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激光切割技術在船舶（bó）製造中的應用現狀與發展趨（qū）勢
發布時間：2018-6-21
摘要：激光切割具有切割效率高，切割精度（dù）高，熱變（biàn）形小，割縫質量與切口麵垂直性好等優（yōu）點，在鈑金、汽車、機械（xiè）等行（háng）業已經得到大量應用，但由於船舶切割自身的特點（diǎn），激光切割在該行業未能（néng）大麵積推廣（guǎng）。本文總結（jié）了激光切割技術的原理與特點，回顧（gù）了激光切割技術在船舶製造中的應用現狀及存在的（de）問題，重點對現狀進行了分析和展望，從（cóng）性價比、裝備柔性化和質量等方麵進行了深入分析並提出了應用建（jiàn）議。
關鍵詞：光纖激光（guāng）切割機http://www.6618cnc.com
船舶行業是金屬焊接和切割的大戶，其製造涉及的主要工序之一就是切割和焊接。船舶行（háng）業近些年來經曆了快速擴張又突然萎縮的過（guò）程。
2016 年（nián）是船舶工業（yè）“十三五”的（de）開局（jú）之年，2017年（nián）是全球造船業深度（dù）調整、我國船舶工業（yè）進入全麵做強階段的關鍵之年（nián）。
據中國船舶行業（yè）協會統計數據，經過市場調整，船（chuán）舶行業出現（xiàn）一些新的特點，船舶行業總體經濟總量幅（fú）度變化不大的情況下利潤有一定幅（fú）度下（xià）滑，在總體訂單（dān）有所下降的情況下，出口訂單有所（suǒ）回升，同（tóng）時船舶行業產業集中度進一步（bù）提升，目前前十名的船舶企業（yè）占據市場的53.4%以（yǐ）上。隨著（zhe）市場（chǎng）競爭的激烈、利潤的下滑和質量要求（qiú）的提高，船舶行業對製造質量更（gèng）加重視，而作為切割大戶，激光切割在新形勢下進一步迎來爆發的機（jī）會。激光切割作（zuò）為一種（zhǒng）高效、綠色、高（gāo）質量、高精（jīng）度的技術，是促進船舶工業發展及（jí）船舶加工製造優化的基石，對船舶行業實現（xiàn）減量化（huà）、輕量化、再製造、降低成（chéng）本，減（jiǎn）少（shǎo）工時（shí）以及節能環保等方麵發揮重要作用（yòng）。另外，激光（guāng）切割工藝還是船舶結構（gòu）前船板（bǎn）備料的理想手（shǒu）段，順應目前船舶結構大型化製造精度化，建造高效化的發展趨勢。本文針對激光切割技術原理和特點，船舶製造領域激光切割（gē）技術的應用現狀、存在問題及其應用前景進行論述。
1. 激光切割（gē）技術
（1）激光切割原理（lǐ）
激光切割是典型的熱切割方法，其通過（guò）激光器產生高（gāo）能量密度的（de）激光束，並利用激光鏡組聚焦光（guāng）束，照（zhào）射工件，且以連續（xù）重複的脈衝作業方式，加熱工件材料，使其迅（xùn）速發生（shēng）熔化、汽化、燒蝕形成（chéng）孔洞。同時（shí）借助與光束同軸的（de）高速氣流吹除切（qiē）口處熔融（róng）廢料，完成工件（jiàn）的切割分離。激光切割的原（yuán）理如圖（tú）1所示。
圖1 激光切割原理示（shì）意
（2）激光切割的特點
第一，切割質量好：激光光斑（bān）小（xiǎo）、能量（liàng）密度高、切割速度快、激光（guāng）切割切口細窄（zhǎi）平整，切縫表麵光潔美觀，表麵粗糙（cāo）度隻有幾十微米，切割零件的尺寸精度可達±0.05mm，工件變形小，熱影響區小，適應性與靈（líng）活性高，可作為最後一（yī）道加工工序，無需二次加工，減少加工成本。
第二，切割效（xiào）率高：基於激光的光學特（tè）性與傳輸特性，激光切割可在配有多台（tái）數控操作台的激光切割機上實現數控操作。同時，隻需修改（gǎi）數控程序，就可實現（xiàn）多形狀零件的切割，其（qí）中包括二維與三維切割。
第（dì）三，非（fēi）接觸式切割，減少工具成本：激（jī）光切割時它不像傳統切割方式，其割炬（jù）不與工件接觸，無需更換“刀具”，不（bú）存在（zài）刀具磨損，加工多厚度（dù）或多（duō）形（xíng）狀零件，隻需改變激光器的激光輸出參數即（jí）可實現。因此激光切割是一種綠色（sè）環保加工手段，激光切割過程噪聲小、振動小，不產生（shēng）汙染。
第 四 ， 切 割 材 料 種 類 多 ，切割速度快：激光切割材料（liào）種類繁多，包括金屬、非金屬、複合材料（liào）、木材等。且激光切割速度快，用功率為4000W的激光（guāng）切割12mm厚30°坡口的低碳鋼，坡口切割速度每分鍾可達2200mm，用（yòng）功率6000W的（de）激光切割8mm厚22.5°坡（pō）口的不鏽鋼，坡口（kǒu）的切割速度每（měi）分鍾可達1500mm。
2. 激光切割技術在船舶方麵的應用現狀
（1）船舶切割（gē）特（tè）點
船舶行業對於船體分段轉配精度要求高，構架轉（zhuǎn）配間隙（xì）必須控製在1 m m 範圍。以往船（chuán）舶製造企業一般采用等（děng）離子對肋板下料時，為了保證裝配間隙，在肋（lèi）板上（shàng）均設置（zhì）修割餘量，這需要在現（xiàn）場裝配時手工進行修割，修割質量（liàng）參差不齊，割縫內殘留氧化物，同時增加了裝配工作量，裝（zhuāng）配周期增長，致使整個分段（duàn）建造周期延長。另外，采用激（jī）光切割機下料取消了裝配餘量後（hòu），消除了現場修割的現象，減少了人工和材（cái）料（liào）浪費，構架裝配速度（dù）明顯加快，裝配質量提升顯著。
（2）激光切割技術在船舶製造中的應用（yòng）優勢
近幾（jǐ）年,“精密造船”和“快（kuài）速造船”成為船舶製造業（yè）發展的主要趨勢，激光切割技術得（dé）到了快速發展，占據了整個激光加工行業的70%以上。船舶製造（zào）行業主要以鋼板原（yuán）料為主，使用激光切割板材，可（kě）代替一些需（xū）要采用複（fù）雜大型模具的衝切加工方法，大大縮短生產周（zhōu）期和降（jiàng）低成本（běn）。目前，船舶行業船體板材零件下料方式（shì）主要采用火焰切割、等（děng）離子切割、剪切加工以及激光切割。其他（tā）切割方式相對於激光切割有諸（zhū）多不（bú）足，例如火（huǒ）焰切割與等離子切割割縫寬、切割精度差（chà），易產生有害氣體，環境汙染大。而激光切割對於船板切割來說，具有切割精度高，熱變形小，減少二（èr）次加工（如（rú）銑邊、鑽孔等）、轉（zhuǎn）運、打磨，尤其小圓、小孔、曲麵加工等優點，符合船體分段轉配精度要求，能充分保證構（gòu）架裝配間隙控（kòng）製在1m m範（fàn）圍，但（dàn）其在鋼（gāng）材（cái）方麵的實用切割速度相（xiàng）對等離子切割要差（chà）。低碳鋼在不（bú）同切割方式下切割速度與切割厚度（dù）的關係，低碳鋼（gāng）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（bú）同切割方式（shì）下切割速度（dù）與切割厚度的關係
表1 低碳鋼在不同切割方式下切割效果
在船舶製造領（lǐng）域，激光切割避免（miǎn）了等離子（zǐ）對肋板下料時（shí），為了保證裝（zhuāng）配間隙，而在（zài）肋板上設置修割餘量，並通過人工進（jìn）行修割，造成修割質量參（cān）差不齊的情況的發生（shēng）。從而減少裝配的工作量、裝配周期、材料與人工成本浪費。通（tōng）過激光（guāng）切割的船用鋼板，割縫質量（liàng）好，切（qiē）口麵垂直性好，無掛渣，氧化層薄，表麵光滑，無需二次加工，可直（zhí）接焊接，且熱變形小，曲線切割精度高，減少配合工時，實現無障礙切割（gē）高強船板（bǎn）。船舶內構材間隙量的偏差如（rú）圖3所示。
圖3 船舶內構材間隙量的偏差
（3）激光切割技（jì）術在船舶製造中的應用現狀（zhuàng）
目前，CO2激光切（qiē）割技術是全球造船生產用的最為普遍的製造加工（gōng）技（jì）術。常用的5~6k WCO2激光器切割速度與等離子相比差，無法滿（mǎn）足船舶製造業現下速度與效率優先的要求，並且其設備和機器維護成本高，回報少，滿足不了造（zào）船業的需（xū）求。雖然它在船舶（bó）上的應用情況並不理想，但也逐步被采用，用於造船領域（yù）的激光切割源和相關切割加工設備構架的技術與工（gōng）藝（yì）都（dōu）有一些新進展。4k WCO2激光器（qì）切割效果如圖4所示。
圖4 4 k W CO2激光器切割效（xiào）果
近年來，國內少數具有（yǒu）雄厚實力的（de）造船廠，江南長興造船基地也已引進世界先（xiān）進的“搭載型（CO2）激光切割機”，但激光切割機搭載技術，國（guó）內外也就日本的（de）技術應用比較樂觀，它（tā）的（de）成功或失敗，也為國（guó）內造船行業提（tí）供寶貴的（de）經驗。同時，隨著國內製造業的發展，光纖激光器也都得到快速發展，其高功率下具有極好的光束（shù）質量、高（gāo）電光轉化效率（lǜ）、相同功率下的小體積、光纖傳輸帶來較好的（de）工作柔性，以及幾乎免維護的高可靠性等形成的綜合優勢，已經對傳（chuán）統的（CO2）激光切（qiē）割構成了挑戰。隨著光纖激光切割加工中厚板效果的不斷改進，國內不少切割設備的生產商（shāng）都已經進入或正準備開展配置光纖激光器的（de）數控激光切割機的研製階段，以及一些（xiē）院校、機構（gòu）、學者已在（zài）研究光纖激光器的切割效果。例如：Jae Sung Shin等人通過6k W光纖激光器研究高速光纖激光對不鏽（xiù）鋼板的（de）切割性能，最（zuì）大（dà）切（qiē）割速（sù）度每分鍾可達72mm，可切割60mm厚不鏽鋼板且切口形狀和割縫寬度優（yōu）良，如圖5所示（shì）。
圖5 切割60mm厚不（bú）鏽鋼（gāng）板（bǎn）的切割（gē）速度
Antti Salminen等 人 用 5 k W 的（de） 光 纖 激 光 器 對10m m不鏽鋼板和4m m鋁（lǚ）板（bǎn）進行了惰性氣體輔助激光切割。研究（jiū）了（le）激光功率、切割速度、焦（jiāo）點位置和輔助氣體壓力（lì）對切割性能和切割質量的影響。確定（dìng）了不（bú）同激光功率下的最大切割速度，並研究了不同切割參數的組合，優化切割效果，得到優質切口等（děng）。參數為（wéi）激光功率4k W，切割速度為每（měi）分鍾1m，氮氣2MPa的10mm厚不鏽鋼板的切割效果如圖6所示。
圖（tú）6 激光功率4k W，切割速度為1m/min，氮氣2MPa的10mm厚不鏽鋼板
現階段光纖（xiān）激光器的輸出功率已達到50k W，但目前的開發重點還是（shì）放在1~4k W的激光（guāng）器上，並以此（cǐ）為基礎研發10k W的（de）激光器，實現激光器（qì）的產業化發展，解決（jué）船（chuán）舶、航天航空、汽車製造的切割與（yǔ）焊（hàn）接問題（tí）。同（tóng）時，激光（guāng）切割技術為了適應切割情況與環境，充分被船舶製造業（yè）利用，其和機器人相結合，形成機器人切割係統。進（jìn）入2000年（nián），德國的KUKA、瑞士的ABB、日本的FANUC等機器人公司均（jun1）研製激光機器人（rén）和（hé）激光切割機（jī）器人的係列產（chǎn）品。機器人（rén）技術與激光技（jì）術的結合是目前應用於船舶製造（zào）行業或是整個製造業的主流趨（qū）
勢。
3. 激光切割在船舶行業應用（yòng）的趨勢及建議
如前所述，激（jī）光切割質量（liàng）優勢明顯，在汽車、鈑（bǎn）金（jīn）、機械等領域得到大（dà）麵積推廣（guǎng），就船舶行業來講，也早已引起重視。滬東中華造船集團、江南造船集團、外高橋（qiáo）造船有限公司和上海寶山鋼鐵股（gǔ）份公司等早在2005年左右就（jiù）與國內高校研（yán）究院所合作進行激光切割和焊接的研究，目前國內江南造船廠、武漢船（chuán）廠等大型造船企業業已采用（yòng）激光切割進行船板的加工。但（dàn）客觀的（de）講，在國（guó）內船（chuán）舶行業，激光（guāng）切割並（bìng）未占（zhàn）據主導地位，主要原因包括：
①激（jī）光切割（gē）成本相比傳統切割方法（fǎ）高。②激光切割的大型設備不適合船舶行業的製造特點（diǎn），如現場施（shī）工、分段作（zuò）業、工（gōng）作環境複雜等。③切割效率沒有明顯優勢，尤其是船舶行業的厚板切割。④激光（guāng）設備維護複雜對工人要求高、成本高等。就目前行業的現狀情況，隨著激光器價格的逐步下降和（hé）智能化水平的提高，激光切割技（jì）術（shù）將逐步在船舶行業得到
大量（liàng）應用。
主要原因包括：
（1）成本問題（tí）船舶行業（c）圖5 切割60mm厚不鏽鋼板的切割速度（a）40mm72mm/min切割方向40mm72mm/min切割（gē）方向切割方向（b）最關心問題之一即切割成本，目（mù）前傳統的工藝一般包括板材進廠+ 火焰切割或等離子切割 + 人工去毛刺+人工坡口或修邊機開坡口+搖（yáo）臂（bì）鑽鑽等包括大約5個工序+4次零件搬運，工藝相對繁複，成本浪費（fèi），若采用激光切割（gē）代替，則工序可簡化為板材進廠+激光（guāng）切割（gē）（激光切割+激光坡口+激光鑽孔），在時間成（chéng）本、人力（lì）成本、場地成本等方麵均得到降低。為進一步直觀比較相應成本，本文經過測算，並與伯納激光科技等多（duō）家公司核實，給出表（biǎo）2~表4的對比數據。
表中的試驗和核（hé）算中采用統一條件，所用材（cái）料為Q345B，板材規格2200mm×6000mm×25mm，切割（gē）6張，單張切縫數量為7，切 割 總（zǒng） 長 度 2 5 2 m ， 板 材 重 量15543k g，采用直線下料切割方（fāng）式。成本的核算（suàn）考（kǎo）慮（lǜ）人力成本、材料損耗、附件損耗、切割氣體成（chéng）本（běn）等。由表格可（kě）以看出，激光切割已（yǐ）經（jīng）具有明顯優勢（shì）。
表2 火焰切（qiē）割成本
表3 等離子切割成本（běn）
表（biǎo）4 激光切割成本
（2）激光設備的柔性化、智能化逐步適應船舶行業的發展
近些年國（guó）內大型（xíng）裝備的智能化水平有所突破，基於CNC、機器人機器（qì）組合的各類裝備很多具有模塊化、智能化的實用（yòng）技術（shù），如南通中遠（yuǎn）川崎智能生產（chǎn）線能適應（yīng）複雜情況（kuàng）下的製造係統。這對於船舶行（háng）業的分段製造、戶外作（zuò）業以及（jí）複雜生產環境具（jù）有良好的（de）適應（yīng）性。除了（le）裝備外，工藝最終決定了使用效果，因此科技人員通（tōng）過實時監測與（yǔ）控製機械切割過程，完成（chéng）工藝信息的采（cǎi）集與分析，同時融入（rù）多個能場（chǎng）與工藝，實現（xiàn）工藝（yì）改良的（de）重要手段，進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（qì）的發展降低了設備（bèi）、維護成本
隨著大功（gōng）率光纖激（jī）光器與半導體激光器製造技術的快速發展以及相應的加工（gōng）技術水平的提升，光纖激光（guāng）器與半導體激光器的高效、節能、精密的切（qiē）割特（tè）點，迎合市場需求，符合當下（xià）激（jī）光製造（zào）技術的發展方向，應大力推動光纖激光器與半導體激光器的產業化與市場化（huà）及其相應（yīng）設（shè）備與控製技術的開發完（wán）善。而相應設備的進展又進一步提高了設備（bèi）的集成度（dù）和柔（róu）性水平，針對船舶舾板（bǎn）工（gōng）作對切割機的特殊要求和（hé）船體結構所用型材加工形狀的多樣性，激（jī）光切割頭多自由度優化設計、旋轉（zhuǎn）控製（zhì）方式與控製係統（tǒng）的研發迫（pò）在眉睫，同時重（chóng）視機器人與機械視覺檢測係統在激光領域的應用研究，實現監測切割路徑，高精度切（qiē）割（gē），無人自動（dòng）操作，來提高作業質量和作業效率，有效控製切割（gē）質（zhì）量，降低生產成本和安全風險。
中國船舶行業主動適應新（xīn）常態，轉型升級成效明顯。戰略性、前瞻性產（chǎn）品研發穩步推進，如7萬（wàn）總（zǒng）t級自主知識產權豪華郵（yóu）輪、3.88萬t智能示範船、第（dì）七代超深水鑽井平台、新型極地自破冰科考船、超大型乙烷（wán）運輸船（VLEC）等逐步在開發和（hé）生產，在國內訂單下（xià）降的情況下，出口訂單在穩步增長。相應具有研發優勢的企（qǐ）業（yè）進一步（bù）突出特色， 產業進一步集中，尤其（qí）是前10名的企業占據半壁江山，而這些必將進（jìn）一（yī）步（bù）推動對（duì）高質（zhì）量製造的需求，推動激（jī）光切割在該行業的（de）應用，而激光（guāng）行（háng）業也（yě）必將進一步適應船舶行業的需求，朝著進一步降低成本、高質量、智能化的方向發展。
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