激光切割技術在船舶制造中的應用現狀和趨勢

呂崇升

【摘 要】論文以激光切割技術在船舶制造中的應用為切入點，分析了激光切割技術在船舶制造中的應用特點，闡述了激光切割技術在船舶制造中的應用現狀，并對激光切割技術在船舶制造中的應用趨勢進行了簡單地分析。

【Abstract】Taking the application of laser cutting technique in shipbuilding as the breakthrough point， this paper analyzes the characteristics of the application of laser cutting technique in shipbuilding， expounds the current situation of the application of laser cutting technique in shipbuilding， and simply analyzes the tendency of the application of laser cutting technique in shipbuilding.

【關鍵詞】激光切割技術;船舶制造;趨勢

【Keywords】laser cutting technique; shipbuilding; tendency

【中圖分類號】TG485;U671? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2019）09-0160-02

1 引言

船舶的建造過程是一項非常繁雜的系統性工程，其涉及的產業鏈條較多，從最初的原材料采購到最終完整船舶產品的生成需要經過漫長的生產過程。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船舶加工質量具有較大的影響。特別是在船舶產品的薄板材料激光切割加工過程中，其工藝設備的選擇、加工模式的設置等會直接影響造船效果。因此，探究先進的船舶產品切割加工模式具有非常重要的意義。

2 激光切割技術在船舶制造中的應用優勢

相較于等離子切割、火焰切割技術而言，激光切割技術能量密度更大，可進行金屬、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，不僅可以有效保證船舶構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生產壓力[1]。

3 激光切割技術在船舶制造中的應用現狀

3.1 激光切割技術的原理

激光切割主要是利用激光二極管發出高聚集、高能量的激光束，促使材料表層快速融化，并產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，并產生較高的熱量，以達到材料加熱切割的目的[2]。

3.2 激光切割技術在船舶制造中的應用背景

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

3.3 激光切割技術在船舶制造中的應用現狀

現階段的激光切割技術在應用過程中，設備主要包括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品的切割作業。在船體構件中內煙囪、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行切割，整體切割效率較高，且適用于開放式切割環境。但是現階段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，在生產效率提升方面還存在欠缺。再加上激光切割設備及機器維護成本較高，回報與投入不成正比，導致CO2激光切割機在船舶制造中的應用情況并不理想。

4 激光切割技術在船舶制造中的應用趨勢及建議

4.1 激光切割技術在船舶制造中應用發展的壁壘

由上文可知，激光切割質量優勢較為突出，也得到了船舶制造行業較高的重視。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，在2005年就與我國內部高等院校合作進行了激光切割與焊接的研究。現階段，我國大型船廠大多采用激光切割技術進行了船板的加工，如武漢船廠、江南造船廠。而從客觀層面進行分析，由于激光切割技術應用造價成本較高、現場施工及分段作業中激光切割設備應用難度大、切割效率優勢不明顯等問題，再加上激光切割機主要是應用于薄板結構的切割，而等離子切割機、火焰切割機等是按照實際生產需求配置的，嚴重影響了激光切割技術在我國船舶制造行業中的應用。

4.2 激光切割技術在船舶制造中應用發展的趨勢及建議

對現階段船舶制造行業的發展情況進行分析，在激光器價格不斷下降、激光切割技術智能化水平日漸穩定的背景下，阻礙激光切割技術在船舶制造行業大規模應用的相關因素可被逐一解決，激光切割技術也將在船舶行業得到大規模的應用。

第一，針對阻礙激光切割技術在船舶制造行業應用的切割成本問題，船舶制造企業采用傳統的切割設備、切割方式會出現切割精度不高、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，為保證后續施工工藝質量提供了良好的前提條件，同時，降低了作業成本，提高了生產效率。第二，在激光切割技術發展進程中，含激光切割機的生產線也不斷優化提升。在現場施工及分段作業中，由于含激光切割機的生產線應用難度大導致的激光切割困難，在近幾年發展進程中，我國部分大型含激光切割機的生產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線不僅可實現柔性化、智能化管理，而且可以更好地適應船舶制造行業的發展要求。例如，南通中遠川崎智能生產線可以良好有效地應對各種復雜的生產狀況，有效解決船舶生產制造過程中戶外作業、分段制造過程中面臨的各種問題。同時，相關行業的科研人員通過實時監測，配合控制機械切割技術，完成了船舶切割過程全方位工藝信息采集分析。并根據不同能場及工藝，改進了工藝參數，為切割工序簡化及工期縮短提供了依據。第三，考慮切割效率優勢不明顯對激光切割技術在船舶制造行業大規模應用的影響，船舶制造行業內的相關企業可依托大功率光纖激光器及半導體激光器的優勢特點，綜合利用光纖激光器、半導體激光器精密度高、節能效果好、效率高的優勢，結合市場需求，大力推動光纖激光器、半導體激光器及相關控制技術的產業化、市場化開發利用，進一步提高激光切割設備的集成度、柔性化水平。依據船舶薄板切割作業需求，對激光切割頭部自由度及旋轉控制模式進行合理設計。通過機器人及機械視覺檢測系統在激光領域的應用開發，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測、無人自動操作等作業模式的運行，也可以進一步提高船舶薄板激光切割效率及質量，為激光切割技術在船舶制造行業的大規模運用提供依據。

5 結語

綜上所述，船舶制造企業應在現有船舶建造設備應用的基礎上，正確選擇激光切割模式，科學進行船舶薄板切割作業。同時，借鑒國外激光切割技術發展經驗，推動船舶激光切割技術的產業化、市場化發展，以便更好引領后道船舶建造質量的提高和發展。

【參考文獻】

【1】宋維建.萬瓦級激光切割裝備及技術[J].金屬加工：熱加工，2018（3）：22-24.

【2】孫博宇，喬紅超，趙吉賓，等.水導激光切割技術研究現狀[J].光電工程，2017，44（11）：1039-1044.

【3】陳希章，蘇傳出，程軍輝.激光切割技術在船舶制造中的應用現狀與發展趨勢[J].金屬加工：熱加工，2018（3）：111-112.