輸電鐵塔制造中激光加工技術(shù)的應用分析

周鵬海 中電建成都鐵塔有限公司

隨著智能電網(wǎng)建設的不斷推進，傳統(tǒng)電力裝備制造業(yè)正逐步轉(zhuǎn)型。由于市場競爭的不斷加劇、利潤的逐步下滑以及質(zhì)量的不斷提高，使得輸電鐵塔制造企業(yè)對產(chǎn)品的交貨期和加工質(zhì)量更加重視。然而傳統(tǒng)加工技術(shù)生產(chǎn)效率低、加工精度低、成本高等問題，嚴重制約了鐵塔制造業(yè)的快速發(fā)展。因此，新加工技術(shù)的應用取代傳統(tǒng)加工方式顯得尤為迫切，這對于突破國外技術(shù)壁壘也顯得十分重要。因此，如何優(yōu)化加工技術(shù)、降低制造成本成為輸電鐵塔制造企業(yè)發(fā)展的關鍵問題[1]。

一、激光加工技術(shù)的基本原理及其特點

作為現(xiàn)代化的加工技術(shù)，激光加工技術(shù)具有非常明顯的優(yōu)勢，其是將光學、機械、電學等多個學科融合到一起，從而可以更好地促進機械制造領域的發(fā)展，下面將重點分析目前激光加工技術(shù)的原理以及優(yōu)勢，為進一步研究打下基礎。

（一）激光加工技術(shù)的基本原理

激光加工技術(shù)應用到實踐中，其主要的工作原理就是通過電流撞擊把原來有能量的原子按照某個方向發(fā)射出去，從而可以形成能量較大的激光束。在激光束直接和工件表面接觸之后，就可以實現(xiàn)切割、焊接以及打孔等各個部分的加工作業(yè)。該加工方式的精度是比較高的，尺寸精確度明顯高于其他加工方式，所以是我國當前機械制造領域內(nèi)非常重要的加工技術(shù)之一，發(fā)揮著非常重要的作用。

（二）激光加工技術(shù)的優(yōu)越性

從當前的實際情況分析，激光加工技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯，對于提高機械制造水平有著重要的幫助，這是因為激光加工技術(shù)可以完成多種材料的加工作業(yè)，不僅是金屬材料，非金屬材料的加工也能夠達到要求，所以在精密制造領域內(nèi)有著非常重要的實際應用價值。此外，激光加工技術(shù)可以更好地促進工件加工精密度的提升，操作也非常方便快捷，不會給工作人員造成驗收的傷害，還會提升加工工藝水平，且加工工程也不會造成污染。此外，激光加工技術(shù)的成本較低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益非常明顯，所以被大量地應用到機械制造領域內(nèi)。

（1）激光加工技術(shù)應用的工藝集成性良好

較之其他加工技術(shù)來說，激光加工技術(shù)在金屬材料加工中有著非常明顯的優(yōu)勢，主要的特點就是該技術(shù)的集成性非常好，可以滿足多種條件下的加工使用需要，一方面，可以實現(xiàn)1 臺設備完成多個工藝的加工處理，比如切割、焊接、打孔、表面處理等等；另一方面，1 臺機床可以完成多個加工工藝的同時施工，甚至可以按照不同工藝的標準要求實現(xiàn)多種加工工藝同步加工的情況，大幅提升了加工的精度和效率，從而提升加工質(zhì)量。

（2）激光技術(shù)的加工效率高、質(zhì)量好

與傳統(tǒng)加工工藝進行對比分析，激光加工技術(shù)的加工效率是非常高的，比如在金屬切割加工環(huán)節(jié)，該加工技術(shù)是普通加工技術(shù)的15 倍左右；如果通過激光加工技術(shù)開展材料的焊接作業(yè)，其可以達到傳統(tǒng)焊接工藝技術(shù)的25 倍左右；如果通過激光加工技術(shù)進行結(jié)構(gòu)部件的開孔作業(yè)，其速度是傳統(tǒng)機械打孔方式的4 萬倍以上。不僅加工速度比較快，和傳統(tǒng)的加工工藝相比，激光加工技術(shù)的質(zhì)量更高，可以實現(xiàn)非接觸式的加工處理，精密度比較高，加工效果也非常好，從而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量以及價值，可以給機械制造領域帶來新的發(fā)展契機，給行業(yè)發(fā)展提供良好基礎。

（3）適應性較強

激光加工能夠使用于諸如高強度、高濃度、高硬度等多種材料中。此外，激光加工不僅適宜用于大氣環(huán)境，而且適宜用于真空環(huán)境中，這也是激光加工適應性較強的特征。

二、輸電鐵塔制造中激光加工技術(shù)應用的必然性

輸電鐵塔制造主要工藝包括下料、制孔、切角切肢、制彎、打標識、拼裝、焊接、鍍鋅和包裝等工序，其加工主要以角鋼和板材原材料為主，而根據(jù)激光加工技術(shù)與輸電鐵塔的結(jié)構(gòu)特性，主要優(yōu)勢用于板材件的加工。

現(xiàn)有的鐵塔加工技術(shù)無法滿足鐵塔制造業(yè)快速響應市場與質(zhì)量效率優(yōu)先的要求，不能滿足鐵塔制造業(yè)的需求。此外，鐵塔結(jié)構(gòu)中有大量的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，其材料和規(guī)格也是多種多樣的，采用激光加工技術(shù)可有效保證結(jié)構(gòu)件的尺寸精度與裝配質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。就目前而言，激光加工還存在加工成本高、設備維護成本過高、適應性不夠強等因素，制約了其加工應用，但隨著激光器價格的逐步下降和設備柔性化、智能化水平的不斷提高，必將加快激光加工技術(shù)在鐵塔制造行業(yè)中的應用步伐[2]。

三、激光加工技術(shù)在輸電鐵塔制造中的典型應用

（一）激光切割

在激光加工技術(shù)的發(fā)展中，激光切割最早應用于工業(yè)制造中，切割速度快、靈活性高、切割表面質(zhì)量好，可直接加工成品構(gòu)件。與常規(guī)的火焰、等離子切割、剪板機相比，由于其單位面積能量較大，可用于切割割縫較小的高精度產(chǎn)品加工，熱變形小、切割斷面質(zhì)量好、切割錐度小及減少后續(xù)二次加工、轉(zhuǎn)運與打磨等，對于橢圓孔、曲面等也具有良好的適應性，還可實現(xiàn)切割與開坡口的一次加工，且可實現(xiàn)多種坡口形式。

目前，輸電鐵塔板材加工主要使用CO2 激光切割機和光纖激光切割機。激光切割產(chǎn)品涉及鐵塔中的塔腳、連板、掛線板等構(gòu)件產(chǎn)品，這些構(gòu)件具不規(guī)則性且其材料、規(guī)格也不一，厚度以6～30 mm 板為主，切割材料材質(zhì)可用Q235～Q420 的高強度板。以某±800 kV 直流輸電角鋼塔而言，其中板材件的加工量約20%（335 t），經(jīng)與傳統(tǒng)加工方式比較，若采用總功率為30 kW 光纖激光切割機來加工，激光切割總機時135 h，其加工效率分別為：傳統(tǒng)加工為65 t/d，激光切割64 t/d，由此可見激光切割具有一定的生產(chǎn)效率優(yōu)勢，最主要的是激光切割可實現(xiàn)共邊下料，排版比傳統(tǒng)方式更緊密，按照行業(yè)數(shù)據(jù)板材利用率提高2%～5%而言，僅該工程可節(jié)約材料16.75 t，其切割尺寸精度也優(yōu)于國標。通過對切割面的顯微硬度測試，得到其上表面的硬化效果較高，但在熱浸鍍鋅作用下其硬度會有顯著下降。

（二）激光打標

為便于輸電鐵塔現(xiàn)場安裝以及質(zhì)量管理體系的有效追溯、過程監(jiān)控，電網(wǎng)公司通常要求需在鐵塔構(gòu)件表面進行標識，其標識內(nèi)容常為工程塔型名稱、構(gòu)件編號等基本信息，傳統(tǒng)采用氣動打字機來實現(xiàn)，可能存在字跡模糊、作業(yè)噪聲大等，激光打標速度快、字體質(zhì)量高、深度深、局部熱效應小、清潔無污染且可實現(xiàn)自動化加工特點，完全可適用于鐵塔制造中。按照激光器激光能量的不同，激光打標的作用機理可分為加熱打標、熔化打標、汽化打標3 種情況。

此外，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多企業(yè)管理人員高度重視新一代信息技術(shù)與制造業(yè)融合應用的重要性，這也對激光打標提出了更高要求，將二維碼技術(shù)與激光打標深度融合，將是激光打標未來的發(fā)展方向之一。

（三）激光打孔

在輸電鐵塔傳統(tǒng)制造中，打孔通常采用機械沖/鉆孔，對于加工材料受限，激光打孔有著無接觸、生產(chǎn)效率高、加工精度高、速度快、成本低，無刀具的損耗、經(jīng)濟效益高、可實現(xiàn)較大深徑比的斜孔、異型孔加工，不會產(chǎn)生碎屑或毛刺等，適用的材料廣泛，其加工孔徑可從0.2 μm～1.5 mm 不等，而被廣泛應用于工業(yè)制造中。激光打孔可分為復制法（或稱為沖擊打孔）和輪廓迂回法，其分別又可分為單脈沖打孔和多脈沖打孔、環(huán)切式打孔和螺旋式打孔。近年來，隨著超短脈沖激光的出現(xiàn)，激光打孔質(zhì)量得到了質(zhì)的飛躍，進一步推動了激光打孔技術(shù)的發(fā)展。

激光打孔也可用于鐵塔制造中的塔腳板、連接板、角鋼塔身、塔腳桿件連接螺栓孔等構(gòu)件產(chǎn)品加工，其加工效率可提高8倍左右，同時其抗拉強度較傳統(tǒng)工藝可提高2.4%～16.0%。在加工精度上也有明顯提升，對打孔孔壁周圍熱影響區(qū)力學性能分析得知，孔壁表面有0.5～0.8 mm 的熱影響區(qū)，孔上部的深于孔下部，且隨著板厚的增大其效果越明顯，在熱浸鍍鋅過程中組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使得內(nèi)應力得到釋放，會有所改善。

（四）激光除銹

輸電鐵塔熱浸鍍鋅預處理可去除鋼材表面各種污垢、油脂、鐵銹、氧化皮和焊渣等，保證鋼材表面清潔度與一定的“粗糙度”，為后續(xù)助鍍、鍍鋅工序打好基礎。目前，所采用的方法主要是采用鹽酸進行酸洗，容易產(chǎn)生污染且損傷母材，激光除銹具有清洗度高、控制性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點，隨著國家環(huán)保政策的不斷出臺、人們對環(huán)保意識的日益增強以及激光產(chǎn)業(yè)的逐漸發(fā)展，采用激光除銹來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的除銹方法，綠色環(huán)保的激光除銹技術(shù)正逐漸在有關領域得到應用，有著廣闊的發(fā)展前景。國內(nèi)激光除銹技術(shù)起步比較晚，還大多處在實驗室研究階段，激光除銹技術(shù)工業(yè)化實際應用還有一段距離。

（五）激光焊接

在輸電鐵塔制造中，激光焊接可用于塔腳、掛線板等組焊件的焊接，傳統(tǒng)鐵塔結(jié)構(gòu)的焊接大多采用CO2 氣體保護焊、埋弧焊與手工電弧焊等方式，如此會造成焊接變形量大、人工作業(yè)量大、焊渣飛濺多以及影響作業(yè)人員職業(yè)健康等問題。而激光焊接除可有效解決上述問題外，還具有熔深大、熱影響區(qū)窄、不受外界條件影響等，而被廣泛應用于工業(yè)領域。根據(jù)焊縫特點的不同，激光焊接可分為熱導焊與深熔焊，其中熱導焊一般用于熔池深度較淺、寬度要求較小的焊接領域，深熔焊適用于一般的機械制造領域。

近十年來，隨著激光焊接技術(shù)的迅猛發(fā)展，焊接工藝也在不斷創(chuàng)新，目前已出現(xiàn)諸如激光-電弧復合焊、激光填絲焊、激光飛行焊、激光釬焊等多種激光復合焊接技術(shù)和工藝，應用于復雜構(gòu)件的加工。

四、發(fā)展趨勢

雖然我國的激光加工技術(shù)起步較國外晚，但隨著國家戰(zhàn)略“中國制造2025”的不斷實施、國家環(huán)保新政策的不斷推出以及國家電網(wǎng)“新基建”和鐵塔新技術(shù)應用等新形勢，同時，我國激光研究企業(yè)和科研機構(gòu)奮力追趕與技術(shù)積累和沉淀，新型激光器和激光不同領域新應用的持續(xù)出現(xiàn)，激光加工技術(shù)的作用將更為突出，與國外的差距會逐步縮小。

未來，激光加工技術(shù)會有如下發(fā)展趨勢：①高功率激光器小型化、低成本，突破關鍵核心部件制造技術(shù)，強化技術(shù)攻關，提高核心基礎的自主可控水平。②加工工序集成化，達到一臺設備可進行多工序的加工。③激光設備的柔性化、自動化、智能化的提升，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程的數(shù)字化、自動化和信息化。④激光新應用的機理、工藝等應用基礎的研究。⑤規(guī)?；瘧谩?/p>

五、結(jié)語

激光加工技術(shù)作為一種先進加工技術(shù)，能適應高度柔性與智能化的加工要求，滿足輸電鐵塔制造的自動化、機械化、智能化需求，可促進電力裝備制造業(yè)的發(fā)展及輸電鐵塔的加工制造優(yōu)化，對于鐵塔制造企業(yè)實現(xiàn)減量化、降低成本、節(jié)約工時和節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮重要作用。工業(yè)生產(chǎn)向自動化、智能化、柔性化方向發(fā)展，激光加工技術(shù)由于具有非接觸、效率高、加工精度高、質(zhì)量高、能適應多種材料加工成型等其他加工技術(shù)無法比擬的諸多優(yōu)勢，廣泛應用于輸電鐵塔制造中。相信隨著激光加工技術(shù)的不斷發(fā)展以及互聯(lián)網(wǎng)+、5G 等信息化技術(shù)的引進吸收，必將推動激光加工技術(shù)在輸電鐵塔制造行業(yè)的應用，帶動該類企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，而激光行業(yè)也必將逐步適應該行業(yè)的需求，進一步向著低成本、高質(zhì)量、智能化的方向發(fā)展，助力于鐵塔制造企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。