在船舶、飞机、汽车和机车车辆等运输机械的制造中,板材结构的连接直到目前仍主要使用铆接工艺,这是由于传统的焊接方法(如火焰、电弧、等离子体弧等)热源是发散的,能量密度较低,因此焊接速度低,热输入量大,造成焊接接头性能差。与传统焊接热源不同,激光具有优良的传输和聚焦特性,经过聚焦镜组后可以将能量高度集中。因此,激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的区域,作用时间大大缩短,加工速度大大提高,得到极其细小的焊缝组织,近缝区的热影响很小,焊接结构的变形也最小,保证了焊接接头良好的性能。
以汽车工业为例,从样车的开发、零部件的制造到车身总装,激光无所不在。在样车的开发和小批量生产中,高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具,不仅节省大量的模具,同时新车型的开发周期大为缩短。在汽车零部件制造方面,多种汽车变速箱激光焊接替代了传统花键连接、电子束焊接,大大提高了生产效率和变速器的整体质量与性能,降低了变速器齿轮的制造成本,选择多,节省材料,减化多种工艺流程;根据车身不同部位的承重和使用要求,利用激光焊接将不同材质、不同厚度和不同表面状态的坯板拼焊在一起,然后一次压制成型制造车身部件,车身部件使用由激光薄厚大板拼接的组合板,显著降低了车身重量,取代了传统的拼焊方式。在车身总装上,激光焊接和钎焊取代了传统的电阻点焊工艺。由于激光制造技术所具有的无与伦比的优势,在欧洲,几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中无一例外的大量采用激光加工。实际上,激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。
激光制造是效率最高、流程最短、整体性最高(密封性、强度就是整体性和散件区别的标志)、最节约高合金材料,轻型化、节省能源的制造方式。
1.2 激光制造在船舶制造中应用的国内外现状
在20世纪90年代中期,激光作为一种重工业制造工具用于造船工业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革,焊接方法、工艺和设备也稳步发展,从早先的气焊、电弧焊,发展到激光焊。造船技术的不断发展,带动了造船材料和船舶设计的重大变化。图1所示为造船工业中三明治夹层板的激光焊接。
图1 造船工业中“三明治”板的激光焊接