激光制造在國內外船舶制造中的應用與前景

馬金偉，施凱翔

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 202150）

0 引言

目前，激光智能裝備主要運用在石油化工、海洋工程、船舶制造以及航空航天等行業，主要包括激光切割、焊接、刻線、鉆孔以及清洗等各類工藝。船舶制造是激光制造運用較多的領域，在歐美等工業發達國家中，大約有50%～70%的船舶構件都是通過激光制造完成的。當前，全球有3 萬臺左右的激光設備運用在船舶制造行業內，我國船舶制造業中的激光制造運用市場前景廣闊?，F階段，在船舶制造行業中使用的激光制造技術主要有激光焊接、激光熔覆、激光打孔以及激光切割等。

1 我國激光制造行業發展現狀

相較于傳統制造模式，激光制造有著更強的制造能力、便利性及質量等，在新材料、新能源、軌道交通、航空航天以及船舶制造等行業有著十分廣闊的發展空間，被有關專家學者視作傳統制造業升級、轉型的重要技術保障，其始終被全球主要的發達國家高度關注[1]。我國激光制造行業走的是“群眾”道路，逐漸從中低端走向高端。近10 年來，我國高度重視激光制造領域的發展，政府部門同樣出臺了大量與激光制造相關的規章、政策，再加上國內市場表現出的強勁勢頭，目前國內激光制造行業已初步形成相應的規模；2018 年，國內激光設施與激光器的產值已經超過600 億元，我國已成為中低端激光制造領域發展最好的市場。在國家科技戰略，尤其是在“增材制造與激光制造”國家重點開發計劃的前提下，從理論分析、部件開發、裝備研制直到具體的實踐運用，產生“全鏈條研發、一體化制造”的理念，集中優勢力量攻克重點問題，當前已經形成了很多的科研成果，比如：提出電子動態調控超快激光制造的全新機理和技術、開發出新型的高性能激光晶體等。

2 激光制造在國內外船舶制造中的應用

2.1 激光切割技術在船舶制造中的應用

現階段，CO2激光切割是世界各大造船企業使用最多的激光制造技術。經常使用的5～6 kW CO2激光器切割相較于等離子的速度比較慢，很難有效實現船舶制造現代化對效率及質量的需求，同時其機器與設施的維護費用較高，經濟效益低。即使其在船舶制造中的運用狀況不如人意，也逐漸被利用。近幾年，我國極少許具備較強實力的船舶制造廠家，比如江南長興造船基地引入全球頂尖的“搭載型CO2激光切割機”；日本造船企業在激光切割機搭載技術運用方面積累了大量的成功經驗，值得國內造船企業學習、參考。伴隨我國制造業的迅猛發展，光纖激光器同樣在快速發展，其具備光束質量好、功率高、體積小、電光轉化率高、可靠性強、柔性好以及維護成本低等眾多優勢，對以往的CO2激光切割帶來了巨大的影響。在光纖激光切割效果日益加強的環境下，我國很多的切割設備制造企業都在積極引進、開發以光纖激光器為基礎的數控激光切割機；除此以外，科學機構、高等院校以及專家學者等對光纖激光器的切割效果均開展了大量的探索、分析[2]。

2.2 激光焊接技術在船舶制造中的應用

激光焊接不但使船舶制造技術發生巨大改變，并且還使得船體結構發生改變。比如，美國在新型船舶制造過程中大量運用高強度低合金鋼T 型工件，采取激光焊接技術，在很大程度上降低了船舶重量。對于船體的繁雜結構能夠選擇激光焊接技術，例如I 型工件、三明治板以及T 型工件等。因為傳統焊接技術的熱輸入量比較大，采取傳統焊接方法極易導致工件發生形變、熱影響區性能大幅降低；除此以外，三明治板是在兩層薄板中間增加形式各異的支撐板以減輕整個結構的質量及提高強度，對于此類復雜工件的焊接，通過傳統焊接形式很難實現。船舶由若干部分構成，船舶艙壁與甲板2 個部位比較適合運用激光焊接。當前，激光焊接在船舶艙壁與甲板焊接中的應用表現出以下特征：①船舶艙壁與甲板的焊縫具備長度長、平直的特征，部分焊縫的長度在20 m以上，對接形式常見的有T 型接頭和平板對接2 種；②船舶艙壁與甲板的焊接通常較長，在焊接過程中應確保焊縫中心和光束中心精準相對，以確保焊縫的整體質量；③出于對美觀的考慮，船舶艙壁與甲板對焊縫形狀、板材形變等有極高的需求；④因為船舶艙壁與甲板對焊接結構強度并沒有太高的要求，所以在結構存有極少許缺陷時同樣可以應用。

2.3 3D 激光測量技術在船舶制造中的應用

正常情況下，在船舶制造開始前應當設計出對應的虛擬3D 模型，借助CAD 等有關軟件針對船舶進行設計。在船舶的具體制造環節，首先應對船體的結構形狀進行設計，需要針對船體結構上各點的位置開展現場測量，同時通過CAD 軟件將空間內所有點制作成3D 模型。在虛擬設計及具體制造環節，船體結構一致性可以充分體現出船舶制造的精準度，如果想要高效掌控船舶結構的精準度，就需要把握好虛擬設計模型和實際測量模型間的比值。3D 激光測量技術在船舶制造中的應用，同時將其與虛擬設計模型以及3D 實測模型互相融合起來，可以合理、高效的對船舶制造環節的精準度進行控制。以往的鋼尺量距方法與3D 激光測量技術相比，有著非常大的差異，所以，為了能夠從根本上確保船舶制造過程中的精準度，則應當將3D 激光測量技術應用于船舶制造中，有效保障船舶制造的精度。

3 激光制造在國內外船舶制造中的應用前景

現代激光制造屬于通用型的加工方式，其主要發展前景在于運用領域的不斷拓寬，激光制造的快速發展為很多新問題的成功化解提供了重要的技術支撐。激光制造以航空航天運載器、汽車、鐵路車輛以及船舶等運輸設備的輕型化、循環經濟、冶金工業為主要發展方向，促進激光制造在國防及主要工業領域中的產業化運用。與此同時，行業發展對激光制造技術有著更高的需求，比如激光設備小型化、集成化、更高的轉換效率等，半導體激光器與光纖激光器將會進入全面普及、應用階段。促進我國的激光制造技術朝著更小能耗、更高效率、更低成本、更高質量、更強性能、更少流程、智能化、數字化的方向不斷發展，切實轉變我國大工業用激光制造裝備基本上都依靠進口的情況。激光制造在船舶制造行業中的運用又具備其獨有的特征，此與船舶自身的制造、運用特征及激光制造技術的特點存在極其密切的關聯?，F階段，鋁合金材料已發展成運輸設備生產的核心材料，全鋁結構船表現出良好的市場前景，再加上相對先進的激光制造技術，有著極其廣闊的發展空間。

當前，全球工業領域都在朝著流程短、能耗低的方向“進軍”，激光制造具備大量傳統制造技術無法可比的優勢，全球各個國家對制造業的發展都極其關注。然而相較于國外，我國在激光制造的普及、使用方面做得并不到位，并未發揮出其相應的作用。造成此現象的根本成因是激光制造的投資成本較大；為了能夠有效推動激光制造的普及，妥善化解投資巨大的問題，應在全面掌握所有影響因素的前提下，對船舶自身的要求、激光制造系統的投資等因素進行整體的考慮，嚴格管控成本，尋找最合理的加工條件、不斷加強激光制造效率，最后構建起我國新型激光制造產業鏈[3]。

4 結語

激光制造在國內外船舶制造中的應用均體現出了顯著的優勢，大幅度減少了船舶制造的成本費用，使得造船企業能夠取得更多的經濟利潤。并且還應清醒意識到激光制造存在的問題隱患，應當通過先進的監控設施針對激光制造的整個環節開展監測，避免焊接過程中出現各種突發性事件，保證焊接制造的質量。此外，還需要強化對國外造船企業間的溝通、合作，引入較為先進的激光制造理念及技術，進而使激光制造在船舶制造中得到更好地應用。