СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СВАРКИ В СУДОСТРОЕНИИ
Р. В. Бишоков, В. В. Гежа, М. М. Пронин-Валсамаки,
В. Н. Старцев, канд. техн. наук (ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей»,
тел. 812-2741200) удк 658.012:629.5
Согласно опубликованным исследованиям динамики развития судостроения в различных регионах мира [1], на протяжении последних 100 лет конкурентоспособность крупнейших производителей судов и морской техники существенно менялась и во многом зависела от эффективности применяемых технологий. Европейские предприятия, безусловно лидировавшие в первой половине XX века, в 50-е годы уступили в объеме производства Японии, которая, в свою очередь, начиная с 90-х годов, постепенно замедляла темпы развития, уступая быстро набирающим силу судостроительным предприятиям в Южной Корее и Китае.
В современном судостроении прослеживаются ощутимые тенденции к глобализации — образованию международных корпораций азиатских и европейских предприятий, и к специализации — разделению сфер деятельности производителей, базирующихся в разных частях света. При этом в сферу деятельности судовой индустрии широко вовлекаются смежные предприятия — производители и поставщики конструкционных и сварочных материалов, проектанты судов и морской техники, разработчики новейшего оборудования и передовых технологий, применимых в судостроении, университеты, исследовательские и научные организации.
Чтобы утвердиться в конкурентной борьбе с неевропейскими странами, судостроение в Европе вынуждено интенсивно внедрять инновационные и высокоэффективные технологии. Европейское судостроение в состоянии противостоять конкуренции из Азии только за счет наукоемкого производства с использованием высокопроизводительных технологий. В отличие от контейнеровозов или балкеров, строительство более трудоемких судов, таких как круизные лайнеры, паромы, мега-яхты, военные корабли, суда для эксплуатации в ледовых условиях, испытывает меньшее давление со стороны конкурентов из стран Азии. Европейское судостроение и в дальнейшем намерено занимать эту нишу в разделении труда на Мировом рынке. Для этого необходимы эффективные технологии с высоким уровнем автоматизации, в числе которых заметное место занимают
лазерная резка, лазерная и гибридная сварка судовых конструкций.
Развитие и внедрение лазерных технологий. Начиная с 1980-х годов на европейских предприятиях появились первые установки для программируемой резки по заданному контуру элементов судовых и машиностроительных конструкций на базе СО2-лазеров мощностью от 2 до 10 кВт. Этими установками можно было с высокой точностью выполнять раскрой материала толщиной 20 мм и более по заданному контуру, легко перестраивая программы и обеспечивая вырезку широкого ассортимента деталей. Долгое время лазерная резка была доминирующей технологией, наиболее широко внедряемой на предприятиях, поскольку в отличие от лазерной сварки, термообработки, легирования, наплавки она наиболее легко поддается автоматизации.
Появление СО2-лазеров более высокой мощности, до 25 кВт, расширило возможности применения лазерных технологий при сварке плоских полотнищ из листовых сталей толщиной до 15—20 мм, оболочек, кольцевых и пазовых швов сосудов давления, а также нахлесточных, тавровых и угловых швов с полным проплавлением. Стоимость и энергозатраты на работу установок резко возрастали с ростом мощности, поэтому их внедрение могли себе позволить только наиболее крупные судоверфи — Meyer Werft и Blohm und Voss в Германии, Kvaerner Massa Yard в Финляндии, Fincantieri в Италии.
Проект широкого внедрения лазерных технологий резки и сварки при производстве крупногабаритных элементов корпусов контейнеровозов с 1997 г. осуществлялся в Дании на базе консорциума, включающего пять судостроительных предприятий (Danyard, Aarhus Dockyards, AD Trans, Danish Steelworks, Aaborg Boiler Production). В качестве экспертов при оценке результатов привлекался Технический университет, Университет Ааборга, ряд оборонных институтов Дании [2]. До этого периода в течение 10 лет накапливался опыт применения лазерных технологий на уровне фундаментальных исследований и экспериментов. Анализ производственных затрат на предприятиях консорциума выявил, что применение лазер-
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
Рис. 1. Схема сборки и сварки типовой сотовой панели
ных технологий позволило на 30% уменьшить трудозатраты, в основном за счет более точного раскроя заготовок с применением лазерной резки и снижения уровня остаточных деформаций при лазерной сварке. Внедрение лазерной сварки позволило сократить тепловложение в металл в 7—10 раз по сравнению со сваркой под флюсом и в 2—4 раза по сравнению с MIG/MAG сваркой и получить точность размеров крупногабаритных изделий до 0,5 мм на длине до 16 м.
В России начиная с 1986 г. проводились экспериментальные работы по лазерной сварке судостроительных сталей на СО2-лазерах «Титан», «Ижора-20» и «Славянка», установленных в НИИЭФА им. Ефремова, по технологии, разработанной ЦНИИ КМ «Прометей». Были получены стыковые, тавровые, угловые соединения. Глубина проплавления при однопроходной сварке составляла до 25 мм.
Большой вклад в теорию и технологии сварки с глубоким проплав-лением внесли работы кафедры сварки ЛПИ (СПбГПУ), на базе которой образовался Институт лазерных и сварочных технологий (ИЛиСТ) [3—5].
В результате совместных экспериментов ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» и НТЦ ЛТиТ НИИЭФА [6] в 2002 г. была разработана технология лазерной сварки хладостойких сталей с пределом текучести 460 МПа, предназначенных для эксплуатации в условиях Крайнего Севера. Двусторонние стыковые соединения пластин толщиной 15 мм были сварены СО2-лазером «Славянка» мощностью 12 кВт, после чего в аккредитованной лаборатории «Промтест КМ» эти соединения прошли испытания на статическое рас-
тяжение, усталость, статическую тре-щиностойкость, статический изгиб и ударную вязкость. Проведены также металлографические исследования структуры сварных соединений и измерения распределения твердости. Соединения показали равно-прочность с основным металлом, высокую деформационную способность, циклическую прочность, высокие показатели вязкости разрушения и хладостойкости.
Лазерные технологии и новые возможности проектирования конструкций. Появление лазерных технологий открыло возможность применения в судостроении объемных безнаборных сотовых конструкций, изготовление которых с применением традиционных способов сварки вызывает серьезные трудности.
Применение легких объемных сотовых панелей в качестве элементов судовых конструкций дает при одинаковой несущей способности 20—30%-е снижение массы и расхода материала по сравнению с конструкциями традиционных типов, а использование лазерной сварки делает их изготовление технологичным и высокопроизводительным. Проектирование и строительство судов на базе безнаборных конструкций является перспективным направлением в современном мировом судостроении, о чем свидетельствует большой объем публикаций [7—11].
Крупнейшие фирмы — Kvaerner Massa Yard [7], Fincantieri и другие проводят исследования в области создания подобных конструкций и их практического применения. Особенности конструктивного исполнения панелей (рис. 1) предполагают применение сварки внахлест со сквозным проплавлением внешнего и внутреннего листов в зоне их соприкосновения — по площадкам в
вершинах сгибов армирующего листа. Очевидно, что при столь высокой плотности сварных соединений (до 60 пог. м шва на 1 м2 площади) режим кинжального проплавления, характерный для лазерной сварки, обеспечивает минимальную ширину зоны теплового воздействия на металл, более равномерный нагрев внешнего и внутреннего листов и, следовательно, наиболее низкий уровень временных и остаточных напряжений и деформаций.
ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с Институтом электросварки им. Е. О. Патона (Украина) провел цикл работ по созданию технологий лазерной сварки сотовых панелей и их соединений с конструкциями других типов. В ходе разработки вариантов исполнения сотовых конструкций с учетом технологичности выполнения сварки было установлено, что для обеспечения работоспособности и стабильности формирования соединений необходимо формировать в вершинах загиба армирующего листа плоские площадки, препятствующие угловым деформациям сварных соединений. Плоскость контакта двух листов, прошитых сварным швом, аналогична трещине, направленной перпендикулярно продольному сечению шва и имеющей острый концентратор напряжений в вершине. В то же время конструктивное исполнение панелей с притуплением в зонах контакта внутреннего армирующего листа с внешними позволяет существенно ограничить угловые перемещения этого узла и уменьшить опасность развития трещины от этого концентратора. Конструкция панелей выбиралась на основании рекомендаций ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова и результатов расчетного анализа, приведенных в публикациях Maritime and Mechanical Engineering Institute (Финляндия) [7].
Партия стандартных образцов панелей прошла испытания на трехточечный изгиб в условиях статического нагружения и при циклических нагрузках (рис. 2).
На базе проведенных исследований была разработана совокупность последовательных технологических процессов лазерной сварки типовых элементов легких объемных судовых конструкций, соединений этих элементов между собой в продольном и поперечном направлении
СУДОСТРОЕНИЕ 2'2014
ОРГАНИЗАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ
Рис. 2. Образец сотовой панели, установленный для испытаний на трехточечный изгиб (а) и в момент потери устойчивости (б)
и формирования из них укрупненных блоков, входящих в конструкцию судна в качестве сборочных единиц. На все разработанные процессы выпущена соответствующая технологическая документация, которая может быть использована на судостроительных заводах с учетом особенностей технологического процесса постройки конкретного судна и оснащенности предприятия необходимым оборудованием.
Революция в технологиях — волоконные и дисковые лазеры. Как уже отмечалось, установки на базе СО2-лазеров большой мощности имеют ряд недостатков, существенно
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.