船舶制造業(yè)：激光加工替代傳統(tǒng)，進(jìn)入“光制造”時(shí)代

2021 年全國(guó)造船完工 3970.3 萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng) 3.0%。承接新船訂單6706.8萬(wàn)載重噸，同比增長(zhǎng) 131.8%。截至2021年12月底，手持船舶訂單 9583.9萬(wàn)載重噸，比2020 年底手持訂單量增長(zhǎng) 34.8%。

據(jù)ResearchAndMarkets.com預(yù)測(cè)，至2025年全球造船市場(chǎng)將達(dá)到1866億美元。隨著船舶行業(yè)需求逐步增加，船舶制造業(yè)迎來蓬勃發(fā)展。日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)帶動(dòng)市場(chǎng)對(duì)船舶智能制造工序、造船材料安全性、可靠性及質(zhì)量等要求的提升。激光加工金屬被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”，因其高精度、高效率等的特點(diǎn)，其技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)在造船業(yè)智能制造過程中占據(jù)中流砥柱的位置。

1、激光切割應(yīng)用

鋼材是船舶制造領(lǐng)域常見的材料，船用鋼材不可避免地會(huì)根據(jù)船體的設(shè)計(jì)進(jìn)行切割。但造船板材切割工藝要求較高，板材切割中出現(xiàn)的細(xì)微歪斜、毛刺等問題，都可能會(huì)導(dǎo)致整船事故。當(dāng)前在船舶制造工藝中，主要的切割加工工藝方式包括火焰切割、等離子切割、剪切加工以及激光切割。其中火焰切割常被應(yīng)用于厚板切割，僅局限于碳鋼板，對(duì)于4mm以下的板材無法進(jìn)行精密切割，且切割效率較低；等離子切割適用于所有金屬板材切割，但又存在運(yùn)行成本較高、易掛渣、薄板切割時(shí)變形較大等問題。因此，在切割中具有對(duì)原料無影響、精度高、安全系數(shù)高的激光切割機(jī)應(yīng)用逐步廣泛。

不同切割方式對(duì)比

20kW氮?dú)馇懈?4mm E36合金板材，要求無毛刺、無掛渣、斷面垂直，作為船舶板材焊接前處理

備注：氧氣切割可做到光滑，但熱影響區(qū)大，甚至?xí)醒趸?。焊接成型?huì)產(chǎn)生氣泡、裂縫等問題。

2、激光焊接應(yīng)用

在船舶制造領(lǐng)域，由于板材制造工序?qū)附淤|(zhì)量要求較高，且焊縫檢測(cè)的指標(biāo)多；要通過諸多嚴(yán)苛的檢測(cè)項(xiàng)，傳統(tǒng)的弧焊、埋弧焊等方式存在一定的局限性，激光焊接則優(yōu)勢(shì)明顯。

當(dāng)前，歐美國(guó)家已經(jīng)在游輪、滾裝船和特種船等民用船舶的智能制造過程大量采用激光焊接技術(shù)。下圖展示了激光復(fù)合焊接板生產(chǎn)線、加強(qiáng)筋板生產(chǎn)線、滾裝船和特種船鋼板平面對(duì)接生產(chǎn)線，從船體甲板焊接圖中我們可以明顯看到長(zhǎng)邊和短邊的連接焊接。

激光焊接的應(yīng)用不僅使船舶制造技術(shù)有了新的突破，還一定程度地促進(jìn)了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改觀。另外，激光焊接可以將板材靈活組成各個(gè)模塊化艙室的建造材料，大幅度縮短船體建造時(shí)間。在民用船舶制造中，厚度為3~12mm的中薄板，主要用于甲板、船艙墻壁/隔板、客艙墻壁和樓梯基座的加工制造。15mm以上的厚板，主要用于船身的加工制造。那么不同厚度的板材的焊接怎么進(jìn)行激光器選品呢？

一般而言，小于4mm的船板焊接可以用激光自熔焊的方法，可使用1kW～4kW的光纖激光器；大于4mm的船板焊接通常采用激光填絲焊接或者激光-電弧復(fù)合焊接，目前單次能夠焊接的厚度不大于14mm，可使用6kW～12kW的光纖激光器；大于12mm的船板焊接通常采用坡口焊接，甚至更厚的20mm以上的船板焊接需要采用多焊道焊接，可使用12kW-20kW光纖激光器。