。

 以汽車工業(yè)為例，從樣車的開發(fā)、零部件的制造到車身總裝，激光無所不在。在樣車的開發(fā)和小批量生產(chǎn)中，高度柔性的激光三維切割取代大量的沖孔和修邊模具，不僅節(jié)省大量的模具，同時(shí)新車型的開發(fā)周期大為縮短。在汽車零部件制造方面，多種汽車變速箱激光焊接替代了傳統(tǒng)花鍵連接、電子束焊接，大大提高了生產(chǎn)效率和變速器的整體質(zhì)量與性能，降低了變速器齒輪的制造成本，選擇多，節(jié)省材料，減化多種工藝流程；根據(jù)車身不同部位的承重和使用要求，利用激光焊接將不同材質(zhì)、不同厚度和不同表面狀態(tài)的坯板拼焊在一起，然后一次壓制成型制造車身部件，車身部件使用由激光薄厚大板拼接的組合板，顯著降低了車身重量，取代了傳統(tǒng)的拼焊方式。在車身總裝上，激光焊接和釬焊取代了傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊工藝。由于激光制造技術(shù)所具有的無與倫比的優(yōu)勢(shì)，在歐洲，幾乎所有汽車制造廠在汽車研制開發(fā)和生產(chǎn)中無一例外的大量采用激光加工。實(shí)際上，激光制造技術(shù)在汽車制造中應(yīng)用的廣度和深度已經(jīng)成為汽車工業(yè)先進(jìn)性的重要標(biāo)志。

激光制造是效率最高、流程最短、整體性最高（密封性、強(qiáng)度就是整體性和散件區(qū)別的標(biāo)志）、最節(jié)約高合金材料，輕型化、節(jié)省能源的制造方式。

1.2   激光制造在船舶制造中應(yīng)用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

 在20世紀(jì)90年代中期，激光作為一種重工業(yè)制造工具用于造船工業(yè)。大型艦船制造方法逐漸實(shí)現(xiàn)由鉚接到焊接的變革，焊接方法、工藝和設(shè)備也穩(wěn)步發(fā)展，從早先的氣焊、電弧焊，發(fā)展到激光焊。造船技術(shù)的不斷發(fā)展，帶動(dòng)了造船材料和船舶設(shè)計(jì)的重大變化。圖1所示為造船工業(yè)中三明治夾層板的激光焊接。

圖1 造船工業(yè)中“三明治”板的激光焊接

早期日本的一些船廠就使用激光切割設(shè)備獲得了準(zhǔn)確的切割尺寸和良好的切割質(zhì)量，并從中受益。1992年，Vosper Thornycroft在歐洲船廠安裝了第一臺(tái)激光切割設(shè)備。90年代中、后期，歐洲船廠紛紛安裝了用于焊接和切割的成套設(shè)備。在美國，Bender 船廠是第一家使用高功率激光切割設(shè)備的船廠。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器，在制造成本和質(zhì)量上取得了巨大進(jìn)步。2001年，聯(lián)邦電動(dòng)船部在其移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室安裝了4KW的ESAB系統(tǒng)。激光切割設(shè)備在Bender的應(yīng)用，引起了對(duì)發(fā)展高效激光焊接技術(shù)的關(guān)注。下面幾個(gè)圖為激光制造技術(shù)與系統(tǒng)在歐洲幾個(gè)船廠的應(yīng)用實(shí)例。

圖2 Vosper Thornycroft船廠在歐洲最先使用激光切割設(shè)備   

2    影響激光制造過程的關(guān)鍵光束特性

 2.1 關(guān)鍵光束特性

大多數(shù)的激光應(yīng)用都要通過光與物質(zhì)的相互作用這座橋梁才能實(shí)現(xiàn)。激光的波長(zhǎng)、能量、偏振特性、時(shí)間特性以及空間特性都是決定光與物質(zhì)相互耦合效率的重要因素。

對(duì)金屬及其合金而言，激光束的波長(zhǎng)越短，吸收率越高。但是這種吸收率的差異只在焊接時(shí)初始激光作用的瞬間起決定作用，當(dāng)深熔焊接過程建立后，波長(zhǎng)對(duì)吸收率的影響可以忽略。另外波長(zhǎng)還影響到光致等離子體的形成和激光束的精細(xì)聚焦程度，德國在近五年研究規(guī)劃中將激光微制造的目標(biāo)定位在新的激光光源和超精細(xì)聚焦系統(tǒng)上，與之相應(yīng)的超短、超快激光源的研究受到高度重視。

激光器輸出功率是最基本的衡量激光器加工能力的指標(biāo)。目前已經(jīng)可以提供最高功率45kW工業(yè)應(yīng)用的CO2激光器。商品化多棒串聯(lián)的YAG激光器激光輸出功率已達(dá)6kW，并可采用光纖耦合輸出。此外，許多新型的固體激光器不斷涌現(xiàn)。例如，4.4kW大功率半導(dǎo)體泵浦的固體激光器已有商品供應(yīng)；二極管泵浦的薄片式固體激光器，目前單模塊的輸出功率已達(dá)500W，組合輸出已達(dá)4kW；端面泵浦的Slab固體激光器也是新型的固體激光器。光纖激光器單光纖在1090nm波長(zhǎng)單模輸出激光達(dá)610W，2kW、6kW的大功率光纖激光器已開始在企業(yè)試用。

激光束與材料耦合時(shí)的功率密度（輻照度）比功率本身更具有實(shí)際意義，因?yàn)楦吖β拭芏仁羌す庵圃熳钔怀龅膬?yōu)點(diǎn)，只有獲得足夠的功率密度，才能獲得理想的加工質(zhì)量。目前的高功率CO2激光器都兼顧了連續(xù)輸出和高重復(fù)頻率脈沖輸出兩種模式，能夠靈活適應(yīng)各種不同的加工任務(wù)。

激光束的光束質(zhì)量是光制造過程中最為關(guān)鍵的因素，是最能體現(xiàn)激光作為加工工具這把“刀”鋒利程度的指標(biāo)。

激光作為制造用的“光能源”和“光工具”，其激光能量或功率、光束質(zhì)量、對(duì)光的控制是衡量制造用 “光能源”和“光工具” 的標(biāo)準(zhǔn)。激光能量或功率表征激光制造系統(tǒng)加工能力的可能性；光束質(zhì)量直接限定了可能實(shí)現(xiàn)的加工方法、可能傳輸?shù)木嚯x、可能獲得的焦斑尺寸，以及最終可以獲得加工質(zhì)量；對(duì)光的控制是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的條件，這三者是激光制造系統(tǒng)的整體要求，激光這把“刀”的質(zhì)量，既是工業(yè)應(yīng)用的“金鋼鉆”，也是激光制造系統(tǒng)激光器發(fā)展、進(jìn)步的重要標(biāo)志。這正是激光制造系統(tǒng)與通訊激光、醫(yī)療激光和軍用激光系統(tǒng)的明顯區(qū)別。

2.2 大功率激光束的傳輸與聚焦

船舶制造中常常需要完成大量長(zhǎng)焊縫的焊接工作，因此要求激光束能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍傳輸。由于波長(zhǎng)的原因，YAG激光可以采用光纖進(jìn)行傳輸，CO2激光采用鏡組進(jìn)行傳輸，這就要求CO2激光束具有良好的傳輸特性，以保證激光束經(jīng)過飛行光學(xué)導(dǎo)光系統(tǒng)到達(dá)加工位置后的光束的模式和能量分布的穩(wěn)定性。圖5所示為大功率CO2激光長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的傳輸和聚焦特性。

圖5 大功率CO2激光束的傳輸聚焦特性

由圖5可以看出，在不同的傳輸位置，光束橫截面的能量分布發(fā)生變化，相應(yīng)的聚焦光束特性也會(huì)發(fā)生改變。在加工范圍內(nèi)光束聚焦特性的變化直接影響到激光焊接過程的穩(wěn)定性。圖6所示為在不同傳輸位置焦點(diǎn)發(fā)生變化示意圖以及采取的補(bǔ)償措施。

        （a）傳輸位置發(fā)生改變時(shí)的焦點(diǎn)漂移現(xiàn)象

（b）改善焦點(diǎn)漂移現(xiàn)象的補(bǔ)償措施

圖6 在不同傳輸位置焦點(diǎn)發(fā)生變化示意圖以及采取的補(bǔ)償措施

所以，在激光焊接在船舶制造中的應(yīng)用首先要保證激光束長(zhǎng)距離傳輸?shù)姆€(wěn)定性，這是獲得理想加工質(zhì)量的前提。