梁志剛，陳志軍，師文慶，韓澤文

（1.廣東文理職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 湛江 524400；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)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(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海洋具有巨大的發(fā)展?jié)撃堋Ｒ虼?，積極推動海洋經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海洋資源的有序開發(fā)，是我國從海洋大國向海洋強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的重要舉措。黨的十九大報(bào)告中已經(jīng)明確提出“堅(jiān)持陸海統(tǒng)籌，加快建設(shè)海洋強(qiáng)國”的重大戰(zhàn)略。而發(fā)展海洋裝備、建設(shè)海洋工程是我國海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要內(nèi)容之一。海洋開發(fā)是指海洋及其周圍環(huán)境（大氣、海岸、海底等）的資源開發(fā)和空間利用活動的總稱。人類通過海洋開發(fā)，把海洋的潛在價(jià)值轉(zhuǎn)化為實(shí)際價(jià)值，為人類的生存和發(fā)展創(chuàng)造了條件，比如海底油氣開采、深海礦產(chǎn)資源勘探和評估、海水養(yǎng)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?zhí)枴陛d人深潛器等。開發(fā)海洋資源首先需要先進(jìn)的海洋工程裝備，而海洋工程裝備長期處于惡劣海洋環(huán)境下工作，特別是一些關(guān)鍵件、重要件的腐蝕以及磨損更是不可避免，其機(jī)械性能和制造要求均遠(yuǎn)高于普通陸地設(shè)備。目前，我國海洋工程裝備制造業(yè)與世界先進(jìn)水平仍存在較大差距，位于制造低端產(chǎn)品的第三陣營。

作為20世紀(jì)新誕生的一種光源，激光具有亮度高、方向性強(qiáng)、能量密度高、單色性非常好等優(yōu)異性能[1]?，F(xiàn)在激光加工技術(shù)在人類生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域均已有廣泛應(yīng)用。近年來，它又逐步深入到海洋工程領(lǐng)域，大有將一些傳統(tǒng)加工技術(shù)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(jié)構(gòu)防污等。激光加工技術(shù)具備更加靈活先進(jìn)的特性，可以大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，能夠有效地減少材料的磨損，降低環(huán)境污染，在復(fù)雜多變的海洋競爭中起到關(guān)鍵作用。因此，激光加工技術(shù)在海洋工程上的發(fā)展可以顯著提高我國的海洋工業(yè)實(shí)力和國際競爭力。

1 激光切割技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用

海洋工程領(lǐng)域?qū)饘偾懈钚枨罅烤薮?，傳統(tǒng)的金屬切割技術(shù)是高速氧-火焰切割技術(shù)和等離子弧切割技術(shù)。但是這兩者均存在切割速度慢、工件熱變形大和產(chǎn)品精度難以保證等缺點(diǎn)。隨著海洋工程市場競爭日趨激烈、行業(yè)利潤不斷下滑的同時，客戶對質(zhì)量的要求也越來越嚴(yán)格，傳統(tǒng)金屬切割技術(shù)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(shù)與其他技術(shù)相比具有很大優(yōu)勢，它利用高能激光束對工件表面進(jìn)行照射，使材料在極短的時間內(nèi)汽化，再借助通入輔助氣體將殘?jiān)鼛ё?，形成切縫，激光切割技術(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(qiáng)，加工速度快，而且是對工件局部進(jìn)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(yè)Vosper Thorny Croft公司組裝了世界第一臺激光切割設(shè)備，并成功應(yīng)用在船舶制造行業(yè)中。隨后，美國的Bender船舶制造企業(yè)也安裝了世界首臺高功率激光切割設(shè)備Tanaka LMXⅢ激光器，進(jìn)一步提升激光切割的加工質(zhì)量，同時降低制造成本。進(jìn)入21世紀(jì)以后，光纖激光器憑借其極好的光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)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(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于海洋工程切割領(lǐng)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(zhì)量的影響[3]。

如前所述，與傳統(tǒng)切割技術(shù)相比，激光切割技術(shù)具有相當(dāng)明顯的優(yōu)勢，也得到了大面積的推廣。但在國內(nèi)海洋工程領(lǐng)域中激光切割并未占據(jù)主導(dǎo)地位，主要原因有成本較高、設(shè)備昂貴、對工人要求高、維護(hù)復(fù)雜等。因此，我國必須重視激光加工技術(shù)的研發(fā)，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的海洋工程激光切割設(shè)備，滿足工業(yè)生產(chǎn)對質(zhì)量和效率的要求，這對我國實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略具有重要意義。

2 激光焊接技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用

各種材質(zhì)的金屬板材是海洋工程領(lǐng)域里應(yīng)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(tǒng)的焊接方法有氣體保護(hù)焊、埋弧焊、MIG/TIG焊等，這些方法在焊接過程中往往會產(chǎn)生大量的熱量，從而使工件因過度受熱而發(fā)生翹曲或變形。裝備制造企業(yè)需要額外花費(fèi)時間和成本來修正這些缺陷，進(jìn)而影響企業(yè)的生產(chǎn)效率和利潤率。

激光焊接是伴隨激光技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用而發(fā)展起來的一項(xiàng)全新的焊接技術(shù)，其焊接過程屬于熱傳導(dǎo)型。激光照射板材表面，熱量通過熱傳導(dǎo)從板材表面向內(nèi)部擴(kuò)散，可通過優(yōu)化激光脈沖的具體參數(shù)，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(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接不與工件相接觸，具有焊縫小、強(qiáng)度高、效率高等獨(dú)特優(yōu)勢。此外，激光焊接技術(shù)與激光切割技術(shù)可以很好地融合到一起，實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備的高度自動化生產(chǎn)。

雖然激光焊接技術(shù)有著其獨(dú)特的優(yōu)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(wěn)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(shù)在海洋工程領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。為了解決這些問題，人們開發(fā)出激光-MIG/TIG復(fù)合焊技術(shù)。這種技術(shù)將激光和電弧兩種不同的熱源結(jié)合起來，同時加工一個工件，這樣既可以發(fā)揮各自的優(yōu)勢，又能相互彌補(bǔ)各自的不足。華中科技大學(xué)的王軍同時采用光纖激光器和MIG焊機(jī)，對鋁合金板材進(jìn)行激光-MIG復(fù)合焊接，焊接后的工件變形和應(yīng)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(jī)械性能優(yōu)異，抗拉強(qiáng)度達(dá)到220 MPa[4]。北京航空航天大學(xué)的李曉輝等采用了CO2激光器和交直流脈沖TIG焊機(jī)，對304不銹鋼進(jìn)行雙焦點(diǎn)激光-TIG復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙光束旋轉(zhuǎn)激光電弧焊可以穩(wěn)定焊接過程，提高304不銹鋼的焊縫質(zhì)量和焊接效率[5]。

此外，除了對激光技術(shù)進(jìn)行更新?lián)Q代，學(xué)者們還研發(fā)出激光焊接焊縫追蹤技術(shù)，可對焊接過程進(jìn)行實(shí)時檢測和控制。馬國棟等研發(fā)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(shí)現(xiàn)了對激光焊接的實(shí)時跟蹤[6]。A.Belitzki等將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在激光焊接的過程中，可以根據(jù)局部區(qū)域內(nèi)的焊接參數(shù)預(yù)測其未來變形的傾向[7]。這些技術(shù)的綜合應(yīng)用可以很好地解決激光焊接的相關(guān)局限性，推動激光焊接技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的深入研究。

3 激光熔覆技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用

3.1 激光熔覆技術(shù)防腐蝕

海洋工程裝備長期處在海洋環(huán)境中，其零部件非常容易發(fā)生腐蝕，給企業(yè)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。全球腐蝕調(diào)查報(bào)告表明，世界平均腐蝕損失約占全球國民生產(chǎn)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?？梢姾Ｑ蠊こ萄b備的腐蝕已經(jīng)成為制約大型海洋工程技術(shù)發(fā)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(fā)相關(guān)的防護(hù)技術(shù)顯得非常重要。

激光熔覆是一種新型的金屬表面強(qiáng)化技術(shù)，即通過激光加工技術(shù)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(guān)性能，延長工件的使用壽命，激光熔覆技術(shù)示意圖如圖2所示。海洋工程裝備大量采用廉價(jià)鋼材作為制造原料，但是其耐蝕性和機(jī)械性能都比較差。利用激光熔覆技術(shù)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(nèi)外的學(xué)者在該領(lǐng)域已經(jīng)有了不少的研究成果。Wang等利用激光熔覆技術(shù)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(huán)境中進(jìn)行腐蝕。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，具有合金涂層的樣品幾乎沒有發(fā)生腐蝕，而無涂層的樣品表面則出現(xiàn)嚴(yán)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(jié)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(hù)不銹鋼基材[9]。

除了鋼材可進(jìn)行激光熔覆以外，其他金屬材料采用激光熔覆技術(shù)同樣可以獲得性能優(yōu)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(fā)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(shù)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(fā)生[10]。陳長軍等利用激光熔覆技術(shù)在鎂合金表面上熔覆一層Al-Ni合金涂層，然后進(jìn)行模擬海水環(huán)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(shù)再修復(fù)

當(dāng)海洋工程裝備已經(jīng)發(fā)生了腐蝕后，常常需要對腐蝕的表面進(jìn)行修補(bǔ)，使其恢復(fù)原來的尺寸和功能，達(dá)到循環(huán)使用的目的。激光熔覆技術(shù)可以在腐蝕的表面熔覆高性能的合金涂層，使零件恢復(fù)原有的尺寸，而且加工過程中不會對基體材料造成新?lián)p害。因此，激光熔覆在修復(fù)零件方面具有很好的適應(yīng)性和靈活性。鄧琦林優(yōu)化了激光修復(fù)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)激光熔覆修復(fù)的最優(yōu)控制，并獲得耐腐蝕性強(qiáng)和機(jī)械性能符合使用要求的激光熔覆修復(fù)層，實(shí)現(xiàn)了艦船鋁青銅零件的激光熔覆修復(fù)，且修復(fù)后的零件可以使損壞的設(shè)備恢復(fù)其工作性能[12]。

海洋是巨大的資源寶庫，開發(fā)與保護(hù)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(guān)鍵零部件對海水環(huán)境的抵抗力，才能保證海洋相關(guān)產(chǎn)業(yè)的安全生產(chǎn)。利用激光熔覆技術(shù)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(fā)與保護(hù)貢獻(xiàn)力量。

4 激光清潔技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用

在海洋環(huán)境下，由于存在海水、海風(fēng)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(fā)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(nèi)部擴(kuò)散，使鋼材不斷地發(fā)生氧化腐蝕，降低海洋工程裝備的使用壽命和抗風(fēng)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(fā)生意外事故的概率，增強(qiáng)抵抗風(fēng)險(xiǎn)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(shù)的研發(fā)而逐步發(fā)展起來的高新技術(shù)，被稱為激光清潔技術(shù)。該技術(shù)利用一定能量的激光束輻射在銹蝕區(qū)域，使其表面快速升溫并引發(fā)熱擴(kuò)散、熱膨脹和熱應(yīng)力等一系列的反應(yīng)，從而令銹蝕脫落而不損壞基體表面。激光清潔技術(shù)作為激光加工技術(shù)的一種，同樣具有激光加工的典型特點(diǎn)，如自動化程度高、綠色無污染、可實(shí)現(xiàn)精細(xì)去除、操作簡便和無接觸式加工等。因此，激光清潔技術(shù)在復(fù)雜惡劣的海洋環(huán)境中具備顯著優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備，如深海實(shí)驗(yàn)鉆井平臺、船舶制造等。新加坡國立大學(xué)的Lu等利用分子激光器對不銹鋼進(jìn)行激光清潔，發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光能量密度較高、激光脈沖數(shù)量較大時，激光清潔的能力更強(qiáng)[13]。羅紅心等用CO2激光器對2024鋁合金進(jìn)行激光去漆，經(jīng)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(shù)在加工過程中可在船用鋼鐵材料的表面產(chǎn)生永久性的特征變化，如耐蝕性的增強(qiáng)、硬度和抗氧化能力的提高等。Kumar等利用激光清潔技術(shù)對Ti-3Al-2.5V管進(jìn)行表面清潔，再進(jìn)行焊接，然后檢測焊接后的表面形態(tài)、硬度、化學(xué)成分、金相組織等性能的變化。實(shí)驗(yàn)顯示，對激光清潔后的工件再進(jìn)行焊接，所制備的樣品具有更加優(yōu)良的焊接質(zhì)量[15]。Rechner等對AW6016鋁合金進(jìn)行激光清洗，并使用相關(guān)檢測方法觀察清洗前后的材料特性變化，發(fā)現(xiàn)激光清洗不僅去除了鋁合金表面的氧化膜，同時也增強(qiáng)了材料的表面特性[16]。

近年來，隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，人們研發(fā)出光束質(zhì)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(fù)頻率高，脈寬為幾納秒到幾百納秒，單脈沖能量可達(dá)毫焦量級，使其在工業(yè)領(lǐng)域，特別是海洋工程領(lǐng)域的激光清洗中具有很大的優(yōu)勢。同時，光纖激光器的運(yùn)維成本低，設(shè)備占地面積小，容易與其他自動化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成。因此，光纖激光器是激光清洗技術(shù)重要的發(fā)展方向之一。

5 激光表面微結(jié)構(gòu)防污技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用

當(dāng)艦船進(jìn)入港口的時候，人們發(fā)現(xiàn)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(jìn)而增加艦船的油耗以及維護(hù)成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海洋工程裝備因生物附著而造成的損失每年可達(dá)百億美元。這類會給人類經(jīng)濟(jì)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(hù)與去除，人們稱之為防污。因此，開發(fā)海洋工程裝備相關(guān)的防污技術(shù)，對海洋資源開發(fā)有著重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)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(xiàn)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(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn)，鯊魚之所以能保持清潔與其皮膚表面的超疏水微結(jié)構(gòu)存在重要的關(guān)系。Brennan等以鯊魚皮膚的表面微結(jié)構(gòu)為參照，在聚二甲基硅氧烷彈性體表面加工出超疏水微結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行防污實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，仿鯊魚表面微結(jié)構(gòu)可以顯著減少海洋生物附著[17]。

制備超疏水表面微結(jié)構(gòu)的方法有很多，如涂層法、電化學(xué)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(zhì)的表面潤濕性進(jìn)行精確的控制。而激光加工技術(shù)可利用高能量密度的激光束直接對材料進(jìn)行燒蝕，具有精度高、熱效應(yīng)小、容易獲得多級微結(jié)構(gòu)且不受加工材料限制等優(yōu)勢，是制備超疏水表面微結(jié)構(gòu)的重要技術(shù)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(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)[19]。

隨著加工技術(shù)的發(fā)展，微米級的結(jié)構(gòu)已經(jīng)無法滿足超疏水表面防污的需要，人們不斷研發(fā)納米級微結(jié)構(gòu)的制備方法。激光雙光子技術(shù)操作簡單方便，可以加工出納米級的三維表面微結(jié)構(gòu)。劉聚坤通過準(zhǔn)分子激光在ZnO晶體表面加工出30 nm的單凹槽結(jié)構(gòu)以及93 nm的納米線[20]。經(jīng)過多年的研究，激光微結(jié)構(gòu)防污技術(shù)精度已經(jīng)達(dá)到納米級，防污性能得到很大的改善，但是它對于微結(jié)構(gòu)的深度控制仍然比較困難，使得制備的微結(jié)構(gòu)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(shù)的變化都會對激光加工出來的微結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。目前，學(xué)者們?nèi)匀恍枰獙@些參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)和實(shí)驗(yàn)，以期完善激光表面微結(jié)構(gòu)的加工理論。

6 結(jié)束語

激光加工技術(shù)有很多獨(dú)特的優(yōu)勢，如能量密度高、熱效應(yīng)小、自動化程度高等。激光加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)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(chǎn)效率。目前，現(xiàn)代激光加工技術(shù)已經(jīng)朝著智能化的方向發(fā)展，將極大地促進(jìn)高精尖激光加工技術(shù)在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用深度和廣度。激光加工技術(shù)不僅可以廣泛應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域，還可以推廣應(yīng)用到航空航天、汽車制造和生物醫(yī)學(xué)等高端領(lǐng)域。因此，有必要結(jié)合國情促進(jìn)國內(nèi)相關(guān)研究工作的發(fā)展，使激光加工技術(shù)在我國海洋國防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮出重要的作用，推動我國的海洋工程制造工業(yè)早日躋身世界一流行列。