分析激光切割技术在船舶制造中的应用

摘要 :激光焊接是激光加工技术的重要组成部分,近几年在船舶制造行业中的运用引起了全球各国造船企业的高度重视。伴随着国内外造船行业对环保低碳、高效节能等提出更高的要求,激光焊接以及激光复合焊等激光制造技术不断发展。基于此,本文就激光制造在国内外船舶制造
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  摘要:激光焊接是激光加工技术的重要组成部分,近几年在船舶制造行业中的运用引起了全球各国造船企业的高度重视。伴随着国内外造船行业对环保低碳、高效节能等提出更高的要求,激光焊接以及激光复合焊等激光制造技术不断发展。基于此,本文就激光制造在国内外船舶制造中的应用与前景进行分析。

  关键词:激光制造; 船舶制造;

目录

  0引言…………………………………………………………………………1

  1我国激光制造行业发展现状…………………………………………………………………………2

  2我国激光制造行业发展现状…………………………………………………………………………3

  2.1激光切割技术在船舶制造中的应用…………………………………………………………………………4

  2.2激光焊接技术在船舶制造中的应用…………………………………………………………………………5

  2.3 3D激光测量技术在船舶制造中的应用…………………………………………………………………………5

  3激光制造在国内外船舶制造中的应用前景…………………………………………………………………………6

  4结语…………………………………………………………………………7

  参考文献…………………………………………………………………………8

船舶制造

  0 引言

  目前,激光智能装备主要运用在石油化工、海洋工程、船舶制造以及航空航天等行业,主要包括激光切割、焊接、刻线、钻孔以及清洗等各类工艺。船舶制造是激光制造运用较多的领域,在欧美等工业发达国家中,大约有50%~70%的船舶构件都是通过激光制造完成的。当前,全球有3万台左右的激光设备运用在船舶制造行业内,我国船舶制造业中的激光制造运用市场前景广阔。现阶段,在船舶制造行业中使用的激光制造技术主要有激光焊接、激光熔覆、激光打孔以及激光切割等。

  1 我国激光制造行业发展现状

  相较于传统制造模式,激光制造有着更强的制造能力、便利性及质量等,在新材料、新能源、轨道交通、航空航天以及船舶制造等行业有着十分广阔的发展空间,被有关专家学者视作传统制造业升级、转型的重要技术保障,其始终被全球主要的发达国家高度关注[1].我国激光制造行业走的是"群众"道路,逐渐从中低端走向高端。近10年来,我国高度重视激光制造领域的发展,政府部门同样出台了大量与激光制造相关的规章、政策,再加上国内市场表现出的强劲势头,目前国内激光制造行业已初步形成相应的规模;2018年,国内激光设施与激光器的产值已经超过600亿元,我国已成为中低端激光制造领域发展最好的市场。在国家科技战略,尤其是在"增材制造与激光制造"国家重点开发计划的前提下,从理论分析、部件开发、装备研制直到具体的实践运用,产生"全链条研发、一体化制造"的理念,集中优势力量攻克重点问题,当前已经形成了很多的科研成果,比如:提出电子动态调控超快激光制造的全新机理和技术、开发出新型的高性能激光晶体等。

  2 我国激光制造行业发展现状

  2.1 激光切割技术在船舶制造中的应用

  现阶段,CO2激光切割是世界各大造船企业使用最多的激光制造技术。经常使用的5~6 kW CO2激光器切割相较于等离子的速度比较慢,很难有效实现船舶制造现代化对效率及质量的需求,同时其机器与设施的维护费用较高,经济效益低。即使其在船舶制造中的运用状况不如人意,也逐渐被利用。近几年,我国极少许具备较强实力的船舶制造厂家,比如江南长兴造船基地引入全球顶尖的"搭载型CO2激光切割机";日本造船企业在激光切割机搭载技术运用方面积累了大量的成功经验,值得国内造船企业学习、参考。伴随我国制造业的迅猛发展,光纤激光器同样在快速发展,其具备光束质量好、功率高、体积小、电光转化率高、可靠性强、柔性好以及维护成本低等众多优势,对以往的CO2激光切割带来了巨大的影响。在光纤激光切割效果日益加强的环境下,我国很多的切割设备制造企业都在积极引进、开发以光纤激光器为基础的数控激光切割机;除此以外,科学机构、高等院校以及专家学者等对光纤激光器的切割效果均开展了大量的探索、分析[2].

  2.2 激光焊接技术在船舶制造中的应用

  激光焊接不但使船舶制造技术发生巨大改变,并且还使得船体结构发生改变。比如,美国在新型船舶制造过程中大量运用高强度低合金钢T型工件,采取激光焊接技术,在很大程度上降低了船舶重量。对于船体的繁杂结构能够选择激光焊接技术,例如I型工件、三明治板以及T型工件等。因为传统焊接技术的热输入量比较大,采取传统焊接方法极易导致工件发生形变、热影响区性能大幅降低;除此以外,三明治板是在两层薄板中间增加形式各异的支撑板以减轻整个结构的质量及提高强度,对于此类复杂工件的焊接,通过传统焊接形式很难实现。船舶由若干部分构成,船舶舱壁与甲板2个部位比较适合运用激光焊接。当前,激光焊接在船舶舱壁与甲板焊接中的应用表现出以下特征:(1)船舶舱壁与甲板的焊缝具备长度长、平直的特征,部分焊缝的长度在20 m以上,对接形式常见的有T型接头和平板对接2种;(2)船舶舱壁与甲板的焊接通常较长,在焊接过程中应确保焊缝中心和光束中心精准相对,以确保焊缝的整体质量;(3)出于对美观的考虑,船舶舱壁与甲板对焊缝形状、板材形变等有极高的需求;(4)因为船舶舱壁与甲板对焊接结构强度并没有太高的要求,所以在结构存有极少许缺陷时同样可以应用。

  2.3 3D激光测量技术在船舶制造中的应用

  正常情况下,在船舶制造开始前应当设计出对应的虚拟3D模型,借助CAD等有关软件针对船舶进行设计。在船舶的具体制造环节,首先应对船体的结构形状进行设计,需要针对船体结构上各点的位置开展现场测量,同时通过CAD软件将空间内所有点制作成3D模型。在虚拟设计及具体制造环节,船体结构一致性可以充分体现出船舶制造的精准度,如果想要高效掌控船舶结构的精准度,就需要把握好虚拟设计模型和实际测量模型间的比值。3D激光测量技术在船舶制造中的应用,同时将其与虚拟设计模型以及3D实测模型互相融合起来,可以合理、高效的对船舶制造环节的精准度进行控制。以往的钢尺量距方法与3D激光测量技术相比,有着非常大的差异,所以,为了能够从根本上确保船舶制造过程中的精准度,则应当将3D激光测量技术应用于船舶制造中,有效保障船舶制造的精度。

  3 激光制造在国内外船舶制造中的应用前景

  现代激光制造属于通用型的加工方式,其主要发展前景在于运用领域的不断拓宽,激光制造的快速发展为很多新问题的成功化解提供了重要的技术支撑。激光制造以航空航天运载器、汽车、铁路车辆以及船舶等运输设备的轻型化、循环经济、冶金工业为主要发展方向,促进激光制造在国防及主要工业领域中的产业化运用。与此同时,行业发展对激光制造技术有着更高的需求,比如激光设备小型化、集成化、更高的转换效率等,半导体激光器与光纤激光器将会进入全面普及、应用阶段。促进我国的激光制造技术朝着更小能耗、更高效率、更低成本、更高质量、更强性能、更少流程、智能化、数字化的方向不断发展,切实转变我国大工业用激光制造装备基本上都依靠进口的情况。激光制造在船舶制造行业中的运用又具备其独有的特征,此与船舶自身的制造、运用特征及激光制造技术的特点存在极其密切的关联。现阶段,铝合金材料已发展成运输设备生产的核心材料,全铝结构船表现出良好的市场前景,再加上相对先进的激光制造技术,有着极其广阔的发展空间。

  当前,全球工业领域都在朝着流程短、能耗低的方向"进军",激光制造具备大量传统制造技术无法可比的优势,全球各个国家对制造业的发展都极其关注。然而相较于国外,我国在激光制造的普及、使用方面做得并不到位,并未发挥出其相应的作用。造成此现象的根本成因是激光制造的投资成本较大;为了能够有效推动激光制造的普及,妥善化解投资巨大的问题,应在全面掌握所有影响因素的前提下,对船舶自身的要求、激光制造系统的投资等因素进行整体的考虑,严格管控成本,寻找最合理的加工条件、不断加强激光制造效率,最后构建起我国新型激光制造产业链[3].

  4 结语

  激光制造在国内外船舶制造中的应用均体现出了显著的优势,大幅度减少了船舶制造的成本费用,使得造船企业能够取得更多的经济利润。并且还应清醒意识到激光制造存在的问题隐患,应当通过先进的监控设施针对激光制造的整个环节开展监测,避免焊接过程中出现各种突发性事件,保证焊接制造的质量。此外,还需要强化对国外造船企业间的沟通、合作,引入较为先进的激光制造理念及技术,进而使激光制造在船舶制造中得到更好地应用。

  参考文献
  [1]辜磊,刘建华,汪兴均。激光-电弧复合焊接技术在船舶制造中的应用研究[J].造船技术,2005.(5):38-40.
  [2]左铁钏。激光制造在国内外船舶制造中的应用与前景[J].电焊机,2007,(06):49-52.
  [3]蔡艳,唐卓,吴毅雄。高功率CO_2激光+电弧复合焊技术在船舶制造业中的应用[J].金属加工:热加工,2008,(16):19-22.

  原文出处:马金伟,施凯翔.激光制造在国内外船舶制造中的应用与前景[J].船舶物资与市场,2020(06):40-41. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/zhlw/20200906/8365102.html   

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