激光加工技術在海洋工程上的研究現狀及應用*

梁志剛，陳志軍，師文慶，韓澤文

（1.廣東文理職業學院智能制造學院，廣東 湛江 524400；2.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江524088；3.中海油信息科技有限公司（天津分公司），天津 300450）

0 引言

我國是海洋大國，擁有豐富的海洋資源。特別是進入21世紀以來，隨著全球經濟的發展，海洋具有巨大的發展潛能。因此，積極推動海洋經濟的高質量發展，實現海洋資源的有序開發，是我國從海洋大國向海洋強國轉變的重要舉措。黨的十九大報告中已經明確提出“堅持陸海統籌，加快建設海洋強國”的重大戰略。而發展海洋裝備、建設海洋工程是我國海洋強國戰略的重要內容之一。海洋開發是指海洋及其周圍環境（大氣、海岸、海底等）的資源開發和空間利用活動的總稱。人類通過海洋開發，把海洋的潛在價值轉化為實際價值，為人類的生存和發展創造了條件，比如海底油氣開采、深海礦產資源勘探和評估、海水養殖、海底隧道及海上人工島等。目前，我國在海洋空間利用方面取得了舉世矚目的成就，如港珠澳大橋、深海石油鉆井、“蛟龍號”載人深潛器等。開發海洋資源首先需要先進的海洋工程裝備，而海洋工程裝備長期處于惡劣海洋環境下工作，特別是一些關鍵件、重要件的腐蝕以及磨損更是不可避免，其機械性能和制造要求均遠高于普通陸地設備。目前，我國海洋工程裝備制造業與世界先進水平仍存在較大差距，位于制造低端產品的第三陣營。

作為20世紀新誕生的一種光源，激光具有亮度高、方向性強、能量密度高、單色性非常好等優異性能[1]。現在激光加工技術在人類生產生活的各個領域均已有廣泛應用。近年來，它又逐步深入到海洋工程領域，大有將一些傳統加工技術取而代之的趨勢，如激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光清潔和激光表面微結構防污等。激光加工技術具備更加靈活先進的特性，可以大大提高了企業的生產效率和產品質量，能夠有效地減少材料的磨損，降低環境污染，在復雜多變的海洋競爭中起到關鍵作用。因此，激光加工技術在海洋工程上的發展可以顯著提高我國的海洋工業實力和國際競爭力。

1 激光切割技術在海洋工程上的應用

海洋工程領域對金屬切割需求量巨大，傳統的金屬切割技術是高速氧-火焰切割技術和等離子弧切割技術。但是這兩者均存在切割速度慢、工件熱變形大和產品精度難以保證等缺點。隨著海洋工程市場競爭日趨激烈、行業利潤不斷下滑的同時，客戶對質量的要求也越來越嚴格，傳統金屬切割技術難以滿足市場需求，正逐步被市場淘汰。激光所具有的特性決定了激光切割技術與其他技術相比具有很大優勢，它利用高能激光束對工件表面進行照射，使材料在極短的時間內汽化，再借助通入輔助氣體將殘渣帶走，形成切縫，激光切割技術示意圖如圖1所示。由此可知，激光加工過程中，激光與材料并不產生直接接觸，加工程序中不需要任何刀具參與切削。因此，對工件沒有直接的沖擊和作用力，工件就不會出現塑性變形或彈性變形。激光束所具有的能量非常高，密集度強，加工速度快，而且是對工件局部進行加工，對其他部位幾乎沒有影響，也就避免了工件因受熱而變形的情況。

在1992年，歐洲船舶制造企業Vosper Thorny Croft公司組裝了世界第一臺激光切割設備，并成功應用在船舶制造行業中。隨后，美國的Bender船舶制造企業也安裝了世界首臺高功率激光切割設備Tanaka LMXⅢ激光器，進一步提升激光切割的加工質量，同時降低制造成本。進入21世紀以后，光纖激光器憑借其極好的光束質量、高電光轉化效率、同等功率下的小體積、光纖傳輸帶來的較好的工作柔性等優勢被廣泛應用于海洋工程切割領域。Jae Sung Shin等利用6 kW光纖激光器研究了高速光纖激光對不銹鋼板的切割性能[2]；Antti Salminen等利用5 kW光纖激光器研究了激光功率、切割速度、輔助氣體氣壓對切割性能和質量的影響[3]。

如前所述，與傳統切割技術相比，激光切割技術具有相當明顯的優勢，也得到了大面積的推廣。但在國內海洋工程領域中激光切割并未占據主導地位，主要原因有成本較高、設備昂貴、對工人要求高、維護復雜等。因此，我國必須重視激光加工技術的研發，開發具有自主知識產權的海洋工程激光切割設備，滿足工業生產對質量和效率的要求，這對我國實現海洋強國戰略具有重要意義。

2 激光焊接技術在海洋工程上的應用

各種材質的金屬板材是海洋工程領域里應用最多的材料，為了讓板材組合成船舶、海洋鉆井平臺和海工輔助船等海洋工程裝備，通常采用焊接的方法來完成。傳統的焊接方法有氣體保護焊、埋弧焊、MIG/TIG焊等，這些方法在焊接過程中往往會產生大量的熱量，從而使工件因過度受熱而發生翹曲或變形。裝備制造企業需要額外花費時間和成本來修正這些缺陷，進而影響企業的生產效率和利潤率。

激光焊接是伴隨激光技術的研發與應用而發展起來的一項全新的焊接技術，其焊接過程屬于熱傳導型。激光照射板材表面，熱量通過熱傳導從板材表面向內部擴散，可通過優化激光脈沖的具體參數，如功率、頻率、脈沖寬度等，在板材局部表面熔化并形成特定的熔池。因此，與傳統焊接技術相比，激光焊接不與工件相接觸，具有焊縫小、強度高、效率高等獨特優勢。此外，激光焊接技術與激光切割技術可以很好地融合到一起，實現海洋工程裝備的高度自動化生產。

雖然激光焊接技術有著其獨特的優勢，但是也存在不可忽視的局限性，比如焊件裝配精度要求高、熔池搭橋能力差和焊接過程穩定性差等。這些問題的存在限制了激光焊接的厚度和效率，阻礙了激光焊接技術在海洋工程領域的推廣應用。為了解決這些問題，人們開發出激光-MIG/TIG復合焊技術。這種技術將激光和電弧兩種不同的熱源結合起來，同時加工一個工件，這樣既可以發揮各自的優勢，又能相互彌補各自的不足。華中科技大學的王軍同時采用光纖激光器和MIG焊機，對鋁合金板材進行激光-MIG復合焊接，焊接后的工件變形和應力都非常小，焊縫表面美觀，無氣孔、裂紋等常見的焊接缺陷，且焊縫機械性能優異，抗拉強度達到220 MPa[4]。北京航空航天大學的李曉輝等采用了CO2激光器和交直流脈沖TIG焊機，對304不銹鋼進行雙焦點激光-TIG復合焊接實驗。實驗結果表明，雙光束旋轉激光電弧焊可以穩定焊接過程，提高304不銹鋼的焊縫質量和焊接效率[5]。

此外，除了對激光技術進行更新換代，學者們還研發出激光焊接焊縫追蹤技術，可對焊接過程進行實時檢測和控制。馬國棟等研發了一種自動化焊縫檢測方法，將激光焊接頭和CCD視頻跟蹤模塊高度集成在一起，實現了對激光焊接的實時跟蹤[6]。A.Belitzki等將人工神經網絡應用在激光焊接的過程中，可以根據局部區域內的焊接參數預測其未來變形的傾向[7]。這些技術的綜合應用可以很好地解決激光焊接的相關局限性，推動激光焊接技術在海洋工程領域的深入研究。

3 激光熔覆技術在海洋工程上的應用

3.1 激光熔覆技術防腐蝕

海洋工程裝備長期處在海洋環境中，其零部件非常容易發生腐蝕，給企業造成巨大經濟損失。全球腐蝕調查報告表明，世界平均腐蝕損失約占全球國民生產總值的3.4%，其中，因海洋腐蝕而造成的損失約占總腐蝕損失的1/3。可見海洋工程裝備的腐蝕已經成為制約大型海洋工程技術發展的瓶頸之一。因此，為了解決海洋工程裝備腐蝕的問題，研發相關的防護技術顯得非常重要。

激光熔覆是一種新型的金屬表面強化技術，即通過激光加工技術將不同的涂層材料熔覆到基材表面，可以顯著提高基材表面的耐腐蝕性和其他相關性能，延長工件的使用壽命，激光熔覆技術示意圖如圖2所示。海洋工程裝備大量采用廉價鋼材作為制造原料，但是其耐蝕性和機械性能都比較差。利用激光熔覆技術可以在低性能的鋼材上熔覆一層高性能的合金表面，可大大提高海洋工程裝備的耐蝕性和綜合使用性能。近年來，國內外的學者在該領域已經有了不少的研究成果。Wang等利用激光熔覆技術在316SS不銹鋼和X70鋼上熔覆一層Ni-Cr-Mo合金涂層，然后分別將具有合金涂層的樣品和無涂層的樣品放入到海洋環境中進行腐蝕。實驗結果顯示，具有合金涂層的樣品幾乎沒有發生腐蝕，而無涂層的樣品表面則出現嚴重腐蝕[8]。Xu等在316L不銹鋼表面熔覆了鎳基合金涂層。研究結果表明，鎳基合金涂層的自腐蝕電位高于316L不銹鋼，而腐蝕電流密度低于316L不銹鋼，可以有效保護不銹鋼基材[9]。

除了鋼材可進行激光熔覆以外，其他金屬材料采用激光熔覆技術同樣可以獲得性能優異的合金表面。鋁青銅作為海水管道的主要金屬材料，因長期處在海水的浸泡中，常發生腐蝕開裂，引起海水泄漏等事故。徐建林等在鋁青銅表面通過激光熔覆技術制備一層Cu-Ni合金熔覆層。研究表明，Cu-Ni合金熔覆層的自腐蝕電位比鋁青銅的自腐蝕電位高，可改善材料的耐腐蝕性，減少腐蝕的發生[10]。陳長軍等利用激光熔覆技術在鎂合金表面上熔覆一層Al-Ni合金涂層，然后進行模擬海水環境測試，研究表明熔覆層的自腐蝕電位高于基材，腐蝕電流密度較大[11]。

3.2 激光熔覆技術再修復

當海洋工程裝備已經發生了腐蝕后，常常需要對腐蝕的表面進行修補，使其恢復原來的尺寸和功能，達到循環使用的目的。激光熔覆技術可以在腐蝕的表面熔覆高性能的合金涂層，使零件恢復原有的尺寸，而且加工過程中不會對基體材料造成新損害。因此，激光熔覆在修復零件方面具有很好的適應性和靈活性。鄧琦林優化了激光修復工藝參數，實現激光熔覆修復的最優控制，并獲得耐腐蝕性強和機械性能符合使用要求的激光熔覆修復層，實現了艦船鋁青銅零件的激光熔覆修復，且修復后的零件可以使損壞的設備恢復其工作性能[12]。

海洋是巨大的資源寶庫，開發與保護海洋的各種過程中少不了海洋工程裝備的幫助。只有通過高效的防腐耐磨處理，才能提升海洋裝備關鍵零部件對海水環境的抵抗力，才能保證海洋相關產業的安全生產。利用激光熔覆技術可以使海洋裝備的抗腐蝕耐磨損能力大大提升，為我國海洋資源的開發與保護貢獻力量。

4 激光清潔技術在海洋工程上的應用

在海洋環境下，由于存在海水、海風和洋流等多種因素的影響，海洋工程裝備的鋼材表面很容易發生析氫腐蝕，從而形成松散的氧化鐵表面。外部的O原子和H離子可以透過氧化鐵向鋼材內部擴散，使鋼材不斷地發生氧化腐蝕，降低海洋工程裝備的使用壽命和抗風浪能力。因此，有必要采取措施及時去除鋼鐵表面的氧化物，降低海洋工程裝備發生意外事故的概率，增強抵抗風險的能力。

采用激光作為去除金屬表面氧化物的手段，是近年隨著激光加工技術的研發而逐步發展起來的高新技術，被稱為激光清潔技術。該技術利用一定能量的激光束輻射在銹蝕區域，使其表面快速升溫并引發熱擴散、熱膨脹和熱應力等一系列的反應，從而令銹蝕脫落而不損壞基體表面。激光清潔技術作為激光加工技術的一種，同樣具有激光加工的典型特點，如自動化程度高、綠色無污染、可實現精細去除、操作簡便和無接觸式加工等。因此，激光清潔技術在復雜惡劣的海洋環境中具備顯著優勢，可廣泛應用于海洋工程裝備，如深海實驗鉆井平臺、船舶制造等。新加坡國立大學的Lu等利用分子激光器對不銹鋼進行激光清潔，發現當激光能量密度較高、激光脈沖數量較大時，激光清潔的能力更強[13]。羅紅心等用CO2激光器對2024鋁合金進行激光去漆，經過激光掃描1次之后，鋁合金表面的漆層完全脫落，而基體完好無損[14]。

此外，激光清潔技術在加工過程中可在船用鋼鐵材料的表面產生永久性的特征變化，如耐蝕性的增強、硬度和抗氧化能力的提高等。Kumar等利用激光清潔技術對Ti-3Al-2.5V管進行表面清潔，再進行焊接，然后檢測焊接后的表面形態、硬度、化學成分、金相組織等性能的變化。實驗顯示，對激光清潔后的工件再進行焊接，所制備的樣品具有更加優良的焊接質量[15]。Rechner等對AW6016鋁合金進行激光清洗，并使用相關檢測方法觀察清洗前后的材料特性變化，發現激光清洗不僅去除了鋁合金表面的氧化膜，同時也增強了材料的表面特性[16]。

近年來，隨著激光技術的快速發展，人們研發出光束質量更好、效率和可靠性更高的光纖激光器。這類激光器的重復頻率高，脈寬為幾納秒到幾百納秒，單脈沖能量可達毫焦量級，使其在工業領域，特別是海洋工程領域的激光清洗中具有很大的優勢。同時，光纖激光器的運維成本低，設備占地面積小，容易與其他自動化系統實現集成。因此，光纖激光器是激光清洗技術重要的發展方向之一。

5 激光表面微結構防污技術在海洋工程上的應用

當艦船進入港口的時候，人們發現有大量的海洋生物附著在船體表面。這些生物會增加艦船自身重量，提高船體表面粗糙度，還會使金屬材料的腐蝕加劇，進而增加艦船的油耗以及維護成本。據統計，海洋工程裝備因生物附著而造成的損失每年可達百億美元。這類會給人類經濟活動帶來危害的生物，人們稱之為海洋污損生物。而針對這些海洋污損生物的防護與去除，人們稱之為防污。因此，開發海洋工程裝備相關的防污技術，對海洋資源開發有著重要的現實意義與經濟效益。

自然界中有很多生物可以保持身體表面的清潔，而不會受到海洋生物的附著。比如，鯊魚的皮膚表面呈現微米級的肋條狀組織，組織之上還有可以疏水的剛毛，使海洋生物難以附著在皮膚上。學者通過研究發現，鯊魚之所以能保持清潔與其皮膚表面的超疏水微結構存在重要的關系。Brennan等以鯊魚皮膚的表面微結構為參照，在聚二甲基硅氧烷彈性體表面加工出超疏水微結構，然后進行防污實驗。結果表明，仿鯊魚表面微結構可以顯著減少海洋生物附著[17]。

制備超疏水表面微結構的方法有很多，如涂層法、電化學法、光刻法、噴霧法等。但是這些制備方法都有著各自的局限性，特別是難以對各種材質的表面潤濕性進行精確的控制。而激光加工技術可利用高能量密度的激光束直接對材料進行燒蝕，具有精度高、熱效應小、容易獲得多級微結構且不受加工材料限制等優勢，是制備超疏水表面微結構的重要技術手段。郝麗春等利用皮秒激光器制備了直徑為100μm、深度為5μm的凹坑結構[18]。劉星等利用飛秒脈沖激光器在GCr15軸承鋼上分別制備了間距為150μm、250μm、350μm的凹坑結構[19]。

隨著加工技術的發展，微米級的結構已經無法滿足超疏水表面防污的需要，人們不斷研發納米級微結構的制備方法。激光雙光子技術操作簡單方便，可以加工出納米級的三維表面微結構。劉聚坤通過準分子激光在ZnO晶體表面加工出30 nm的單凹槽結構以及93 nm的納米線[20]。經過多年的研究，激光微結構防污技術精度已經達到納米級，防污性能得到很大的改善，但是它對于微結構的深度控制仍然比較困難，使得制備的微結構難以長時間保持。主要原因是激光加工是一個多因素相互影響的過程，比如激光的脈寬、脈沖能量、頻率和波長等，任何一個參數的變化都會對激光加工出來的微結構產生一定的影響。目前，學者們仍然需要對這些參數進行協調和實驗，以期完善激光表面微結構的加工理論。

6 結束語

激光加工技術有很多獨特的優勢，如能量密度高、熱效應小、自動化程度高等。激光加工技術的發展和應用為海洋工程裝備提供了更好更快的加工方法，提高了海洋工程裝備的生產效率。目前，現代激光加工技術已經朝著智能化的方向發展，將極大地促進高精尖激光加工技術在海洋工程領域的應用深度和廣度。激光加工技術不僅可以廣泛應用于海洋工程領域，還可以推廣應用到航空航天、汽車制造和生物醫學等高端領域。因此，有必要結合國情促進國內相關研究工作的發展，使激光加工技術在我國海洋國防和經濟建設中發揮出重要的作用，推動我國的海洋工程制造工業早日躋身世界一流行列。