激光加工技术在造船业中的现状

在经历2019-2020年相对缓慢的时期后，全球造船市场正在稳步回升。据研究公司Statista 称，从2021年起全球的造船市场呈现出增长态势，至2023年将超过1600亿美元。

根据ResearchAndMarkets.com发布的《2021年造船全球市场报告：Covid-19对2030年的影响和复苏》报告，预测至2025年全球造船市场将达到1866亿美元，这主要归功于造船公司重新安排业务，并逐渐从疫情的影响中恢复。

其他因素还包括海运贸易的增加、人口的增加、消费者购买力的飙升以及对消费品的需求增加。在市场方面，欧洲被认为是邮轮生产的关键，但东亚在造船业占主导地位，中国、日本和韩国是最大的造船国。根据Statista的数据，2020年仅中国就获得了全球48%的造船订单。

在过去几年时间里，该行业遇到的挑战还包括有技术工人短缺，各种环境法规和政策，无形中逐渐改变了船舶的建造方式。再加上由新冠肺炎疫情所引发的衰退期，造船业比以往任何时候都更加依赖质量、效率和准确性。激光切割和激光焊接以高精度和效率著称，因此它们成为造船业的中流砥柱也就不足为奇了。

更快的速度，更好的质量

Civan Lasers公司的首席执行官Eyal Shekel认为，由于激光能够提高加工效率，因此在造船行业有增加切割和焊接使用的空间。例如，能够仅从外部焊接外板是有益的，而不必同时焊接内部和外部。能够在一侧产生高质量、相对快速的焊接是激光焊接的优势。

就激光器在造船业中的一些最常见用途而言，Shekel强调焊接件的结构是关键。尤其是对于T型接头和密封焊缝，它们为激光焊接提供了有效的解决途径。总的来说，使用激光焊接特别是高功率单模激光器，即使在厚板材上也可以实现快速而准确的焊接。他补充说，这种激光器的窄光束使其能够有效地焊接T型接头的非常浅的角度。

该公司最近推出了100kW单模、连续波相干光束组合光纤激光器。相干光束组合技术基于单个种子信号的并行放大允许相干重组，将输出功率提升至串联放大器无法达到的程度。其动态光束整形技术提供了控制光束形状、频率、序列和聚焦转向的能力。

功率是Shekel提到的又一个关键点，他强调10kW或更高的激光器功率是造船业所需要的。“我们现在有30kW和100kW激光器可供使用，”他说，“优势主要在于质量，因为当激光器的功率越大时焊接速度就越快，但在没有更高功率的情况下，如果提高焊接速度只会得到质量较低的焊缝。”

Shekel强调，造船业中激光焊接的一个特别重要的应用异种金属的连接。例如在面板制造中，不需要单独填充材料或组件，因为通过激光深熔焊接可以直接将两个部件连接到一起。激光焊接的另一个重要优势是低热影响区。由于热影响区较低，焊缝上的残余应力较小，这也是船体的板材焊接时十分注重的地方。

二极管激光器的功率

Laserline公司技术和战略大客户经理Johannes Schäfer认为，造船业是一个相对保守的市场，但会逐渐采用新技术。过去仍然使用了很多工艺例如埋弧焊，这是一种可能会导致工件变形的费力工艺，但现在有激光技术用于切割和焊接。

Schäfer注意到，造船业已经开始向激光—气体保护金属极电弧复合焊接（GMA）转变。激光—GMA焊接提供了更高的焊接速度，并且与老式工艺相比变形更小，有助于船厂降低生产成本。这种方式可用于长接缝、不同厚度的截面焊接。

二极管激光器与造船业的其他激光系统不同，高功率输出和舒适的光斑尺寸相结合，可以实现最佳的间隙桥接能力。此外，光斑能量的均匀性和混合波长的高吸收能力产生异常平静的熔池，在接缝附近的区域几乎没有杂质。由于二极管激光系统今可以达到高达60 kW的功率，因此即使是50mm厚的船舶侧面，也可以通过两道焊道（层和对侧）进行焊接。

为造船业开发激光器

用于造船业的60kW激光器功率是Laserline多年来参与的一个研究项目。该项目位于德国，内容是关于高功率二极管激光器的厚金属板焊接，致力于开发在连续波模式下最大输出功率高达60kW的新型二极管激光束源。
项目研究是为了实现用于30毫米厚度钢板的高质量激光焊接，并将这种工艺扩展至整个造船业和其他海事应用。Laserline一直负责开发新型高功率激光二极管源。研究项目的其他组织成员还包括德国研究机构 Laser Zentrum Hannover、造船公司Meyer Werft和电子制造商Held Systems。该项目还得到德国联邦经济事务和能源部的资助。

研究项目的首要目标是，在海事领域建立起基于高功率激光器的新型激光焊接工艺。希望通过高焊接速度实现高质量接头，与现有的连接方法相比，激光焊接可以显著降低成本和额外材料的数量。在过去三年中，对应的程序开发一直在激光实验室和类似船厂的测试环境中进行。这使得快速测试、评估和优化新流程成为可能。

此外，研究团队还注重确保极高激光功率输出时的安全性，包括处理预期的大量排放有害物质。该项目还对激光加工中产生的有害物质进行了调查。正如该项目所展示的那样，金属板厚度是一个重要问题。这取决于船舶的结构，船舵和船底的厚度非常高，可达15mm，有时更多。每艘船的板材厚度不一，但大多在5mm~15mm的范围内。就材料本身而言，造船业使用了大量复合钢作为板材。

激光切割超大尺寸的板材

激光切割在海事行业中的使用，同样因其高质量、高精度而广为人知。以钢板作为造船的主要原材料，激光切割可以替代一些需要大型模具的模切方法，从而减少生产时间和成本。

钢铁加工公司Otto Klostermann已经意识到作为“XXL”格式的专业加工，为造船客户以及车辆制造、货车生产、桥梁建设和起重机制造部门带来的好处。该公司最近购入了一台梅塞尔切割系统公司的LaserMat II，该设备配备4kW或6kW CO2激光器。公司董事总经理Philipp Klostermann说：“我们原有的老激光切割系统已经用了很多年。现在它不再是最先进的激光切割设备了，同时也没有可用的备件。由于公司的激光切割机一年四季都需要满负荷运行，因此决定买一台新设备。”

光束路径长度补偿可在横轴运动期间保持激光束长度恒定，并确保在整个切割区域内获得最高的激光束和切割质量。系统的高定位和重复精度是通过一系列协调的功能因素实现的，例如适用于激光的轨道结构和稳健的线性引导。此外，高达0.5g的加速度和100m/min的同步定位速度也确保了高水平的性能和速度。更重要的是，无限旋转的斜角头使能够执行从-45°到+45°的连续斜角。

目前，Otto Klostermann公司下属的激光切割线主要负责加工钢和有色金属，凭借精度高和速度快的优势，激光切割的质量完全可以满足客户的要求。在实际加工中，精确的光束质量将材料中的热影响降至最低。在整个工作表面始终保持光束质量，实现高切割速度和非常小的切口，无需边缘精加工。新激光器还允许在切割时制作沉孔，这为公司带来了巨大的节约潜力。可以在极短的时间内以极低的成本钻出符合客户要求的钻孔。与孔几何形状相匹配的激光参数可确保切割斜面的最高质量。

来源：荣格-《国际工业激光商情》


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