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切割与焊接的技术变革在造船行业引发的深层思考 |
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作者： 来源：《中国机械与金属》 |
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激光加工国家工程研究中心（武汉法利莱切割系统工程有限公司）冷箭利
目前，使用大功率激光及等离子切割的用户行业涉及汽车制造、金属加工、造船、机电、工程机械、锯片加工、粮油加工设备等。
过去人们通常认为，造船工业接受高新技术的过程比较慢，但现在这一情况正在发生改变。随着激光切割、焊接技术的日趋成熟和等离子切割系统的逐渐发展，欧美及日本主要的大型船厂已大量采用新型的前沿性加工技术。
但在我国，造船工业对激光切割焊接、等离子切割的认识颇有点如同当年清朝政府对枪械火器的态度，虽然知晓其厉害，变革力度却仍旧不大。
早期激光主要用来切割20mm以下的薄板，因此在造船中应用不多。20世纪90 年代初期，随着大功率激光器的成功研制和等离子切割技术的发展，各发达国家造船厂开始装备适合厚板材的切割系统。
例如，早在1992年澳大利亚Farleylaserlab公司便率先生产出融合划线、切割、钻孔于一体的Fabricator等离子切割机，以及适用于宽幅面且能进行水下切割的Trident等离子切割机，获得了高精度、高质量的边缘切割质量。
大功率激光切割
大功率激光切割过程是一放热燃烧反应过程，这一过程中，激光束的热量用来将钢板迅速加热至燃点温度，而从割嘴喷出的高速氧气流恰好喷射在激光束的聚射范围内，将这部分钢板氧化燃烧，并将熔化的金属及其氧化物吹离钢板形成割缝，割嘴则随着数控切割床身对钢板作相对移动，从而来完成零件的切割。 
图1 等离子切割系统在造船行业的技术应用
为达到预期的氧化反应效率，仅要求激光束的功率能产生和维持点燃温度即可，而不必采用那些能够产生足以熔化钢板温度的、功率很大的激光源。
运用这种方法切割厚度为25.4mm (1in)的钢板时，其平板冲孔或穿孔的速度比较快，切割每块钢板平均能节省40min的加工时间，作业成本更经济；而且，其割缝宽度仅为毫米级。
另外，割嘴离钢板的距离由1 mm上升到7 mm，减少了切割穿孔飞溅物对激光头的撞击；切割表面质量好，热影响区小，可以获得较高的切割精度，省却许多后续加工。
目前，武汉法利莱切割系统工程有限公司拥有这一切割能力，隶属于激光加工国家工程研究中心的该公司，研发出了WALC4020宽幅面数控激光切割机，达到国际先进水准。
WALC4020切割幅面宽，而且还具有如下多项技术创新优势：悬臂倒挂横梁、直线电机驱动、SIEMENS 840D控制器、专有光束质量调整系统、穿透检测、自动聚焦、光束半径调整、束腰补偿、打孔切割双流量控制系统、表面熔渣油灭弧处理、垂直升降式交换工作台结构等。
大功率激光切割技术的研究方向
大功率激光切割技术是集光、机、电一体化的高新技术。激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度，都直接影响激光切割的效率和质量。
特别是为适应造船工业、工程机械等的应用，当前对CO2激光切割的研究集中在两个方面：一方面，利用高质量激光束高速切割薄板（对0.25 mm厚的板，切割速度为140m öm in）；另一方面，研究开发切割厚板的技术。目前采用中等强度的激光(<5kW )已能切割60mm厚的钢板。
图2 法利莱WALC4020宽幅面数控激光切割机
通过引进、消化、二次开发，采用与国际合作等方式，武汉法利莱切割系统工程有限公司作为“激光技术国家重点实验室”和“激光切割国家工程研究中心”生产科研基地，近年来在这一领域颇有建树。
激光焊接技术
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20 世纪70 年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。
高功率激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域的应用日益广泛。
最近，国际上采用的光纤激光焊接技术，其在造船、汽车制造业的应用也备受关注。欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术，例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。
德国的Meyer船厂也安装了4台12kW的CO2激光器，用于焊接不同长度的船体加强材。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。
例如，德国Meyer船厂、芬兰Mizar船厂在船体中大量使用的夹层板，具有机械稳定性高、重量轻的特点，而该类板材便采用了激光焊接手段。
与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点在于速度快、深度大、变形小。激光聚焦后，功率密度高，焊接时的深宽比可达5:1，最高可达10:1。由于熔深大, 在造船中无需翻身即可获得良好的焊接接头，同时焊接边缘坡口角度小，小体积焊缝还能节省填充材料。
相比传统焊接，激光焊能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接装置简单。例如，激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能穿过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
而且，它能够对难以接近的部位进行焊接，施行非接触远距离焊接，灵活性相当好。尤其是近几年来随着光纤传输技术的采用，激光焊接技术的应用得以进一步深化。此外，激光束易实现光束按时间与空间分光，从而能进行多光束同时加工及多任务位加工，这为更精密、更微型的船舶部件焊接提供了条件。 
图3 先进造船技术和工艺的推广值得期待
不仅如此，激除了用于造船的切割、焊接外，还可应用于加工成形。例如，在船体曲面外板的加工中，通过应用激光辅助外板成形技术，可代替费力、费时、具有一定危险性的机械加热成形工艺，应用前景广阔。
结语
造船工业作为劳动密集、资金密集、技术密集的重工业，在我国未来新一轮经济增长中起着重要作用，它也是许多沿海城巿的支柱产业之一，各种先进的造船技术和工艺的推广应用值得期待。
例如，采用高强度轻型合金材料及激光加工可建造出新型观光旅游船；舰船载重量日益增加，要求使用非常薄的钢板，而激光焊接能有效避免加工时的热影响；激光可以采用光纤等灵活的输出方式，这意味着甲板、船体等大表面尺寸的工件加工可以不受工作台尺寸的影响；而且，鉴于激光加工具有非接触、速度快、边缘光滑、高度自动化的特点，它的应用可大幅降低造船成本及时间。
综上所述，激光加工技术（激光切割、激光焊接）将在造船生产中得到越来越多的应用。目前，国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。
为满足造船工业生产对质量和生产效率越来越高的要求，特别是“精度造船”理念的推广，以及轻型结构的使用对焊接的要求，我国必须重视跟踪与研究激光加工中的关键技术，针对我国船舶制造业特点，通过与国外激光器制造商密切合作，引进大功率激光器，并创造条件开展相关课题研究，跨越式地走出一条现代先进制造业装备集成的新模式，开发具有自主知识产权、采用国际最新激光技术的船舶制造业用激光切割、焊接新颖装备， 这对于填补国内空白，推动激光加工技术在我国造船厂的应用具有重要意义。 (end)
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(12/11/2007) |
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