激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢

呂崇升

（中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海200063）

1 引言

船舶的建造過程是一項非常繁雜的系統(tǒng)性工程，其涉及的產(chǎn)業(yè)鏈條較多，從最初的原材料采購到最終完整船舶產(chǎn)品的生成需要經(jīng)過漫長的生產(chǎn)過程。而切割加工工序是船舶制造中原材料形成零件的首道工序，其加工效果也對后續(xù)船舶加工質(zhì)量具有較大的影響。特別是在船舶產(chǎn)品的薄板材料激光切割加工過程中，其工藝設(shè)備的選擇、加工模式的設(shè)置等會直接影響造船效果。因此，探究先進(jìn)的船舶產(chǎn)品切割加工模式具有非常重要的意義。

2 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用優(yōu)勢

相較于等離子切割、火焰切割技術(shù)而言，激光切割技術(shù)能量密度更大，可進(jìn)行金屬、非金屬材料等多種材料的切割，其切割縫隙寬度最小，為0.03mm，整體切割尺寸精度良好。同時，利用激光切割技術(shù)，不僅可以有效保證船舶構(gòu)件切割面的傾斜度及上緣的完整性，而且可以通過運用自動化切割處理的方式，最大限度減輕船舶制造業(yè)生產(chǎn)壓力[1]。

3 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 激光切割技術(shù)的原理

激光切割主要是利用激光二極管發(fā)出高聚集、高能量的激光束，促使材料表層快速融化，并產(chǎn)生與激光束直徑一致的孔洞。隨后利用氧氣等輔助氣體，吹除激光切割縫中多余熔渣，并產(chǎn)生較高的熱量，以達(dá)到材料加熱切割的目的[2]。

3.2 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用背景

20世紀(jì)60年代以來，激光切割技術(shù)開始在金屬加工領(lǐng)域應(yīng)用。由于激光切割的功率較小，在以薄板加工為主的鈑金行業(yè)作為替代沖床的技術(shù)而發(fā)展起來時，形成了完整的船舶激光切割技術(shù)體系。如早期日本部分船舶制造企業(yè)率先利用激光切割設(shè)備，在板材切割質(zhì)量和精度方面取得了較大的提高，為厚道工序精益生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)條件。隨后在20世紀(jì)末期，在歐洲船舶制造企業(yè)中Vosper Thorny Croft 公司組裝了首臺激光切割設(shè)備，并在20世紀(jì)末至21世紀(jì)初期的一段時間內(nèi)逐步發(fā)展，形成了成套的激光焊接、切割設(shè)備。同期美國的Bender 船舶制造企業(yè)首次使用了高功率激光切割設(shè)備——Tanaka LMX Ⅲ激光器，對制造成本、制造質(zhì)量等方面均進(jìn)行了一定的提升；21世紀(jì)初期，聯(lián)邦電動船舶制造部門在移動實驗室內(nèi)安裝了4kW 的ESAB 系統(tǒng)，為激光切割技術(shù)的有效應(yīng)用提供了理論支持[3]。

3.3 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段的激光切割技術(shù)在應(yīng)用過程中，設(shè)備主要包括CO2激光切割機、光纖激光切割機兩種類型，兩者的差別如表1所示。

通過對表1進(jìn)行分析可知，綜合分析各種影響因素，CO2激光切割機在船舶制造領(lǐng)域能夠適合更廣范圍的板厚切割，對人體的危害程度更低，與光纖激光切割機相比，CO2激光切割機更適合船舶產(chǎn)品的切割作業(yè)。在船體構(gòu)件中內(nèi)煙囪、平行腫體、舭部均為圓柱形式的板塊，利用CO2激光切割機對圓柱形式板塊進(jìn)行切割，整體切割效率較高，且適用于開放式切割環(huán)境。但是現(xiàn)階段CO2激光切割機常用的為5.0～6.0kW 類型，切割速度略低于等離子切割模式。如激光切割機速度為2200mm/min，而等離子切割機速度為4100mm/min，在生產(chǎn)效率提升方面還存在欠缺。再加上激光切割設(shè)備及機器維護(hù)成本較高，回報與投入不成正比，導(dǎo)致CO2激光切割機在船舶制造中的應(yīng)用情況并不理想。

表1 CO2 激光切割機、光纖激光切割機差別

4 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用趨勢及建議

4.1 激光切割技術(shù)在船舶制造中應(yīng)用發(fā)展的壁壘

由上文可知，激光切割質(zhì)量優(yōu)勢較為突出，也得到了船舶制造行業(yè)較高的重視。我國江南造船集團、上海寶山鋼鐵股份公司、外高橋造船有限公司、滬東中華造船（集團）有限公司等企業(yè)，在2005年就與我國內(nèi)部高等院校合作進(jìn)行了激光切割與焊接的研究。現(xiàn)階段，我國大型船廠大多采用激光切割技術(shù)進(jìn)行了船板的加工，如武漢船廠、江南造船廠。而從客觀層面進(jìn)行分析，由于激光切割技術(shù)應(yīng)用造價成本較高、現(xiàn)場施工及分段作業(yè)中激光切割設(shè)備應(yīng)用難度大、切割效率優(yōu)勢不明顯等問題，再加上激光切割機主要是應(yīng)用于薄板結(jié)構(gòu)的切割，而等離子切割機、火焰切割機等是按照實際生產(chǎn)需求配置的，嚴(yán)重影響了激光切割技術(shù)在我國船舶制造行業(yè)中的應(yīng)用。

4.2 激光切割技術(shù)在船舶制造中應(yīng)用發(fā)展的趨勢及建議

對現(xiàn)階段船舶制造行業(yè)的發(fā)展情況進(jìn)行分析，在激光器價格不斷下降、激光切割技術(shù)智能化水平日漸穩(wěn)定的背景下，阻礙激光切割技術(shù)在船舶制造行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的相關(guān)因素可被逐一解決，激光切割技術(shù)也將在船舶行業(yè)得到大規(guī)模的應(yīng)用。

第一，針對阻礙激光切割技術(shù)在船舶制造行業(yè)應(yīng)用的切割成本問題，船舶制造企業(yè)采用傳統(tǒng)的切割設(shè)備、切割方式會出現(xiàn)切割精度不高、毛邊缺陷、切割端口掛渣等問題，而激光切割機由于熱能量集中度比較高，在切割精度、邊緣光滑性、端口掛渣方面會有非常大的提高，為保證后續(xù)施工工藝質(zhì)量提供了良好的前提條件，同時，降低了作業(yè)成本，提高了生產(chǎn)效率。第二，在激光切割技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，含激光切割機的生產(chǎn)線也不斷優(yōu)化提升。在現(xiàn)場施工及分段作業(yè)中，由于含激光切割機的生產(chǎn)線應(yīng)用難度大導(dǎo)致的激光切割困難，在近幾年發(fā)展進(jìn)程中，我國部分大型含激光切割機的生產(chǎn)線智能化水平得到了有效的提升，基于CNC 與機器人組合的不同類型的含激光切割機的生產(chǎn)線不僅可實現(xiàn)柔性化、智能化管理，而且可以更好地適應(yīng)船舶制造行業(yè)的發(fā)展要求。例如，南通中遠(yuǎn)川崎智能生產(chǎn)線可以良好有效地應(yīng)對各種復(fù)雜的生產(chǎn)狀況，有效解決船舶生產(chǎn)制造過程中戶外作業(yè)、分段制造過程中面臨的各種問題。同時，相關(guān)行業(yè)的科研人員通過實時監(jiān)測，配合控制機械切割技術(shù)，完成了船舶切割過程全方位工藝信息采集分析。并根據(jù)不同能場及工藝，改進(jìn)了工藝參數(shù)，為切割工序簡化及工期縮短提供了依據(jù)。第三，考慮切割效率優(yōu)勢不明顯對激光切割技術(shù)在船舶制造行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的影響，船舶制造行業(yè)內(nèi)的相關(guān)企業(yè)可依托大功率光纖激光器及半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢特點，綜合利用光纖激光器、半導(dǎo)體激光器精密度高、節(jié)能效果好、效率高的優(yōu)勢，結(jié)合市場需求，大力推動光纖激光器、半導(dǎo)體激光器及相關(guān)控制技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、市場化開發(fā)利用，進(jìn)一步提高激光切割設(shè)備的集成度、柔性化水平。依據(jù)船舶薄板切割作業(yè)需求，對激光切割頭部自由度及旋轉(zhuǎn)控制模式進(jìn)行合理設(shè)計。通過機器人及機械視覺檢測系統(tǒng)在激光領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)，可以充分滿足船舶薄板切割工作中加工形狀的多樣性及高精度切割要求。通過激光切割路徑全過程自動監(jiān)測、無人自動操作等作業(yè)模式的運行，也可以進(jìn)一步提高船舶薄板激光切割效率及質(zhì)量，為激光切割技術(shù)在船舶制造行業(yè)的大規(guī)模運用提供依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，船舶制造企業(yè)應(yīng)在現(xiàn)有船舶建造設(shè)備應(yīng)用的基礎(chǔ)上，正確選擇激光切割模式，科學(xué)進(jìn)行船舶薄板切割作業(yè)。同時，借鑒國外激光切割技術(shù)發(fā)展經(jīng)驗，推動船舶激光切割技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化、市場化發(fā)展，以便更好引領(lǐng)后道船舶建造質(zhì)量的提高和發(fā)展。