激光加工技术在海洋工程上的研究现状及应用*

梁志刚，陈志军，师文庆，韩泽文

（1.广东文理职业学院智能制造学院，广东 湛江 524400；2.广东海洋大学电子与信息工程学院，广东 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

我国是海洋大国，拥有丰富的海洋资源。特别是进入21世纪以来，随着全球经济的发展，海洋具有巨大的发展潜能。因此，积极推动海洋经济的高质量发展，实现海洋资源的有序开发，是我国从海洋大国向海洋强国转变的重要举措。党的十九大报告中已经明确提出“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”的重大战略。而发展海洋装备、建设海洋工程是我国海洋强国战略的重要内容之一。海洋开发是指海洋及其周围环境（大气、海岸、海底等）的资源开发和空间利用活动的总称。人类通过海洋开发，把海洋的潜在价值转化为实际价值，为人类的生存和发展创造了条件，比如海底油气开采、深海矿产资源勘探和评估、海水养殖、海底隧道及海上人工岛等。目前，我国在海洋空间利用方面取得了举世瞩目的成就，如港珠澳大桥、深海石油钻井、“蛟龙号”载人深潜器等。开发海洋资源首先需要先进的海洋工程装备，而海洋工程装备长期处于恶劣海洋环境下工作，特别是一些关键件、重要件的腐蚀以及磨损更是不可避免，其机械性能和制造要求均远高于普通陆地设备。目前，我国海洋工程装备制造业与世界先进水平仍存在较大差距，位于制造低端产品的第三阵营。

作为20世纪新诞生的一种光源，激光具有亮度高、方向性强、能量密度高、单色性非常好等优异性能[1]。现在激光加工技术在人类生产生活的各个领域均已有广泛应用。近年来，它又逐步深入到海洋工程领域，大有将一些传统加工技术取而代之的趋势，如激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光清洁和激光表面微结构防污等。激光加工技术具备更加灵活先进的特性，可以大大提高了企业的生产效率和产品质量，能够有效地减少材料的磨损，降低环境污染，在复杂多变的海洋竞争中起到关键作用。因此，激光加工技术在海洋工程上的发展可以显著提高我国的海洋工业实力和国际竞争力。

1 激光切割技术在海洋工程上的应用

海洋工程领域对金属切割需求量巨大，传统的金属切割技术是高速氧-火焰切割技术和等离子弧切割技术。但是这两者均存在切割速度慢、工件热变形大和产品精度难以保证等缺点。随着海洋工程市场竞争日趋激烈、行业利润不断下滑的同时，客户对质量的要求也越来越严格，传统金属切割技术难以满足市场需求，正逐步被市场淘汰。激光所具有的特性决定了激光切割技术与其他技术相比具有很大优势，它利用高能激光束对工件表面进行照射，使材料在极短的时间内汽化，再借助通入辅助气体将残渣带走，形成切缝，激光切割技术示意图如图1所示。由此可知，激光加工过程中，激光与材料并不产生直接接触，加工程序中不需要任何刀具参与切削。因此，对工件没有直接的冲击和作用力，工件就不会出现塑性变形或弹性变形。激光束所具有的能量非常高，密集度强，加工速度快，而且是对工件局部进行加工，对其他部位几乎没有影响，也就避免了工件因受热而变形的情况。

在1992年，欧洲船舶制造企业Vosper Thorny Croft公司组装了世界第一台激光切割设备，并成功应用在船舶制造行业中。随后，美国的Bender船舶制造企业也安装了世界首台高功率激光切割设备Tanaka LMXⅢ激光器，进一步提升激光切割的加工质量，同时降低制造成本。进入21世纪以后，光纤激光器凭借其极好的光束质量、高电光转化效率、同等功率下的小体积、光纤传输带来的较好的工作柔性等优势被广泛应用于海洋工程切割领域。Jae Sung Shin等利用6 kW光纤激光器研究了高速光纤激光对不锈钢板的切割性能[2]；Antti Salminen等利用5 kW光纤激光器研究了激光功率、切割速度、辅助气体气压对切割性能和质量的影响[3]。

如前所述，与传统切割技术相比，激光切割技术具有相当明显的优势，也得到了大面积的推广。但在国内海洋工程领域中激光切割并未占据主导地位，主要原因有成本较高、设备昂贵、对工人要求高、维护复杂等。因此，我国必须重视激光加工技术的研发，开发具有自主知识产权的海洋工程激光切割设备，满足工业生产对质量和效率的要求，这对我国实现海洋强国战略具有重要意义。

2 激光焊接技术在海洋工程上的应用

各种材质的金属板材是海洋工程领域里应用最多的材料，为了让板材组合成船舶、海洋钻井平台和海工辅助船等海洋工程装备，通常采用焊接的方法来完成。传统的焊接方法有气体保护焊、埋弧焊、MIG/TIG焊等，这些方法在焊接过程中往往会产生大量的热量，从而使工件因过度受热而发生翘曲或变形。装备制造企业需要额外花费时间和成本来修正这些缺陷，进而影响企业的生产效率和利润率。

激光焊接是伴随激光技术的研发与应用而发展起来的一项全新的焊接技术，其焊接过程属于热传导型。激光照射板材表面，热量通过热传导从板材表面向内部扩散，可通过优化激光脉冲的具体参数，如功率、频率、脉冲宽度等，在板材局部表面熔化并形成特定的熔池。因此，与传统焊接技术相比，激光焊接不与工件相接触，具有焊缝小、强度高、效率高等独特优势。此外，激光焊接技术与激光切割技术可以很好地融合到一起，实现海洋工程装备的高度自动化生产。

虽然激光焊接技术有着其独特的优势，但是也存在不可忽视的局限性，比如焊件装配精度要求高、熔池搭桥能力差和焊接过程稳定性差等。这些问题的存在限制了激光焊接的厚度和效率，阻碍了激光焊接技术在海洋工程领域的推广应用。为了解决这些问题，人们开发出激光-MIG/TIG复合焊技术。这种技术将激光和电弧两种不同的热源结合起来，同时加工一个工件，这样既可以发挥各自的优势，又能相互弥补各自的不足。华中科技大学的王军同时采用光纤激光器和MIG焊机，对铝合金板材进行激光-MIG复合焊接，焊接后的工件变形和应力都非常小，焊缝表面美观，无气孔、裂纹等常见的焊接缺陷，且焊缝机械性能优异，抗拉强度达到220 MPa[4]。北京航空航天大学的李晓辉等采用了CO2激光器和交直流脉冲TIG焊机，对304不锈钢进行双焦点激光-TIG复合焊接实验。实验结果表明，双光束旋转激光电弧焊可以稳定焊接过程，提高304不锈钢的焊缝质量和焊接效率[5]。

此外，除了对激光技术进行更新换代，学者们还研发出激光焊接焊缝追踪技术，可对焊接过程进行实时检测和控制。马国栋等研发了一种自动化焊缝检测方法，将激光焊接头和CCD视频跟踪模块高度集成在一起，实现了对激光焊接的实时跟踪[6]。A.Belitzki等将人工神经网络应用在激光焊接的过程中，可以根据局部区域内的焊接参数预测其未来变形的倾向[7]。这些技术的综合应用可以很好地解决激光焊接的相关局限性，推动激光焊接技术在海洋工程领域的深入研究。

3 激光熔覆技术在海洋工程上的应用

3.1 激光熔覆技术防腐蚀

海洋工程装备长期处在海洋环境中，其零部件非常容易发生腐蚀，给企业造成巨大经济损失。全球腐蚀调查报告表明，世界平均腐蚀损失约占全球国民生产总值的3.4%，其中，因海洋腐蚀而造成的损失约占总腐蚀损失的1/3。可见海洋工程装备的腐蚀已经成为制约大型海洋工程技术发展的瓶颈之一。因此，为了解决海洋工程装备腐蚀的问题，研发相关的防护技术显得非常重要。

激光熔覆是一种新型的金属表面强化技术，即通过激光加工技术将不同的涂层材料熔覆到基材表面，可以显著提高基材表面的耐腐蚀性和其他相关性能，延长工件的使用寿命，激光熔覆技术示意图如图2所示。海洋工程装备大量采用廉价钢材作为制造原料，但是其耐蚀性和机械性能都比较差。利用激光熔覆技术可以在低性能的钢材上熔覆一层高性能的合金表面，可大大提高海洋工程装备的耐蚀性和综合使用性能。近年来，国内外的学者在该领域已经有了不少的研究成果。Wang等利用激光熔覆技术在316SS不锈钢和X70钢上熔覆一层Ni-Cr-Mo合金涂层，然后分别将具有合金涂层的样品和无涂层的样品放入到海洋环境中进行腐蚀。实验结果显示，具有合金涂层的样品几乎没有发生腐蚀，而无涂层的样品表面则出现严重腐蚀[8]。Xu等在316L不锈钢表面熔覆了镍基合金涂层。研究结果表明，镍基合金涂层的自腐蚀电位高于316L不锈钢，而腐蚀电流密度低于316L不锈钢，可以有效保护不锈钢基材[9]。

除了钢材可进行激光熔覆以外，其他金属材料采用激光熔覆技术同样可以获得性能优异的合金表面。铝青铜作为海水管道的主要金属材料，因长期处在海水的浸泡中，常发生腐蚀开裂，引起海水泄漏等事故。徐建林等在铝青铜表面通过激光熔覆技术制备一层Cu-Ni合金熔覆层。研究表明，Cu-Ni合金熔覆层的自腐蚀电位比铝青铜的自腐蚀电位高，可改善材料的耐腐蚀性，减少腐蚀的发生[10]。陈长军等利用激光熔覆技术在镁合金表面上熔覆一层Al-Ni合金涂层，然后进行模拟海水环境测试，研究表明熔覆层的自腐蚀电位高于基材，腐蚀电流密度较大[11]。

3.2 激光熔覆技术再修复

当海洋工程装备已经发生了腐蚀后，常常需要对腐蚀的表面进行修补，使其恢复原来的尺寸和功能，达到循环使用的目的。激光熔覆技术可以在腐蚀的表面熔覆高性能的合金涂层，使零件恢复原有的尺寸，而且加工过程中不会对基体材料造成新损害。因此，激光熔覆在修复零件方面具有很好的适应性和灵活性。邓琦林优化了激光修复工艺参数，实现激光熔覆修复的最优控制，并获得耐腐蚀性强和机械性能符合使用要求的激光熔覆修复层，实现了舰船铝青铜零件的激光熔覆修复，且修复后的零件可以使损坏的设备恢复其工作性能[12]。

海洋是巨大的资源宝库，开发与保护海洋的各种过程中少不了海洋工程装备的帮助。只有通过高效的防腐耐磨处理，才能提升海洋装备关键零部件对海水环境的抵抗力，才能保证海洋相关产业的安全生产。利用激光熔覆技术可以使海洋装备的抗腐蚀耐磨损能力大大提升，为我国海洋资源的开发与保护贡献力量。

4 激光清洁技术在海洋工程上的应用

在海洋环境下，由于存在海水、海风和洋流等多种因素的影响，海洋工程装备的钢材表面很容易发生析氢腐蚀，从而形成松散的氧化铁表面。外部的O原子和H离子可以透过氧化铁向钢材内部扩散，使钢材不断地发生氧化腐蚀，降低海洋工程装备的使用寿命和抗风浪能力。因此，有必要采取措施及时去除钢铁表面的氧化物，降低海洋工程装备发生意外事故的概率，增强抵抗风险的能力。

采用激光作为去除金属表面氧化物的手段，是近年随着激光加工技术的研发而逐步发展起来的高新技术，被称为激光清洁技术。该技术利用一定能量的激光束辐射在锈蚀区域，使其表面快速升温并引发热扩散、热膨胀和热应力等一系列的反应，从而令锈蚀脱落而不损坏基体表面。激光清洁技术作为激光加工技术的一种，同样具有激光加工的典型特点，如自动化程度高、绿色无污染、可实现精细去除、操作简便和无接触式加工等。因此，激光清洁技术在复杂恶劣的海洋环境中具备显著优势，可广泛应用于海洋工程装备，如深海实验钻井平台、船舶制造等。新加坡国立大学的Lu等利用分子激光器对不锈钢进行激光清洁，发现当激光能量密度较高、激光脉冲数量较大时，激光清洁的能力更强[13]。罗红心等用CO2激光器对2024铝合金进行激光去漆，经过激光扫描1次之后，铝合金表面的漆层完全脱落，而基体完好无损[14]。

此外，激光清洁技术在加工过程中可在船用钢铁材料的表面产生永久性的特征变化，如耐蚀性的增强、硬度和抗氧化能力的提高等。Kumar等利用激光清洁技术对Ti-3Al-2.5V管进行表面清洁，再进行焊接，然后检测焊接后的表面形态、硬度、化学成分、金相组织等性能的变化。实验显示，对激光清洁后的工件再进行焊接，所制备的样品具有更加优良的焊接质量[15]。Rechner等对AW6016铝合金进行激光清洗，并使用相关检测方法观察清洗前后的材料特性变化，发现激光清洗不仅去除了铝合金表面的氧化膜，同时也增强了材料的表面特性[16]。

近年来，随着激光技术的快速发展，人们研发出光束质量更好、效率和可靠性更高的光纤激光器。这类激光器的重复频率高，脉宽为几纳秒到几百纳秒，单脉冲能量可达毫焦量级，使其在工业领域，特别是海洋工程领域的激光清洗中具有很大的优势。同时，光纤激光器的运维成本低，设备占地面积小，容易与其他自动化系统实现集成。因此，光纤激光器是激光清洗技术重要的发展方向之一。

5 激光表面微结构防污技术在海洋工程上的应用

当舰船进入港口的时候，人们发现有大量的海洋生物附着在船体表面。这些生物会增加舰船自身重量，提高船体表面粗糙度，还会使金属材料的腐蚀加剧，进而增加舰船的油耗以及维护成本。据统计，海洋工程装备因生物附着而造成的损失每年可达百亿美元。这类会给人类经济活动带来危害的生物，人们称之为海洋污损生物。而针对这些海洋污损生物的防护与去除，人们称之为防污。因此，开发海洋工程装备相关的防污技术，对海洋资源开发有着重要的现实意义与经济效益。

自然界中有很多生物可以保持身体表面的清洁，而不会受到海洋生物的附着。比如，鲨鱼的皮肤表面呈现微米级的肋条状组织，组织之上还有可以疏水的刚毛，使海洋生物难以附着在皮肤上。学者通过研究发现，鲨鱼之所以能保持清洁与其皮肤表面的超疏水微结构存在重要的关系。Brennan等以鲨鱼皮肤的表面微结构为参照，在聚二甲基硅氧烷弹性体表面加工出超疏水微结构，然后进行防污实验。结果表明，仿鲨鱼表面微结构可以显著减少海洋生物附着[17]。

制备超疏水表面微结构的方法有很多，如涂层法、电化学法、光刻法、喷雾法等。但是这些制备方法都有着各自的局限性，特别是难以对各种材质的表面润湿性进行精确的控制。而激光加工技术可利用高能量密度的激光束直接对材料进行烧蚀，具有精度高、热效应小、容易获得多级微结构且不受加工材料限制等优势，是制备超疏水表面微结构的重要技术手段。郝丽春等利用皮秒激光器制备了直径为100μm、深度为5μm的凹坑结构[18]。刘星等利用飞秒脉冲激光器在GCr15轴承钢上分别制备了间距为150μm、250μm、350μm的凹坑结构[19]。

随着加工技术的发展，微米级的结构已经无法满足超疏水表面防污的需要，人们不断研发纳米级微结构的制备方法。激光双光子技术操作简单方便，可以加工出纳米级的三维表面微结构。刘聚坤通过准分子激光在ZnO晶体表面加工出30 nm的单凹槽结构以及93 nm的纳米线[20]。经过多年的研究，激光微结构防污技术精度已经达到纳米级，防污性能得到很大的改善，但是它对于微结构的深度控制仍然比较困难，使得制备的微结构难以长时间保持。主要原因是激光加工是一个多因素相互影响的过程，比如激光的脉宽、脉冲能量、频率和波长等，任何一个参数的变化都会对激光加工出来的微结构产生一定的影响。目前，学者们仍然需要对这些参数进行协调和实验，以期完善激光表面微结构的加工理论。

6 结束语

激光加工技术有很多独特的优势，如能量密度高、热效应小、自动化程度高等。激光加工技术的发展和应用为海洋工程装备提供了更好更快的加工方法，提高了海洋工程装备的生产效率。目前，现代激光加工技术已经朝着智能化的方向发展，将极大地促进高精尖激光加工技术在海洋工程领域的应用深度和广度。激光加工技术不仅可以广泛应用于海洋工程领域，还可以推广应用到航空航天、汽车制造和生物医学等高端领域。因此，有必要结合国情促进国内相关研究工作的发展，使激光加工技术在我国海洋国防和经济建设中发挥出重要的作用，推动我国的海洋工程制造工业早日跻身世界一流行列。