21世纪是海洋的世纪,在建造、维修及拆除海洋平台、海底管道、海底储油库等海洋工程结构物时,存在着维修或拆除费用高昂、作业环境恶劣、安全性差和破坏海洋生态环境等问题。而光纤激光水下切割技术具有高效便捷、节约成本、安全环保的优势,已经成为一种前景广阔的技术手段。与CO2激光器相比,光纤激光器更加适用于水下复杂环境的切割作业,因为其具有小型轻量化、维护成本低、稳定性强、容易实现大功率化、可长距离传输等优势。(1)本文主要研究光纤激光水下切割不锈钢的数值仿真及实验研究。在ANSYS中模拟光纤激光水下切割不锈钢的温度场,研究不同激光功率和切割速度对光纤激光切割温度场的影响。对材料的热物理性参数和水的对流换热系数的变化规律进行线性简化,便于更加准确地设定材料与环境的边界条件。相同时刻下,最高温度点的位置由切割速度的快慢决定。(2)在氩气辅助的光纤激光水下切割1mm厚304不锈钢板实验中,通过测量切缝平均宽度来研究激光功率、切割速度、水层厚度、水体条件等对切割效率及切割质量的影响规律。以1500 W激光功率和300 mm/min切割速度切割水下5mm处的1mm厚304不锈钢板获得的切缝最为平整,切割质量最佳。宏观上,切缝宏观形貌是熔池表面张力、溶液重力和辅助气体压力共同作用的结果。光纤激光切割效率和质量随着水层的增加、水温的降低、水中盐度的增加而降低。水层过厚和水温低会加速钢板冷却从而导致激光能量的损失,另外盐水中众多离子也会吸收激光能量。(3)为进一步研究激光参数和环境参数对光纤激光水下切割效率和质量的影响,以及切割过程中切缝形貌成形规律,本文从凝固方式、物相成分、晶粒尺寸、显微硬度等角度对不锈钢板切缝横截面的熔化区和热影响区的微观组织形貌进行全面评估。微观上,熔化区、热影响区和基体的组织成分、显微硬度各异,熔化区边缘出现表面形核现象,熔化区晶胞尺寸随着激光能量密度增大而增大；热影响区奥氏体晶粒受热循环的影响而发生粗化,显微硬度低于基体与熔化区硬度。熔化区边缘硬度达到242.8 HV,局部氧化区域硬度高达963 HV,是基体硬度的4.3倍。本文探索光纤激光水下切割过程中水介质与切割材料之间的热传递、相变规律,以及激光水下切割的切口温度场分布、切口形貌形成机理等基础理论,可为高效拆除海上废弃石油平台提供理论支持,同时对建设海洋经济强国具有战略意义。