激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
2018-6-21 來(lái)源：轉(zhuǎn)載 作者： 陳希章，蘇傳出，程軍輝
摘要：激光切割具有切割效率高，切割精度高，熱變形小，割縫質(zhì)量與切口面垂直性好等優(yōu)點(diǎn)，在鈑金、汽車(chē)、機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)得到大量應(yīng)用，但由于船舶切割自身的特點(diǎn)，激光切割在該行業(yè)未能大面積推廣。本文總結(jié)了激光切割技術(shù)的原理與特點(diǎn)，回顧了激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析和展望，從性?xún)r(jià)比、裝備柔性化和質(zhì)量等方面進(jìn)行了深入分析并提出了應(yīng)用建議。
關(guān)鍵詞：激光切割；船舶制造；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展前景
船舶行業(yè)是金屬焊接和切割的大戶(hù)，其制造涉及的主要工序之一就是切割和焊接。船舶行業(yè)近些年來(lái)經(jīng)歷了快速擴(kuò)張又突然萎縮的過(guò)程。
2016 年是船舶工業(yè)“十三五”的開(kāi)局之年，2017年是全球造船業(yè)深度調(diào)整、我國(guó)船舶工業(yè)進(jìn)入全面做強(qiáng)階段的關(guān)鍵之年。
據(jù)中國(guó)船舶行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)整，船舶行業(yè)出現(xiàn)一些新的特點(diǎn)，船舶行業(yè)總體經(jīng)濟(jì)總量幅度變化不大的情況下利潤(rùn)有一定幅度下滑，在總體訂單有所下降的情況下，出口訂單有所回升，同時(shí)船舶行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提升，目前前十名的船舶企業(yè)占據(jù)市場(chǎng)的53.4%以上。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈、利潤(rùn)的下滑和質(zhì)量要求的提高，船舶行業(yè)對(duì)制造質(zhì)量更加重視，而作為切割大戶(hù)，激光切割在新形勢(shì)下進(jìn)一步迎來(lái)爆發(fā)的機(jī)會(huì)。激光切割作為一種高效、綠色、高質(zhì)量、高精度的技術(shù)，是促進(jìn)船舶工業(yè)發(fā)展及船舶加工制造優(yōu)化的基石，對(duì)船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)減量化、輕量化、再制造、降低成本，減少工時(shí)以及節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮重要作用。另外，激光切割工藝還是船舶結(jié)構(gòu)前船板備料的理想手段，順應(yīng)目前船舶結(jié)構(gòu)大型化制造精度化，建造高效化的發(fā)展趨勢(shì)。本文針對(duì)激光切割技術(shù)原理和特點(diǎn)，船舶制造領(lǐng)域激光切割技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及其應(yīng)用前景進(jìn)行論述。
1. 激光切割技術(shù)
（1）激光切割原理
激光切割是典型的熱切割方法，其通過(guò)激光器產(chǎn)生高能量密度的激光束，并利用激光鏡組聚焦光束，照射工件，且以連續(xù)重復(fù)的脈沖作業(yè)方式，加熱工件材料，使其迅速發(fā)生熔化、汽化、燒蝕形成孔洞。同時(shí)借助與光束同軸的高速氣流吹除切口處熔融廢料，完成工件的切割分離。激光切割的原理如圖1所示。
圖1 激光切割原理示意
（2）激光切割的特點(diǎn)
第一，切割質(zhì)量好：激光光斑小、能量密度高、切割速度快、激光切割切口細(xì)窄平整，切縫表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm，工件變形小，熱影響區(qū)小，適應(yīng)性與靈活性高，可作為最后一道加工工序，無(wú)需二次加工，減少加工成本。
第二，切割效率高：基于激光的光學(xué)特性與傳輸特性，激光切割可在配有多臺(tái)數(shù)控操作臺(tái)的激光切割機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)控操作。同時(shí)，只需修改數(shù)控程序，就可實(shí)現(xiàn)多形狀零件的切割，其中包括二維與三維切割。
第三，非接觸式切割，減少工具成本：激光切割時(shí)它不像傳統(tǒng)切割方式，其割炬不與工件接觸，無(wú)需更換“刀具”，不存在刀具磨損，加工多厚度或多形狀零件，只需改變激光器的激光輸出參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。因此激光切割是一種綠色環(huán)保加工手段，激光切割過(guò)程噪聲小、振動(dòng)小，不產(chǎn)生污染。
第 四 ， 切 割 材 料 種 類(lèi) 多 ，切割速度快：激光切割材料種類(lèi)繁多，包括金屬、非金屬、復(fù)合材料、木材等。且激光切割速度快，用功率為4000W的激光切割12mm厚30°坡口的低碳鋼，坡口切割速度每分鐘可達(dá)2200mm，用功率6000W的激光切割8mm厚22.5°坡口的不銹鋼，坡口的切割速度每分鐘可達(dá)1500mm。
2. 激光切割技術(shù)在船舶方面的應(yīng)用現(xiàn)狀
（1）船舶切割特點(diǎn)
船舶行業(yè)對(duì)于船體分段轉(zhuǎn)配精度要求高，構(gòu)架轉(zhuǎn)配間隙必須控制在1 m m 范圍。以往船舶制造企業(yè)一般采用等離子對(duì)肋板下料時(shí)，為了保證裝配間隙，在肋板上均設(shè)置修割余量，這需要在現(xiàn)場(chǎng)裝配時(shí)手工進(jìn)行修割，修割質(zhì)量參差不齊，割縫內(nèi)殘留氧化物，同時(shí)增加了裝配工作量，裝配周期增長(zhǎng)，致使整個(gè)分段建造周期延長(zhǎng)。另外，采用激光切割機(jī)下料取消了裝配余量后，消除了現(xiàn)場(chǎng)修割的現(xiàn)象，減少了人工和材料浪費(fèi)，構(gòu)架裝配速度明顯加快，裝配質(zhì)量提升顯著。
（2）激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)
近幾年,“精密造船”和“快速造船”成為船舶制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，激光切割技術(shù)得到了快速發(fā)展，占據(jù)了整個(gè)激光加工行業(yè)的70%以上。船舶制造行業(yè)主要以鋼板原料為主，使用激光切割板材，可代替一些需要采用復(fù)雜大型模具的沖切加工方法，大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。目前，船舶行業(yè)船體板材零件下料方式主要采用火焰切割、等離子切割、剪切加工以及激光切割。其他切割方式相對(duì)于激光切割有諸多不足，例如火焰切割與等離子切割割縫寬、切割精度差，易產(chǎn)生有害氣體，環(huán)境污染大。而激光切割對(duì)于船板切割來(lái)說(shuō)，具有切割精度高，熱變形小，減少二次加工（如銑邊、鉆孔等）、轉(zhuǎn)運(yùn)、打磨，尤其小圓、小孔、曲面加工等優(yōu)點(diǎn)，符合船體分段轉(zhuǎn)配精度要求，能充分保證構(gòu)架裝配間隙控制在1m m范圍，但其在鋼材方面的實(shí)用切割速度相對(duì)等離子切割要差。低碳鋼在不同切割方式下切割速度與切割厚度的關(guān)系，低碳鋼在不同切割方式下切割效果分別如圖2與表1所示
圖2 低碳鋼在不同切割方式下切割速度與切割厚度的關(guān)系
表1 低碳鋼在不同切割方式下切割效果
在船舶制造領(lǐng)域，激光切割避免了等離子對(duì)肋板下料時(shí)，為了保證裝配間隙，而在肋板上設(shè)置修割余量，并通過(guò)人工進(jìn)行修割，造成修割質(zhì)量參差不齊的情況的發(fā)生。從而減少裝配的工作量、裝配周期、材料與人工成本浪費(fèi)。通過(guò)激光切割的船用鋼板，割縫質(zhì)量好，切口面垂直性好，無(wú)掛渣，氧化層薄，表面光滑，無(wú)需二次加工，可直接焊接，且熱變形小，曲線(xiàn)切割精度高，減少配合工時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙切割高強(qiáng)船板。船舶內(nèi)構(gòu)材間隙量的偏差如圖3所示。
圖3 船舶內(nèi)構(gòu)材間隙量的偏差
（3）激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀
目前，CO2激光切割技術(shù)是全球造船生產(chǎn)用的最為普遍的制造加工技術(shù)。常用的5~6k WCO2激光器切割速度與等離子相比差，無(wú)法滿(mǎn)足船舶制造業(yè)現(xiàn)下速度與效率優(yōu)先的要求，并且其設(shè)備和機(jī)器維護(hù)成本高，回報(bào)少，滿(mǎn)足不了造船業(yè)的需求。雖然它在船舶上的應(yīng)用情況并不理想，但也逐步被采用，用于造船領(lǐng)域的激光切割源和相關(guān)切割加工設(shè)備構(gòu)架的技術(shù)與工藝都有一些新進(jìn)展。4k WCO2激光器切割效果如圖4所示。
圖4 4 k W CO2激光器切割效果
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)少數(shù)具有雄厚實(shí)力的造船廠(chǎng)，江南長(zhǎng)興造船基地也已引進(jìn)世界先進(jìn)的“搭載型（CO2）激光切割機(jī)”，但激光切割機(jī)搭載技術(shù)，國(guó)內(nèi)外也就日本的技術(shù)應(yīng)用比較樂(lè)觀，它的成功或失敗，也為國(guó)內(nèi)造船行業(yè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，隨著國(guó)內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，光纖激光器也都得到快速發(fā)展，其高功率下具有極好的光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)化效率、相同功率下的小體積、光纖傳輸帶來(lái)較好的工作柔性，以及幾乎免維護(hù)的高可靠性等形成的綜合優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)的（CO2）激光切割構(gòu)成了挑戰(zhàn)。隨著光纖激光切割加工中厚板效果的不斷改進(jìn)，國(guó)內(nèi)不少切割設(shè)備的生產(chǎn)商都已經(jīng)進(jìn)入或正準(zhǔn)備開(kāi)展配置光纖激光器的數(shù)控激光切割機(jī)的研制階段，以及一些院校、機(jī)構(gòu)、學(xué)者已在研究光纖激光器的切割效果。例如：Jae Sung Shin等人通過(guò)6k W光纖激光器研究高速光纖激光對(duì)不銹鋼板的切割性能，最大切割速度每分鐘可達(dá)72mm，可切割60mm厚不銹鋼板且切口形狀和割縫寬度優(yōu)良，如圖5所示。
圖5 切割60mm厚不銹鋼板的切割速度
Antti Salminen等 人 用 5 k W 的 光 纖 激 光 器 對(duì)10m m不銹鋼板和4m m鋁板進(jìn)行了惰性氣體輔助激光切割。研究了激光功率、切割速度、焦點(diǎn)位置和輔助氣體壓力對(duì)切割性能和切割質(zhì)量的影響。確定了不同激光功率下的最大切割速度，并研究了不同切割參數(shù)的組合，優(yōu)化切割效果，得到優(yōu)質(zhì)切口等。參數(shù)為激光功率4k W，切割速度為每分鐘1m，氮?dú)?MPa的10mm厚不銹鋼板的切割效果如圖6所示。
圖6 激光功率4k W，切割速度為1m/min，氮?dú)?MPa的10mm厚不銹鋼板
現(xiàn)階段光纖激光器的輸出功率已達(dá)到50k W，但目前的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)還是放在1~4k W的激光器上，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)10k W的激光器，實(shí)現(xiàn)激光器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，解決船舶、航天航空、汽車(chē)制造的切割與焊接問(wèn)題。同時(shí)，激光切割技術(shù)為了適應(yīng)切割情況與環(huán)境，充分被船舶制造業(yè)利用，其和機(jī)器人相結(jié)合，形成機(jī)器人切割系統(tǒng)。進(jìn)入2000年，德國(guó)的KUKA、瑞士的ABB、日本的FANUC等機(jī)器人公司均研制激光機(jī)器人和激光切割機(jī)器人的系列產(chǎn)品。機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合是目前應(yīng)用于船舶制造行業(yè)或是整個(gè)制造業(yè)的主流趨
勢(shì)。
3. 激光切割在船舶行業(yè)應(yīng)用的趨勢(shì)及建議
如前所述，激光切割質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)明顯，在汽車(chē)、鈑金、機(jī)械等領(lǐng)域得到大面積推廣，就船舶行業(yè)來(lái)講，也早已引起重視。滬東中華造船集團(tuán)、江南造船集團(tuán)、外高橋造船有限公司和上海寶山鋼鐵股份公司等早在2005年左右就與國(guó)內(nèi)高校研究院所合作進(jìn)行激光切割和焊接的研究，目前國(guó)內(nèi)江南造船廠(chǎng)、武漢船廠(chǎng)等大型造船企業(yè)業(yè)已采用激光切割進(jìn)行船板的加工。但客觀的講，在國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)，激光切割并未占據(jù)主導(dǎo)地位，主要原因包括：
①激光切割成本相比傳統(tǒng)切割方法高。②激光切割的大型設(shè)備不適合船舶行業(yè)的制造特點(diǎn)，如現(xiàn)場(chǎng)施工、分段作業(yè)、工作環(huán)境復(fù)雜等。③切割效率沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是船舶行業(yè)的厚板切割。④激光設(shè)備維護(hù)復(fù)雜對(duì)工人要求高、成本高等。就目前行業(yè)的現(xiàn)狀情況，隨著激光器價(jià)格的逐步下降和智能化水平的提高，激光切割技術(shù)將逐步在船舶行業(yè)得到
大量應(yīng)用。
主要原因包括：
（1）成本問(wèn)題船舶行業(yè)（c）圖5 切割60mm厚不銹鋼板的切割速度（a）40mm72mm/min切割方向40mm72mm/min切割方向切割方向（b）最關(guān)心問(wèn)題之一即切割成本，目前傳統(tǒng)的工藝一般包括板材進(jìn)廠(chǎng)+ 火焰切割或等離子切割 + 人工去毛刺+人工坡口或修邊機(jī)開(kāi)坡口+搖臂鉆鉆等包括大約5個(gè)工序+4次零件搬運(yùn)，工藝相對(duì)繁復(fù)，成本浪費(fèi)，若采用激光切割代替，則工序可簡(jiǎn)化為板材進(jìn)廠(chǎng)+激光切割（激光切割+激光坡口+激光鉆孔），在時(shí)間成本、人力成本、場(chǎng)地成本等方面均得到降低。為進(jìn)一步直觀比較相應(yīng)成本，本文經(jīng)過(guò)測(cè)算，并與伯納激光科技等多家公司核實(shí)，給出表2~表4的對(duì)比數(shù)據(jù)。
表中的試驗(yàn)和核算中采用統(tǒng)一條件，所用材料為Q345B，板材規(guī)格2200mm×6000mm×25mm，切割6張，單張切縫數(shù)量為7，切 割 總 長(zhǎng) 度 2 5 2 m ， 板 材 重 量15543k g，采用直線(xiàn)下料切割方式。成本的核算考慮人力成本、材料損耗、附件損耗、切割氣體成本等。由表格可以看出，激光切割已經(jīng)具有明顯優(yōu)勢(shì)。
表2 火焰切割成本
表3 等離子切割成本
表4 激光切割成本
（2）激光設(shè)備的柔性化、智能化逐步適應(yīng)船舶行業(yè)的發(fā)展
近些年國(guó)內(nèi)大型裝備的智能化水平有所突破，基于CNC、機(jī)器人機(jī)器組合的各類(lèi)裝備很多具有模塊化、智能化的實(shí)用技術(shù)，如南通中遠(yuǎn)川崎智能生產(chǎn)線(xiàn)能適應(yīng)復(fù)雜情況下的制造系統(tǒng)。這對(duì)于船舶行業(yè)的分段制造、戶(hù)外作業(yè)以及復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。除了裝備外，工藝最終決定了使用效果，因此科技人員通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制機(jī)械切割過(guò)程，完成工藝信息的采集與分析，同時(shí)融入多個(gè)能場(chǎng)與工藝，實(shí)現(xiàn)工藝改良的重要手段，進(jìn)而提高激光切割效果，簡(jiǎn)化切割工序，縮減工期與成本。
（3）激光器的發(fā)展降低了設(shè)備、維護(hù)成本
隨著大功率光纖激光器與半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的快速發(fā)展以及相應(yīng)的加工技術(shù)水平的提升，光纖激光器與半導(dǎo)體激光器的高效、節(jié)能、精密的切割特點(diǎn)，迎合市場(chǎng)需求，符合當(dāng)下激光制造技術(shù)的發(fā)展方向，應(yīng)大力推動(dòng)光纖激光器與半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)業(yè)化與市場(chǎng)化及其相應(yīng)設(shè)備與控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)完善。而相應(yīng)設(shè)備的進(jìn)展又進(jìn)一步提高了設(shè)備的集成度和柔性水平，針對(duì)船舶舾板工作對(duì)切割機(jī)的特殊要求和船體結(jié)構(gòu)所用型材加工形狀的多樣性，激光切割頭多自由度優(yōu)化設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)控制方式與控制系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫，同時(shí)重視機(jī)器人與機(jī)械視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)在激光領(lǐng)域的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)切割路徑，高精度切割，無(wú)人自動(dòng)操作，來(lái)提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，有效控制切割質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。
中國(guó)船舶行業(yè)主動(dòng)適應(yīng)新常態(tài)，轉(zhuǎn)型升級(jí)成效明顯。戰(zhàn)略性、前瞻性產(chǎn)品研發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)，如7萬(wàn)總t級(jí)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)豪華郵輪、3.88萬(wàn)t智能示范船、第七代超深水鉆井平臺(tái)、新型極地自破冰科考船、超大型乙烷運(yùn)輸船（VLEC）等逐步在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，在國(guó)內(nèi)訂單下降的情況下，出口訂單在穩(wěn)步增長(zhǎng)。相應(yīng)具有研發(fā)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)進(jìn)一步突出特色， 產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步集中，尤其是前10名的企業(yè)占據(jù)半壁江山，而這些必將進(jìn)一步推動(dòng)對(duì)高質(zhì)量制造的需求，推動(dòng)激光切割在該行業(yè)的應(yīng)用，而激光行業(yè)也必將進(jìn)一步適應(yīng)船舶行業(yè)的需求，朝著進(jìn)一步降低成本、高質(zhì)量、智能化的方向發(fā)展。
投稿箱：
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機(jī)床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進(jìn)行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點(diǎn)
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年1月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2024年12月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 軸承出口情況
- 2024年12月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年12月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 分地區(qū)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 軸承出口情況
- 2024年11月 基本型乘用車(chē)（轎車(chē)）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2024年11月 新能源汽車(chē)銷(xiāo)量情況
- 2024年10月 新能源汽車(chē)產(chǎn)量數(shù)據(jù)
博文選萃
| 更多
- 機(jī)械加工過(guò)程圖示
- 判斷一臺(tái)加工中心精度的幾種辦法
- 中走絲線(xiàn)切割機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
- 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床何去何從？
- 中國(guó)的技術(shù)工人都去哪里了？
- 機(jī)械老板做了十多年，為何還是小作坊？
- 機(jī)械行業(yè)最新自殺性營(yíng)銷(xiāo)，害人害己！不倒閉才
- 制造業(yè)大逃亡
- 智能時(shí)代，少談點(diǎn)智造，多談點(diǎn)制造
- 現(xiàn)實(shí)面前，國(guó)人沉默。制造業(yè)的騰飛，要從機(jī)床
- 一文搞懂?dāng)?shù)控車(chē)床加工刀具補(bǔ)償功能
- 車(chē)床鉆孔攻螺紋加工方法及工裝設(shè)計(jì)
- 傳統(tǒng)鉆削與螺旋銑孔加工工藝的區(qū)別