IPG高功率光纖激光器在巖石及泥土材料處理中的應(yīng)用
高功率光纖激光（千瓦以上）在最近一兩年內(nèi)得到了迅速的發(fā)展，隨著價(jià)格的不斷下降，功率的不斷提高（現(xiàn)已經(jīng)達(dá)到5萬(wàn)瓦，預(yù)計(jì)最近幾年之內(nèi)有望達(dá)到50萬(wàn)瓦），其應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大。從室內(nèi)裝修，天然氣井鉆探，深海新能源的獲取，到核電站日常維護(hù)等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
在過去的八年中，GTI（氣體開發(fā)技術(shù)研究所（美國(guó)））在使用高功率激光對(duì)巖石進(jìn)行切割及粉碎等方面進(jìn)行了深入的研究。最近又對(duì)天然氣井開采中使用高功率光纖激光進(jìn)行了深入的概念研究，他們采用了IPG公司生產(chǎn)的5千瓦摻鐿光纖激光器，在大氣壓下及淺層近地表?xiàng)l件下進(jìn)行了對(duì)硅酸鹽及碳酸鹽巖石的開鑿方面的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果包括使用較低的能量在沙巖及石灰?guī)r上鉆孔，深度為300毫米。成功的激光巖石切割應(yīng)用開啟了許多新的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。
最初GTI使用了高功率軍用激光器并取得了很多技術(shù)層面上的成功，但由于價(jià)格昂貴，沒有辦法在商業(yè)領(lǐng)域中推廣。GTI把重心轉(zhuǎn)向使用商用激光器，研究結(jié)果表明，工業(yè)激光在巖石開鑿方面完全可以與現(xiàn)存機(jī)械方法達(dá)到效果相同的水平（能量水平），且具有更高的效率。
光纖激光在施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用方面明顯優(yōu)于任何其它種類的激光，包括在開礦、隧道開鑿、切割和巖石及混凝土鉆孔等方面。光纖激光能夠通過很長(zhǎng)的光纖將足夠的能量傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的目標(biāo)。光纖激光超高的電光轉(zhuǎn)換效率（30%），良好的光束質(zhì)量，車載機(jī)動(dòng)性及設(shè)備的穩(wěn)定性和免維護(hù)性等特點(diǎn)使得它在此類應(yīng)用領(lǐng)域里成為最佳的選擇。
有很多高功率光纖的應(yīng)用已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用中得到認(rèn)可。比如美軍在阿富汗成功使用安裝在悍馬吉普車上的2千瓦光纖激光進(jìn)行遠(yuǎn)程爆炸物清除。Edison焊接研究所設(shè)計(jì)的4千瓦混凝土鉆孔系統(tǒng)對(duì)處于美國(guó)加州地震帶上的醫(yī)院建筑物的加固工程中的成功應(yīng)用等。
使用激光進(jìn)行巖石去除所需能量的數(shù)據(jù)對(duì)比
以上圖表蘭色表示Berea沙石，而褐色表示石灰石，縱坐標(biāo)為去除一個(gè)CC所需要的能量（KJ）。結(jié)果表明光纖是最有效的激光源，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的氣體及固體激光。
他們使用聚焦過的連續(xù)激光對(duì)普通采石場(chǎng)石灰石石料進(jìn)行了穿透實(shí)驗(yàn)，穿透深度>300毫米。穿孔主要是通過煅燒進(jìn)行，在825 OC下CaO3分解為CaO和CO2。由于CaO的熔化溫度為2570OC，所以CaO難以變成流體。
同樣的穿透深度，他們對(duì)Berea沙石進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，其主要構(gòu)成物為石英沙，SiO2, 他們觀察到的最節(jié)省能源的方法是進(jìn)行高溫剝落，這只需要400-800 OC，在此溫度下，由于較高的溫度梯度造成的溫度應(yīng)力會(huì)使得不同礦物質(zhì)形成不同的膨脹，從而導(dǎo)致顆粒間連接鍵的斷裂。
不同于石灰石，當(dāng)Berea石英顆粒的溫度超過1610 OC時(shí)，就會(huì)熔解。這會(huì)導(dǎo)致光束的能量從剝落轉(zhuǎn)為熔解，使得切割效率大大降低！為了避免熔解的發(fā)生，可以通過改變能量的傳輸率及切割時(shí)間，而限制在巖石中的能量累積。
在Berea巖石中使用光纖激光進(jìn)行打孔的實(shí)驗(yàn)
在一塊300毫米見方的Berea石料上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。鉆孔主要用于將鋼管嵌入吸滿液體的巖石中，生成石油、天然氣或水的生產(chǎn)通道。而傳統(tǒng)的機(jī)械方法會(huì)對(duì)巖石結(jié)構(gòu)及流體管路造成不可修復(fù)的損壞。
實(shí)驗(yàn)中他們使用了300微米的光纖，然后將其擴(kuò)束為25毫米，75psig（517Kpa）的壓縮空氣通過6.35毫米的不銹鋼管噴嘴，其距離目標(biāo)物25毫米。鏡頭及噴嘴都被固定在機(jī)器人的手臂上，并同時(shí)以22.6RPM的速度走25.4毫米的圓形軌跡。噴嘴隨著深度的增加不斷進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，他們將激光的功率設(shè)為3.2千瓦，以1分鐘連續(xù)發(fā)射激光為一個(gè)間隔，共發(fā)射6次，此時(shí)可以切入150毫米的深度，然后他們將實(shí)驗(yàn)石塊翻轉(zhuǎn)過來，從另外一面用相同的方法打另外一半。結(jié)果是開鑿了一條300毫米的管道，這是至今為止使用激光在Berea上打孔的最高記錄，管道的直徑約為50毫米，總材料的移動(dòng)量為210cc。
從兩面切割可以減小邊界效應(yīng)，而他們也進(jìn)行單面的穿透實(shí)驗(yàn)，但存在邊界效應(yīng)，包括當(dāng)接近完全穿透時(shí)，能量消耗明顯加大，熱傳導(dǎo)特性也發(fā)生了變化。這些變化在以往的實(shí)驗(yàn)中也有所觀察，并同樣品的幾何形狀及實(shí)驗(yàn)設(shè)置有很大的關(guān)系。
結(jié)論展示
在所有的激光/巖石實(shí)驗(yàn)中，特定能量（SE），單位體積所需能量（KJ/cc）是一個(gè)重要的參數(shù)。他們?cè)谇懈钜陨?00毫米的石料的SE值為5.5KJ/cc。整個(gè)剝落實(shí)驗(yàn)所用的激光能量為1155KJ，或0.32KWh（千瓦小時(shí)）。在管道壁上沒有觀察到礦物質(zhì)熔化的痕跡，并且沒有觀測(cè)到任何損傷，這在傳統(tǒng)的鉆孔方式是做不到的！
前景展望
進(jìn)一步的研究正在進(jìn)行，包括結(jié)合液體噴射技術(shù)和超過2000psig的高壓實(shí)驗(yàn)，下一步的實(shí)驗(yàn)包括在孔中操作的設(shè)備原型、實(shí)驗(yàn)室及野外現(xiàn)場(chǎng)施工使用。實(shí)驗(yàn)的裝置將被集成于復(fù)雜的大型鉆井完整系統(tǒng)之中。其它使用激光在不同的地質(zhì)材料上的切割、鉆孔等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將含蓋能源、礦產(chǎn)、軍事、國(guó)土安全、航天、建筑及搶險(xiǎn)救災(zāi)等諸多領(lǐng)域。
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