激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

■ 陳希章，蘇傳出，程軍輝

船舶行業(yè)是金屬焊接和切割的大戶，其制造涉及的主要工序之一就是切割和焊接。船舶行業(yè)近些年來經(jīng)歷了快速擴(kuò)張又突然萎縮的過程。2016 年是船舶工業(yè)“十三五”的開局之年，2017年是全球造船業(yè)深度調(diào)整、我國船舶工業(yè)進(jìn)入全面做強(qiáng)階段的關(guān)鍵之年。

據(jù)中國船舶行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計數(shù)據(jù)，經(jīng)過市場調(diào)整，船舶行業(yè)出現(xiàn)一些新的特點(diǎn)，船舶行業(yè)總體經(jīng)濟(jì)總量幅度變化不大的情況下利潤有一定幅度下滑，在總體訂單有所下降的情況下，出口訂單有所回升，同時船舶行業(yè)產(chǎn)業(yè)集中度進(jìn)一步提升，目前前十名的船舶企業(yè)占據(jù)市場的53.4%以上。隨著市場競爭的激烈、利潤的下滑和質(zhì)量要求的提高，船舶行業(yè)對制造質(zhì)量更加重視，而作為切割大戶，激光切割在新形勢下進(jìn)一步迎來爆發(fā)的機(jī)會。激光切割作為一種高效、綠色、高質(zhì)量、高精度的技術(shù)，是促進(jìn)船舶工業(yè)發(fā)展及船舶加工制造優(yōu)化的基石，對船舶行業(yè)實(shí)現(xiàn)減量化、輕量化、再制造、降低成本，減少工時以及節(jié)能環(huán)保等方面發(fā)揮重要作用。另外，激光切割工藝還是船舶結(jié)構(gòu)前船板備料的理想手段，順應(yīng)目前船舶結(jié)構(gòu)大型化制造精度化，建造高效化的發(fā)展趨勢。本文針對激光切割技術(shù)原理和特點(diǎn)，船舶制造領(lǐng)域激光切割技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀、存在問題及其應(yīng)用前景進(jìn)行論述。

1. 激光切割技術(shù)

（1）激光切割原理 激光切割是典型的熱切割方法，其通過激光器產(chǎn)生高能量密度的激光束，并利用激光鏡組聚焦光束，照射工件，且以連續(xù)重復(fù)的脈沖作業(yè)方式，加熱工件材料，使其迅速發(fā)生熔化、汽化、燒蝕形成孔洞。同時借助與光束同軸的高速氣流吹除切口處熔融廢料，完成工件的切割分離。激光切割的原理如圖1所示。

（2）激光切割的特點(diǎn) 第一，切割質(zhì)量好：激光光斑小、能量密度高、切割速度快、激光切割切口細(xì)窄平整，切縫表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米，切割零件的尺寸精度可達(dá)±0.05mm，工件變形小，熱影響區(qū)小，適應(yīng)性與靈活性高，可作為最后一道加工工序，無需二次加工，減少加工成本。

第二，切割效率高：基于激光的光學(xué)特性與傳輸特性，激光切割可在配有多臺數(shù)控操作臺的激光切割機(jī)上實(shí)現(xiàn)數(shù)控操作。同時，只需修改數(shù)控程序，就可實(shí)現(xiàn)多形狀零件的切割，其中包括二維與三維切割。

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，加工多厚度或多形狀零件，只需改變激光器的激光輸出參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)。因此激光切割是一種綠色環(huán)保加工手段，激光切割過程噪聲小、振動小，不產(chǎn)生污染。

第四，切割材料種類多，切割速度快：激光切割材料種類繁多，包括金屬、非金屬、復(fù)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°坡口的低碳鋼，坡口切割速度每分鐘可達(dá)2200mm，用功率6000W的激光切割8mm厚22.5°坡口的不銹鋼，坡口的切割速度每分鐘可達(dá)1500mm。

2. 激光切割技術(shù)在船舶方面的應(yīng)用現(xiàn)狀

（1）船舶切割特點(diǎn) 船舶行業(yè)對于船體分段轉(zhuǎn)配精度要求高，構(gòu)架轉(zhuǎn)配間隙必須控制在1mm范圍。以往船舶制造企業(yè)一般采用等離子對肋板下料時，為了保證裝配間隙，在肋板上均設(shè)置修割余量，這需要在現(xiàn)場裝配時手工進(jìn)行修割，修割質(zhì)量參差不齊，割縫內(nèi)殘留氧化物，同時增加了裝配工作量，裝配周期增長，致使整個分段建造周期延長。另外，采用激光切割機(jī)下料取消了裝配余量后，消除了現(xiàn)場修割的現(xiàn)象，減少了人工和材料浪費(fèi)，構(gòu)架裝配速度明顯加快，裝配質(zhì)量提升顯著。

（2）激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用優(yōu)勢 近幾年，“精密造船”和“快速造船”成為船舶制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢，激光切割技術(shù)得到了快速發(fā)展，占據(jù)了整個激光加工行業(yè)的70%以上。船舶制造行業(yè)主要以鋼板原料為主，使用激光切割板材，可代替一些需要采用復(fù)雜大型模具的沖切加工方法，大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。目前，船舶行業(yè)船體板材零件下料方式主要采用火焰切割、等離子切割、剪切加工以及激光切割。其他切割方式相對于激光切割有諸多不足，例如火焰切割與等離子切割割縫寬、切割精度差，易產(chǎn)生有害氣體，環(huán)境污染大。而激光切割對于船板切割來說，具有切割精度高，熱變形小，減少二次加工（如銑邊、鉆孔等）、轉(zhuǎn)運(yùn)、打磨，尤其小圓、小孔、曲面加工等優(yōu)點(diǎn)，符合船體分段轉(zhuǎn)配精度要求，能充分保證構(gòu)架裝配間隙控制在1mm范圍，但其在鋼材方面的實(shí)用切割速度相對等離子切割要差。低碳鋼在不同切割方式下切割速度與切割厚度的關(guān)系，低碳鋼在不同切割方式下切割效果分別如圖2與表1所示。

圖1 激光切割原理示意

圖2 低碳鋼在不同切割方式下切割速度與切割厚度的關(guān)系

在船舶制造領(lǐng)域，激光切割避免了等離子對肋板下料時，為了保證裝配間隙，而在肋板上設(shè)置修割余量，并通過人工進(jìn)行修割，造成修割質(zhì)量參差不齊的情況的發(fā)生。從而減少裝配的工作量、裝配周期、材料與人工成本浪費(fèi)。通過激光切割的船用鋼板，割縫質(zhì)量好，切口面垂直性好，無掛渣，氧化層薄，表面光滑，無需二次加工，可直接焊接，且熱變形小，曲線切割精度高，減少配合工時，實(shí)現(xiàn)無障礙切割高強(qiáng)船板。船舶內(nèi)構(gòu)材間隙量的偏差如圖3所示。

（3）激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，CO2激光切割技術(shù)是全球造船生產(chǎn)用的最為普遍的制造加工技術(shù)。常用的5~6kWCO2激光器切割速度與等離子相比差，無法滿足船舶制造業(yè)現(xiàn)下速度與效率優(yōu)先的要求，并且其設(shè)備和機(jī)器維護(hù)成本高，回報少，滿足不了造船業(yè)的需求。雖然它在船舶上的應(yīng)用情況并不理想，但也逐步被采用，用于造船領(lǐng)域的激光切割源和相關(guān)切割加工設(shè)備構(gòu)架的技術(shù)與工藝都有一些新進(jìn)展。4kWCO2激光器切割效果如圖4所示。

近年來，國內(nèi)少數(shù)具有雄厚實(shí)力的造船廠，江南長興造船基地也已引進(jìn)世界先進(jìn)的“搭載型（CO2）激光切割機(jī)”，但激光切割機(jī)搭載技術(shù)，國內(nèi)外也就日本的技術(shù)應(yīng)用比較樂觀，它的成功或失敗，也為國內(nèi)造船行業(yè)提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)。同時，隨著國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，光纖激光器也都得到快速發(fā)展，其高功率下具有極好的光束質(zhì)量、高電光轉(zhuǎn)化效率、相同功率下的小體積、光纖傳輸帶來較好的工作柔性，以及幾乎免維護(hù)的高可靠性等形成的綜合優(yōu)勢，已經(jīng)對傳統(tǒng)的（CO2）激光切割構(gòu)成了挑戰(zhàn)。隨著光纖激光切割加工中厚板效果的不斷改進(jìn)，國內(nèi)不少切割設(shè)備的生產(chǎn)商都已經(jīng)進(jìn)入或正準(zhǔn)備開展配置光纖激光器的數(shù)控激光切割機(jī)的研制階段，以及一些院校、機(jī)構(gòu)、學(xué)者已在研究光纖激光器的切割效果。例如：Jae Sung Shin等人通過6kW光纖激光器研究高速光纖激光對不銹鋼板的切割性能，最大切割速度每分鐘可達(dá)72mm，可切割60mm厚不銹鋼板且切口形狀和割縫寬度優(yōu)良，如圖5所示。AnttiSalminen等人用5 k W的光纖激光器對10mm不銹鋼板和4mm鋁板進(jìn)行了惰性氣體輔助激光切割。研究了激光功率、切割速度、焦點(diǎn)位置和輔助氣體壓力對切割性能和切割質(zhì)量的影響。確定了不同激光功率下的最大切割速度，并研究了不同切割參數(shù)的組合，優(yōu)化切割效果，得到優(yōu)質(zhì)切口等。參數(shù)為激光功率4kW，切割速度為每分鐘1m，氮?dú)?MPa的10mm厚不銹鋼板的切割效果如圖6所示。

表1 低碳鋼在不同切割方式下切割效果

現(xiàn)階段光纖激光器的輸出功率已達(dá)到50kW，但目前的開發(fā)重點(diǎn)還是放在1~4kW的激光器上，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)10kW的激光器，實(shí)現(xiàn)激光器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，解決船舶、航天航空、汽車制造的切割與焊接問題。同時，激光切割技術(shù)為了適應(yīng)切割情況與環(huán)境，充分被船舶制造業(yè)利用，其和機(jī)器人相結(jié)合，形成機(jī)器人切割系統(tǒng)。進(jìn)入2000年，德國的KUKA、瑞士的ABB、日本的FANUC等機(jī)器人公司均研制激光機(jī)器人和激光切割機(jī)器人的系列產(chǎn)品。機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合是目前應(yīng)用于船舶制造行業(yè)或是整個制造業(yè)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

如前所述，激光切割質(zhì)量優(yōu)勢明顯，在汽車、鈑金、機(jī)械等領(lǐng)域得到大面積推廣，就船舶行業(yè)來講，也早已引起重視。滬東中華造船集團(tuán)、江南造船集團(tuán)、外高橋造船有限公司和上海寶山鋼鐵股份公司等早在2005年左右就與國內(nèi)高校研究院所合作進(jìn)行激光切割和焊接的研究，目前國內(nèi)江南造船廠、武漢船廠等大型造船企業(yè)業(yè)已采用激光切割進(jìn)行船板的加工。但客觀的講，在國內(nèi)船舶行業(yè)，激光切割并未占據(jù)主導(dǎo)地位，主要原因包括：①激光切割成本相比傳統(tǒng)切割方法高。②激光切割的大型設(shè)備不適合船舶行業(yè)的制造特點(diǎn)，如現(xiàn)場施工、分段作業(yè)、工作環(huán)境復(fù)雜等。③切割效率沒有明顯優(yōu)勢，尤其是船舶行業(yè)的厚板切割。④激光設(shè)備維護(hù)復(fù)雜對工人要求高、成本高等。就目前行業(yè)的現(xiàn)狀情況，隨著激光器價格的逐步下降和智能化水平的提高，激光切割技術(shù)將逐步在船舶行業(yè)得到大量應(yīng)用。

主要原因包括：

（1）成本問題 船舶行業(yè)最關(guān)心問題之一即切割成本，目前傳統(tǒng)的工藝一般包括板材進(jìn)廠+火焰切割或等離子切割+人工去毛刺+人工坡口或修邊機(jī)開坡口+搖臂鉆鉆等包括大約5個工序+4次零件搬運(yùn)，工藝相對繁復(fù)，成本浪費(fèi)，若采用激光切割代替，則工序可簡化為板材進(jìn)廠+激光切割（激光切割+激光坡口+激光鉆孔），在時間成本、人力成本、場地成本等方面均得到降低。為進(jìn)一步直觀比較相應(yīng)成本，本文經(jīng)過測算，并與伯納激光科技等多家公司核實(shí)，給出表2~表4的對比數(shù)據(jù)。表中的試驗(yàn)和核算中采用統(tǒng)一條件，所用材料為Q345B，板材規(guī)格2200mm×6000mm×25mm，切割6張，單張切縫數(shù)量為7，切割總長度252m，板材重量15543kg，采用直線下料切割方式。成本的核算考慮人力成本、材料損耗、附件損耗、切割氣體成本等。由表格可以看出，激光切割已經(jīng)具有明顯優(yōu)勢。

圖4 4 kW CO2激光器切割效果

圖5 切割60mm厚不銹鋼板的切割速度

圖6 激光功率4kW，切割速度為1m/min，氮?dú)?MPa的10mm厚不銹鋼板

（2）激光設(shè)備的柔性化、智能化逐步適應(yīng)船舶行業(yè)的發(fā)展 近些年國內(nèi)大型裝備的智能化水平有所突破，基于CNC、機(jī)器人機(jī)器組合的各類裝備很多具有模塊化、智能化的實(shí)用技術(shù)，如南通中遠(yuǎn)川崎智能生產(chǎn)線能適應(yīng)復(fù)雜情況下的制造系統(tǒng)。這對于船舶行業(yè)的分段制造、戶外作業(yè)以及復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。除了裝備外，工藝最終決定了使用效果，因此科技人員通過實(shí)時監(jiān)測與控制機(jī)械切割過程，完成工藝信息的采集與分析，同時融入多個能場與工藝，實(shí)現(xiàn)工藝改良的重要手段，進(jìn)而提高激光切割效果，簡化切割工序，縮減工期與成本。

（3）激光器的發(fā)展降低了設(shè)備、維護(hù)成本 隨著大功率光纖激光器與半導(dǎo)體激光器制造技術(shù)的快速發(fā)展以及相應(yīng)的加工技術(shù)水平的提升，光纖激光器與半導(dǎo)體激光器的高效、節(jié)能、精密的切割特點(diǎn)，迎合市場需求，符合當(dāng)下激光制造技術(shù)的發(fā)展方向，應(yīng)大力推動光纖激光器與半導(dǎo)體激光器的產(chǎn)業(yè)化與市場化及其相應(yīng)設(shè)備與控制技術(shù)的開發(fā)完善。而相應(yīng)設(shè)備的進(jìn)展又進(jìn)一步提高了設(shè)備的集成度和柔性水平，針對船舶舾板工作對切割機(jī)的特殊要求和船體結(jié)構(gòu)所用型材加工形狀的多樣性，激光切割頭多自由度優(yōu)化設(shè)計、旋轉(zhuǎn)控制方式與控制系統(tǒng)的研發(fā)迫在眉睫，同時重視機(jī)器人與機(jī)械視覺檢測系統(tǒng)在激光領(lǐng)域的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測切割路徑，高精度切割，無人自動操作，來提高作業(yè)質(zhì)量和作業(yè)效率，有效控制切割質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本和安全風(fēng)險。

表2 火焰切割成本

表3 等離子切割成本

表4 激光切割成本

中國船舶行業(yè)主動適應(yīng)新常態(tài)，轉(zhuǎn)型升級成效明顯。戰(zhàn)略性、前瞻性產(chǎn)品研發(fā)穩(wěn)步推進(jìn)，如7萬總t級自主知識產(chǎn)權(quán)豪華郵輪、3.88萬t智能示范船、第七代超深水鉆井平臺、新型極地自破冰科考船、超大型乙烷運(yùn)輸船（VLEC）等逐步在開發(fā)和生產(chǎn)，在國內(nèi)訂單下降的情況下，出口訂單在穩(wěn)步增長。相應(yīng)具有研發(fā)優(yōu)勢的企業(yè)進(jìn)一步突出特色， 產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步集中，尤其是前10名的企業(yè)占據(jù)半壁江山，而這些必將進(jìn)一步推動對高質(zhì)量制造的需求，推動激光切割在該行業(yè)的應(yīng)用，而激光行業(yè)也必將進(jìn)一步適應(yīng)船舶行業(yè)的需求，朝著進(jìn)一步降低成本、高質(zhì)量、智能化的方向發(fā)展。

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