激光切割技术在我国造船业中的应用

国际金属加工网 2017年06月30日

本文介绍了南通中远川崎船舶工程有限公司NC激光切割机的应用实况。指出了造船业中激光切割机应用中的优缺点,以及解决问题的方法。
1 激光切割技术的特点和切割性

1.1 激光切割技术的特点

激光技术在20世纪六七十年代开始应用。激光是利用原子受激辐射原理,在激光器中使工作物质受到激励而获得光辐射并经放大后射出的光。激光束经聚焦后其光斑直径最小能达到0.01mm,相应的功率密度可达0.10~103MW/cm2,比一般的切割热源高几个数量级,激光切割正是利用这种高密度的热能来进行的。

激光切割有如下特点:

(1)既能切割金属材料,又能切割非金属材料;

(2)切割薄板时,速度较快;

(3)切割质量好,切割缝小,切割面光洁美观,热影响区小,热变形小;

(4)切割时很少需要更换消耗品,易于实行无人管理;

(5)无噪声、少烟尘,对环境基本无影响。

激光切割存在的问题:

(1)受输出功率的限制,切割速度比等离子弧切割要慢,切割板材的厚度不能太厚;

(2)价格较贵。

1.2 金属材料的激光切割性

从理论上讲,利用激光能切割各类金属和非金属材料。但实际上因材料的激光切割性同其热物理性和对激光的吸收率有很大的关系。一般来说,其切割性与工件材料有如下关系。

(1)对激光吸收率低的材料通常不易用激光切割,铜、铝等金属的吸收率很低,过去因激光的输出功率小,曾发现很难切割,但这些金属一经受热熔化,对激光的吸收率就迅速增加,故现在用大功率、高能量密度的激光已能进行切割。但金、银等金属对激光的反射率比铜、铝还要高,就难以用激光切割。

(2)蒸发(气化)或熔化温度低、导热率小的材料易进行激光切割。

(3)热膨胀率大而热导率低的材料,主要是陶瓷等非金属材料,在激光切割过程中易产生裂纹。

(4)表面经抛光的材料,因对激光的反射率很高,故很难进行激光切割。

(5)不同的激光发生器功率,在切割软钢时的板厚切割速度的变化情况如图所示。

软钢切割时板厚和切割速度的变化情况

本文介绍了南通中远川崎船舶工程有限公司NC激光切割机的应用实况。指出了造船业中激光切割机应用中的优缺点,以及解决问题的方法。

2 激光切割技术的应用

激光切割技术投入生产应用以来,发展非常迅速,技术日趋完善,目前工业发达国家对这一技术的应用较为广泛,在汽车工业部门和钢结构制造部门已使用多年,在造船工业部门国外有较多船厂也已装备有NC激光切割设备。2004年国内造船业中,南通中远川崎船舶工程有限公司( NACKS)率先从日本田中株式会社引进了两台激光切割机,该设备的激光振荡器的输出功率为6000W,按设备的技术规格书可切割I形,V形和A形坡口,在切割低碳钢的板厚范围如表所示。切割缝的宽度(垂直切割时)为0.8~1.0mm。

坡口型式和板厚范围

2.1 在造船业中使用NC激光切割机的优点

(1)NACKS在引进NC激光切割机后使用的三年中,最能发挥激光切割机优势的船型是汽车滚装船,由于此类船型有多层甲板,使用大量的5.5~9mm的钢板,在多层甲板上需切割大量的φ50mm绑扎用孔,而且精度和断面要求非常高。如用其他类型的切割机进行切割,困难是很大的,用NC激光切割机切割,切割的零件不但精度高(基本能在1mm以内),而且切断面光滑,垂直度好。如果没有激光切割机,将使公司建造的汽车滚装船的工期大大延长,建造成本也将大大增加。

(2)采用激光切割机切割下来的零件变形很小,给装配、焊接、矫正带来极大的方便。

(3)激光切割还可以无人控制,可以在操作工人吃饭和休息时进行作业,提高了工作效率,每天的工作台时数,可达22小时。

上述的这些优点是等离子切割机无法相比的。在建造其他类型的船舶时,除了双层底分段和下边舱分段因厚板较多,其余分段板材激光切割机大都能够切割。

2.2 缺点

激光切割机也存在以下一些缺点。

(1)切割速度慢(约为等离子切割速度的1/3),虽然可以用无人操作来弥补,但切割的工作量还是等离子切割的工作量大。

(2)反坡口切割困难,由于切割机构造和切割特性的原因,使反坡口切割带有一定的风险,切断面质量差,挂渣难以处理,精度难以掌握,目前NACKS的反坡口都是用手工切割的。

(3)切割板材的边框至少需留5mm以上的余量,才能保证切断面的质量和精度良好。

(4)板材的表面处理情况(如漆膜厚度),对切割质量有很大影响。

(5)坡口型式变化太大的板也不适宜用激光切割机来切割。因为穿孔次数大量增加,而由于激光切割机的穿孔过程较为繁琐,会使设备利用率不高,且频繁地穿孔容易使喷嘴粘上切割时产生的飞溅物而造成切割质量不好。

3 小结

综上所述,适合激光切割机切割的船体零件主要有下列几类:

(1)小合拢时所需的各类板材零件(如需组拼的桁材或其他部件);

(2)分段中一些较薄的板材;

(3)切割时容易变形的板材零件(如上层建筑中的板材);

(4)切割质量和精度要求较高的板材(如滚装船中的甲板)。

由于激光切割机和等离子切割机的互补性很强,因此应根据工厂承担建造船舶的类型,适当配置一定数量的激光切割机,以便能为高质量、短工期、快节奏建造承制的船舶提供可靠的保证。


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