1已認(rèn)識到大功率激光設(shè)備是非常適合在土木工程中應(yīng)用的一種潛在工具。它可以用來切割、打孔和焊接。比傳統(tǒng)技術(shù)，激光有以下優(yōu)點(diǎn)：1）無噪聲處理，2）基于熱能原理切除材料，無機(jī)械振動和反沖力，3）不需要反沖防護(hù)墻，4）因?yàn)槭菬o接觸加工，故可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離加工，5）二次廢物少，6）易于與機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)合，利用輕量激光頭實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。
綜合各方面的要求，一套適用于土木工程的激光加工系統(tǒng)應(yīng)具備：1）最低10kW的功率，2）好的光束質(zhì)量和近紅外波長，利于通過光纖傳輸，3）對電源的依賴性小，以便用于建造車載或直升飛機(jī)裝載的移動激光系統(tǒng)。
在各種高功率激光器中，如激光器，YAG激光器等，氧2碘化學(xué)激光器（COIL）是唯一能滿足上述要求的激光器，因?yàn)樗梢赃B續(xù)波運(yùn)轉(zhuǎn)方式輸出幾兆瓦高質(zhì)量光束，其工作波長11315Λm可通過硅光纖以極低的損耗傳輸。最重要的是，該激光系統(tǒng)不依賴于供電電源，這得益于其獨(dú)一無二的抽運(yùn)機(jī)制。因此，除了真空抽運(yùn)驅(qū)動外，理論上在抽運(yùn)過程中不需要外部電源。如果考慮移動激光系統(tǒng)，這是氧2碘化學(xué)激光最大的優(yōu)點(diǎn)。反之，其他的高功率激光器或YAG激光器，則需要巨大的設(shè)備作為電源，使建造移動系統(tǒng)非常困難。
這項研究的最后階段是實(shí)現(xiàn)移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)，用于如核電站停運(yùn)、減災(zāi)和土木工程等。過去已經(jīng)報道一些進(jìn)行巖石開鑿和混凝土(泵送混凝土設(shè)備堵管故障排除)切割的實(shí)驗(yàn)。然而，沒有關(guān)于氧2碘化學(xué)激光處理無機(jī)材料的數(shù)據(jù)，而這對于移動激光系統(tǒng)的概念性設(shè)計是必須的。在這項研究中，我們推導(dǎo)了氧2碘化學(xué)激光對無機(jī)材料的切割性能，以闡明移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)的可行性。
2切割和打孔理論
東海大學(xué)的氧2碘化學(xué)激光裝置并不適合激光處理實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗淖畲筝敵龉β蕿?00W，遠(yuǎn)小于預(yù)想實(shí)驗(yàn)的假定值，且其運(yùn)行周期極限僅30秒。因此我們采取如下策略：首先，進(jìn)行激光打孔實(shí)驗(yàn)以測定各種材料的激光2物質(zhì)相互作用參數(shù)。然后將這些參數(shù)代入理論模型以推算激光切割機(jī)性能。這種方法的正確性在下節(jié)得到驗(yàn)證。
2.1激光打孔模型給出激光打孔示意圖。
我們作如下假定以得出激光束與一些材料相互作用的一個理論模型。1）激光束假定為圓柱型，在現(xiàn)場應(yīng)用中，焦距和材料厚度相比很長，因此上述假定是合理的。2）部分激光通過吸收轉(zhuǎn)變成熱量，然后材料開始熔化，當(dāng)溫度升到材料玻璃化溫度時形成一熱點(diǎn)。3）然后，熱點(diǎn)的一部分通過氣化最終從上表面逸出。4）熱點(diǎn)儲存的部分熱能以恒定速率通過其表面擴(kuò)散。5）因?yàn)闊釗p耗速率是一個常數(shù)，因此熱點(diǎn)的厚度不變。6）材料表面的熱輻射忽略不計。7）熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散系數(shù)和其他系數(shù)假定與溫度無關(guān)。8）熱點(diǎn)內(nèi)的溫度均勻分布，并假定為玻璃化溫度。
因此，激光功率和材料內(nèi)熱量的熱平衡方程為熱點(diǎn)厚度（mm）。
等式右邊第一項代表每秒單位體積氣化損耗的凈能量。右邊第二項指由熱傳導(dǎo)引起的熱損耗。只有熱點(diǎn)的側(cè)表面對熱損耗有貢獻(xiàn)，因?yàn)閺南卤砻鎮(zhèn)鲗?dǎo)的熱實(shí)際上造成材料切除。為了能推導(dǎo)出特定材料的物理常數(shù)，這里Ν和Γ是僅取決于材料特性和激光波長的常數(shù)。因?yàn)檫@些常數(shù)可用實(shí)驗(yàn)方法測定，假如等式（2）成立，我們可推導(dǎo)任意激光功率和光斑直徑下的打孔性能。
2.2激光切割機(jī)模型
在這種情況下，激光束移動方向與切割速率假定和打孔情況下一樣，因?yàn)檫@僅取決于材料的特性。另一方面，熱點(diǎn)側(cè)表面的前后部分熱傳導(dǎo)損耗不考慮，因?yàn)榍罢撸ê痛蚩浊闆r類似）造成材料在下一時刻熔化，后者可忽略，因?yàn)樵谄浜鬀]有被加工材料。因此熱僅從垂直于移動方向的側(cè)表面耗散。因此，下面的過程使我們能推導(dǎo)任意輸出功率和光束直徑下氧2碘化學(xué)激光的切割性能。
1）通過打孔試驗(yàn)確定Ν和Γ。
在實(shí)際應(yīng)用中，激光束可能并不是圓柱形，而是通過透鏡會聚。被激光切除的材料為錐臺形狀，因此測得的打孔深度應(yīng)當(dāng)轉(zhuǎn)換成等體積下的圓柱體的深度。給出會聚激光束切除物質(zhì)的幾何形狀。為確保上述方法的正確性，打孔和切割實(shí)驗(yàn)都通過一臺115激光裝置進(jìn)行，其運(yùn)轉(zhuǎn)周期足以滿足這兩種實(shí)驗(yàn)。
3結(jié)果與討論
激光對凝灰石樣品打孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果其次，在激光功率為500，1000和1500W情況下，以不同切割速率進(jìn)行切割演示實(shí)驗(yàn)。每次實(shí)驗(yàn)后測出切槽深度，并把它定義為切割深度。切割速率對切割深度的函數(shù)關(guān)系。曲線代表理論值，實(shí)際切割和預(yù)計切割性能的比較推算出。可看出從模型推算的切割速率值與從實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際值非常吻合。因此可以確定，對現(xiàn)有的氧2碘化學(xué)激光裝置進(jìn)行的打孔實(shí)驗(yàn)，能推算任意規(guī)模氧2碘化學(xué)激光裝置的切割性能。
碘化學(xué)激光器打孔實(shí)驗(yàn)300W級超聲速的氧2碘化學(xué)激光打孔實(shí)驗(yàn)示意裝置如所示。在此實(shí)驗(yàn)中，激光束通過一150mm的凸透鏡進(jìn)行聚焦，該實(shí)驗(yàn)條件下的激光最大輸出功率為300W.實(shí)驗(yàn)中測試了6種無機(jī)材料。第一種是從北海道采集的凝灰石。在濱豐隧道倒塌的巖石就屬于凝灰石。這種巖石廣泛分布在北海道地區(qū)，并認(rèn)為是一種危險的巖石。第二種樣品是用作鋪路的柏油混凝土，按照日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（JIS）進(jìn)行的穿透實(shí)驗(yàn)結(jié)果為69110mm；第三種是商用A2型混凝土，其壓縮強(qiáng)度為8Nmm.根據(jù)JIS標(biāo)定其規(guī)格型號為A5406.第四種材料是鋪路用的混凝土板，其特征重量和壓縮強(qiáng)度分別為2120和50Nmm。第五種和第六種分別為復(fù)合板和瓦，這兩種材料很容易從自選商場買到。
和CO激光實(shí)驗(yàn)類似，材料的Ν和Γ參數(shù)可以通過打孔實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)出。作為所有實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的代表，給出了混凝土板樣品的氧2碘化學(xué)激光激光打孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其他樣品的打孔實(shí)驗(yàn)結(jié)果。氧2碘化學(xué)激光切割機(jī)速度與激光輸出功率的函數(shù)關(guān)系。和預(yù)計的一樣，氧2碘化學(xué)激光對混凝土塊的切割性能比對混凝土板的好。由于柏油混凝土和混凝土板的主要成分基本類似，預(yù)計切割性能也應(yīng)相似。但是，我們發(fā)現(xiàn)對柏油混凝土的切割性能比混凝土板的切割性能稍好，這是因?yàn)樵诎赜突炷林泻幸恍┛扇嘉铮缑河汀１M管巖石中僅含有極少量易燃物質(zhì)，但是對凝灰石的切割比對柏油混凝土的切割容易，因?yàn)槟沂奶卣髦亓勘劝赜突炷列 Ｒ_(dá)到10mms實(shí)用切割速度，切割所需的激光功率可計算得到。
4結(jié)論
我們通過激光打孔實(shí)驗(yàn)推算了任意功率下的氧2碘化學(xué)激光對無機(jī)材料切割的速率。利用簡化熱平衡方程推導(dǎo)了描述光束和材料相互作用的理論模型，這種模型的有效性通過商用激光裝置得到驗(yàn)證。推算的結(jié)果表明，對實(shí)驗(yàn)所用的所有無機(jī)材料，約25kW的輸出功率即可實(shí)現(xiàn)10mms的切割速率。
這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果對移動氧2碘化學(xué)激光系統(tǒng)的概念性設(shè)計非常有益。
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