周鵬海 中電建成都鐵塔有限公司

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，傳統(tǒng)電力裝備制造業(yè)正逐步轉(zhuǎn)型。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇、利潤(rùn)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(duì)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(wèn)題，嚴(yán)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(yīng)用取代傳統(tǒng)加工方式顯得尤為迫切，這對(duì)于突破國(guó)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(guān)鍵問(wèn)題[1]。

一、激光加工技術(shù)的基本原理及其特點(diǎn)

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(shì)，其是將光學(xué)、機(jī)械、電學(xué)等多個(gè)學(xué)科融合到一起，從而可以更好地促進(jìn)機(jī)械制造領(lǐng)域的發(fā)展，下面將重點(diǎn)分析目前激光加工技術(shù)的原理以及優(yōu)勢(shì)，為進(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)。

（一）激光加工技術(shù)的基本原理

激光加工技術(shù)應(yīng)用到實(shí)踐中，其主要的工作原理就是通過(guò)電流撞擊把原來(lái)有能量的原子按照某個(gè)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(shí)現(xiàn)切割、焊接以及打孔等各個(gè)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(guó)當(dāng)前機(jī)械制造領(lǐng)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(dāng)前的實(shí)際情況分析，激光加工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，對(duì)于提高機(jī)械制造水平有著重要的幫助，這是因?yàn)榧す饧庸ぜ夹g(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(dá)到要求，所以在精密制造領(lǐng)域內(nèi)有著非常重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，激光加工技術(shù)可以更好地促進(jìn)工件加工精密度的提升，操作也非常方便快捷，不會(huì)給工作人員造成驗(yàn)收的傷害，還會(huì)提升加工工藝水平，且加工工程也不會(huì)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(jì)效益非常明顯，所以被大量地應(yīng)用到機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)。

（1）激光加工技術(shù)應(yīng)用的工藝集成性良好

較之其他加工技術(shù)來(lái)說(shuō)，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(shì)，主要的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)1 臺(tái)設(shè)備完成多個(gè)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(tái)機(jī)床可以完成多個(gè)加工工藝的同時(shí)施工，甚至可以按照不同工藝的標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)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(jìn)行對(duì)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(guò)激光加工技術(shù)開(kāi)展材料的焊接作業(yè)，其可以達(dá)到傳統(tǒng)焊接工藝技術(shù)的25 倍左右；如果通過(guò)激光加工技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)部件的開(kāi)孔作業(yè)，其速度是傳統(tǒng)機(jī)械打孔方式的4 萬(wàn)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(shí)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(jià)值，可以給機(jī)械制造領(lǐng)域帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，給行業(yè)發(fā)展提供良好基礎(chǔ)。

（3）適應(yīng)性較強(qiáng)

激光加工能夠使用于諸如高強(qiáng)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(yīng)性較強(qiáng)的特征。

二、輸電鐵塔制造中激光加工技術(shù)應(yīng)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(biāo)識(shí)、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(shì)用于板材件的加工。

現(xiàn)有的鐵塔加工技術(shù)無(wú)法滿足鐵塔制造業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)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(shè)備維護(hù)成本過(guò)高、適應(yīng)性不夠強(qiáng)等因素，制約了其加工應(yīng)用，但隨著激光器價(jià)格的逐步下降和設(shè)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(yīng)用步伐[2]。

三、激光加工技術(shù)在輸電鐵塔制造中的典型應(yīng)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(yīng)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(jī)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(yùn)與打磨等，對(duì)于橢圓孔、曲面等也具有良好的適應(yīng)性，還可實(shí)現(xiàn)切割與開(kāi)坡口的一次加工，且可實(shí)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(jī)和光纖激光切割機(jī)。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(qiáng)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(jī)來(lái)加工，激光切割總機(jī)時(shí)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(jiàn)激光切割具有一定的生產(chǎn)效率優(yōu)勢(shì)，最主要的是激光切割可實(shí)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(guó)標(biāo)。通過(guò)對(duì)切割面的顯微硬度測(cè)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(huì)有顯著下降。

（二）激光打標(biāo)

為便于輸電鐵塔現(xiàn)場(chǎng)安裝以及質(zhì)量管理體系的有效追溯、過(guò)程監(jiān)控，電網(wǎng)公司通常要求需在鐵塔構(gòu)件表面進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其標(biāo)識(shí)內(nèi)容常為工程塔型名稱、構(gòu)件編號(hào)等基本信息，傳統(tǒng)采用氣動(dòng)打字機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，可能存在字跡模糊、作業(yè)噪聲大等，激光打標(biāo)速度快、字體質(zhì)量高、深度深、局部熱效應(yīng)小、清潔無(wú)污染且可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工特點(diǎn)，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(biāo)的作用機(jī)理可分為加熱打標(biāo)、熔化打標(biāo)、汽化打標(biāo)3 種情況。

此外，伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)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(yīng)用的重要性，這也對(duì)激光打標(biāo)提出了更高要求，將二維碼技術(shù)與激光打標(biāo)深度融合，將是激光打標(biāo)未來(lái)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(jī)械沖/鉆孔，對(duì)于加工材料受限，激光打孔有著無(wú)接觸、生產(chǎn)效率高、加工精度高、速度快、成本低，無(wú)刀具的損耗、經(jīng)濟(jì)效益高、可實(shí)現(xiàn)較大深徑比的斜孔、異型孔加工，不會(huì)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(yīng)用于工業(yè)制造中。激光打孔可分為復(fù)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(lái)，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(jìn)一步推動(dòng)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(shí)其抗拉強(qiáng)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(duì)打孔孔壁周?chē)鸁嵊绊憛^(qū)力學(xué)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(guò)程中組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，使得內(nèi)應(yīng)力得到釋放，會(huì)有所改善。

（四）激光除銹

輸電鐵塔熱浸鍍鋅預(yù)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(chǔ)。目前，所采用的方法主要是采用鹽酸進(jìn)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(diǎn)，隨著國(guó)家環(huán)保政策的不斷出臺(tái)、人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)以及激光產(chǎn)業(yè)的逐漸發(fā)展，采用激光除銹來(lái)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(guān)領(lǐng)域得到應(yīng)用，有著廣闊的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)激光除銹技術(shù)起步比較晚，還大多處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，激光除銹技術(shù)工業(yè)化實(shí)際應(yīng)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(hù)焊、埋弧焊與手工電弧焊等方式，如此會(huì)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(wèn)題。而激光焊接除可有效解決上述問(wèn)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(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。根據(jù)焊縫特點(diǎn)的不同，激光焊接可分為熱導(dǎo)焊與深熔焊，其中熱導(dǎo)焊一般用于熔池深度較淺、寬度要求較小的焊接領(lǐng)域，深熔焊適用于一般的機(jī)械制造領(lǐng)域。

近十年來(lái)，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(fù)合焊、激光填絲焊、激光飛行焊、激光釬焊等多種激光復(fù)合焊接技術(shù)和工藝，應(yīng)用于復(fù)雜構(gòu)件的加工。

四、發(fā)展趨勢(shì)

雖然我國(guó)的激光加工技術(shù)起步較國(guó)外晚，但隨著國(guó)家戰(zhàn)略“中國(guó)制造2025”的不斷實(shí)施、國(guó)家環(huán)保新政策的不斷推出以及國(guó)家電網(wǎng)“新基建”和鐵塔新技術(shù)應(yīng)用等新形勢(shì)，同時(shí)，我國(guó)激光研究企業(yè)和科研機(jī)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(lǐng)域新應(yīng)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(guó)外的差距會(huì)逐步縮小。

未來(lái)，激光加工技術(shù)會(huì)有如下發(fā)展趨勢(shì)：①高功率激光器小型化、低成本，突破關(guān)鍵核心部件制造技術(shù)，強(qiáng)化技術(shù)攻關(guān)，提高核心基礎(chǔ)的自主可控水平。②加工工序集成化，達(dá)到一臺(tái)設(shè)備可進(jìn)行多工序的加工。③激光設(shè)備的柔性化、自動(dòng)化、智能化的提升，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化、自動(dòng)化和信息化。④激光新應(yīng)用的機(jī)理、工藝等應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。⑤規(guī)?；瘧?yīng)用。

五、結(jié)語(yǔ)

激光加工技術(shù)作為一種先進(jìn)加工技術(shù)，能適應(yīng)高度柔性與智能化的加工要求，滿足輸電鐵塔制造的自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化需求，可促進(jìn)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(duì)于鐵塔制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)減量化、降低成本、節(jié)約工時(shí)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(dòng)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(yīng)多種材料加工成型等其他加工技術(shù)無(wú)法比擬的諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)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(jìn)吸收，必將推動(dòng)激光加工技術(shù)在輸電鐵塔制造行業(yè)的應(yīng)用，帶動(dòng)該類企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，而激光行業(yè)也必將逐步適應(yīng)該行業(yè)的需求，進(jìn)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。