激光切割技術在船舶製造中的應用現狀與發展（zhǎn）趨勢-特種加工機床網-數控機床市場網

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激光切割技術在船舶製造中（zhōng）的應用現狀與發展趨勢

2018-6-21 來源：轉載作者：陳希章（zhāng），蘇傳出，程軍輝

摘要：激光（guāng）切割具（jù）有切割（gē）效率高，切割精度高，熱變形小，割（gē）縫質量與切口麵垂直性好等優點，在鈑金、汽車（chē）、機械等行業已經得到大量應（yīng）用（yòng），但由於船舶切（qiē）割自身的特點（diǎn），激（jī）光切割（gē）在該行業未能大麵積推廣。本文總結（jié）了激光切（qiē）割技術的原理與特點，回顧了激光切割技術（shù）在（zài）船舶製造中的應用現狀及存在的（de）問題，重點對現狀（zhuàng）進（jìn）行了分（fèn）析和展望（wàng），從性（xìng）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（yòng）建（jiàn）議。

關鍵詞：激光切割（gē）；船舶製造；應用現狀；發展前景

船舶行業是金屬焊接（jiē）和切（qiē）割的大戶，其製造涉及的主要工（gōng）序之一就（jiù）是切割和焊接。船舶行業近些年來經曆了快速擴張又突然萎縮的過程。

2016 年是船舶工業“十三（sān）五（wǔ）”的開局之年，2017年是全球造船業深度調整、我國船舶工業進入（rù）全麵做強階段的關鍵之年。

據中國（guó）船舶行業協會統計數（shù）據（jù），經過市場調整，船舶行業出現一些新的特點，船舶行業總體經濟總量幅度變化不大的情況下利潤有一定幅度下滑，在總體訂單（dān）有所下降的情況下，出口訂單有（yǒu）所（suǒ）回升，同（tóng）時船舶行業產業集中度進一步提升，目前前十名的船舶企（qǐ）業占據市場的53.4%以上（shàng）。隨著市場競爭的激烈、利潤的下滑和質量要求的提高，船舶行業（yè）對製造質（zhì）量更加（jiā）重視（shì），而作為切割大（dà）戶，激光切割在新形勢下進一步（bù）迎來爆發的機會。激光切割作為一種高效、綠色、高質量、高（gāo）精度的技術，是促進船舶工業發展及船舶加工（gōng）製造優化的基石，對船舶（bó）行業實現減量化、輕量化、再製造、降低成本，減少工時以及節能（néng）環保（bǎo）等方麵發揮重（chóng）要作用。另外，激（jī）光切割（gē）工（gōng）藝還是船舶（bó）結構前船板備料的（de）理想手段（duàn），順（shùn）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（jī）光切割技術原理和特（tè）點，船舶製造（zào）領域激光切（qiē）割技術的應用現狀、存在問題及其應用前景進行（háng）論述（shù）。

1. 激光切割技術

（1）激光切（qiē）割（gē）原理

激光切（qiē）割是典型的（de）熱切割方法，其通過激光器產（chǎn）生高能量密度（dù）的激光束，並利用激光鏡組聚焦光（guāng）束，照射工件，且以連續重複的脈衝作業（yè）方（fāng）式，加熱工件材（cái）料，使其迅速發生熔化、汽化、燒蝕形成孔洞（dòng）。同時借助與光束同軸的高（gāo）速氣流吹除切口（kǒu）處熔融（róng）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（tè）點

第一，切割（gē）質量好：激（jī）光（guāng）光斑小（xiǎo）、能量密（mì）度高、切割速度快、激（jī）光切割切口細窄平整，切縫表麵光潔美觀，表麵粗糙（cāo）度隻有幾（jǐ）十微米，切割（gē）零件的尺寸精度可（kě）達±0.05mm，工件變（biàn）形小，熱影響區小，適應性與靈活性高，可作為最後一道加工工序（xù），無（wú）需二次加工，減少加工成本。

第二（èr），切割效率高：基於激光（guāng）的光學特性與傳輸特性，激（jī）光切割可在配有多台數控操（cāo）作台的激光（guāng）切割機上（shàng）實（shí）現數控操（cāo）作。同時，隻需修改數控程序，就（jiù）可實（shí）現多形狀零件的切割，其中包括二維與三維切割（gē）。

第三，非接觸式切割，減少工具成本：激光切割時它不像傳統（tǒng）切割方式，其割炬不與工件接觸，無需更換“刀具”，不存在刀具磨損，加工多厚度或多（duō）形狀零件，隻需改變激光器的激光輸出參數（shù）即可實現。因此激光切割（gē）是一種綠色環保加工手段，激光切割（gē）過程噪聲小、振（zhèn）動（dòng）小，不產生汙（wū）染。

第四，切割材料種（zhǒng）類多，切（qiē）割速度快（kuài）：激光切割（gē）材料種類繁多，包括金屬、非金屬、複合材料、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（kǒu）的（de）低碳鋼，坡口切割（gē）速（sù）度每分鍾可達2200mm，用功率6000W的激光切割8mm厚22.5°坡口的（de）不鏽鋼，坡口的切割速度（dù）每分鍾可（kě）達1500mm。

2. 激光切割技術在（zài）船舶方麵的應用現狀

（1）船舶切割特點

船（chuán）舶行業對於船體分段（duàn）轉配精度要求高，構架轉配間（jiān）隙必須控製（zhì）在1 m m 範圍。以往船舶製造（zào）企業一般采用（yòng）等離子對肋（lèi）板下料時（shí），為了（le）保證裝配（pèi）間隙，在（zài）肋（lèi）板上均設置修割（gē）餘量，這需要在現場裝配時手工進行修割，修割（gē）質量參差不（bú）齊，割縫內殘留氧化物，同（tóng）時增加了裝配工作量（liàng），裝配周期增長，致使整個分段（duàn）建造周期延長。另（lìng）外，采用激光切割機下料取消了裝配餘量後，消除了現場修割的現象，減少了人工（gōng）和材料浪費，構架（jià）裝配速度明顯加快，裝配質量提升顯著。

（2）激光切割技術在船舶製（zhì）造中的應用優勢

近幾年,“精密造船”和（hé）“快速造船”成為船舶製造業（yè）發展的主要趨（qū）勢，激（jī）光切割技術得（dé）到了快速發展，占據了整個激光（guāng）加工行業的70%以上。船舶製造行業主（zhǔ）要以鋼板原料為主，使（shǐ）用激光切（qiē）割板材，可（kě）代替一些需要采用複（fù）雜大型模具的衝切加工方（fāng）法，大大縮短生產周期和降低成本。目前，船舶行業船體板材（cái）零（líng）件（jiàn）下料方式主（zhǔ）要采（cǎi）用火焰（yàn）切割（gē）、等離子切（qiē）割、剪切加工以及激光切割。其他切割方式相對於激光切割有諸多不足，例如火焰切割與等離子切割割縫（féng）寬、切割精度差，易產生（shēng）有害（hài）氣體（tǐ），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，減少二次（cì）加工（如銑邊、鑽孔等）、轉運（yùn）、打磨（mó），尤其小圓、小孔、曲麵加工等優點（diǎn），符合船體分段轉配（pèi）精度要求，能充分保證構架裝配間（jiān）隙控製在1m m範圍，但其在鋼材方麵的實用切割速度相對等離（lí）子切割要（yào）差。低碳鋼在不同切割方（fāng）式下切割速度與切割厚度的關係，低碳鋼在不同切割方式下切割效果分別如圖2與表1所（suǒ）示

圖2 低碳鋼在不（bú）同切割方式下切割速度（dù）與（yǔ）切割厚度（dù）的關係

表1 低碳鋼（gāng）在不同切割（gē）方式下切割效果

在船舶製造領（lǐng）域，激光切割避免了（le）等離子對肋板下料（liào）時，為了保證裝配間隙，而在肋板（bǎn）上設置修割餘量，並通過人工進行修割，造成修割質量參差不齊的情況的發生。從而減少裝配的工作量、裝配周期（qī）、材（cái）料與人工成本浪費。通過激光切割的船用鋼板，割縫質量好（hǎo），切（qiē）口麵垂直性好（hǎo），無掛渣，氧化層（céng）薄，表麵光滑，無需二次加工，可直接焊接，且（qiě）熱變形小，曲線切割精度高（gāo），減少配合工時，實現（xiàn）無障礙切（qiē）割高強船板（bǎn）。船舶（bó）內構材間隙量（liàng）的偏差如圖3所示。

圖3 船舶（bó）內構材間隙（xì）量的偏（piān）差

（3）激光切割技術在船（chuán）舶製造（zào）中的（de）應用現狀

目前，CO2激光切割技術是全球造（zào）船（chuán）生產用的最（zuì）為普遍（biàn）的製造加（jiā）工技術（shù）。常用的5~6k WCO2激光器切割速度與等離子相比差，無法滿足船舶製造業（yè）現下速度與效率優先的要（yào）求，並且其設備（bèi）和機器（qì）維護成本高，回報少，滿足不了造船業的需求。雖然它在船舶上的應用情況並不理想，但也逐步被采（cǎi）用，用於造船領域的激光切（qiē）割源和（hé）相（xiàng）關切割加工設備構（gòu）架（jià）的技術（shù）與工藝都有一些新進展。4k WCO2激光器切割效果如圖4所示。

圖4 4 k W CO2激光器（qì）切割效果

近年來，國內（nèi）少數具有雄厚實力的造船廠，江南長興造船基地也（yě）已引進世界先進的“搭載型（xíng）（CO2）激光切割機”，但激光切割機搭載（zǎi）技術，國內（nèi）外也就日本的技（jì）術（shù）應用比較樂觀，它的成功或（huò）失敗，也為（wéi）國內造（zào）船行業提供寶貴的經驗。同時，隨著國內製造業的發展，光纖激（jī）光器也都得到（dào）快速發展，其高功率下具有極好的光束質（zhì）量、高電光轉化效率、相同功（gōng）率下的小體（tǐ）積、光（guāng）纖傳（chuán）輸帶來較好的工作柔性，以及幾乎免維護的高可靠性等形成的綜合優勢，已經對傳統的（CO2）激光切割構成了挑戰（zhàn）。隨著光纖激光（guāng）切割加工中厚板效果的不斷改進（jìn），國內不少切割設備的生產商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（jī）的研製階段，以及一些院校、機構、學（xué）者已（yǐ）在研究光纖激光器（qì）的切割效果。例如：Jae Sung Shin等人通（tōng）過6k W光纖激光器研究高速光纖激光對不鏽（xiù）鋼板的切割性能，最大切割速度每分鍾（zhōng）可達72mm，可切割60mm厚不鏽鋼板且切口形狀和（hé）割縫寬度優（yōu）良，如（rú）圖5所示。

圖（tú）5 切割60mm厚不鏽鋼板的切割速度（dù）

Antti Salminen等人用 5 k W 的光纖激光器對10m m不鏽鋼板和4m m鋁板進行（háng）了惰性氣體輔助激光切割。研究了激光功（gōng）率、切割速度、焦點位（wèi）置和輔助（zhù）氣體壓力對切割性能和切割質量的影響。確定了不同激光功率下的最大切割速度（dù），並研究了不（bú）同切割參數的組（zǔ）合，優化切割效（xiào）果，得到優質（zhì）切口等。參數為激光功率4k W，切割速度（dù）為每分鍾1m，氮氣2MPa的10mm厚不鏽鋼板的切割效（xiào）果如圖6所示。

圖6 激光功率4k W，切割速（sù）度為（wéi）1m/min，氮氣（qì）2MPa的10mm厚不鏽鋼板

現階（jiē）段光纖激光器的輸出功率已達到50k W，但目前的開發重點還是放在1~4k W的激光器上，並以此為基礎研發10k W的激光器，實現激光器的產業化發展，解決（jué）船舶、航天航空（kōng）、汽車（chē）製造的切割與焊接問（wèn）題。同時，激光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。進入2000年，德國的KUKA、瑞士的（de）ABB、日本（běn）的FANUC等（děng）機器人公（gōng）司均研製激光機器人和激光切割機（jī）器人的係列產品。機器人技術與激光技術的結合是目前應用於船舶製（zhì）造行業或是（shì）整（zhěng）個製造業的主流趨

勢。

3. 激光切割在船舶行業（yè）應（yīng）用的趨勢及建議

如前（qián）所述，激光切（qiē）割質量（liàng）優勢明顯（xiǎn），在汽車、鈑金、機（jī）械等領域得到大麵積推（tuī）廣，就船舶行（háng）業來講，也早已引起重視。滬東中華造船集團、江南造（zào）船集團、外（wài）高橋造船有限公司（sī）和上海寶（bǎo）山鋼（gāng）鐵股份公司（sī）等早在2005年左右就與國內高校（xiào）研（yán）究院所合（hé）作進行激光切割和焊接（jiē）的研究，目前國內江（jiāng）南造船廠、武漢船廠等（děng）大型造船企（qǐ）業業已采用激光切割進行船板的加工。但客觀的講，在國內船舶行業，激光切割並未占據主導（dǎo）地位，主要原因（yīn）包括：

①激光切割成（chéng）本相（xiàng）比傳統切割方法高。②激光切割的大型設（shè）備不適合船舶行業的製造特點，如現場施工（gōng）、分段作業、工作環境複雜等。③切割效率沒有（yǒu）明顯優勢，尤其（qí）是船（chuán）舶行業的（de）厚板切割。④激光設備維護複（fù）雜對工人要求高、成本高等。就目（mù）前行業的現狀情（qíng）況，隨（suí）著激光器價格的逐步下降和智能（néng）化（huà）水平的提高，激光切割技術將逐步在船舶行業得到

大量應用。

主要（yào）原因包括：

（1）成本問題船（chuán）舶行業（c）圖5 切割（gē）60mm厚不鏽鋼板（bǎn）的切割速度（a）40mm72mm/min切割方向40mm72mm/min切割方（fāng）向切割（gē）方向（b）最關（guān）心問題之一即切割（gē）成本，目前傳統的工藝一般包（bāo）括板材進廠（chǎng）+ 火焰切割或等離子切割 + 人工去毛刺+人工坡（pō）口或修邊機開坡口+搖臂鑽（zuàn）鑽（zuàn）等包括（kuò）大約5個工序+4次零件搬運，工藝相對繁複，成本浪費，若采用激光切割代替，則工序（xù）可簡化為板材進廠（chǎng）+激光切割（激光切割+激光坡口+激光鑽孔），在時間成本、人力成本、場地成本等方麵均得到降（jiàng）低。為（wéi）進（jìn）一步直觀（guān）比較相應成（chéng）本，本文經過測算，並與伯納激光科技等多家公司核實，給出表2~表4的對比數據（jù）。

表中的試驗和核算中采用統一條件，所用材料為Q345B，板材規格（gé）2200mm×6000mm×25mm，切割6張，單張（zhāng）切縫數量（liàng）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（gē）方式（shì）。成（chéng）本的核（hé）算考慮人力成本、材料損耗、附件損（sǔn）耗、切割（gē）氣體成本等（děng）。由表格可以看出，激光切割已（yǐ）經（jīng）具有明顯優勢。

表（biǎo）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（jī）光設備（bèi）的柔性化、智能（néng）化逐步適應船舶行業的發（fā）展

近（jìn）些年國內大型裝（zhuāng）備（bèi）的智能化水平有所突破，基（jī）於CNC、機器人（rén）機器（qì）組合的各類裝備很多具有模（mó）塊化、智能化的實（shí）用技術，如南通中遠川（chuān）崎智能生產線能適應複雜情況下的製造（zào）係統。這對於船舶行業的分段製造、戶外作業以及複雜生產環境具（jù）有良好的適應性。除了裝備外（wài），工藝最終決定了使用效果，因此科技人員通過（guò）實時監（jiān）測與（yǔ）控製機械切割過程（chéng），完成工藝信息的采集與分析，同時融入多個能場（chǎng）與工藝，實現工藝改（gǎi）良的重（chóng）要（yào）手段，進而（ér）提高激光切（qiē）割效果，簡化切割工序，縮（suō）減工期與成本。

（3）激光器的發展（zhǎn）降低了設備、維（wéi）護成（chéng）本

隨著大功率光（guāng）纖激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技術水平的提升，光纖激光器（qì）與半導體激（jī）光（guāng）器的高效、節能、精密的切割特（tè）點，迎合市場（chǎng）需求，符合當下（xià）激光（guāng）製造技術的發展方向，應大力推動光纖激光（guāng）器與半導（dǎo）體激光器的產業化與市場化及其相應設備與控製技術的開發完善。而相應設備的進展又進一步（bù）提高了設備的（de）集成度和柔性水平，針對船舶舾板工作對切割機的特（tè）殊（shū）要求（qiú）和船體結（jié）構所（suǒ）用型材加工形狀的多樣（yàng）性，激光切割頭多自由度優化設計、旋轉控製方式與控製係統的研發迫在眉睫，同（tóng）時重視機器人與機械視覺檢測係統在（zài）激光領域的應用（yòng）研究，實現監測切割路徑，高精（jīng）度切割（gē），無人自動（dòng）操作（zuò），來提高作業質（zhì）量和作業效（xiào）率，有效控製切割質量，降低生產成本和安全風險。

中國船舶行業主動適應新常態，轉型升級成效明顯。戰略性、前瞻性產品（pǐn）研發穩步推進，如7萬（wàn）總t級自（zì）主（zhǔ）知識產權豪華郵（yóu）輪、3.88萬t智能示範船（chuán）、第七代超深水鑽井平台、新型極地自破冰科考船、超大型乙烷運輸船（VLEC）等逐步在開發和生產，在（zài）國內訂單下降（jiàng）的情（qíng）況下，出口訂（dìng）單（dān）在（zài）穩步增長。相應具有（yǒu）研發優勢的企（qǐ）業進（jìn）一步（bù）突出特色，產業進一（yī）步集中，尤其是前10名的企業占據半壁江山，而這些必將進一步推動對高質（zhì）量製造的需求，推動激光切（qiē）割（gē）在該行業的應用，而（ér）激光行業也（yě）必將進（jìn）一步適應船舶行業的需求，朝著進一（yī）步降低成本、高質量、智能化的方向發展。

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