切割与焊接的技术变革在造船行业引发的深层思考
仪器信息网 · 2011-04-06 00:17 · 46996 次点击
激光加工国家工程研究中心(武汉法利莱切割系统工程有限公司)冷箭利
目前,使用大功率激光及等离子切割的用户行业涉及汽车制造、金属加工、造船、机电、工程机械、锯片加工、粮油加工设备等。
过去人们通常认为,造船工业接受高新技术的过程比较慢,但现在这一情况正在发生改变。随着激光切割、焊接技术的日趋成熟和等离子切割系统的逐渐发展,欧美及日本主要的大型船厂已大量采用新型的前沿性加工技术。
但在我国,造船工业对激光切割焊接、等离子切割的认识颇有点如同当年清朝政府对枪械火器的态度,虽然知晓其厉害,变革力度却仍旧不大。
早期激光主要用来切割20mm以下的薄板,因此在造船中应用不多。20世纪90年代初期,随着大功率激光器的成功研制和等离子切割技术的发展,各发达国家造船厂开始装备适合厚板材的切割系统。
例如,早在1992年澳大利亚Farleylaserlab公司便率先生产出融合划线、切割、钻孔于一体的Fabricator等离子切割机,以及适用于宽幅面且能进行水下切割的Trident等离子切割机,获得了高精度、高质量的边缘切割质量。
大功率激光切割
大功率激光切割过程是一放热燃烧反应过程,这一过程中,激光束的热量用来将钢板迅速加热至燃点温度,而从割嘴喷出的高速氧气流恰好喷射在激光束的聚射范围内,将这部分钢板氧化燃烧,并将熔化的金属及其氧化物吹离钢板形成割缝,割嘴则随着数控切割床身对钢板作相对移动,从而来完成零件的切割。
激光焊接技术
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接过程属热传导型,即激光辐射加热工件表面,表面热量通过热传导向内部扩散,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件熔化,形成特定的熔池。
高功率激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域。以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等工业领域的应用日益广泛。
最近,国际上采用的光纤激光焊接技术,其在造船、汽车制造业的应用也备受关注。欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术,例如,美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件,通过激光焊接技术的采用,令船舶的重量大幅降低。
德国的Meyer船厂也安装了4台12kW的CO2激光器,用于焊接不同长度的船体加强材。在欧洲,激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接,它能够提高板的有效载荷,满足轻型设计要求,同时具有较高焊接速度。
例如,德国Meyer船厂、芬兰Mizar船厂在船体中大量使用的夹层板,具有机械稳定性高、重量轻的特点,而该类板材便采用了激光焊接手段。
与其它焊接技术相比,激光焊接的主要优点在于速度快、深度大、变形小。激光聚焦后,功率密度高,焊接时的深宽比可达5:1,最高可达10:1。由于熔深大,在造船中无需翻身即可获得良好的焊接接头,同时焊接边缘坡口角度小,小体积焊缝还能节省填充材料。
相比传统焊接,激光焊能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接装置简单。例如,激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能穿过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
而且,它能够对难以接近的部位进行焊接,施行非接触远距离焊接,灵活性相当好。尤其是近几年来随着光纤传输技术的采用,激光焊接技术的应用得以进一步深化。此外,激光束易实现光束按时间与空间分光,从而能进行多光束同时加工及多任务位加工,这为更精密、更微型的船舶部件焊接提供了条件。
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图3先进造船技术和工艺的推广值得期待不仅如此,激除了用于造船的切割、焊接外,还可应用于加工成形。例如,在船体曲面外板的加工中,通过应用激光辅助外板成形技术,可代替费力、费时、具有一定危险性的机械加热成形工艺,应用前景广阔。
结语
造船工业作为劳动密集、资金密集、技术密集的重工业,在我国未来新一轮经济增长中起着重要作用,它也是许多沿海城巿的支柱产业之一,各种先进的造船技术和工艺的推广应用值得期待。
例如,采用高强度轻型合金材料及激光加工可建造出新型观光旅游船;舰船载重量日益增加,要求使用非常薄的钢板,而激光焊接能有效避免加工时的热影响;激光可以采用光纤等灵活的输出方式,这意味着甲板、船体等大表面尺寸的工件加工可以不受工作台尺寸的影响;而且,鉴于激光加工具有非接触、速度快、边缘光滑、高度自动化的特点,它的应用可大幅降低造船成本及时间。
综上所述,激光加工技术(激光切割、激光焊接)将在造船生产中得到越来越多的应用。目前,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。
为满足造船工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,特别是“精度造船”理念的推广,以及轻型结构的使用对焊接的要求,我国必须重视跟踪与研究激光加工中的关键技术,针对我国船舶制造业特点,通过与国外激光器制造商密切合作,引进大功率激光器,并创造条件开展相关课题研究,跨越式地走出一条现代先进制造业装备集成的新模式,开发具有自主知识产权、采用国际最新激光技术的船舶制造业用激光切割、焊接新颖装备,这对于填补国内空白,推动激光加工技术在我国造船厂的应用具有重要意义。