激光切割技术在船舶制造中的应用现状和趋势

吕崇升

【摘 要】论文以激光切割技术在船舶制造中的应用为切入点，分析了激光切割技术在船舶制造中的应用特点，阐述了激光切割技术在船舶制造中的应用现状，并对激光切割技术在船舶制造中的应用趋势进行了简单地分析。

【Abstract】Taking the application of laser cutting technique in shipbuilding as the breakthrough point， this paper analyzes the characteristics of the application of laser cutting technique in shipbuilding， expounds the current situation of the application of laser cutting technique in shipbuilding， and simply analyzes the tendency of the application of laser cutting technique in shipbuilding.

【关键词】激光切割技术;船舶制造;趋势

【Keywords】laser cutting technique; shipbuilding; tendency

【中图分类号】TG485;U671                                          【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）09-0160-02

1 引言

船舶的建造过程是一项非常繁杂的系统性工程，其涉及的产业链条较多，从最初的原材料采购到最终完整船舶产品的生成需要经过漫长的生产过程。而切割加工工序是船舶制造中原材料形成零件的首道工序，其加工效果也对后续船舶加工质量具有较大的影响。特别是在船舶产品的薄板材料激光切割加工过程中，其工艺设备的选择、加工模式的设置等会直接影响造船效果。因此，探究先进的船舶产品切割加工模式具有非常重要的意义。

2 激光切割技术在船舶制造中的应用优势

相较于等离子切割、火焰切割技术而言，激光切割技术能量密度更大，可进行金属、非金属材料等多种材料的切割，其切割缝隙宽度最小，为0.03mm，整体切割尺寸精度良好。同时，利用激光切割技术，不仅可以有效保证船舶构件切割面的倾斜度及上缘的完整性，而且可以通过运用自动化切割处理的方式，最大限度减轻船舶制造业生产压力[1]。

3 激光切割技术在船舶制造中的应用现状

3.1 激光切割技术的原理

激光切割主要是利用激光二极管发出高聚集、高能量的激光束，促使材料表层快速融化，并产生与激光束直径一致的孔洞。随后利用氧气等辅助气体，吹除激光切割缝中多余熔渣，并产生较高的热量，以达到材料加热切割的目的[2]。

3.2 激光切割技术在船舶制造中的應用背景

20世纪60年代以来，激光切割技术开始在金属加工领域应用。由于激光切割的功率较小，在以薄板加工为主的钣金行业作为替代冲床的技术而发展起来时，形成了完整的船舶激光切割技术体系。如早期日本部分船舶制造企业率先利用激光切割设备，在板材切割质量和精度方面取得了较大的提高，为厚道工序精益生产提供了基础条件。随后在20世纪末期，在欧洲船舶制造企业中Vosper Thorny Croft公司组装了首台激光切割设备，并在20世纪末至21世纪初期的一段时间内逐步发展，形成了成套的激光焊接、切割设备。同期美国的Bender船舶制造企业首次使用了高功率激光切割设备——Tanaka LMX Ⅲ激光器，对制造成本、制造质量等方面均进行了一定的提升;21世纪初期，联邦电动船舶制造部门在移动实验室内安装了4kW的ESAB系统，为激光切割技术的有效应用提供了理论支持[3]。

3.3 激光切割技术在船舶制造中的应用现状

现阶段的激光切割技术在应用过程中，设备主要包括CO2激光切割机、光纤激光切割机两种类型，两者的差别如表1所示。

通过对表1进行分析可知，综合分析各种影响因素，CO2激光切割机在船舶制造领域能够适合更广范围的板厚切割，对人体的危害程度更低，与光纤激光切割机相比，CO2激光切割机更适合船舶产品的切割作业。在船体构件中内烟囱、平行肿体、舭部均为圆柱形式的板块，利用CO2激光切割机对圆柱形式板块进行切割，整体切割效率较高，且适用于开放式切割环境。但是现阶段CO2激光切割机常用的为5.0～6.0kW类型，切割速度略低于等离子切割模式。如激光切割机速度为2200mm/min，而等离子切割机速度为4100mm/min，在生产效率提升方面还存在欠缺。再加上激光切割设备及机器维护成本较高，回报与投入不成正比，导致CO2激光切割机在船舶制造中的应用情况并不理想。

4 激光切割技术在船舶制造中的应用趋势及建议

4.1 激光切割技术在船舶制造中应用发展的壁垒

由上文可知，激光切割质量优势较为突出，也得到了船舶制造行业较高的重视。我国江南造船集团、上海宝山钢铁股份公司、外高桥造船有限公司、沪东中华造船（集团）有限公司等企业，在2005年就与我国内部高等院校合作进行了激光切割与焊接的研究。现阶段，我国大型船厂大多采用激光切割技术进行了船板的加工，如武汉船厂、江南造船厂。而从客观层面进行分析，由于激光切割技术应用造价成本较高、现场施工及分段作业中激光切割设备应用难度大、切割效率优势不明显等问题，再加上激光切割机主要是应用于薄板结构的切割，而等离子切割机、火焰切割机等是按照实际生产需求配置的，严重影响了激光切割技术在我国船舶制造行业中的应用。

4.2 激光切割技术在船舶制造中应用发展的趋势及建议

对现阶段船舶制造行业的发展情况进行分析，在激光器价格不断下降、激光切割技术智能化水平日渐稳定的背景下，阻碍激光切割技术在船舶制造行业大规模应用的相关因素可被逐一解决，激光切割技术也将在船舶行业得到大规模的应用。

第一，针对阻碍激光切割技术在船舶制造行业应用的切割成本问题，船舶制造企业采用传统的切割设备、切割方式会出现切割精度不高、毛边缺陷、切割端口挂渣等问题，而激光切割机由于热能量集中度比较高，在切割精度、边缘光滑性、端口挂渣方面会有非常大的提高，為保证后续施工工艺质量提供了良好的前提条件，同时，降低了作业成本，提高了生产效率。第二，在激光切割技术发展进程中，含激光切割机的生产线也不断优化提升。在现场施工及分段作业中，由于含激光切割机的生产线应用难度大导致的激光切割困难，在近几年发展进程中，我国部分大型含激光切割机的生产线智能化水平得到了有效的提升，基于CNC与机器人组合的不同类型的含激光切割机的生产线不仅可实现柔性化、智能化管理，而且可以更好地适应船舶制造行业的发展要求。例如，南通中远川崎智能生产线可以良好有效地应对各种复杂的生产状况，有效解决船舶生产制造过程中户外作业、分段制造过程中面临的各种问题。同时，相关行业的科研人员通过实时监测，配合控制机械切割技术，完成了船舶切割过程全方位工艺信息采集分析。并根据不同能场及工艺，改进了工艺参数，为切割工序简化及工期缩短提供了依据。第三，考虑切割效率优势不明显对激光切割技术在船舶制造行业大规模应用的影响，船舶制造行业内的相关企业可依托大功率光纤激光器及半导体激光器的优势特点，综合利用光纤激光器、半导体激光器精密度高、节能效果好、效率高的优势，结合市场需求，大力推动光纤激光器、半导体激光器及相关控制技术的产业化、市场化开发利用，进一步提高激光切割设备的集成度、柔性化水平。依据船舶薄板切割作业需求，对激光切割头部自由度及旋转控制模式进行合理设计。通过机器人及机械视觉检测系统在激光领域的应用开发，可以充分满足船舶薄板切割工作中加工形状的多样性及高精度切割要求。通过激光切割路径全过程自动监测、无人自动操作等作业模式的运行，也可以进一步提高船舶薄板激光切割效率及质量，为激光切割技术在船舶制造行业的大规模运用提供依据。

5 结语

综上所述，船舶制造企业应在现有船舶建造设备应用的基础上，正确选择激光切割模式，科学进行船舶薄板切割作业。同时，借鉴国外激光切割技术发展经验，推动船舶激光切割技术的产业化、市场化发展，以便更好引领后道船舶建造质量的提高和发展。

【参考文献】

【1】宋维建.万瓦级激光切割装备及技术[J].金属加工：热加工，2018（3）：22-24.

【2】孙博宇，乔红超，赵吉宾，等.水导激光切割技术研究现状[J].光电工程，2017，44（11）：1039-1044.

【3】陈希章，苏传出，程军辉.激光切割技术在船舶制造中的应用现状与发展趋势[J].金属加工：热加工，2018（3）：111-112.