原创 激光制造在国内外船舶制造中的应用与前景

激光制造在国内外船舶制造中的应用与前景

 
      激光科学与工程是一个完整的科学体系，随着科学的进步，光子技术逐渐被人们发现、认识和利用，逐渐成为一个具有无限性和可持续性发展的科学领域，既是传统科学的继承，又是现代科学的先导。光子技术将超越电子学，在科学领域逐渐发挥其先导性作用，引起科学界又一次革命性变化。
      激光作为一种新型的能源用于工业制造，区别于传统制造方式，是对力加工、火焰加工、电加工等传统加工方式的挑战，将逐步完成对传统加工方式的技术改造，焕发出极大生产力，最终取而代之。激光制造和信息与通讯、医疗保健与生命科学、国防是世界范围内激光技术应用最主要的四个领域，其中激光制造所占比例最大，同时也是发展最快、对一个国家国民经济影响最大的激光技术应用领域。随着激光技术的不断发展，以更短波长、更高能量、更高品质的激光作为能源的新型激光制造系统不断涌现，推动着激光制造技术应用范围的拓展，许多过去认为不可能完成的任务，激光都做到了，被誉为“未来制造系统共同的加工手段”，从具有微小结构的芯片，到大型飞机的制造，激光都是不可或缺的重要手段。
 
       激光制造在船舶制造中应用的国内外现状
 
   激光制造在运输机械制造中的优越性
      激光制造是将激光作为一种能源，利用光子能量这个新型能源的加工方式，通过光纤或者镜组以非常高的速度实现对光的传递，从而完成加工任务的过程。激光制造具有一系列传统制造方法不具备的优点，如：加工速度快、效率高、噪音小、可在空气中传输、容易实现自动化等，而且随着工业发展和人们对激光技术认识水平的不断提高，激光在运输机械制造过程中所占的比例在一定程度上体现了制造水平。
      在船舶、飞机、汽车和机车车辆等运输机械的制造中，板材结构的连接直到目前仍主要使用铆接工艺，这是由于传统的焊接方法(如火焰、电弧、等离子体弧等)热源是发散的，能量密度较低，因此焊接速度低，热输入量大，造成焊接接头性能差。与传统焊接热源不同，激光具有优良的传输和聚焦特性，经过聚焦镜组后可以将能量高度集中。因此，激光焊接可以使用最少的能量作用于最小的区域，作用时间大大缩短，加工速度大大提高，得到极其细小的焊缝组织，近缝区的热影响很小，焊接结构的变形也最小，保证了焊接接头良好的性能。
      以汽车工业为例，从样车的开发、零部件的制造到车身总装，激光无所不在。在样车的开发和小批量生产中，高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具，不仅节省大量的模具，同时新车型的开发周期大为缩短。在汽车零部件制造方面，多种汽车变速箱激光焊接替代了传统花键连接、电子束焊接，大大提高了生产效率和变速器的整体质量与性能，降低了变速器齿轮的制造成本，选择多，节省材料，减化多种工艺流程；根据车身不同部位的承重和使用要求，利用激光焊接将不同材质、不同厚度和不同表面状态的坯板拼焊在一起，然后一次压制成型制造车身部件，车身部件使用由激光薄厚大板拼接的组合板，显著降低了车身重量，取代了传统的拼焊方式。在车身总装上，激光焊接和钎焊取代了传统的电阻点焊工艺。由于激光制造技术所具有的无与伦比的优势，在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和生产中无一例外的大量采用激光加工。实际上，激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。
      激光制造是效率最高、流程最短、整体性最高（密封性、强度就是整体性和散件区别的标志）、最节约高合金材料，轻型化、节省能源的制造方式。
 
激光制造在船舶制造中应用的国内外现状

      在20世纪90年代中期，激光作为一种重工业制造工具用于造船工业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革，焊接方法、工艺和设备也稳步发展，从早先的气焊、电弧焊，发展到激光焊。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。图1所示为造船工业中三明治夹层板的激光焊接。

      早期日本的一些船厂就使用激光切割设备获得了准确的切割尺寸和良好的切割质量，并从中受益。1992年，Vosper Thornycroft在欧洲船厂安装了第一台激光切割设备。90年代中、后期，欧洲船厂纷纷安装了用于焊接和切割的成套设备。在美国，Bender 船厂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。2001年，联邦电动船部在其移动实验室安装了4KW的ESAB系统。激光切割设备在Bender的应用，引起了对发展高效激光焊接技术的关注。下面几个图为激光制造技术与系统在欧洲几个船厂的应用实例。
      
  影响激光制造过程的关键光束特性
 
 关键光束特性
      大多数的激光应用都要通过光与物质的相互作用这座桥梁才能实现。激光的波长、能量、偏振特性、时间特性以及空间特性都是决定光与物质相互耦合效率的重要因素。
      对金属及其合金而言，激光束的波长越短，吸收率越高。但是这种吸收率的差异只在焊接时初始激光作用的瞬间起决定作用，当深熔焊接过程建立后，波长对吸收率的影响可以忽略。另外波长还影响到光致等离子体的形成和激光束的精细聚焦程度，德国在近五年研究规划中将激光微制造的目标定位在新的激光光源和超精细聚焦系统上，与之相应的超短、超快激光源的研究受到高度重视。
      激光器输出功率是最基本的衡量激光器加工能力的指标。目前已经可以提供最高功率45kW工业应用的CO2激光器。商品化多棒串联的YAG激光器激光输出功率已达6kW，并可采用光纤耦合输出。此外，许多新型的固体激光器不断涌现。例如，4.4kW大功率半导体泵浦的固体激光器已有商品供应；二极管泵浦的薄片式固体激光器，目前单模块的输出功率已达500W，组合输出已达4kW；端面泵浦的Slab固体激光器也是新型的固体激光器。光纤激光器单光纤在1090nm波长单模输出激光达610W，2kW、6kW的大功率光纤激光器已开始在企业试用。
      激光束与材料耦合时的功率密度（辐照度）比功率本身更具有实际意义，因为高功率密度是激光制造最突出的优点，只有获得足够的功率密度，才能获得理想的加工质量。目前的高功率CO2激光器都兼顾了连续输出和高重复频率脉冲输出两种模式，能够灵活适应各种不同的加工任务。
激光束的光束质量是光制造过程中最为关键的因素，是最能体现激光作为加工工具这把“刀”锋利程度的指标。
      激光作为制造用的“光能源”和“光工具”，其激光能量或功率、光束质量、对光的控制是衡量制造用 “光能源”和“光工具” 的标准。激光能量或功率表征激光制造系统加工能力的可能性；光束质量直接限定了可能实现的加工方法、可能传输的距离、可能获得的焦斑尺寸，以及最终可以获得加工质量；对光的控制是实现产业化应用的条件，这三者是激光制造系统的整体要求，激光这把“刀”的质量，既是工业应用的“金钢钻”，也是激光制造系统激光器发展、进步的重要标志。这正是激光制造系统与通讯激光、医疗激光和军用激光系统的明显区别。
大功率激光束的传输与聚焦

      船舶制造中常常需要完成大量长焊缝的焊接工作，因此要求激光束能够实现大范围传输。由于波长的原因，YAG激光可以采用光纤进行传输，CO2激光采用镜组进行传输，这就要求CO2激光束具有良好的传输特性，以保证激光束经过飞行光学导光系统到达加工位置后的光束的模式和能量分布的稳定性。图5所示为大功率CO2激光长距离传输时的传输和聚焦特性。

      可以看出，在不同的传输位置，光束横截面的能量分布发生变化，相应的聚焦光束特性也会发生改变。在加工范围内光束聚焦特性的变化直接影响到激光焊接过程的稳定性。图6所示为在不同传输位置焦点发生变化示意图以及采取的补偿措施。

      所以，在激光焊接在船舶制造中的应用首先要保证激光束长距离传输的稳定性，这是获得理想加工质量的前提。
 
  激光焊接在船舶制造中的应用前景
 
  现代激光制造作为通用的加工手段，其前沿领域之一是应用领域的扩展，激光制造应用技术提出并解决新的问题。重点针对汽车、航空航天运载器、船舶和铁路车辆等运输机械的轻型化、冶金工业和循环经济的发展趋势，实现激光制造技术在国防和重点工业领域的产业化应用。同时对激光制造系统技术提出新的要求，如激光器小型化、高转换效率与集成化等，光纤激光器和半导体激光器将得到大力发展。推动我国激光制造技术向着效率更高、能耗更低、流程更短、光束质量更高、性能更好、数字化、智能化程度更高、成本更低的方向发展，改变我国大工业用激光制造装备完全依赖进口的现状。
  激光技术在船舶制造中的应用又具有其独特性，这跟船舶本身的加工和应用特点以及激光制造系统的特性息息相关。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前景，配合先进的激光制造技术，展示了无限发展潜力。
  目前世界工业领域都向着低能耗、短流程方向发展，激光制造具有许多传统制造方法无法比拟的优点，世界各国都加大了对发展制造业的重视程度。但与国外相比，我国激光技术达到应用推广的还是不多，还没有发挥出应有的作用。究其原因，首先在于激光制造系统的高成本、高投入；为了更广泛的普及激光制造技术的应用，弥补高投入的问题，需要在充分认识影响激光制造技术应用关键因素的基础上，综合考虑船舶本身需求、激光加工系统的投入等因素，控制成本，寻找最佳加工条件、提高加工效率的方法，最终形成我国新一代激光制造产业链。

本文关键词：上海钣金加工

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