各类激光工艺在船舶上的应用与前景

百家 作者:OFweek 2018-11-29 15:06:52


激光技术自问世以来,便受到了社会的广泛关注,被称为二十世纪的四大发明之一。随着时代的不断发展,激光技术的应用也在不断发生转变。近些年来,激光器的功率不断提升,其应用也逐渐向重型工业制造领域渗透。而在船舶制造业中,激光切割、焊接、清洗工艺已经开始取缔一些旧有工艺,对整个造船产业带来了一定影响。目前,欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。

激光切割在船舶工业中的应用

船舶行业对船体分段转配精度的要求非常高,构架转配的间隙必须控制在1mm范围以内。在以往,船舶制造企业一般采用等离子切割对肋板下料,为了保证装配间隙达标,在肋板上均设置了修割余量,需要在现场装配时进行实地手工修割,最后得到的修割的质量参差不齐。手工修割会导致割缝内残留氧化物,同时,也增加了装配的工作量,延长了装配周期,致使整个分段建造周期大幅延长。

目前,在船舶行业中,船体板材零件的下料方式主要有火焰切割、等离子切割、剪切加工以及激光切割几种。相对于激光切割,其他的切割方式在许多方面存在不足,比如火焰切割与等离子切割会导致割缝宽、切割精度差,容易产生有害气体,对环境造成的污染较大等问题。而通过激光切割的船用钢板,割缝质量好,切口面垂直性好,无挂渣,氧化层薄,表面光滑,无需二次加工,可直接焊接,且热变形小,曲线切割精度高,有效减少配合工时,实现无障碍切割高强船板。

早在1992年,Vosper Thornycroft船厂在欧洲率先使用激光切割设备。而后,欧洲各国船厂纷纷安装用于焊接和切割的成套设备。在美国,Bender 船厂则是第一家使用高功率激光切割设备的船厂,1999年Bender使用6KW的Tanaka LMX Ⅲ激光器,在制造成本和质量上取得了巨大进步。

近些年来,“精密造船”和”快速造船”成为船舶制造业发展的主要趋势,激光切割技术得到了快速发展。船舶制造业主要以钢板原料为主,使用激光对板材进行切割,可以代替一些需要大型模具冲切的加工方法,大大缩短生产周期,同时降低加工成本。采用激光切割机下料取消了装配余量,消除了现场修割的现象,减少了人工和板材浪费,构架装配速度明显加快,装配质量提升显著。

虽然激光切割优势明显,在应用方面也存在许多问题。目前,在国内的船舶行业中,激光切割并未占据主导地位。主要原因在于激光切割成本相比传统切割方法更高;激光切割的大型设备不适合船舶行业的制造特点,如现场施工、分段作业、工作环境复杂等等;激光切割在效率方面并没有明显优势,尤其是船舶行业对于厚板的切割;激光设备维护复杂,对工人要求高、维护成本高等。

激光焊接在船舶工业中的应用

自进入二十一世纪以来,先进制造技术的蓬勃发展,对船舶焊接技术的发展提出了更高要求,使船舶焊接技术在广度和深度方面均产生了质的飞跃。新钢材、新焊材、新焊接工艺、新焊接设备不断出现,对船舶焊接技术产生了巨大影响。

在激光焊接技术发展初期,大多是对薄壁材料进行低速焊接。随着更高功率激光器的不断面世,激光焊接的应用逐渐向重工业领域渗透。相较于传统的焊接工艺,激光焊接工艺拥有诸多优势,比如,可以进行更加精准深入的焊接;船体构件配合好,能够迅速形成型材;对焊接环境的要求更低,不需要在真空或者稀有气体环境中作业;焊接更灵活,可以避免近距离接触,使得施工安全性得到更好的保障。

随着焊接方法、工艺和设备的稳步发展,大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革。从早先的气焊、电弧焊,发展到如今的激光焊。造船技术的不断发展,带动了造船材料和船舶设计的重大变化。随着激光设备的不断提升和工艺的完善,激光焊接将在船舶制造商得到更多应用。

激光清洗技术在船舶上的应用

船舶在经过长时间的使用后,船体容易出现老化、腐蚀等现象。因此,需要一些工艺对船体进行翻新处理。传统方式是采用喷砂工艺进行处理,近年来,激光清洗技术在这方面显现出很大应用潜力。

虽然,目前的喷砂工艺相对成熟,效率较高,但仍有其技术缺陷,比如在预处理的毛化度上是超标的。在豪华邮轮等高端船舶上无法使用喷砂工艺,其对环境的造成的污染,以及给长期从事喷砂作业的工人身体带来的伤害也不容小觑。喷砂工艺污染严重,不符合国家环保政策的要求和国民利益。而且,除了钢砂之外,该项作业对水、电力和人工的消耗也极大。

目前,在国家大力推进制造业转型升级的大背景下,先进激光清洗技术愈加受到重视。相较于喷砂、化学药剂清洗、机械打磨等传统清洗方式,激光清洗拥有对基底无损伤,微米级精准控制,节能环保等众多优势,将在工业领域取缔一些传统清洗方式。

这种新型清洗技术在飞机、舰船、桥梁等大型装备领域,以及飞机零部件、电气产品等精密部件精确除漆领域拥有非常广阔的前景。目前,激光清洗市场尚处于培育阶段。不论是从环保方面来讲,还是技术更新以及未来的实际操作方面来讲,喷砂工艺都终将被先进技术所取代。而激光清洗技术被认为是目前最可靠、最有效的解决办法。

除了船舶之外,港口机械、石油平台以及集装箱等船舶相关产业领域,也需要进行大量的喷砂作业。在未来,这些作业很有可能逐步被更环保、人性化的激光清洗所取代。

展望未来

2017年年底,中国造船业全年新接订单量超越了韩国,跃居全球第一。但是,中国在船用设备领域研发投入严重不足,造船过程的绿色技术还比较落后,高端造船能力与日韩仍有差距。目前铝合金材料逐渐成为运输机械制造的关键材料,全铝结构船显示出良好的发展远景,配合先进的激光制造技术,展示了无穷发展潜力。

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