高新切割技术在我国造船业中的应用及发展

作者：上海船舶工艺研究所 上海 殷浩澍

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 摘要：回顾了数控切割技术在我国造船行业中的应用状况，并揭示了大力推广高新切割技术对船舶工业未来发展的重要意义。 关键词：数控切割；火焰切割；等离子弧切割；激光切割；型材切割 1 数控切割 1958年英国氧气公司试制成功了世界上第1台数控切割机，开创了数控切割的新纪元。随后，发达国家都相继开展了对数控切割的技术、工艺、相关配套软件和设备的深入开发研究工作，经过40多年的不懈努力，得益于计算机产业不断进步的相助，已向市场推出了各种类型、功能齐全的系列化数控切割产品。如今，针对不同的工件对象，人们可分别采用数控、机器人切割等多种切割方法；为了满足各种材质的切割性能和精度要求，又可以选用火焰、等离子、激光等与之相适应的切割工艺，真正达到了为用户提供全面解决问题的方案。 我国数控切割技术开发研制是在20世纪80年代初、伴随着微电子技术的成熟并获得广泛应用的基础上开始起步的，经历20多个春秋的持续发展，终于取得了可喜的成就。目前国产数控切割产品的种类和规格已相当齐全，其中部分产品在技术、性能、指标和功能上均已接近或达到国际上同类产品的水平。 造船业是我国引入数控切割技术最早、获益最大的行业，20多年来，数控切割在国内造船厂得到了迅速发展和广泛应用，彻底改变了以往手工和半自动切割的低效率状况，从根本上解决了长期困扰船舶建造过程中下料切割工段的瓶颈问题，成为推动我国造船总量快速增长的助推器。在此就数控切割技术在我国造船业中的应用情况作一个回顾，并对其未来发展趋势提出一些见解。 2 数控火焰切割 2．1 起步 20世纪70年代中期，我国造船行业，针对船舶建造过程中的放样工序，研究了船体线型的数学光顺及曲面外板展开的计算机辅助设计程序，该程序系统产生的输出结果可用于数控加工，从而使船体钢板下料切割不再需要经过实尺放样——制作样板——在钢板上画线——用手工或半自动切割这么多道繁琐的工序，由此而来，应用数控切割船用钢板的优越性立刻展现出来，它既节省了工时、放样台场地和样板材料，又能减轻工人劳动强度，极大地提高了工效。正是在此背景下数控火焰切割机开始进入我国船厂，用于钢板切割下料。 2．2 数控火焰切割机的优点 a．功能全，自动化程度高； b．配置多个割炬工作，且有效切割时间长、生产效率高； c．采用套料切割程序，提高了钢板利用率，并可减小热变形； d．切割信息易于准备、修改和保存； e．加工精度高，切割质量好； f．机器运行稳定可靠，操作方便。 数控冷弯技术的市场推广要从事数控切割技术服务 2．3 船厂数控火焰切割机的特征 最为明显的是轨距大，一般都超过6 500 mm，以使大尺度钢板的切割不受限制。近年来，随着船型的加大和船用钢板变宽，7 500 mm和9 000 mm甚至更宽轨距的大型机器被优先选用。另外还有：机器具有高速喷（锌）粉划线的功能，从而为切割后的装配、焊接提供方便；由于存在大量的拼板焊接工作量，因此性能稳定可靠、能胜任多种形状坡口切割的火焰直线三割炬通常被列入船厂的订货单中；具有余料套料切割功能的CNC系统，因能简化操作、提高了钢板利用率。 为了适应大跨距、高速度的要求，船厂选用的数控火焰切割机，普遍采用高刚性的龙门式机架以及齿轮、齿条双边同步的驱动方式。此外，用于切割船体钢板的数控切割机还必须配备从船体线型光顺、外板展开、结构零件生成、排版套料、输出切割指令的造船CAD/CAM 软件系统。 2．4 应用及发展趋势 20世纪80年代以来，因为数控火焰切割机具有许多优点，在我国造船行业获得了普遍应用。至90年代中期，当数控等离子切割机登台亮相时，其所扮演的角色逐渐发生了转变，但这并不意味着它将从此退出历史的舞台，遭到弃用或淘汰，毕竟数控火焰切割机在切割厚度超过30 mm的钢板、切割加工多种形状的坡口和多割炬大批量切割直条钢板时，还有许多不容忽视的优越性。可以预见，数控火焰切割机在今后相当长的时期内，将作为数控等离子切割机等先进设备的补充，在造船行业继续发挥它应有的作用，并在船厂的切割设备中长期存在。 3 数控等离子切割 3．1 概述 人类利用等离子弧切割金属材料已有40多年的历史，而将数控等离子切割应用于中国造船业只是近10多年的事，然而人们不难发现这是一项成长壮大十分迅速的新技术，它给我国船厂的钢板带来了巨大的变革，并产生了极其深远的影响。时至今日，数控等离子切割机已经接替数控火焰切割机，在船厂的钢板下料中占据了主导地位。更有甚者，在订造新船时，已将造船厂是否具备数控等离子切割加工手段列入了能否承接合同订单的必要条件。 3．2 历史回顾 我国数控等离子切割技术开发研制是在数控火焰切割技术趋于成熟并获得广泛应用的基础上开始的。20世纪80年代末、90年代初，国民经济驶入了发展的快车道，钢板和其他金属材料的切割量急剧增大，高速度、高效率的数控等离子切割技术日益受到包括造船在内的制造业界的重视，而当时国产设备还一时无法担此重任，许多大型骨干船厂不得已只能花巨资，率先从国外引进数控等离子切割机，以解生产上的燃眉之急。大量进口机器的接踵而至，给国内同行以极大的鞭策，更激发了我们发愤图强研制先进设备以替代进口设备的使命感和紧迫感。另一方面，国外先进设备的引进，也为我们提供了难得的学习和借鉴机会。经历了消化学习、潜心钻研，并在关键技术上采取引进和自主开发的措施（值得一提的是：嫁接引入了国际上先进的等离子切割系统），使我国数控等离子切割技术研制水平在高起点上得到了质的飞跃，因此国产数控等离子切割机从降生之日起就基本实现了自动化程度高、功能齐全、运行可靠、性价比高的发展目标，并很快被我国造船行业所认知和接受，从此成为国外进口设备强劲的竞争对手。 3．3 等离子弧切割的特点和种类 3．3．1 特点 在高温、强电场条件下产生的等离子弧，经机械压缩、热压缩和磁压缩，使弧柱电流密集、产生极高的温度和高速气流，高温、高速的等离子弧焰流使工件金属熔化，并被吹离基体形成割缝。由于弧柱温度大大超过金属及其氧化物的熔点，因此，除切割碳钢外，等离子弧还可用于切割不锈钢、铝、铜等金属。 3．3．2 种类 a．常规等离子弧切割。 b．双气体等离子弧切割。 割炬分别使用等离子气体和屏蔽气体。屏蔽气体的作用是使切割区域与外界形成有效隔离，以获得较好的切割边缘质量。根据被切材料的特性，可以改变不同气体的组合来达到最佳的切割效果。 c．水射流等离子弧切割。 切割过程中，冷却水由割炬喷嘴内的小孔喷出射向电弧，对等离子弧再次压缩，使其密度和温度进一步增高，用以提高切割速度和切割质量。 d．长寿命氧气等离子弧切割。 长寿命氧气等离子弧切割是一种新颖的切割碳钢的等离子弧切割技术。最突出的优点是电极寿命长，与普通氧气等离子比较，平均寿命延长4~6倍，穿孔次数上升了近10倍。 e．精细等离子弧切割。 该等离子弧电流密度极高，因此有非常狭窄挺直的等离子焰，割缝窄、切割面光洁、切口边缘垂直、切割精度和表面质量接近激光切割。 3．4 长寿命氧气等离子弧切割技术在造船厂的适用性及推广应用 1983年美国HYPERTHERM公司成功地将氧气作为等离子气体用于切割碳钢[1]，其主要优点在于：a. 无挂渣、切割速度范围大、切口质量好；b. 相同电源功率下切割速度可提高30%;c. 无切口表面氮化问题，切割后的工件具有良好的焊接和加工性能。 长寿命氧气等离子弧切割技术，从根本上克服了以往氧气等离子弧切割过程中电极、喷嘴寿命短的缺点，使氧气等离子弧切割在优质、高速的基础上又大幅度地降低了成本，为那些钢板切割需求量大的企业开辟了一片新天地。近10余年来，由于造船总量的增加和建造周期的缩短，钢板切割工作量急剧上升，因此国内众多骨干造船企业和地方船厂纷纷添置配备有长寿命氧气等离子切割系统的大型数控切割机，用来切割造船业用量最大的中厚钢板，效果显著，这也促使人们在机器选型时逐渐达成了共识，即长寿命氧气等离子切割机是目前造船厂最佳适用机型。 长寿命氧气等离子弧切割技术近期能在我国造船行业迅速推广应用的另一个重要原因是得益于其投入使用后所带来的可观经济效益。首先，利用数控等离子切割，人们能够非常快捷和方便地完成数控火焰切割无法胜任的不锈钢、铝、铜、复合板材以及复杂零件的切割任务，其经济性优于其他机械加工方法。其次，依据现时国情，查阅、对比国内外有关文献资料，反复求证、严格计算，结果显示：[2]：以单位割缝长度（元/m）作为考核指标，在我国造船厂切割厚度25 mm以下的钢板，采用长寿命氧气等离子切割的运行成本比火焰切割低，这与实际生产第一线跟踪反馈的数据及国际上的普遍情形是吻合的。再者，一台数控等离子切割机的生产能力相当于数控火焰切割机的3~5倍，这大大节约了设备占用厂房的面积，既缩减了基建投资，又提高了造船厂十分宝贵的加工场地的利用率。还有数控等离子切割精度高、热变形小、切口不挂渣，免去了人工打磨工时，综合经济效益显著。 3．5发展前景 进入新世纪后，我国船舶工业迎来了前所未有的发展机遇，各骨干船厂为了应对新的挑战，又启动了数控等离子切割技术新一轮的技术改造工作，等离子自动回转坡口切割、新一代400 A长寿命氧气等离子切割系统（HYPERTHERM HT4400；KOIKE SUPER-400）、性能良好的新颖干式等离子抽气除尘切割平台相继投入造船生产使用，进一步促进了造船行业应用数控等离子切割技术朝着广度和深度方向发展。它们的完美演绎，对众多尚未开展此项工的中小船厂具有强烈的示范效应，这也从一个侧面预示了数控等离子切割技术在我国造船业正方兴未艾，其未来发展空间将变得更为广阔。 4 数控激光切割 激光切割所形成的割缝窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割缝质量好，无挂渣、边缘垂直、表面光滑。在那些需要高精度、高效率切割薄板的领域，数控激光切割机仍然是首选设备。另外，激光切割还有能量密度高，切割热影响区小，可以对常规方法无法加工的材料和零件进行加工等诸多优点。但是数控激光切割机价格昂贵，设备投资费用大概是精细等离子的2~3倍；当用激光切割厚度超过6~8 mm的钢板时，加工费用将会大于精细等离子切割[3]，外加日常维护工作量大，因此数控激光切割的运行成本较高，这些不利因素，阻碍了其在我国造船行业的应用。 我所就曾经开展过“数控激光切割机在造船中应用”的预研，若干年后数控激光切割机将出现在我国造船行业第一，激光用于切割已有近30个年头，其间，为了满足市场需求的增长，激光发生器的模式和功率得到了不断地改进和提高，中、厚板材的激光切割技术日见精良。文献报道，美国、欧洲和日本的许多船舶制造厂商很早就把高输出功率的CO2激光切割技术用于造船，并取得了成功[4]。第二，这些年“精度造船”的提法已是耳熟能详，要真正做到这一点，单就数控切割来看，目前国内船厂的设备显然达不到技术要求，人们关注的目光自然投向了切割精度更高的激光切割，无疑这将成为数控激光切割机进军中国造船业的原动力。第三，光电技术的日新月异，使激光切割的作业成本（元/kW）大为降低，加上各生产厂家为占得先机进行的激烈市场争夺，必然会促使激光切割机的价格走低，最终使其在综合经济效益方面与数控等离子切割机形成竞争而被我国造船业逐步认知和接受。 文献记载，激光切割碳钢通常采用辅助氧气来加快切割速度，同时获得高质量的切割效果，但这一般只适用于切割厚度小于20 mm以下的碳钢板[5，6]。最近另有一篇报道应该引起大家的兴趣，1年多前在美国阿拉巴马州的“Render船舶修造有限公司”。一项由激光和（增压）氧气组合的切割新工艺被用于切割50 mm厚的钢板，而切割所用的CO2激光系统的功率还不到2 kW，这一切割方法具备了切割100 mm厚钢板的潜能。 这项被称为“LASOX”的工艺技术的工作原理为：激光束直接穿过割炬前端割嘴的中心孔投射在钢板上，使钢板迅速加热至点燃温度，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，将这部分钢板高温氧化燃烧，并把熔化的金属及其氧化物吹离钢板形成割缝，割炬随数控切割床身对钢板作相对移动以完成零件的切割。不同于氧—燃气切割，这里没有燃气参与预热反应，而是由激光在1~2 s内就将投射区域的温度加热至超过900℃。事实上，为了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。 “LASOX” 的实用成果是：在大约1 s内就可以完成38 mm厚钢板的穿孔连续切割速度可达200 mm/min，割缝宽度仅有几毫米；每切割一张钢板比火焰切割平均可以节省时间40 min，作业成本更经济；割嘴离钢板的初始距离上升到7 mm，较常规激光切割的0.5~2 mm增加了许多，减少了切割穿孔飞溅物对割嘴的损耗；切割表面质量好，热影响区小，可以获得较高的切割精度，省略许多后续加工。更让人意想不到的是，只需加装一把特制的增压割炬后，即可用常规激光装置切割38 mm厚的钢板。 从上可知，它为如何将激光切割更经济、更有效地应用于中国造船业提供了一个成功的范例和开启一条新思路，我们应给予充分重视，跟踪关注其发展动向，并创造条件开展相关的课题研究，做一些尝试，为进一步提高船厂切割效益作出贡献。 5 船用型材自动化切割 经统计，船体结构中各种型材（包括组焊型材和轧制型材）的质量平均占到船体质量的20%左右，型材的品种有：球扁钢、角钢、扁钢、T型钢等，这些型材在成形或焊接加工前要切割各种形状的端头和中间孔，并标识记号及加工装配用的线段。由于型材的品种、规格尺寸多种多样，更有变幻无常的切割内容和要求，使得我们无法借助现有的设备和手段来自动化批量生产，因此国内船厂长期以来只能靠熟练工人利用半自动的机械设备进行人工操作，生产效率低、劳动强度大、质量难以控制，这与板材已普遍运用数控切割相比呈现了极其鲜明的反差。为了改变这一作业的落后状况，国内骨干造船企业（如：外高桥和江南）已引进了型材切割的关键设备——数控等离子型材切割机，它被用于切割型材形状各异的端头和中间孔，而且可以按需要在型材上打印标识和划线，构筑了型材自动切割作业的雏形，但这仅仅是开始离国际上已广泛采用的、由型材储存和提取系统、机器人型材切割系统、零件型材的分类和运出托盘等组成的型材加工生产线来看，无论在功能、加工质量上，还是生产效率上，都尚有很长的路程要走。好在此项工作已引起了我国造船界的重视，相关课题的立项研究已摆上议事日程，相信用不了多久，目前的状况将会有较大的改观。 6 结束语 优质、高效、低成本是高新切割技术追求的目标，其优越的性能和良好的经济性已在中国船舶工业长期的生产实践中得到了验证。为了实现成为世界第一造船大国的（以载重吨计）的既定方针，我们必须加快增加造船总量的步伐，由此可见，造船用钢量在未来一段时期将呈现快速增长趋势，这无疑是为高新切割技术的未来发展搭建好了表演舞台。到那时，汇集着我们几代造船人梦想，旨在提升我国造船能力的一系列技术创新项目：新一代适应能力更强、加工效率更高的型材柔性切割流水线、板材柔性切割流水线；运用网络技术来远程通信、远程控制的无人化数控切割车间；乃至打破厂际界限的区域性钢板、型材（切割）加工中心等，将一一变为现实。我们坚信：伴随着中国船舶工业的做大、做强，高新切割技术在我国造船业的明天将会更加辉煌。(end)

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