水下激光切割技术的探讨

张文瑶，裘达夫，陈瑞芳

(1.海军装备技术研究所，上海 200083;2.江苏大学，江苏镇江 212013)

1 水下激光切割

水下激光切割的原理本质上与空气中激光切割相同。但是水下的特殊环境，使得水下激光切割在切割工艺和切割设备方面，都与空气中激光切割有相当大的不同，并影响最终切割效果。例如，由于水会吸收部分激光能量，并具有良好的冷却效果，切割过程中这种能量吸收和冷却作用，都会削弱激光切割材料的能力，同时水环境要求激光切割头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术还有电弧—氧切割和熔化极电弧切割等，具有设备简单、效率高，但切面质量差等特点;水下磨料射流切割则属于“冷切割”，在切割过程中几乎不产生热效应，无烟、无毒、无火花，可以应用到易燃、易爆和有毒等场合，但喷嘴易磨损、切割速度低，切割质量不如激光切割。

1.1 激光器的选择

激光器是实施激光切割的最主要设备。激光器波长的选择对于成功实施激光切割至关重要。能够成功实施水下激光切割的激光波长必须要满足以下2点基本要求:一是水对此激光器输出能量的吸收损耗小，以尽可能减小激光水下传输损耗的能量;二是激光器成熟度高，以保证容易购得或者搭建所需要的激光器，并且保证其可靠稳定地工作。

理论和实验验证表明:水对可见光波段电磁辐射吸收较小，对紫外和中远红外波段电磁辐射吸收较强。因此，用于水下切割激光器的波长需要尽可能选在可见光波段和近红外波段。波长处于可见光波段的成熟商用激光器主要包括2大类:半导体激光器和倍频Nd3+:YAG激光器。

半导体激光器功率低，且本身比较娇嫩，从它刚出现就面临着使用寿命的问题，在现有技术条件下，无法适应激光切割的需要。YAG激光器是以钇铝石榴石晶体为基质的一种固体激光器，在YAG基质中掺入激活离子Nd3+(约1%)就成为Nd:YAG。

倍频Nd3+:YAG输出波长为532 nm，估算其吸收系数0.000 7 cm-1，水对该波长的吸收损耗相对比较小，因此，仅从吸收系数的角度看，适合作为水下激光切割用激光器。但是，532 nm波长是通过激光倍频技术获得。当前技术条件下，从Nd3+:YAG基频1 064 nm光倍频得到532 nm倍频光，其倍频能量转换效率一般只能达到60%左右。另一方面，输出波长1 064 nm，估算其吸收系数大约为0.16 cm-1，水对该波长处的吸收损耗比较适中。

以光在水下传输距离控制在5 mm以内为例，估算一下532 nm倍频光和1 064 nm基频光最终作用于工件表面的能量比例。设激光振荡器最初能量为1 J，如果不倍频，经过水下传输5 mm后，作用于工件表面的能量为0.92 J;采用倍频技术，假设倍频效率0.6，再经过水下传输5 mm，最终作用于工件表面的能量不到0.6 J。由此可见，尽管水对532 nm倍频光吸收小，但是由于倍频转换效率相对较低，因此最终总能量利用率远远低于1 064 nm基频光。

综上所述，用于水下切割的激光器拟选用Nd3+:YAG激光器，利用其1 064 nm基频光作为切割工作波长。此类激光器已经发展得相当成熟，目前功率可达数千瓦，容易购买，维护方便。

1.2 激光器功率的选择和激光的输出

激光应用的范围越来越广泛，随着技术进步大功率激光器也实现了商用，但是，激光器的价格一般与其功率的大小成正比，因此，从经济性角度出发，在满足需求的情况下，应选择适当功率的激光器。

一般来说，激光功率越大，所能切割的板厚增大，切割速度也快，此外，辅助气体的压力和种类、焦点位置等工艺参数对切割都有影响。综合考虑各种因素，参照空气中切割工艺，在水中用1 064 nm的Nd3+:YAG激光切割5～8 mm厚钢板，大约需要500 W功率的激光器。

考虑水下切割环境的复杂性和切割对象的不确定性，需要采用光纤等灵活的输出方式，以使其对船体等大表面积尺寸的工件切割加工成为可能。

在国外大功率光纤激光器在船舶制造业已得到了开发利用，例如美国在建造航空母舰 (CVN79)时，采用激光焊接技术，使该航母的质量降低大约200 t。上海船舶制造业也与国外光纤激光器制造商密切合作，引进大功率 (700～2 000 W)激光器，开发新型激光装备推进造船跨越式发展，这也为激光水下切割技术装备提供了可利用的发展空间。

1.3 实验室试验

用Nd3+:YAG激光器作切割源，同时由于空气激光切割过程中，CO2激光器是另外1种常用激光器。选用CO2激光器做对比试验。2种激光器激光输出模式、输出功率 (200 W)以及切割速度等均相同。

水下试验条件:光程为1 mm;水流速度为0;水质为纯净水。

切割材料:普通钢板，厚度为3 mm。

实验结果:用CO2激光器切割的钢板没有被切割开，而用Nd3+:YAG固体激光器切割的钢板则成功被割透，如图1所示。

图1 Nd3+:YAG固体激光器水下切割件实拍图

初步试验结果充分表明利用Nd3+:YAG的1 064 nm波长进行水下激光切割的可行性。

1.4 小结

研究和实验表明，不同波长的激光在水中的吸收率不同，Nd3+:YAG激光器比CO2激光器更适合于水下切割，Nd3+:YAG的1 064 nm波长的激光器可进行水下激光切割。

在实际应用研究中应考虑水深和水流以及光纤传输连接和工艺参数等因素对切割效果的影响。

为了充分利用辅助气体可形成局部干燥空间的效果，应合理设计喷嘴结构和气体流量等参数，以减少激光在水中的功率损耗，提高切割质量。

2 结束语

在激光领域，主要发达国家都制定了自己的发展规划，如美国的“战略防御倡议”、西欧的“尤里卡计划”和日本的“激光研究5年计划”等，我国不仅将激光加工技术列入国家重点科技攻关项目，国家自然科学基金、国家“863”计划和国家“火炬”计划等都有相关的计划被列入，还建立了“国家固体激光技术研究中心”等3个国家级的激光加工中心，特别是在刚公布的国家“十二五”规划中， 将“建设自由电子激光、散裂中子源等国家重大科研基础设施”列为科技创新能力建设重点，可以说激光研究和应用前景一片光明。

开发海洋可以获得陆地上日益枯竭的人类所需要的资源和空间，21世纪是人类开发利用海洋的“海洋世纪”，但是由于水下工程的困难性和复杂性，使得海底资源的开发技术手段不仅落后于陆地，而且也落后于太空技术的发展，水下焊接和切割已成为水下工程建造和解体不可或缺的技术手段，激光切割的技术优点特别是可以切割几乎所有材料，并且具有无限的仿型切割能力，在海洋钻井平台水下部分修理、海底输油管道和光缆的修复以及船舶的水下维修等应用方面，将发挥不可替代的作用，发展前景十分广阔。

［1］朱华，花银群.水下激光切割质量影响因素的研究［J］.激光杂志，2007，28(3).

［2］王又良.激光加工的最新应用领域 ［J］.应用激光，2005，25(5).

［3］凌磊，楼棋洪.水浴条件下YAG倍频激光切割硅片的研究［J］.激光技术，2004，28(2).