激光加工技术在造船中的应用

激光加工技术在造船中的应用
胡　勇,项　勇,刘光武
(武汉理工大学交通学院船海系,湖北武汉430063)
提　要　本文论述了激光加工技术在造船工业中
的重要地位及其主要特点,综合介绍了欧美船厂开展
激光加工技术研究与应用的情况,主要是激光切割与
激光焊接在船厂中的应用现状和发展趋势。

主题词　激光加工　激光切割　激光焊　造船
1　前言
自世界上第一台激光器问世以来,激光已被广泛应用于各行各业。

在日常生活中,我们使用激光打印机、CD V CD DVD光盘及设备、激光扫描条码、光纤通信、激光美容、激光测距等。

在工业上,激光被应用于切割、焊接、标记、热处理等主要材料加工领域。

由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性,激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术,拥有普通加工技术所不能比拟的如下优势:
(1)由于它是无接触加工,对工件无直接冲击,因此无机械变形;
(2)激光加工过程中无“刀具”磨损,无“切削力”作用于工件;
(3)激光束能量密度高,加工速度快,对非激光照射部位没有或影响极小,因此热影响区小、工件热变形小、后续加工少;
(4)激光束易于导向、聚焦、实现方向变换,极易与计算机数控系统配合,对复杂工件进行加工,是一种极为灵活的加工方法;
(5)生产效率高,加工质量稳定可靠,经济效益和社会效益好。

目前,使用激光加工的行业有,汽车制造、航天航空、造船、电子、化工、包装、医疗设备等。

在欧美发达国家中,大约有50%～70%的汽车零部件都用到了激光加工技术,并以激光焊接和激光切割为主。

型材与板材的切割,已成为激光在材料加工中应用的主要方面。

据报道,全世界大约有12000台工业用激光切割系统,其市场价值达45亿美元。

其中超过60%的设备在日本。

最近,激光切割非常成功地找到
　作者简介:胡勇(1965-),男,副教授。

了在一些其他工业中的应用前景。

过去人们常常认为,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。

虽然激光加工拥有许多优点,但不足之处也是很明显的,例如激光加工设备目前还比较昂贵、切割厚度难以达到火焰和等离子切割的水平。

这些也影响了它在造船中的应用。

随着激光技术的发展,欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。

在我国,造船工业几乎还没有使用激光加工技术,因此,有必要跟踪和研究该项新技术。

下面我们就激光加工技术的两个重要应用方面——激光切割及激光焊接在造船中的应用情况,综合欧美船厂的应用实例,进行分析探讨。

2　激光切割
2.1　激光切割原理
激光器按其工作物质的形态可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。

无论是使用CO2激光器,还是N d:YA G激光器进行切割,其原理基本上是相同的。

如图1所示,激光束经过透镜聚焦后投射到被切割材料的表面,聚焦后的激光束加热材料的表面,在材料的厚度方向快速形成一个非常狭小的熔融毛细管道。

该细管道的直径通常只比聚焦后的激光束的直径大一点点。

绝大多数CO2激光切割是使用辅助气体完成的。

辅助激光切割的气体的主要特征是,由与激光束共轴的气体将熔融的材料从其细管道吹开。

对某些材料,这些气体可以进一步辅助其化学(发热)反应以及物理反应。

通过在固定的材料表面移动聚焦后的激光束,或者保持激光束不动而移动工件从而完成切割过程。

使用CO2激光器进行激光切割,大多使用1～1.5 k W功率的激光器。

2.2　应用情况
1966年底出于军事目的研发了300W脉冲型低流CO2激光器,随着,第一个气体辅助激光切割实验于1967年完成,标志着激光材料加工的开始。

金属、陶瓷、塑料以及木材、橡胶等都能使用CO2激光进行切割。

对于切割钢铁,大多数加工使用氧辅助气
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图1　激光切割原理示意图
体,因为它能为切割过程提供热能。

不锈钢、铝、钛也可以使用CO2激光切割,这时需使用高压(高达1.5 M Pa)惰性气体辅助加工,并且从切口处吹掉材料。

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,欧美各国造船厂开始装备激光切割系统。

例如,1992年V o sp er T ho rnycroft 船厂率先在欧洲安装了激光切割系统。

90年代中期,日本的川崎重工等造船企业,也安装了高功率激光平板切割系统,以获得高精度、良好的边缘切割质量。

1999年在N SR P的资助下,美国B ender Sh i pbu ilding&R ep air公司联合A labam a L aser、BOC Gases和Caterp illar等公司,开展了激光切割厚板的研究工作,并于2001年使用<2k W功率激光束和A labam a L aser公司的激光切割头,成功切割了51mm(2in)厚的钢板。

该系统被简称为LA SOX (L aser A ssist O xgen激光辅助氧气)切割系统[1]。

LA SOX切割过程是一个放热燃烧反应过程,在此过程中,激光束的热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,并把熔化的金属及其氧化物吹离钢板形成割缝,割嘴随数控切割床身对钢板作相对移动完成零件的切割。

不同于氧2燃气切割,这里没有燃气参与预热反应,而是由激光在1～2s内就将投射区域的温度加热至超过900℃。

事实上,为了达到预期的氧化反应效率,仅要求激光束的功率能产生和维持点燃温度即可,而不必采用那些能够产生足以熔化钢板温度的、功率很大的激光源[2]。

这种方法的显著特点是切割厚度为25.4mm(1 in)的钢板,其平板冲孔或穿孔的速度比较快,切割每块钢板平均能节省40m in的加工时间,作业成本更经济;其割缝宽度仅为毫米级。

另外,割嘴离钢板的距离由1mm上升到7mm,减少了切割穿孔飞溅物对激光头的撞击;切割表面质量好,热影响区小,可以获得较高的切割精度,省略许多后续加工。

更让人意想不到的是,只需加装一把特制的增压割炬,即可用常规激光装置切割38mm厚的钢板。

该项目的负责人Patrick Cah ill认为,LA SOX 切割系统具有切割100mm厚钢板的潜能。

而相比之下,大功率等离子切割只能切割75mm厚的钢板。

该加工方法将使新型舰船的建造费用更便宜。

该激光切割系统计划首先应用于美国General D ynam ics E lectric Boat公司的潜艇建造和Caterp illar公司的重型采矿设备的生产中。

从上可知,它为如何将激光切割更经济、更有效地应用于造船业,提供了一个成功的范例和开启了一条新思路。

2.3　激光切割特点及注意事项
激光切割可应用于大批量生产或需要高精度的场合。

其中,CO2激光切割技术比起其他方法的明显优点是,切割质量高,速度快,变形小,特别适合于薄板的加工。

激光切割虽然有许多优势,但在使用过程中应特别注意下列安全事项。

用作激光切割的CO2激光器属4级安全防护,其流水线用机械应设置保护装置,以避免人在正常工作时接触激光束。

CO2激光束能严重灼伤人的组织,并对人眼造成永久性损害。

CO2激光器也使用高压电源,存在相关的触电危险,在使用及维护期间,应注意电击的危险。

其他危险包括机械设备的运动,以及切割过程中伴随强烈的冒烟现象。

2.4　研究发展趋势
CO2激光切割技术是集光、机、电一体化的高新技术。

激光束的参数、机器与数控系统的性能和精度,都直接影响激光切割的效率和质量。

特别是为适应造船工业、工程机械等的应用,当前对CO2激光切割的研究集中在两个方面:一方面,利用高质量激光束高速切割薄板(对0.25mm厚的板,切割速度为140m m in);另一方面,研究开发切割厚板的技术。

目前采用中等强度的激光(<5k W)已能切割60 mm厚的钢板。

对于切割精度较高或厚度较大(低碳钢厚度>30mm)的零件,必须掌握和解决以下几项关键技术:(1)焦点位置控制技术;(2)切割穿孔技术;(3)喷嘴设计及气流控制技术。

特别注意研究用氮气切割低碳钢的工艺技术,以提高切割厚板的切口质量。

此外,其双焦距透镜系统也是关键技术。

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通过引进、消化、二次开发,采用与国际合作等方式,国内有些单位也在研究开发激光切割设备,如上海普瑞玛、沈阳普瑞玛、武汉楚天激光等,这将为其向国内造船业渗透创造条件。

3　激光焊接
3.1　激光焊接原理
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。

3.2　应用情况
高功率CO2及高功率YA G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、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。

最近,国际上采用的光纤激光焊接技术,在造船、汽车制造业的应用受到相当的重视。

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,采用激光焊接技术,使船舶的重量大大降低。

德国的M eyer船厂也安装了四台12k W的CO2激光器,用来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、大型游艇的焊接中,它可以提高板的有效载荷,满足轻型设计要求,同时具有较高焊接速度。

例如,在德国M eyer船厂、芬兰M izar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,该类板材就是采用激光焊接的。

激光焊接主要有两种形式:一种是纯激光焊接,如德国某船厂板材焊接流水线上所使用的;另一种是激光+M IG混合焊接技术(图2),如德国M eyer 船厂平板生产流水线使用的。

在激光混合焊接技术中,M IG负责熔融金属表面及填充焊丝,而激光则负责熔融较深的金属。

此外,O den se船厂与F incan tieri船厂都装备了大功率激光拼板焊接系统。

总的来说,碳钢激光焊接效果良好,其焊接质量取决于杂质含量。

就像其他焊接工艺一样,硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。

低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高,并不适合激光焊接。

低碳镇静钢由于低的杂
图2　激光+M I G混合焊接技术
质含量,焊接效果就很好。

中、高碳钢和普通合金钢,都可以进行良好的激光焊接,但需要预热和焊后处理,以消除应力,避免裂纹形成。

一般情况下,不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。

由于高的焊接速度,使热影响区很小,敏化不成为重要问题。

与碳钢相比,不锈钢由于具有低的热导系数而更易于获得深熔窄焊缝。

3.3　激光焊接的优点和局限性
与其他焊接技术相比,激光焊接有以下主要优点。

(1)速度快、深度大、变形小。

激光聚焦后,功率密度高,焊接时,深宽比可达5∶1,最高可达10∶1。

如图3所示。

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,小体积焊缝节省了填充材料。

图3　激光焊接与传统焊接接头的对比
(2)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。

(3)可焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。

尤其是近几年来,由于采用了光纤传输技术,激光焊接技术的应用获得了更为广泛的发展。

(4)激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密、微型的焊接提供了条件。

但是,激光焊接也存在着一定的局限性,主要体现在以下两方面。

(1)要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。

这是因为激光聚焦后光斑尺寸小,焊缝窄,焊接时要在焊缝中加入填充金属材料,如若工件装配精度或光束定位精度达不到要求,
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很容易造成焊接缺陷。

(2)激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。

4　激光成形加工
激光除用于造船的切割、焊接外,还可应用于加工成形。

例如,船体曲面外板的加工,应用激光辅助外板成形技术,可以代替费力、费时、具有一定的危险性的机械加热成形工艺,应用前景良好。

5　结论
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。

它也是许多沿海城市的支柱产业之一,各种先进的造船技术和工艺必然得到推广应用。

例如,采用高强度轻型合金材料及激光加工建造的新型观光旅游船;舰船载重量日益增加,要求使用非常薄的钢板,激光焊接避免了加工时的热影响;激光可以采用光纤等灵活的输出方式,因此甲板、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;激光加工具有非接触、速度快、边缘光滑、高度自动化的特点,应用它可大大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,其应用正得到相当的重视。

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。

例如,开发第三代最先进的工业加工激光器——大功率光纤激光器,以替代传统的YA G、CO2激光器;同时,加强对激光切割、焊接以及切焊组合加工过程中激光与材料相互作用机理和相关加工工艺的综合研究。

为了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,以及使用轻型结构对焊接的要求,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,对填补国内空白,推动激光加工技术在我国造船厂应用具有重要意义。

6　参考文献
1　P ro ject Book,N SR P A SE,www.N SR P.o rg
2　殷浩澍.高新切割技术在我国造船业中的应用及发展趋势.电焊机,2004,34(2):5
3　唐元冀.激光切割在工业上应用的现状.激光与光电子学进展,2002,39(1):53
[上接第28页]
③如果H a≤H sc,则
K HD I ES=[1-0.012(H a-10.71)-0.00275
×(T a-298)+0.00285(T sc-T scref)]-1式中　T sc——空冷器冷却后增压空气的温度,K;
　T scref——相对于25℃的海水温度,空冷器冷
却后增压空气的参考温度,K,此
温度一般由制造厂确定。

3　计算程序的编写与校验
依据M A R POL公约附则 关于排气各组分单位制动功率的质量流量的计算公式,编写了相关的计算程序,并将M AN B&W公司测试的一台6L23 30型船用柴油机的一组测量值代入所编写的计算程序中进行试算。

现将计算结果与M AN B&W公司所给结果比较于表2中。

从表2结果可以看出,编写的计算程序有足够高的计算精度,可以用于实际的测试计算分析。

4　结语
本文基于碳平衡和碳 氧平衡法编写了相关的计算船用柴油机NO x排放量的程序。

该程序使用和操作简单适用,通过校验,表明计算精度完全符合要求。

表2　计算程序对比校验
比较对象M AN B&W
公司计算结果
本程序
计算结果
差别NO x(g (k W・h))10.9610.94-0.02
CO(g (k W・h))0.580.590.01
HC(g (k W・h))0.460.44-0.02
CO2(g (k W・h))664.51671.176.66
SO2(g (k W・h))0.190.190
5　说明
文中提及的计算参数符号请参照M A R POL公约中的参数定义表。

6　参考文献
1　吕林,吴锦翔,高孝洪.排放法规给柴油机发展带来的挑战.武汉交通科技大学学报,1999,(6):
2　张跃文.船用柴油机氮氧化物及排放特性与排放量计算方法研究:[硕士论文].大连:大连海事大学,2000,
3　国际海事组织.修订73 78防污公约的1997年议定书・
73 78防污公约1997年缔约国大会决议(附则 ).北京:
人民交通出版社,1998.88～109
4　中国船级社.船用柴油机氮氧化物排放试验及检验指南.
北京:人民交通出版社,2000.38～59
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