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等离子切割技术在造船领域的技术运用

   等离子切割机是一种新型的热切割设备,它的工作原理是以压缩空气为工作气体,以高温高速的等离子弧为热源、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。该设备可用于不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割,不仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小,工件变形度低、操作简单,而且具有显著的节能效果。激光切割机系统,

  切割与焊接的技术变革在造船行业引发的深层思考

  目前, 使用大功率激光及等离子切割的行业涉及汽车制造、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前沿的加工技术。但在我国, 造船工业对激光切割焊接、等离子切割的认识如同当年清朝政府对枪械火器的态度,虽知晓其厉害,但是变革力度仍旧不大。就此,在“激光技术国家重点实验室”和“激光切割国家工程研究中心”专家的技术指导下,我们就现代切割和焊接的技术进步对造船行业的生产变革同大家提出探讨。

  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发展, 发达各国造船厂开始装备适合厚板材的切割系统,配件。例如, 1992 年澳大利亚Farleylaserlab公司率先生产出融合划线、切割、钻孔于一体的Fabricator等离子切割机和适合宽幅面又能水下切割的Trident等离子切割机,获得了高精度、良好的边缘切割质量。

  大功率激光切割过程是一放热燃烧反应过程,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。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。具备这种典型特点这种方法的显著特点是切割厚度为25. 4mm (1in) 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40 m 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1 mm 上升到7 mm , 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。目前,拥有这一切割能力的仅有武汉法利莱切割系统工程有限公司一家,其隶属激光技术国家重点实验室,其研发的WALC4020宽幅面数控激光切割机达到了速度与能量的完美结合。更让人意想不到的是, 除了切割幅面宽的特点外,法利莱WALC4020还具有以下技术创新优势:悬臂倒挂横梁、直线电机驱动、SIEMENS 840D控制器、专有光束质量调整系统、穿透检测、自动聚焦、光束半径调整、束腰补偿、打孔切割双流量控制系统、表面熔渣油灭弧处理、垂直升降式交换工作台结构等,这些技术创新使法利莱WALC4020产品技术性能超过其它同类产品,达到国际先进水准。

  大功率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CO 2 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. 25 mm 厚的板, 切割速度为140 m &ouml;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(< 5kW ) 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> 30 mm ) 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。

  图:等离子切割系统在造船行业的技术应用

  通过引进、消化、二次开发, 采用与国际合作等方式,武汉法利莱切割系统工程有限公司在此方面卓有成效。作为“激光技术国家重点实验室”和“激光切割国家工程研究中心”生产科研基地,是国内唯一一家全资收购境外激光公司的国有大型企业,也是全世界唯一同时具备研发大功率激光切割、焊接,多种等离子切割解决方案的技术领先企业,国内有些单位也在研究开发激光切割设备, 如被武汉法利莱并购的上海团结普瑞玛、武汉楚天激光等, 这将为其向国内造船业渗透创造条件。

  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12kW 的CO 2 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。

  与其他焊接技术相比, 激光焊接主要优点是速度快、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。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。

  激光焊接与传统焊接接头相比,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,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。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、微型的船舶部件焊接提供了条件。

    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。

    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。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。

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