羅敬文

（上海團(tuán)結(jié)普瑞瑪激光設(shè)備有限公司，上海 201111）

1 激光加工的主要特點(diǎn)和應(yīng)用概況

激光加工具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性四大特點(diǎn)。目前，經(jīng)由聚焦后獲得極高的能量密度的激光光束，已廣泛應(yīng)用于切割、焊接、熔覆、打孔和材料改性等激光工業(yè)。激光行業(yè)能有如此迅速而密集的發(fā)展，得益于其不可比擬的生產(chǎn)優(yōu)勢：首先，切割加工無需模具，可代替采用復(fù)雜模具沖切的加工方法，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低生產(chǎn)成本；其次，焊接熱影響區(qū)小，因而熱變形小、焊縫致密、加工污染小、無噪聲；第三，激光可切割大部分的金屬和非金屬材料，尤其是其他工藝方法無法加工的超硬材料和稀有金屬等。

迎著良好的發(fā)展勢頭，迄今為止，激光加工已被廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、汽車制造、電氣制造、運(yùn)輸機(jī)械、紡織機(jī)械、糧食機(jī)械、兵器工業(yè)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、特種汽車、食品機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械、工程機(jī)械、石油開采、木工機(jī)械、激光加工、工具制造、印刷包裝、廚房設(shè)備等行業(yè)，以及專業(yè)化鈑金加工、鋼材及不銹鋼專業(yè)化市場、鋼結(jié)構(gòu)、倉儲物流設(shè)備、機(jī)床及附件制造、儀器儀表和科研院校。其中，用于切割的激光設(shè)備（占激光應(yīng)用設(shè)備的60%），70%的設(shè)備用于金屬2D激光切割，應(yīng)用領(lǐng)域有電器開關(guān)、電梯制造、紡織機(jī)械、糧食機(jī)械、工程機(jī)械、國防工業(yè)、汽車制造、工量刃具、輕工機(jī)械、石油機(jī)械等;20%用于非金屬激光切割，如印刷包裝行業(yè)中的刀模板的切割，工藝美術(shù)和裝飾行業(yè)中的像冊封面的切割和美術(shù)字體廣告標(biāo)牌的切割等；10%用于金屬3D激光切割，包括汽車廠試制車型，中小批量車型的柔性化生產(chǎn)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪轂的激光切割等。此外，制造業(yè)中相當(dāng)部分的焊接由激光完成(約占25%)，激光特種加工、激光熱處理、熔覆（3D打?。┰O(shè)備均已用于航空零件及葉片的直接制造、汽車及內(nèi)燃機(jī)缸套、活塞、曲軸、軋輥、鉆桿的加工（約占15%）。

2 國內(nèi)高功率裝備市場的發(fā)展趨勢

從國際切割裝備市場來看，中國市場的發(fā)展?jié)摿薮?。中國激光切割裝備的應(yīng)用比國外發(fā)達(dá)國家要滯后約10年，但在時(shí)間上，我國還有廣闊的發(fā)展前景。金融危機(jī)前，全球大功率激光切割裝備每年需求量約為4 000臺，在歐洲銷售量約占38%，在美洲約占28%，其余約30%主要在日本和亞洲其他國家與地區(qū)。20007年前，中國每年引進(jìn)的設(shè)備約200臺，約占需求總數(shù)的4%，我國自主生產(chǎn)的激光裝備，無論是在國內(nèi)還是在國外都有巨大的市場優(yōu)勢。到目前為止，日本約有總量為11 000臺的大功率激光裝備，而中國僅為4 000臺，我國在生產(chǎn)制造技術(shù)革新中，還有很大的提升空間。

從中國市場激光切割裝備的需求量變化來看，大功率激光切割裝備的需求在中國經(jīng)歷了一個(gè)由慢到快的發(fā)展過程。1985～1990年，我國每年的需求量約10臺，國人對此項(xiàng)新技術(shù)的認(rèn)識處于萌芽階段，購買者幾乎全部為國有企業(yè)；從1991～2000年，激光切割技術(shù)已逐漸被認(rèn)識，但由于設(shè)備價(jià)格昂貴，平均每年需求量不足40臺，銷售對象以國有企業(yè)為主，民營企業(yè)為輔；2001～2005年，由于改企轉(zhuǎn)制的到位，加之中國成功加入WTO，世界制造基地的逐漸形成，國內(nèi)市場需求量從2001年的80臺躥升至2005年200臺套；2005年以后，我國進(jìn)入了快速發(fā)展期，國內(nèi)市場需求量僅2010年就達(dá)到近1 100臺。

3 高功率激光裝備在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

對于三維航空零件，我們已經(jīng)利用三維激光切割機(jī)進(jìn)行了各種工藝所需的加工。株洲南方動(dòng)力機(jī)械廠（國營331廠）的發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂的三維切割就是由普瑞瑪三維激光切割機(jī)完成的，此外，整流罩、飛機(jī)上椎體結(jié)構(gòu)等三維零件都能使用激光完成立體切割。

空中客車A380(Airbus A380)是歐洲空中客車工業(yè)公司研制的550座級超大型遠(yuǎn)程寬體客機(jī)，與波音747-400相比，空中客車A380投產(chǎn)時(shí)多提供了約35%的座位和49%的地板空間，使其擁有更寬的座椅、更開闊的空間，而且座位英里成本比最有效的飛機(jī)低15%～20%。A380機(jī)身艙體第13區(qū)及第18區(qū)共計(jì)7個(gè)部分，就是運(yùn)用了激光焊接代替原來的鉚釘鉚接的連接方法，使機(jī)身總質(zhì)量減輕了20 t（機(jī)身凈重的15%），成本下降了25%，這就為增加座位、提高運(yùn)載量、降低耗油量提供了最大可能。從2001年開始試點(diǎn)安裝，2003年開始批量生產(chǎn)，A380共計(jì)使用了10臺板條激光器用于生產(chǎn)及試樣，其中，1997年Nordenham工廠安裝的兩臺3D系統(tǒng)CO2激光器，加工幅面為6 m×3 m×0.9 m，速度達(dá)到10 m/min，不僅提高了加工速度20～40倍，而且成本也大幅縮減。A380在投入服務(wù)后，打破波音747在遠(yuǎn)程超大型寬體客機(jī)領(lǐng)域統(tǒng)領(lǐng)35年的紀(jì)錄，結(jié)束了波音747在市場上30年的壟斷地位，成為載客量最大的民用客機(jī)。

由于激光熔覆直接制造零件工藝裝備的突破，該項(xiàng)工藝也將得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。激光熔覆是指以不同的添料方式在被熔覆基體表面上放置被選擇的涂層材料經(jīng)激光輻照，使之和基體表面一薄層同時(shí)熔化，并快速凝固后形成稀釋度極低、與基體成冶金結(jié)合的表面涂層，顯著改善基層表面的耐磨、耐蝕、耐熱、抗氧化及電氣特性的工藝方法，從而達(dá)到表面改性或修復(fù)的目的，既滿足了對材料表面特定性能的要求，又節(jié)約了大量的貴重金屬。與之同理的3D打印是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。現(xiàn)在，導(dǎo)彈的尾翼、殲十五飛機(jī)的起落架、商用飛機(jī)的機(jī)翼骨架都應(yīng)用了激光熔覆技術(shù)，既保證了構(gòu)件的強(qiáng)度，又降低了成本。

激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)是利用強(qiáng)激光束產(chǎn)生的等離子沖擊波，提高金屬材料的抗疲勞、耐磨損和抗腐蝕能力的一種高新技術(shù)。被激光沖擊強(qiáng)化的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，壽命能得到成倍提高。首先，葉片表面會(huì)被涂上涂層，其作用主要是保護(hù)葉片不被激光灼傷并增強(qiáng)對激光能量的吸收。然后高功率密度、短脈沖的激光通過透明約束層作用于金屬表面所涂覆的能量吸收涂層時(shí)，涂層吸收激光能量迅速氣化并幾乎同時(shí)形成大量稠密的高溫等離子體。該等離子體繼續(xù)吸收激光能量急劇升溫膨脹，然后爆炸形成高強(qiáng)度沖擊波作用于金屬表面。當(dāng)沖擊波的峰值壓力超過材料的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，葉片發(fā)生塑性變形并在表層產(chǎn)生平行于材料表面的拉應(yīng)力。激光作用結(jié)束后，由于沖擊區(qū)域周圍材料的反作用，其力學(xué)效應(yīng)表現(xiàn)為葉片表面獲得較高的殘余壓應(yīng)力。殘余壓應(yīng)力會(huì)降低交變載荷中的拉應(yīng)力水平，使平均應(yīng)力水平下降，提高了葉片疲勞裂紋萌生壽命。同時(shí)殘余壓應(yīng)力的存在，可引起表面裂紋的閉合效應(yīng)，從而有效降低疲勞裂紋擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)力，延長疲勞裂紋擴(kuò)展壽命。美國20世紀(jì)90年代后期開始的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高頻疲勞研究計(jì)劃中，將激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)列為工藝技術(shù)措施首位。目前，美國研制的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片壽命已達(dá)到2 000 h，俄羅斯達(dá)到1 000h，而我國僅為400 h，還處于初期開發(fā)階段。

美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間2003年2月1日，載有七名宇航員的美國哥倫比亞號航天飛機(jī)在結(jié)束了為期16天的太空任務(wù)之后，返回地球，但在著陸前發(fā)生意外，航天飛機(jī)解體墜毀。這種墜毀就是由于艙體表面和大氣層摩擦中溫度過高，超高溫空氣從機(jī)體表面縫隙入侵隔熱瓦下部進(jìn)而熱化機(jī)身最終爆炸。而利用激光在復(fù)合材料表面噴涂耐高溫的涂層，例如陶瓷粉涂層，就能在表面形成保護(hù)隔熱層，避免類似事件的發(fā)生，這種方法稱為激光噴涂。而與之相比較的傳統(tǒng)等離子噴涂，在很多方面都不如激光噴涂。激光噴涂表層穩(wěn)定性和牢固性更好，且噴涂材料涵蓋了金屬材料和非金屬材料，應(yīng)用范圍更廣，包括各種航空航天設(shè)備和軍事突防武器。

激光涂層清洗是美國和波音公司合作開發(fā)，用來剝離飛機(jī)軍艦表面涂層的工藝。一般的航天航空飛行器表面都有六層涂層，每層都有相應(yīng)的防護(hù)作用，涂層脫落就需要從新涂上表面涂層，這就需要把殘缺的涂層全部剝離，傳統(tǒng)的方法是機(jī)械刮除，深淺控制不好，極易破壞更深的涂料。而激光的高精密性就能精確地控制破壞深度，安全地清洗掉飛機(jī)表面涂層。

另外，也能將激光用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的輪轂打斜孔，方便冷空氣竄入以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，將溫度控制在正常范圍之內(nèi)，從而延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，這就是激光打孔。

各種激光武器也已經(jīng)被陸續(xù)研發(fā)出來，美國雷神公司采用高功率激光制成的20萬kW的激光炮已在三年前成功擊落了無人機(jī)。試驗(yàn)表明，激光炮可以用于戰(zhàn)場打擊多種常見目標(biāo)，這樣，激光武器也從最初主要設(shè)想用于反制衛(wèi)星、導(dǎo)彈和飛機(jī)這類昂貴目標(biāo)，擴(kuò)大到對一切戰(zhàn)場工具的打擊。

4 結(jié)論

中國在今后的一段時(shí)期內(nèi)，不但切割裝備快速增長，焊接裝備也會(huì)迎來大好的發(fā)展時(shí)機(jī)，大功率激光3D切焊一體機(jī)、大功率激光特種加工裝備、大功率激光加工FMS系統(tǒng)、大功率激光焊接工業(yè)系統(tǒng)將在我國各行各業(yè)被廣泛應(yīng)用，同時(shí)在國防、航空航天領(lǐng)域?qū)l(fā)揮出巨大的作用。