激光制造在國(guó)內(nèi)外船舶制造中的應(yīng)用與前景

馬金偉，施凱翔

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 202150）

0 引言

目前，激光智能裝備主要運(yùn)用在石油化工、海洋工程、船舶制造以及航空航天等行業(yè)，主要包括激光切割、焊接、刻線、鉆孔以及清洗等各類工藝。船舶制造是激光制造運(yùn)用較多的領(lǐng)域，在歐美等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家中，大約有50%～70%的船舶構(gòu)件都是通過(guò)激光制造完成的。當(dāng)前，全球有3 萬(wàn)臺(tái)左右的激光設(shè)備運(yùn)用在船舶制造行業(yè)內(nèi)，我國(guó)船舶制造業(yè)中的激光制造運(yùn)用市場(chǎng)前景廣闊。現(xiàn)階段，在船舶制造行業(yè)中使用的激光制造技術(shù)主要有激光焊接、激光熔覆、激光打孔以及激光切割等。

1 我國(guó)激光制造行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

相較于傳統(tǒng)制造模式，激光制造有著更強(qiáng)的制造能力、便利性及質(zhì)量等，在新材料、新能源、軌道交通、航空航天以及船舶制造等行業(yè)有著十分廣闊的發(fā)展空間，被有關(guān)專家學(xué)者視作傳統(tǒng)制造業(yè)升級(jí)、轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)保障，其始終被全球主要的發(fā)達(dá)國(guó)家高度關(guān)注[1]。我國(guó)激光制造行業(yè)走的是“群眾”道路，逐漸從中低端走向高端。近10 年來(lái)，我國(guó)高度重視激光制造領(lǐng)域的發(fā)展，政府部門(mén)同樣出臺(tái)了大量與激光制造相關(guān)的規(guī)章、政策，再加上國(guó)內(nèi)市場(chǎng)表現(xiàn)出的強(qiáng)勁勢(shì)頭，目前國(guó)內(nèi)激光制造行業(yè)已初步形成相應(yīng)的規(guī)模；2018 年，國(guó)內(nèi)激光設(shè)施與激光器的產(chǎn)值已經(jīng)超過(guò)600 億元，我國(guó)已成為中低端激光制造領(lǐng)域發(fā)展最好的市場(chǎng)。在國(guó)家科技戰(zhàn)略，尤其是在“增材制造與激光制造”國(guó)家重點(diǎn)開(kāi)發(fā)計(jì)劃的前提下，從理論分析、部件開(kāi)發(fā)、裝備研制直到具體的實(shí)踐運(yùn)用，產(chǎn)生“全鏈條研發(fā)、一體化制造”的理念，集中優(yōu)勢(shì)力量攻克重點(diǎn)問(wèn)題，當(dāng)前已經(jīng)形成了很多的科研成果，比如：提出電子動(dòng)態(tài)調(diào)控超快激光制造的全新機(jī)理和技術(shù)、開(kāi)發(fā)出新型的高性能激光晶體等。

2 激光制造在國(guó)內(nèi)外船舶制造中的應(yīng)用

2.1 激光切割技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，CO2激光切割是世界各大造船企業(yè)使用最多的激光制造技術(shù)。經(jīng)常使用的5～6 kW CO2激光器切割相較于等離子的速度比較慢，很難有效實(shí)現(xiàn)船舶制造現(xiàn)代化對(duì)效率及質(zhì)量的需求，同時(shí)其機(jī)器與設(shè)施的維護(hù)費(fèi)用較高，經(jīng)濟(jì)效益低。即使其在船舶制造中的運(yùn)用狀況不如人意，也逐漸被利用。近幾年，我國(guó)極少許具備較強(qiáng)實(shí)力的船舶制造廠家，比如江南長(zhǎng)興造船基地引入全球頂尖的“搭載型CO2激光切割機(jī)”；日本造船企業(yè)在激光切割機(jī)搭載技術(shù)運(yùn)用方面積累了大量的成功經(jīng)驗(yàn)，值得國(guó)內(nèi)造船企業(yè)學(xué)習(xí)、參考。伴隨我國(guó)制造業(yè)的迅猛發(fā)展，光纖激光器同樣在快速發(fā)展，其具備光束質(zhì)量好、功率高、體積小、電光轉(zhuǎn)化率高、可靠性強(qiáng)、柔性好以及維護(hù)成本低等眾多優(yōu)勢(shì)，對(duì)以往的CO2激光切割帶來(lái)了巨大的影響。在光纖激光切割效果日益加強(qiáng)的環(huán)境下，我國(guó)很多的切割設(shè)備制造企業(yè)都在積極引進(jìn)、開(kāi)發(fā)以光纖激光器為基礎(chǔ)的數(shù)控激光切割機(jī)；除此以外，科學(xué)機(jī)構(gòu)、高等院校以及專家學(xué)者等對(duì)光纖激光器的切割效果均開(kāi)展了大量的探索、分析[2]。

2.2 激光焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

激光焊接不但使船舶制造技術(shù)發(fā)生巨大改變，并且還使得船體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。比如，美國(guó)在新型船舶制造過(guò)程中大量運(yùn)用高強(qiáng)度低合金鋼T 型工件，采取激光焊接技術(shù)，在很大程度上降低了船舶重量。對(duì)于船體的繁雜結(jié)構(gòu)能夠選擇激光焊接技術(shù)，例如I 型工件、三明治板以及T 型工件等。因?yàn)閭鹘y(tǒng)焊接技術(shù)的熱輸入量比較大，采取傳統(tǒng)焊接方法極易導(dǎo)致工件發(fā)生形變、熱影響區(qū)性能大幅降低；除此以外，三明治板是在兩層薄板中間增加形式各異的支撐板以減輕整個(gè)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及提高強(qiáng)度，對(duì)于此類復(fù)雜工件的焊接，通過(guò)傳統(tǒng)焊接形式很難實(shí)現(xiàn)。船舶由若干部分構(gòu)成，船舶艙壁與甲板2 個(gè)部位比較適合運(yùn)用激光焊接。當(dāng)前，激光焊接在船舶艙壁與甲板焊接中的應(yīng)用表現(xiàn)出以下特征：①船舶艙壁與甲板的焊縫具備長(zhǎng)度長(zhǎng)、平直的特征，部分焊縫的長(zhǎng)度在20 m以上，對(duì)接形式常見(jiàn)的有T 型接頭和平板對(duì)接2 種；②船舶艙壁與甲板的焊接通常較長(zhǎng)，在焊接過(guò)程中應(yīng)確保焊縫中心和光束中心精準(zhǔn)相對(duì)，以確保焊縫的整體質(zhì)量；③出于對(duì)美觀的考慮，船舶艙壁與甲板對(duì)焊縫形狀、板材形變等有極高的需求；④因?yàn)榇芭摫谂c甲板對(duì)焊接結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并沒(méi)有太高的要求，所以在結(jié)構(gòu)存有極少許缺陷時(shí)同樣可以應(yīng)用。

2.3 3D 激光測(cè)量技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

正常情況下，在船舶制造開(kāi)始前應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的虛擬3D 模型，借助CAD 等有關(guān)軟件針對(duì)船舶進(jìn)行設(shè)計(jì)。在船舶的具體制造環(huán)節(jié)，首先應(yīng)對(duì)船體的結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要針對(duì)船體結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)的位置開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，同時(shí)通過(guò)CAD 軟件將空間內(nèi)所有點(diǎn)制作成3D 模型。在虛擬設(shè)計(jì)及具體制造環(huán)節(jié)，船體結(jié)構(gòu)一致性可以充分體現(xiàn)出船舶制造的精準(zhǔn)度，如果想要高效掌控船舶結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)度，就需要把握好虛擬設(shè)計(jì)模型和實(shí)際測(cè)量模型間的比值。3D 激光測(cè)量技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用，同時(shí)將其與虛擬設(shè)計(jì)模型以及3D 實(shí)測(cè)模型互相融合起來(lái)，可以合理、高效的對(duì)船舶制造環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)度進(jìn)行控制。以往的鋼尺量距方法與3D 激光測(cè)量技術(shù)相比，有著非常大的差異，所以，為了能夠從根本上確保船舶制造過(guò)程中的精準(zhǔn)度，則應(yīng)當(dāng)將3D 激光測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于船舶制造中，有效保障船舶制造的精度。

3 激光制造在國(guó)內(nèi)外船舶制造中的應(yīng)用前景

現(xiàn)代激光制造屬于通用型的加工方式，其主要發(fā)展前景在于運(yùn)用領(lǐng)域的不斷拓寬，激光制造的快速發(fā)展為很多新問(wèn)題的成功化解提供了重要的技術(shù)支撐。激光制造以航空航天運(yùn)載器、汽車(chē)、鐵路車(chē)輛以及船舶等運(yùn)輸設(shè)備的輕型化、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、冶金工業(yè)為主要發(fā)展方向，促進(jìn)激光制造在國(guó)防及主要工業(yè)領(lǐng)域中的產(chǎn)業(yè)化運(yùn)用。與此同時(shí)，行業(yè)發(fā)展對(duì)激光制造技術(shù)有著更高的需求，比如激光設(shè)備小型化、集成化、更高的轉(zhuǎn)換效率等，半導(dǎo)體激光器與光纖激光器將會(huì)進(jìn)入全面普及、應(yīng)用階段。促進(jìn)我國(guó)的激光制造技術(shù)朝著更小能耗、更高效率、更低成本、更高質(zhì)量、更強(qiáng)性能、更少流程、智能化、數(shù)字化的方向不斷發(fā)展，切實(shí)轉(zhuǎn)變我國(guó)大工業(yè)用激光制造裝備基本上都依靠進(jìn)口的情況。激光制造在船舶制造行業(yè)中的運(yùn)用又具備其獨(dú)有的特征，此與船舶自身的制造、運(yùn)用特征及激光制造技術(shù)的特點(diǎn)存在極其密切的關(guān)聯(lián)。現(xiàn)階段，鋁合金材料已發(fā)展成運(yùn)輸設(shè)備生產(chǎn)的核心材料，全鋁結(jié)構(gòu)船表現(xiàn)出良好的市場(chǎng)前景，再加上相對(duì)先進(jìn)的激光制造技術(shù)，有著極其廣闊的發(fā)展空間。

當(dāng)前，全球工業(yè)領(lǐng)域都在朝著流程短、能耗低的方向“進(jìn)軍”，激光制造具備大量傳統(tǒng)制造技術(shù)無(wú)法可比的優(yōu)勢(shì)，全球各個(gè)國(guó)家對(duì)制造業(yè)的發(fā)展都極其關(guān)注。然而相較于國(guó)外，我國(guó)在激光制造的普及、使用方面做得并不到位，并未發(fā)揮出其相應(yīng)的作用。造成此現(xiàn)象的根本成因是激光制造的投資成本較大；為了能夠有效推動(dòng)激光制造的普及，妥善化解投資巨大的問(wèn)題，應(yīng)在全面掌握所有影響因素的前提下，對(duì)船舶自身的要求、激光制造系統(tǒng)的投資等因素進(jìn)行整體的考慮，嚴(yán)格管控成本，尋找最合理的加工條件、不斷加強(qiáng)激光制造效率，最后構(gòu)建起我國(guó)新型激光制造產(chǎn)業(yè)鏈[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

激光制造在國(guó)內(nèi)外船舶制造中的應(yīng)用均體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)，大幅度減少了船舶制造的成本費(fèi)用，使得造船企業(yè)能夠取得更多的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)。并且還應(yīng)清醒意識(shí)到激光制造存在的問(wèn)題隱患，應(yīng)當(dāng)通過(guò)先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)施針對(duì)激光制造的整個(gè)環(huán)節(jié)開(kāi)展監(jiān)測(cè)，避免焊接過(guò)程中出現(xiàn)各種突發(fā)性事件，保證焊接制造的質(zhì)量。此外，還需要強(qiáng)化對(duì)國(guó)外造船企業(yè)間的溝通、合作，引入較為先進(jìn)的激光制造理念及技術(shù)，進(jìn)而使激光制造在船舶制造中得到更好地應(yīng)用。