国外舰船先进制造技术_先进切割技术

中外船舶科技 ２００８ 年第 ２ 期
船舶设计与建造
国外舰船先进制造技术— ——先进切割技术
周方明， 陶永宏
（ 江苏科技大学， 江苏 镇江 ２１２００３）
现 代 船 舶 的 建 造 会 用 到 大 量 的 板 材 、型 材 和 管 材 ， 船 体 、甲 板 、船 舱 以 及 各 种 上 层 建 筑 和 管 道 都 是 由 切 割 成形的板材、型材和管材装配组合而成的。这些型材的 品种主要有： 球鼻钢、角钢、扁钢和 Ｔ 型钢等， 型材在成 形或焊接加工前还要切割各种形状的端头、中间孔和 焊接坡口， 并标识记号及加工装配用的线段， 因而切割 工作量大已成为船舶工业的一个显著特点。由于型材 品种和规格尺寸的多样性， 产生了多种多样的切割内 容和要求， 而原有技术加工效率低、切割精度低及切口 表面质量也难以保证， 使得传统的切割设备与切割方 法已不能满足其要求， 这些存在的问题促使先进切割 技术的发展， 同时也使船舶工业成为引入先进切割技 术最早、涵盖的切割技术面最广并紧随现代技术不断 发展的行业。
２００２ 年德国迈尔船厂在游船和客船上的非主结构 甲板和上层建筑平面分段的焊接中采用了高压水射流 切割技术， 切割后效果令人非常满意。 ２．５ 高压水切割技术的产业化发展概况
目前世界先进造船国家在高压水射流切割方面已 经达到了产业化应用， 主要用途和优势体现在陶瓷、硬
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目前， 氧气等离子切割技术已达到了一个较高的 发展水平， 并普遍应用于国外船舶制造中。例如： ２０００ 年美国 Ｍａｒｅ Ｉｓｌａｎｄ 海军船厂利用 Ｈｙｓｐｅｅｄ ＨＴ２０００ 氧 离子切割机切割船用材料和电缆， 使得切割碳钢的速 度提高了 ５０％ ， 同时采用长寿命氧气等离子弧切割技 术和银正极电极技术， 其切割大多数厚碳钢板速度明 显 快 于 激 光 切 割 和 火 焰 切 割 。 图 １ 为 Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ 的 Ｈｙｓｐｅｅｄ ＨＴ２０００ 氧气等离子切割机工作时的情况。
３ 切割机器人技术
３．１ 切割机器人技术背景 机器人技术是各国造船工业重点发展的领域， 其
中 焊 接 机 器 人 、切 割 机 器 人 、涂 装 机 器 人 等 是 发 展 的 热 点， 目前国外的型材切割机器人技术已经日益实用化， 成为了船舶加工流水线的重要组成部分。 ３．２ 切割机器人技术原理
自 ２０ 世纪 ８０、９０ 年代起， 借助计算机、微电子、网 络和光、机、电一体化技术水平的迅速提高， 工业机器 人技术及其应用获得了前所未有的进展。切割机器人 历来在工业机器人应用领域中占据着相当重要的位 置， 随着全球制造业的复苏及新一轮的迅猛发展， 切割 的工作总量、复杂程度和技术要求都在不断提高， 而机 器人切割设备的成功应用也向世人充分展示了其在解 决 技 术 劳 动 力 不 足 、提 高 生 产 率 、改 进 产 品 质 量 和 降 低 生产成本方面的显著作用， 日益成为造船业在型材切 割 、三 维 曲 面 切 割 、柔 性 切 割 等 方 面 保 持 产 品 竞 争 能 力 的一支不可缺少的关键力量。
船舶设计与建造
质 合 金 、模 具 钢 、淬 火 钢 、白 口 铸 铁 、钨 钼 钴 合 金 、耐 热 合金、钛合金、耐蚀合金、ＦＲＭ 或 ＦＲＰ 等复合 材 料 、高 速钢（ ＨＲＣ３０ 以下） 等高、尖、难材料的切割上。在军船 方面， 高压水切割可用于巡洋舰上的硬质合金和核潜 艇上的钛合金等材料的切割。在民船方面， 高压水切割 可用于大型多功能化学品船舶耐蚀合金等材料的切 割。
２００１ 年 法 英 合 作 的 超 高 压 水 切 割 机 应 用 在 造 船 企业， 对 ２０ 万吨以上的大型油船、１０ 万吨以上的大型 成品油船、大型多功能化学品船、５０００ＴＥＵ 以上的集装 箱船、大型汽车滚装船等大厚板的切割有着很大的优 势 ， 最 大 的 钢 板 切 割 厚 度 为 ７０ｍｍ， 切 割 速 度 达 到 １５ｍｍ／ｍｉｎ；
１ 氧气等离子弧切割技术
１．１ 氧气等离子切割技术背景 常用材料的切割方法主要有氧乙炔切割和等离子
弧 切 割 。 氧 乙 炔 切 割 使 用 方 便 、切 割 成 本 低 、切 割 板 厚 度大， 但具有切缝宽、切口面不平整、不光洁、热影响区 较大、工件变形度大和只适用于碳钢等缺点。等离子弧 切割速度快， 精度高， 断面光滑， 适用于各种材料， 但切 割成本较高， 切割板厚较小。氧气等离子切割技术于 １９８３ 年 由 美 国 Ｈｙｐｅｒｔｈｅｒｍ 公 司 率 先 成 功 地 应 用 于 碳 钢的切割中， 它集成了氧乙炔燃烧的化学反应和等离 子弧高温的物理效应的优点， 大大提高了黑色金属的 切割厚度、速度和质量。 １．２ 氧气等离子切割技术原理
（ ３） 高压水切割的切 割 精 度 介 于 ０．１ｍｍ～０．２５ｍｍ 之间， 其切割精度取决于机器的精度、切割工件的尺寸 范围及切割工件的厚度和材质， 通常机器的系统定位 精度为 ０．０１ｍｍ 至 ０．０３ｍｍ。 ２．４ 高压水切割技术的应用实例
１９９９ 年俄罗斯海军在核潜艇建造过程的钛合金切 割中， 使用了高压水射流技术， 加工速度大大提高， 加 工精度良好， 减少了后期加工的工作量， 缩短了造船周 期， 已在俄海军造船领域广泛应用。
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者 的 结 合 正 使 得 其 在 切 割 材 料 时 犹 如 一 把 轴 向“ 锯 刀 ” 加工。磨料水射流技术切割材料时所使用的射流由压 力、速度都很高的水和磨料混合而形成。在材料被磨料 水射流去除的过程中， 单个固体颗粒的冲击是加工力 的基本作用单位。磨料水射流技术已被成功地用于多 种材料的切割， 特别是难加工材料方面。目前已有 ３０００ 多 套 水 射 流 切 割 设 备 在 数 十 个 国 家 几 十 个 行 业 应用， 已可切割 ５００ 余种材料， 其设备年增长率超过 ２０％ 。 ２．新型的热切割技术， 它的工作原理是以压缩氧气为工作气体， 并以在高温、 强 电 场 条 件 下 产 生 的 高 温（ ２００００℃） 高 速（ ３００ｍ／ｓ 以 上） 等离子弧为热源， 经机械压缩、热压缩和磁压缩， 使 弧柱电流密集、产生极高的温度和高速气流， 高温、高 速的等离子弧焰流将被切割的金属局部熔化， 并同时 用高速气流将已熔化的金属吹走， 形成狭窄切缝。由于 弧柱温度大大超过金属及其氧化物的熔点， 因此， 氧气
图 １ Ｈｙｓｐｅｅｄ ＨＴ２０００ 正在切割示意图
２０００ 年英国著名的军船制造企业沃斯帕·桑尼克 罗夫特造船公司引进数控氧气等离子切割机， 在加工 厚 ｌ６ｍｍ 的船体零件和建造用的各种样板时， 预涂底漆 的钢板割后漆膜无损坏， 且零件精度高， 非常平整。
２００２ 年美国某船舶修造有限公司将氧气等离子切 ２７
等离子切割除可切割碳钢外， 还可用于切割不锈钢、 铝、铜等金属。 １．３ 氧气等离子切割技术特点
与传统的氧乙炔、等离子弧切割技术相比， 该技术 手段的优越性表现在： （１） 无挂渣， 切割速度快， 切割范 围大， 切口质量好； （２） 切缝狭窄， 切口窄面平整光洁， 热影响区小， 无表面氮化现象， 切割后的工件具有良好 的焊接和加工性能； （３） 工件变形度低， 切割厚、薄板均 不变形； （４） 相同电源功率下切割速度可提高 ３０％ ， 而 且具有显著的节能效果， 是目前较为理想的热切割设 备； （５） 操作简单， 容易掌握， 使用安全， 切割成本低。 １．４ 氧气等离子切割技术的应用实例
２ 高压水切割技术
２．１ 高压水切割技术背景 二战期间， 飞机飞行中雷达舱被雨侵蚀破坏的现
象启发了人们利用高压水流的思维。高压水射流切割 技术最早源于前苏联， 但第一项切割技术专利却在美 国诞生； 然而， 作为一项独立而完整的切割技术， 高压 水射流（ＷＪ）的产生还是最近四十年的事。在过去的 ２０ 年中， 纯水射流已经得到了广泛的应用， 并为磨料水射 流技术奠定了基础。磨料水射流技术是 ２０ 世纪 ８０ 年 代中期英国流体力学研究协会 （ Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ） 首 次 提 出 的 ， 其 应 用 已 遍 及 船 舶 工业生产的各个方面。目前工业中使用的高压水射流 技术主要有两种实现方法： 纯水射流和磨料水射流。 ２．２ 高压水切割技术原理
给切割机器人赋予位置和动作的执行程序信息， 切割 机器人现在常用的编程方法有直接示教和离线编程 ２ 种；
２００２ 年日本石川岛播磨的爱知船厂也引进了氧气 等离子切割机， 在对 ８ｍｍ～３０ｍｍ 中厚板切割后， 样板 具有良好的焊接和加工性能。 １．５ 氧气等离子切割的产业化发展概况
造船业是应用氧气等离子弧切割技术最早、得 益 最大的行业。近年来， 国外大船厂纷纷引进配备氧气 等离子弧切割装置的大型数控等离子切割机， 并在钢 板 下 料 中 发 挥 着 无 可 替 代 的 主 力 军 作 用 。氧 气 等 离 子 弧 切 割 技 术 优 质 、高 速 、高 效 率 、低 成 本 的 优 越 性 已 在 造船生产实践中得到验证， 目前已达到产业化应用阶 段。
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割新工艺用于切割 ５０ｍｍ 厚的钢板， 在大约 ｌ 秒钟内就 可 以 完 成 ３８ｍｍ 厚 钢 板 的 穿 孔 ， 连 续 切 割 速 度 可 达 ２００ｍｍ／ｍｉｎ， 割缝宽度仅有几毫米； 每切割一张钢板比 火焰切割可以平均节省时间 ４０ 分钟， 使得作业成本更 经济； 而且割嘴离钢板的初始距离也可上升到 ７ｍｍ， 较 常规切割的 ０．５ｍｍ～２ｍｍ 增加了许多， 减少了切割穿 孔飞溅物对割嘴的损耗； 切割表面质量好， 热影响区 小， 获得了较高的切割精度， 省略了许多后续加工。
高压水射流本身具有较高的刚性， 在与靶物碰撞 时， 能产 生 极 高 的 冲 击 动 压（Ｐ＝ρＶＣ）和 涡 流 ， 从 微 观 上 看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区 （有 时 可 能 为 负 值）， 因 而 高 压 水 射 流 表 面 上 虽 为 圆 柱 模 型， 而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分， 刚性高 的部分产生的冲击动压使传播时间减少， 增大了冲击 强度， 宏观上看起快速楔劈作用， 而低刚度部分相对于 高刚度部分形成了柔性空间 ， 起吸屑、排屑作用， 这两