|
|
马上注册，结识高手，享用更多资源，轻松玩转三维网社区。
您需要 登录 才可以下载或查看，没有帐号？注册
x
来源：造船技术! N X8 p( g1 G4 o) a+ M, g
% o9 _$ b; g% a作 者：胡 勇，项 勇，刘光武
; e' J w2 N) b, O! F' l1 ^7 V! \2 { r5 A
(武汉理工大学 交通学院船海系，湖北 武汉 430063)
( Y; y c( S# r) ~/ l( o
1 Z7 ?8 n' N3 H, x0 l) I: A" F) q 提要 本文论述了激光加工技术在造船工业中的重要地位及其主要特点，综合介绍了欧美船 厂开展激光加工技术研究与应用的情况，主要是激光切割与激光焊接在船厂中的应用现状和发展趋势。 . c* f+ ^9 F8 f' j$ h5 {+ l" I
- g! W4 ?, f4 f
主题词 激光加工 激光切割 激光焊 造船
1 A4 n- W, o( T6 y7 k, i) |$ }4 x3 V
l 前言 ; e. L, F) l/ r( e; ]2 F( O
7 X7 T1 T6 h M2 I$ W
自世界上第一台激光器问世以来，激光已被广泛应用于各行各业。在日常生活中，我们使用激光打印机、CD／VCD／DVD光盘及设备、激光扫描条码光纤通信、激光美容、激光测距等。在工业上，激光被应用于切割、焊接、标记、热处理等主要材料加工领域。由于激光具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性的特性，激光加工技术已成为工业生产自动化的关键技术，拥有普通加工技术所不能比拟的如下优势 ：
8 C9 B, b) F( _ F4 [ a" C' ~% M0 @3 N
' N: d' A P0 y (1)由于它是无接触加工，对工件无直接冲击因此无机械变形；
6 J* W5 F7 T: ]+ f0 ]* \* A
1 @- O1 _) m: r (2)激光加工过程中无“刀具”磨损，无“切削力作用于工件； 6 h9 E G4 Z i3 \
c+ t8 l: n7 i1 Z8 z
(3)激光束能量密度高，加工速度快，对非激光照射部位没有或影响极小，因此热影响区小、工件热变形小、后续加工少； 8 W6 F0 j9 I1 @+ D, T# L
( ^# }' i/ T O7 E- m. N
(4)激光束易于导向、聚焦、实现方向变换 ，极易与计算机数控系统配合，对复杂工件进行加工，是一种极为灵活的加工方法 ； 4 L9 h& \ h& N! }
9 |+ ~; d1 q* c6 O) e! S
(5)生产效率高，加工质量稳定可靠 ，经济效益和社会效益好 。目前，使用激光加工的行业有，汽车制造、航天航空、造船、电子、化工、包装、医疗设备等。在欧美发达国家中，大约有 50 ～70的汽车零部件都用到了激光加工技术，并以激光焊接和激光切割为主。型与板材的切割，已成为激光在材料加工中应用的主要方面。据报道，全世界大约有12000台工业用激光切割系统，其市场价值达 45亿美元。其中超过60的设备在日本。最近，激光切割非常成功地找到了在一些其他工业中的应用前景。过去人们常常认为，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。虽然激光加工拥有许多优点，但不足之处也是很明显的，例如激光加工设备目前还比较昂贵、切割厚度难以达到火焰和等离子切割的水平。这些也影响了它在造船中的应用。
# H' O x1 A6 F( a4 y" p# |3 Y$ K: b) P7 m) I
随着激光技术的发展 ，欧美及日本主要的大型船厂已大量采用激光加工技术。在我国，造船工业几乎还没有使用激光加工技术，因此，有必要跟踪和研究该项新技术。下面我们就激光加工技术的两个重要应用方面 — —激光切割及激光焊接在造船中的应用情况，综合欧美船厂的应用实例，进行分析探讨。 {8 e$ T$ P6 b" Y& V, M3 a
9 J) ]/ m" \ t( w4 G! G4 y* W! X7 m 2 激光切割 # P8 U U; a4 F: U; R
/ n# {+ i0 m# c8 J" m& \ 2．1 激光切割原理 - G. m5 |1 ~0 J; t, \" i
" w; V6 P8 G5 S% d) R
激光器按其工作物质的形态可分为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。无论是使用CO2激光器，还是Nd：YAG激光器进行切割，其原理基本上是相同的。如图1所示，激光束经过透镜聚焦后投射到被切割材料的表面，聚焦后的激光束加热材料的表面，在材料的厚度方向快速形成一个非常狭小的熔融毛细管道。该细管道的直径通常只比聚焦后的激光束的直径大一点点。绝大多数 CO2 激光切割是使用辅助气体完成的。辅助激光切割的气体的主要特征是，由与激光束共轴的气体将熔融的材料从其细管道吹开。对某些材料，这些气体可以进一步辅助其化学 (发热 )反应以及物理反应。通过在固定的材料表面移动聚焦后的激光束，或 者保持激光束不动而移动工件从而完成切割过程。使CO2激光器进行激光切割，大多使用 1～1.5 kW 功率的激光器。 , h' x7 I2 p9 E0 b7 w
! w. {7 f4 f8 G0 P, [. m
2．2 应用情况
; T H Q/ H4 D |- g, j: Y! U, x- j
1966年底出于军事目的研发了 300 W脉冲型低流CO2激光器，随着，第一个气体辅助激光切割实验于1967年完成，标志着激光材料加工的开始。 金属、陶瓷、塑料以及木材、橡胶等都能使用CO2激光进行切割。对于切割钢铁，大多数加工使用氧辅助气体，因为它能为切割过程提供热能。不锈钢、铝、钛也可以使用 CO2 激光切割，这时需使用高压(高达1．5 MPa)惰性气体辅助加工，并且从切口处吹掉材料 。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，欧美各国造船厂开始装备激光切割系统。例如，1 992年 Vosper Thornycroft 船厂率先在欧洲安装了激光切割系统。90年代中期，日本的JII崎重工等造船企业，也安装了高功率激光平板切割系统，以获得高精度、良好的边缘切割质量。1999年在 NSRP的资助下，美国 Bender Ship building Repair公司联合 Alabama I aser、BOC Gases和 Caterpillar等公司，开展了激光切割厚板的研究工作，并于 2001年使用< 2 kW 功率激光束和 Alabama I．aser公司的激光切割头，成功切割了5lmm(2in)厚的钢板。该系统被简称为 I ASOX (I aser Assist Oxgen激光辅助氧气)切割系统一 。I ASOX 切割过程是一个放热燃烧反应过程，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。不同于氧燃气切割，这里没有燃气参与预热反应，而是由激光在 l～2 S内就将投射区域的温度加热至超过900 C。事实上，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。 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 min的加工时问，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。更让人意想不到的是，只需加装一把特制的增压割炬，即可用常规激光装置切割38 mm厚的钢板。
E7 v6 Z: H2 s# s$ S& x+ J( r5 |# n& W7 t0 t5 m8 s
该项目的负责人Patrick Cahill认为，I ASOX切割系统具有切割100mm厚钢板的潜能。而相比之下，大功率等离子切割只能切割75mm 厚的钢板。该加工方法将使新型舰船的建造费用更便宜。该激光切割系统计划首先应用于美国 General Dy namics Electric Boat公司的潜艇建造和Caterpillar公司的重型采矿设备的生产中。从上可知，它为如何将激光切割更经济、更有效地应用于造船业，提供了一个成功的范例和开启了一条新思路。
4 ~- b0 h7 ^ q* M Z; g
+ L7 E! d: z( T P3 B9 t 2．3 激光切割特点及注意事项
4 F- |4 L: B9 V, \+ Z- n7 Q4 b! E
2 @2 i7 r0 X) M$ t) } 激光切割可应用于大批量生产或需要高精度的场合。其中，CO2激光切割技术比起其他方法的明显优点是，切割质量高，速度快，变形小，特别适合于薄板的加工 。
1 y- u0 _, R+ q3 [ k# R6 A. ^, c# h# }) ]
激光切割虽然有许多优势，但在使用过程 中应特别注意下列安全事项。用作激光切割的 CO2激光器属 4级安全防护，其流水线用机械应设置保护装置，以避免人在正常工作时接触激光束。CO2 激光束能严重灼伤人的组织，并对人眼造成永久性损害。CO2 激光器也使用高压电源，存在相关的触电危险，在使用及维护期问，应注意电击的危险。其他危险包括机械设备的运动，以及切割过程中伴随强烈的冒烟现象。 % l t4 c* J+ v3 D0 v" v3 @) D
- v' x, a! j6 i2 p# ~ 2．4 研究发展趋势
0 f+ I, q; K" {: I' m0 q0 e
9 n7 k- \& v& B8 ~ CO2 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 CO2。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／min)；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。此外，其双焦距透镜系统也是关键技术。通过引进、消化、二次开发,采用与国际合作等方式 ，国内有些单位也在研究开发激光切割设备．如上海普瑞玛 、沈阳普瑞玛 、武汉楚天激光等，这将为其向国内造船业渗透创造条件。
; Z% X9 o' x I- h# @" n, S# Q7 U7 {& P0 Q# e
3 激光焊接 # c. @, H' d2 ^
0 h9 a+ a" H) g
3．1 激光焊接原理
* b I _- l. k- ?* U2 g9 T
" P/ Y5 G. P" J' A 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。 6 o! v/ V, c) \- A' G: w; a- j( c
o6 [. L8 F# N( A( Q
3．2 应用情况
8 \# w* X, K; _1 h0 r& S$ z
7 Y1 d$ s: {3 [% W. c u' v 高功率CO2及高功率YAG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 Meyer船厂也安装了四台12kw 的CO2 激光器，用来焊接不同长度的船体加强材。 % s% r6 g$ J. ~) P! h; s, T2 H
$ e+ @0 e4 K7 M1 K
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 Meyer船厂、芬兰 Mizar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。
2 T6 z/ v* n- ` B1 Q! `$ V
- Q* D' |' T6 U) b1 P2 C/ H; V 激光焊接主要有两种形式 ：一种是纯激光焊接 ，如德国某船厂板材焊接流水线上所使用的；另一种是激光 +MIG混合焊接技术(图 2)，如德国 Meyer船厂平板生产流水线使用的。在激光混合焊接技术中，MIG 负责熔融金属表面及填充焊丝，而激光则负责熔融较深 的金属。此外 ，Odense船 厂与 Fin—cantieri船厂都装备了大功率激光拼板焊接系统。
2 t( `# A, |8 q0 D6 E
! {- Y6 Z/ T2 q: F 总的来说，碳钢激光焊接效果良好，其焊接质量取决于杂质含量。就像其他焊接工艺一样．硫和磷是产生焊接裂纹的敏感因素。低碳沸腾钢由于硫、磷的含量高，并不适合激光焊接。低碳镇静钢由于低的杂质含量 ，焊接效果就很好。中、高碳钢和普通合金钢都可以进行良好的激光焊接，但需要预热和焊后处理，以消除应力，避免裂纹形成。一般情况下，不锈钢激光焊接比常规焊接更易于获得优质接头。由于高的焊接速度，使热影响区很小，敏化不成为重要问题。与碳钢相比，不锈钢由于具有低的热导系数而更易于获得深熔窄焊缝。 + a$ u- R& l# r, g- m7 l* l" B7 l- U
" Z- ^/ z: |/ Y# B# k9 O9 t B 3．3 激光焊接的优点和局限性 4 q8 U$ T6 z; @1 A# l
" @, Z! Z" o( ?0 Y% L% R. k 与其他焊接技术相比，激光焊接有以下主要优点: # ?+ t. n% m+ Y
{6 f6 R2 O3 G E
(1)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。如图3所示。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。
& Z. w: B$ |" k, v
- j! {6 P& N5 } 图3 激光焊接与传统焊接接头的对比
8 ~; |7 [6 d% v) w# _9 d" O) H
) O: [9 K. V5 I2 v" ?/ t (2)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。
/ Q5 x- b! y( g# P6 |7 ]( S) m
(3)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 。 8 c: N( [2 z% i. v+ r7 |5 `3 u
: d3 J7 }/ J3 H8 _& b8 {
(4)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、微型的焊接提供了条件 。
% b, S' E. a/ ~; |+ [' s/ ?' H; f6 P" ?( Y# _
但是，激光焊接也存在着一定的局限性，主要体现在 以下两方面: + m) u" D% Z. e5 _+ i. W' X S
" P0 P* l# i; z- K* o (1)要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，焊接时要在焊缝中加入填充金属材料，如若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。
: d$ ]7 |' n5 C, z6 z) o, y7 g5 }
(2)激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。
3 c C- ?& x& j6 G! y* D
) y$ R2 r- V+ p+ z, Y" R 4 激光成形加工
& H0 G" T' @5 L
% E1 C4 @* R! p5 R7 k 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。 |
|
[复制链接]
发表于 2009-5-16 15:51:39
楼主