摘 要： 工业生产向自动化、智能化、柔性化方向发展，激光加工技术由于具有非接触、效率高、加工精度高、质量高、能适应多种材料加工成型等其他加工技术无法比拟的诸多优势，广泛应用于输电铁塔制造中。针对激光加工技术工作原理及特点，阐述了输电铁塔激光加工应用的必然性，介绍了输电铁塔加工中的激光加工技术的典型应用，并对激光加工技术的未来发展趋势进行了展望。
关键词 : 激光加工技术;输电铁塔;典型应用;发展趋势;
Abstract： With the automation, intelligence, and flexibility of industrial production, laser processing technology is widely used in the manufacturing of transmission tower due to its advantages of non-contact, high efficiency, high precision, high quality, and adaptability to the processing and molding of various materials.Based on the working principle and characteristics of laser processing technology, this paper puts forward the inevitability of the application of laser processing technology in the manufacturing of transmission tower, introduces the typical application of laser processing technology in transmission tower processing, and prospects the future development trend of laser processing technology.
Keyword： laser processing technology; transmission tower; typical application; development trend;
0 、引言
随着智能电网建设的不断推进，传统电力装备制造业正逐步转型。由于市场竞争的不断加剧、利润的逐步下滑以及质量的不断提高，使得输电铁塔制造企业对产品的交货期和加工质量更加重视。然而传统加工技术生产效率低、加工精度低、成本高等问题，严重制约了铁塔制造业的快速发展。因此，新加工技术的应用取代传统加工方式显得尤为迫切，这对于突破国外技术壁垒也显得十分重要。因此，如何优化加工技术、降低制造成本成为输电铁塔制造企业发展的关键问题。
激光加工技术作为一种先进加工技术，能适应高度柔性与智能化的加工要求，满足输电铁塔制造的自动化、机械化、智能化需求，可促进电力装备制造业的发展及输电铁塔的加工制造优化，对于铁塔制造企业实现减量化、降低成本、节约工时和节能环保等方面发挥重要作用。近年来，随着激光设备的柔性化、智能化、大功率激光器件以及相配套制造系统的发展，使得激光加工技术应用于输电铁塔制造中成为可能。本文针对激光加工技术的原理、特点和输电铁塔制造的工艺，简述了激光加工技术在输电铁塔制造中的典型应用与发展。
1、 激光加工技术的原理、特点及优势
1.1 、激光加工技术的原理
激光加工是一种十分重要的高能束加工方法，具有激光方向性强、亮度高、单色性好、相干性好等特性[1]。激光加工技术的原理是通过激光发生器发出的激光经过转换，经过透镜聚焦得到平行度很高的柱状或带状的光束，获得极高的能量密度集中到加工材料上很小的一个区域，加工材料在吸收激光照射的能量后在极短时间内迅速升温，会根据加工材料性质的不同发生一系列的物理或化学变化而被熔化、烧蚀甚至汽化。伴随着激光能量的不断被吸收，加工材料凹坑内的金属蒸气迅速膨胀，相应的压力也突然增大，造成高速喷射出爆炸式的熔融物，在加工材料的内部形成方向性很强的冲击波(热应力),从而达到使加工材料被去除、连接、改性和分离、改变材料的性能等加工的目的。其是加工材料在光热效应下产生高温熔融和受冲击波抛出的综合作用，其实质是将一定功率密度的激光束聚焦在加工材料上，使激光与材料在光热效应下作用产生高温熔融和受冲击波抛出的一种综合过程。通过对激光与加工材料的相互作用可以将该过程划分为加工材料对激光吸收、加工材料的加热、加工材料的熔化与汽化、激光等离子体屏蔽现象4个物理描述阶段。
1.2、 激光加工技术的特点及优势
相对于其他传统加工技术而言，激光加工技术具有独特的特点与优势。
1.2.1、 多工序集成性强
通常输电铁塔加工流程比较多，包含切割、打孔、焊接等多道工序，采用普通的加工技术只能实现单一工序作业，造成加工工时延长且未能做到资源整合，激光加工技术可以实现在同一台设备上完成多种加工工序，大幅提高作业效率，经济效益好。
1.2.2、 加工质量好
在加工过程中，由于激光光束的能量密度高，但其加工移动速度较快，作用时间短，热影响区很小，加工材料的变形小，后续无需二次加工，降低加工成本。
1.2.3 、非接触式加工
加工不用刀具，无刀具的磨损、替换与拆装问题，不会产生机械力，加工时无噪声、振动小，不产生污染，绿色环保。
1.2.4、 加工范围广
可加工金属材料、非金属材料、复合材料以及木材等，也可以实现高硬度或脆度、熔点高的材料加工，此外其加工材料的形状也比较广。
1.2.5、 操作灵活性好
由于激光光束易于导向、聚集和发散，可很方便地控制其工作方向，再结合数控加工系统，可对复杂的工件进行加工，实现加工的自动化。
1.2.6、 抗干扰性好
不受电磁和外界环境的干扰，可以在大气环境中进行加工，可通过光学透明介质对工件进行各种加工。
1.2.7 、材料利用率高
利用自动排版、共边加工与影像套料，最大限度地提高材料的利用率，大幅降低材料成本。
2 、输电铁塔制造中激光加工技术应用的必然性
输电铁塔制造主要工艺包括下料、制孔、打标识、切角切肢、制弯、拼装、焊接、镀锌和包装等工序，其加工主要以角钢和板材原材料为主，而根据激光加工技术与输电铁塔的结构特性，主要优势用于板材件的加工。
现有的铁塔加工技术无法满足铁塔制造业快速响应市场与质量效率优先的要求，不能满足铁塔制造业的需求。此外，铁塔结构中有大量的不规则结构，其材料和规格也是多种多样的，采用激光加工技术可有效保证结构件的尺寸精度与装配质量，提高生产效率。就目前而言，激光加工还存在加工成本高、设备维护成本过高、适应性不够强等因素，制约了其加工应用，但随着激光器价格的逐步下降和设备柔性化、智能化水平的不断提高，必将加快激光加工技术在铁塔制造行业中的应用步伐。
3 、激光加工技术在输电铁塔制造中的典型应用
3.1、 激光切割
在激光加工技术的发展中，激光切割最早应用于工业制造中，切割速度快、灵活性高、切割表面质量好，可直接加工成品构件[2]。与常规的火焰、等离子切割、剪板机相比，由于其单位面积能量较大，可用于切割割缝较小的高精度产品加工，热变形小、切割断面质量好、切割锥度小及减少后续二次加工、转运与打磨等，对于椭圆孔、曲面等也具有良好的适应性，还可实现切割与开坡口的一次加工，且可实现多种坡口形式。
目前，输电铁塔板材加工主要使用CO2激光切割机和光纤激光切割机。激光切割产品涉及铁塔中的塔脚、连板、挂线板等构件产品，这些构件具不规则性且其材料、规格也不一，厚度以6～30 mm板为主，切割材料材质可用Q235～Q420的高强度板。以某±800 kV直流输电角钢塔而言，其中板材件的加工量约20%(335 t),经与传统加工方式比较，若采用总功率为30 kW光纤激光切割机来加工，激光切割总机时135 h, 其加工效率分别为：传统加工为65 t/d, 激光切割64 t/d, 由此可见激光切割具有一定的生产效率优势，最主要的是激光切割可实现共边下料，排版比传统方式更紧密，按照行业数据板材利用率提高2%～5%而言，仅该工程可节约材料16.75 t, 其切割尺寸精度也优于国标。通过对切割面的显微硬度测试，得到其上表面的硬化效果较高，但在热浸镀锌作用下其硬度会有显着下降。
3.2、 激光打孔
在输电铁塔传统制造中，打孔通常采用机械冲/钻孔，对于加工材料受限，激光打孔有着无接触、生产效率高、加工精度高、速度快、成本低，无刀具的损耗、经济效益高、可实现较大深径比的斜孔、异型孔加工，不会产生碎屑或毛刺等，适用的材料广泛，其加工孔径可从0.2 μm～1.5 mm不等[3],而被广泛应用于工业制造中。激光打孔可分为复制法(或称为冲击打孔)和轮廓迂回法，其分别又可分为单脉冲打孔和多脉冲打孔、环切式打孔和螺旋式打孔[4]。近年来，随着超短脉冲激光的出现，激光打孔质量得到了质的飞跃，进一步推动了激光打孔技术的发展。
激光打孔也可用于铁塔制造中的塔脚板、连接板、角钢塔身、塔脚杆件连接螺栓孔等构件产品加工，其加工效率可提高8倍左右，同时其抗拉强度较传统工艺可提高2.4%～16.0%。在加工精度上也有明显提升，对打孔孔壁周围热影响区力学性能分析得知，孔壁表面有0.5～0.8 mm的热影响区，孔上部的深于孔下部，且随着板厚的增大其效果越明显，在热浸镀锌过程中组织结构的转变，使得内应力得到释放，会有所改善。
3.3 、激光焊接
在输电铁塔制造中，激光焊接可用于塔脚、挂线板等组焊件的焊接，传统铁塔结构的焊接大多采用CO2气体保护焊、埋弧焊与手工电弧焊等方式，如此会造成焊接变形量大、人工作业量大、焊渣飞溅多以及影响作业人员职业健康等问题。而激光焊接除可有效解决上述问题外，还具有熔深大、热影响区窄、不受外界条件影响等，而被广泛应用于工业领域。根据焊缝特点的不同，激光焊接可分为热导焊与深熔焊，其中热导焊一般用于熔池深度较浅、宽度要求较小的焊接领域，深熔焊适用于一般的机械制造领域。
近十年来，随着激光焊接技术的迅猛发展，焊接工艺也在不断创新，目前已出现诸如激光-电弧复合焊、激光填丝焊、激光飞行焊、激光钎焊[5]等多种激光复合焊接技术和工艺，应用于复杂构件的加工。
3.4、 激光打标
为便于输电铁塔现场安装以及质量管理体系的有效追溯、过程监控，电网公司通常要求需在铁塔构件表面进行标识，其标识内容常为工程塔型名称、构件编号等基本信息，传统采用气动打字机来实现，可能存在字迹模糊、作业噪声大等，激光打标速度快、字体质量高、深度深、局部热效应小、清洁无污染且可实现自动化加工特点，完全可适用于铁塔制造中。按照激光器激光能量的不同，激光打标的作用机理可分为加热打标、熔化打标、汽化打标3种情况。
此外，伴随着信息技术的发展，越来越多企业管理人员高度重视新一代信息技术与制造业融合应用的重要性，这也对激光打标提出了更高要求，将二维码技术与激光打标深度融合，将是激光打标未来的发展方向之一。
3.5、 激光除锈
输电铁塔热浸镀锌预处理可去除钢材表面各种污垢、油脂、铁锈、氧化皮和焊渣等，保证钢材表面清洁度与一定的“粗糙度”,为后续助镀、镀锌工序打好基础。目前，所采用的方法主要是采用盐酸进行酸洗，容易产生污染且损伤母材，激光除锈具有清洗度高、控制性好、绿色环保等优点，随着国家环保政策的不断出台、人们对环保意识的日益增强以及激光产业的逐渐发展[6],采用激光除锈来代替传统的除锈方法，绿色环保的激光除锈技术正逐渐在有关领域得到应用，有着广阔的发展前景。国内激光除锈技术起步比较晚，还大多处在实验室研究阶段，激光除锈技术工业化实际应用还有一段距离。
4、 发展趋势
虽然我国的激光加工技术起步较国外晚，但随着国家战略“中国制造2025”的不断实施、国家环保新政策的不断推出以及国家电网“新基建”和铁塔新技术应用等新形势，同时，我国激光研究企业和科研机构奋力追赶与技术积累和沉淀，新型激光器和激光不同领域新应用的持续出现，激光加工技术的作用将更为突出，与国外的差距会逐步缩小。
未来，激光加工技术会有如下发展趋势：①高功率激光器小型化、低成本，突破关键核心部件制造技术，强化技术攻关，提高核心基础的自主可控水平。②激光设备的柔性化、自动化、智能化的提升，实现产品生产过程的数字化、自动化和信息化。③加工工序集成化，达到一台设备可进行多工序的加工。④激光新应用的机理、工艺等应用基础的研究。⑤规模化应用。
5、 结语
相信随着激光加工技术的不断发展以及互联网+、5G等信息化技术的引进吸收，必将推动激光加工技术在输电铁塔制造行业的应用，带动该类企业的转型升级，而激光行业也必将逐步适应该行业的需求，进一步向着低成本、高质量、智能化的方向发展，助力于铁塔制造企业高质量发展。
参考文献
[1]“我国激光技术与应用2035发展战略研究项目综合组我国激光技术与应用2035发展战略研究[J]中国工程科学, 2020.,223):1-6.
[2]陈希章,苏传出,程军辉激光切割技术在船舶制造中的应用现状与发展趋势[J].金属加工(热加I),2018(3);1-4+9.
[3] Singh P,Pramanik A.Basak A K,et al. Developments of non-conventional dilling methods- -a review [J]. The International Joural of Advanced Manufacturing Technology,2019,106(5-6):2133-2166.
[4]王琪琪SUS304不锈钢激光打孔数值模拟及实验研究[D]镇江:江苏大学, 2018.
[5]李苏,张占辉,韩善果,等激光技术在材料加工领域的应用与发展[J]精密成形工程, 2020, 12(4):76-85.
[6]顾波激光加工技术及产业的现状与应用发展趋势[]金属加工(热加工),2020(10):37-42+47.
