摘要：激光制造是對一個國家國民經(jīng)濟影響最大的激光技術(shù)應用領(lǐng)域，包括船舶在內(nèi)的運輸機械輕型化和短流程制造是工業(yè)發(fā)展的新方向，激光是實現(xiàn)這一目標的首選手段。本文首先簡單介紹了激光制造在國內(nèi)外的應用現(xiàn)狀，然后通過對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)濟性以及可行性，最后介紹了現(xiàn)代激光制造技術(shù)的應用前景。

關(guān)鍵詞：激光制造 運輸機械 光束質(zhì)量 焊接 切割

前言

激光科學與工程是一個完整的科學體系，隨著科學的進步，光子技術(shù)逐漸被人們發(fā)現(xiàn)、認識和利用，逐漸成為一個具有無限性和可持續(xù)性發(fā)展的科學領(lǐng)域，既是傳統(tǒng)科學的繼承，又是現(xiàn)代科學的先導。光子技術(shù)將超越電子學，在科學領(lǐng)域逐漸發(fā)揮其先導性作用，引起科學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、國防是世界范圍內(nèi)激光技術(shù)應用最主要的四個領(lǐng)域，其中激光制造所占比例最大，同時也是發(fā)展最快、對一個國家國民經(jīng)濟影響最大的激光技術(shù)應用領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，以更短波長、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)，推動著激光制造技術(shù)應用范圍的拓展，許多過去認為不可能完成的任務，激光都做到了，被譽為“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用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1   激光制造在運輸機械制造中的優(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現(xiàn)對光的傳遞，從而完成加工任務的過程。激光制造具有一系列傳統(tǒng)制造方法不具備的優(yōu)點，如：加工速度快、效率高、噪音小、可在空氣中傳輸、容易實現(xiàn)自動化等，而且隨著工業(yè)發(fā)展和人們對激光技術(shù)認識水平的不斷提高，激光在運輸機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、汽車和機車車輛等運輸機械的制造中，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，作用時間大大縮短，加工速度大大提高，得到極其細小的焊縫組織，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)的電阻點焊工藝。由于激光制造技術(shù)所具有的無與倫比的優(yōu)勢，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。實際上，激光制造技術(shù)在汽車制造中應用的廣度和深度已經(jīng)成為汽車工業(yè)先進性的重要標志。

激光制造是效率最高、流程最短、整體性最高（密封性、強度就是整體性和散件區(qū)別的標志）、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用的國內(nèi)外現(xiàn)狀

 在20世紀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現(xiàn)由鉚接到焊接的變革，焊接方法、工藝和設備也穩(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，帶動了造船材料和船舶設計的重大變化。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備獲得了準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激光切割設備。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備。在美國，Bender 船廠是第一家使用高功率激光切割設備的船廠。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器，在制造成本和質(zhì)量上取得了巨大進步。2001年，聯(lián)邦電動船部在其移動實驗室安裝了4KW的ESAB系統(tǒng)。激光切割設備在Bender的應用，引起了對發(fā)展高效激光焊接技術(shù)的關(guān)注。下面幾個圖為激光制造技術(shù)與系統(tǒng)在歐洲幾個船廠的應用實例。

圖2 Vosper Thornycroft船廠在歐洲最先使用激光切割設備   

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)的激光應用都要通過光與物質(zhì)的相互作用這座橋梁才能實現(xiàn)。激光的波長、能量、偏振特性、時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。

對金屬及其合金而言，激光束的波長越短，吸收率越高。但是這種吸收率的差異只在焊接時初始激光作用的瞬間起決定作用，當深熔焊接過程建立后，波長對吸收率的影響可以忽略。另外波長還影響到光致等離子體的形成和激光束的精細聚焦程度，德國在近五年研究規(guī)劃中將激光微制造的目標定位在新的激光光源和超精細聚焦系統(tǒng)上，與之相應的超短、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。目前已經(jīng)可以提供最高功率45kW工業(yè)應用的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大功率半導體泵浦的固體激光器已有商品供應；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500W，組合輸出已達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波長單模輸出激光達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的功率密度（輻照度）比功率本身更具有實際意義，因為高功率密度是激光制造最突出的優(yōu)點，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)輸出和高重復頻率脈沖輸出兩種模式，能夠靈活適應各種不同的加工任務。

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。

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、對光的控制是衡量制造用 “光能源”和“光工具” 的標準。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；對光的控制是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用的條件，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)應用的“金鋼鉆”，也是激光制造系統(tǒng)激光器發(fā)展、進步的重要標志。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。由于波長的原因，YAG激光可以采用光纖進行傳輸，CO2激光采用鏡組進行傳輸，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)過飛行光學導光系統(tǒng)到達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激光長距離傳輸時的傳輸和聚焦特性。

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，相應的聚焦光束特性也會發(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發(fā)生變化示意圖以及采取的補償措施。

        （a）傳輸位置發(fā)生改變時的焦點漂移現(xiàn)象

（b）改善焦點漂移現(xiàn)象的補償措施

圖6 在不同傳輸位置焦點發(fā)生變化示意圖以及采取的補償措施

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