水下激光切割技術的探討

張文瑤，裘達夫，陳瑞芳

(1.海軍裝備技術研究所，上海 200083;2.江蘇大學，江蘇鎮(zhèn)江 212013)

1 水下激光切割

水下激光切割的原理本質上與空氣中激光切割相同。但是水下的特殊環(huán)境，使得水下激光切割在切割工藝和切割設備方面，都與空氣中激光切割有相當大的不同，并影響最終切割效果。例如，由于水會吸收部分激光能量，并具有良好的冷卻效果，切割過程中這種能量吸收和冷卻作用，都會削弱激光切割材料的能力，同時水環(huán)境要求激光切割頭具有良好的防水功能等。

除水下激光切割外，目前常用的水下切割技術還有電弧—氧切割和熔化極電弧切割等，具有設備簡單、效率高，但切面質量差等特點;水下磨料射流切割則屬于“冷切割”，在切割過程中幾乎不產生熱效應，無煙、無毒、無火花，可以應用到易燃、易爆和有毒等場合，但噴嘴易磨損、切割速度低，切割質量不如激光切割。

1.1 激光器的選擇

激光器是實施激光切割的最主要設備。激光器波長的選擇對于成功實施激光切割至關重要。能夠成功實施水下激光切割的激光波長必須要滿足以下2點基本要求:一是水對此激光器輸出能量的吸收損耗小，以盡可能減小激光水下傳輸損耗的能量;二是激光器成熟度高，以保證容易購得或者搭建所需要的激光器，并且保證其可靠穩(wěn)定地工作。

理論和實驗驗證表明:水對可見光波段電磁輻射吸收較小，對紫外和中遠紅外波段電磁輻射吸收較強。因此，用于水下切割激光器的波長需要盡可能選在可見光波段和近紅外波段。波長處于可見光波段的成熟商用激光器主要包括2大類:半導體激光器和倍頻Nd3+:YAG激光器。

半導體激光器功率低，且本身比較嬌嫩，從它剛出現就面臨著使用壽命的問題，在現有技術條件下，無法適應激光切割的需要。YAG激光器是以釔鋁石榴石晶體為基質的一種固體激光器，在YAG基質中摻入激活離子Nd3+(約1%)就成為Nd:YAG。

倍頻Nd3+:YAG輸出波長為532 nm，估算其吸收系數0.000 7 cm-1，水對該波長的吸收損耗相對比較小，因此，僅從吸收系數的角度看，適合作為水下激光切割用激光器。但是，532 nm波長是通過激光倍頻技術獲得。當前技術條件下，從Nd3+:YAG基頻1 064 nm光倍頻得到532 nm倍頻光，其倍頻能量轉換效率一般只能達到60%左右。另一方面，輸出波長1 064 nm，估算其吸收系數大約為0.16 cm-1，水對該波長處的吸收損耗比較適中。

以光在水下傳輸距離控制在5 mm以內為例，估算一下532 nm倍頻光和1 064 nm基頻光最終作用于工件表面的能量比例。設激光振蕩器最初能量為1 J，如果不倍頻，經過水下傳輸5 mm后，作用于工件表面的能量為0.92 J;采用倍頻技術，假設倍頻效率0.6，再經過水下傳輸5 mm，最終作用于工件表面的能量不到0.6 J。由此可見，盡管水對532 nm倍頻光吸收小，但是由于倍頻轉換效率相對較低，因此最終總能量利用率遠遠低于1 064 nm基頻光。

綜上所述，用于水下切割的激光器擬選用Nd3+:YAG激光器，利用其1 064 nm基頻光作為切割工作波長。此類激光器已經發(fā)展得相當成熟，目前功率可達數千瓦，容易購買，維護方便。

1.2 激光器功率的選擇和激光的輸出

激光應用的范圍越來越廣泛，隨著技術進步大功率激光器也實現了商用，但是，激光器的價格一般與其功率的大小成正比，因此，從經濟性角度出發(fā)，在滿足需求的情況下，應選擇適當功率的激光器。

一般來說，激光功率越大，所能切割的板厚增大，切割速度也快，此外，輔助氣體的壓力和種類、焦點位置等工藝參數對切割都有影響。綜合考慮各種因素，參照空氣中切割工藝，在水中用1 064 nm的Nd3+:YAG激光切割5～8 mm厚鋼板，大約需要500 W功率的激光器。

考慮水下切割環(huán)境的復雜性和切割對象的不確定性，需要采用光纖等靈活的輸出方式，以使其對船體等大表面積尺寸的工件切割加工成為可能。

在國外大功率光纖激光器在船舶制造業(yè)已得到了開發(fā)利用，例如美國在建造航空母艦 (CVN79)時，采用激光焊接技術，使該航母的質量降低大約200 t。上海船舶制造業(yè)也與國外光纖激光器制造商密切合作，引進大功率 (700～2 000 W)激光器，開發(fā)新型激光裝備推進造船跨越式發(fā)展，這也為激光水下切割技術裝備提供了可利用的發(fā)展空間。

1.3 實驗室試驗

用Nd3+:YAG激光器作切割源，同時由于空氣激光切割過程中，CO2激光器是另外1種常用激光器。選用CO2激光器做對比試驗。2種激光器激光輸出模式、輸出功率 (200 W)以及切割速度等均相同。

水下試驗條件:光程為1 mm;水流速度為0;水質為純凈水。

切割材料:普通鋼板，厚度為3 mm。

實驗結果:用CO2激光器切割的鋼板沒有被切割開，而用Nd3+:YAG固體激光器切割的鋼板則成功被割透，如圖1所示。

圖1 Nd3+:YAG固體激光器水下切割件實拍圖

初步試驗結果充分表明利用Nd3+:YAG的1 064 nm波長進行水下激光切割的可行性。

1.4 小結

研究和實驗表明，不同波長的激光在水中的吸收率不同，Nd3+:YAG激光器比CO2激光器更適合于水下切割，Nd3+:YAG的1 064 nm波長的激光器可進行水下激光切割。

在實際應用研究中應考慮水深和水流以及光纖傳輸連接和工藝參數等因素對切割效果的影響。

為了充分利用輔助氣體可形成局部干燥空間的效果，應合理設計噴嘴結構和氣體流量等參數，以減少激光在水中的功率損耗，提高切割質量。

2 結束語

在激光領域，主要發(fā)達國家都制定了自己的發(fā)展規(guī)劃，如美國的“戰(zhàn)略防御倡議”、西歐的“尤里卡計劃”和日本的“激光研究5年計劃”等，我國不僅將激光加工技術列入國家重點科技攻關項目，國家自然科學基金、國家“863”計劃和國家“火炬”計劃等都有相關的計劃被列入，還建立了“國家固體激光技術研究中心”等3個國家級的激光加工中心，特別是在剛公布的國家“十二五”規(guī)劃中， 將“建設自由電子激光、散裂中子源等國家重大科研基礎設施”列為科技創(chuàng)新能力建設重點，可以說激光研究和應用前景一片光明。

開發(fā)海洋可以獲得陸地上日益枯竭的人類所需要的資源和空間，21世紀是人類開發(fā)利用海洋的“海洋世紀”，但是由于水下工程的困難性和復雜性，使得海底資源的開發(fā)技術手段不僅落后于陸地，而且也落后于太空技術的發(fā)展，水下焊接和切割已成為水下工程建造和解體不可或缺的技術手段，激光切割的技術優(yōu)點特別是可以切割幾乎所有材料，并且具有無限的仿型切割能力，在海洋鉆井平臺水下部分修理、海底輸油管道和光纜的修復以及船舶的水下維修等應用方面，將發(fā)揮不可替代的作用，發(fā)展前景十分廣闊。

［1］朱華，花銀群.水下激光切割質量影響因素的研究［J］.激光雜志，2007，28(3).

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［3］凌磊，樓棋洪.水浴條件下YAG倍頻激光切割硅片的研究［J］.激光技術，2004，28(2).