СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
ОПЫТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В СУДОСТРОЕНИИ
В. Д. Горбач, канд. техн. наук, О. Г. Соколов, докт. техн. наук, В. М. Левшаков, В. Л. Чабан, А А. Васильев, канд. техн. наук, (ГНЦ ЦНИИТС), А. Г. Игнатов (АОЗТ «Лазер информ сервис»)
В мировом судостроении в 90-е годы активно внедряются новые процессы и принципы организации производства, направленные на резкое сокращение трудоемкости при обеспечении высокого качества изделий. Достижения в области лазерных технологий позволяют говорить о наступающей научно-технической революции на верфях.
Судостроение явилось одной из первых отраслей промышленности, проявивших интерес к лазерной технологии. В конце 80-х — начале 90-х годов в Николаевском филиале ЦНИИТС были изготовлены и внедрены на ряде предприятий отрасли машины с ЧПУ для лазерного раскроя листового проката типа «Лазурит-2,5», оснащенные газовым лазером с активной средой из смеси углекислого газа с азотом и гелием (СО2-лазе-ром) мощностью 1,2 кВт. Параллельно в ЦНИИКМ «Прометей» совместно с НИИЭФА им. Д. В. Ефремова был выполнен комплекс фундаментальных исследований по разработке технологии лазерной сварки сталей [1]. Однако широкого распространения в отечественном судостроении в те годы лазерные технологии не получили, прежде всего из-за отсутствия на рынке промышленных образцов лазеров необходимой мощности (не менее 2 кВт для резки деталей корпусов судов
и 15 кВт для сварки корпусных конструкций), отличающихся надежностью работы в типичных для судокорпусостроения тяжелых производственных условиях.
В настоящее время ситуация на рынке лазерных технологий принципиально изменилась. Ведущие фирмы-производители лазерного оборудования освоили промышленный выпуск технологических лазеров большой мощности, например, Trumpf (Германия) — до 20 кВт, Rofin-Sinar (Германия) — до 8 кВт. Увеличился объем продаж лазерных технологических систем, причем наибольшую долю среди них составляют системы для резки и сварки на базе СО2-лазеров (рис. 1 и 2) [2].
В 90-е годы был реализован ряд научно-исследовательских межгосударственных проектов, например входящий в программу «Eureka» пан-европейский проект, посвященный изучению возможностей использования лазерной сварки в судостроительной промышленности [3], и проект «Лазерная гибка в автоматизированном производстве» Агентства оборонных исследований США (Defence Advanced Research Program Agency), в котором приняли участие ведущие американские авиа- и судостроительные компании и исследовательские центры: Boeing Company, Massachusetts Institute of Technology,
Рис. 1. Структура мирового рынка лазерных систем для обработки металлов, млн нем. марок:
1 — СО2, резка и сварка; 2 — YAG, резка и сварка; 3 — маркировка; 4 — микрообработка
1990 1993 1998 2003
Рис. 2. Географическое распределение мирового рынка технологических лазеров, млн нем. марок:
I — Западная Европа; 2 — Северная Америка; 3 — Япония; 4 — Юго-Восточная Азия и др.
7 Судостроение № 1, 2000 г.
2
3
4
технология СУДОСТРОЕНИЯ VI МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
Машины портального типа с ЧПУ для лазерного раскроя листов, использоваться в судокорпусном производстве Таблица 1 которые могут
Модель, изготовитель Наибольшая скорость перемещения, м/мин Наибольшая ширина листов, м Наибольшая длина листов, м Точность вырезки деталей, мм Тип лазера Мощность лазера, кВт Наибольшая толщина вырезаемых деталей, мм
Низколегированная сталь Коррозионно-стойкая сталь Алюминиевые сплавы
«ALPHAREX AXB» 25 5 30 ±0,3 TLF turbo 2,2 15 5 4
ESAB 2200*
TLF turbo 2,6 20 10 6
2600
TLF turbo 3,0 24 12 10
3000
«LASERMAT» 60 4 30 ±0,3 C 2000** 2,0 17 8 8
Messer
Griesheim
C 3000 3,0 25 12 12
C 6000 6,0 28 25 22
«Лазурит-2,5» 10 2,5 12 ±1,0 ЛТБ-1М 1,2 8 6 5
ОАО «Завод
"Кристалл"»
Изготовитель лазера: * фирма Trumpf; ** фирма Messer Griesheim.
Native American Technologies Company, Newport News Shipbuilding Company и Pennsylvania State University [4]. В результате была показана перспективность новых технологий и созданы образцы лазерных технологических комплексов, предназначенных для решения характерных для судостроения задач.
В современном судостроении качество изготовления является ключевым фактором достижения конкурентоспособности. В наибольшей степени сказываются неточности при изготовлении компонентов корпуса: двухмерные — при использовании традиционных методов резки; трехмерные — при сварке. По данным европейских судостроителей исправление дефектов корпуса занимает до 30% трудоемкости постройки корпуса. Исследования, проведенные на японских верфях, показывают еще большие цифры — от 40 до 50% объемов работ по корпусу на построечном месте связаны с устранением дефектов конструкций предыдущих стадий технологического процесса.
Применение лазерной техники — путь к решению проблемы повышения качества корпуса. Для лазерной резки листовых деталей корпусов судов могут быть использованы машины портального типа с ЧПУ, выпускаемые фирмами Messer Griesheim
(Германия) и ESAB (Швеция). Характеристики машин приведены в табл. 1.
Лазерная резка обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с плазменной или кислородной, что видно из данных, приведенных в табл. 2. Это, прежде всего, высокая точность вырезки деталей при практическом отсутствии тепловых деформаций благодаря минимальной ширине реза, отсутствие скоса кромок и минимальные газопылевые выбросы, легко удаляемые системой местного отсоса небольшой мощности.
V. м/мин
Рис. 3. Режимы лазерной сварки, рекомендуемые фирмой Trumpf:
1, 2, 3, 4, 5 — лазеры типа TLF1500— TLF20000 turbo мощностью 1,5; 3, 6, 12 и 20 кВт соответственно
Основные закономерности лазерной резки описываются теорией Свифта Хука-Джика, дающей простое соотношение для баланса энер-
гии, используя которое можно ориентировочно определить параметры процесса [5]:
SVp Ь (с р Тпл + и = П P ,
где S — толщина разрезаемой детали; Vp — скорость резки; Ь — ширина реза; с — удельная теплоемкость металла; р — плотность металла; Тпл — температура плавления; !.пл — удельная энергия плавления металла; П — КПД процесса; P — суммарная мощность лазерного излучения и экзотермической реакции окисления.
Следует отметить, что процесс лазерной резки более дорогой, чем традиционные способы из-за более низкого КПД лазеров (не более 8— 10%). Однако увеличение затрат на резку деталей окупается за счет исключения пригоночных работ при сборке конструкции. Маркировка и разметка деталей также может осуществляться с помощью лазера, что превращает машины в своего рода обрабатывающие центры.
Для улучшения качества и повышения скорости лазерной резки фирмой Rautaruukki (Финляндия) разработаны специальные «лазерные стали» марки «RAEX Laser». При их разработке учитывался тот факт, что лазерная резка стального листа затрудняется наличием на его поверхности ржавчины и окалины, а также шероховатостью поверхности, образующейся в результате прокатки и дробеметной очистки. Благодаря содержанию в сталях менее 0,04% кремния и 0,12% хрома, специальной термомеханической обработке, обеспечивающей отсутствие напряжений и уменьшение слоя окалины, а также нанесению летучего ингибитора коррозии, скорость лазерной резки стальных листов толщиной от 5 до 20 мм возрастает на 5—20% , отсутствует грат и получается гладкая поверхность реза [6].
Лазерная сварка корпусных конструкций в конце 90-х годов была внедрена на ряде верфей мира. С физической точки зрения процесс лазерной сварки характеризуется следующими явлениями: поглощением лазерного излучения поверхностным слоем металла; плавлением и нагревом поверхностного слоя расплава до температуры, близкой к температуре кипения; образованием парогазового канала за счет реактивной силы парового потока; плазмообра-
СУДОСТРОЕНИЕ 1'2000
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
зованием при взаимодеиствии лазерного излучения с паром.
Наличие паров вещества при повышенной плотности мощности приводит к оптическому пробою и образованию плазмы вблизи поверхности металла, в результате чего лазерный пучок в плазменном сгустке поглощается и деформируется. При этом происходит существенное снижение эффективности процесса. Поэтому для технологического применения пригоден диапазон плотностей мощности 105-107 Вт/см2, при котором на поверхности достигается температура кипения и устанавливается режим стационарного испарения. Плотность образующейся в этом случае плазмы недостаточна для полного экранирования излучения, поэтому значительная часть энергии луча поглощается материалом и уходит на его нагрев и испарение. Препятствовать развитию плазменного факела наиболее рационально можно периодическим отключением лазерного излучения, т. е. работой в импульсно-периоди-ческом режиме. Поэтому для сварки целесообразно использовать технологические лазеры, конструкция которых предусматривает возможность работы в этом режиме.
Для практической оценки предельных параметров лазерной сварки с глубоким проплавлением удобна простая математическая модель
[7]:
Таблица 2
hc =
P0 П
0 '1эф
EdVc(1 + bp)
Способы тепловой резки металлопроката на машинах с ЧПУ
Характеристика Кислородная Плазменная
тонкоструйная в атмосфере в воде Лазерная
Тип установки для резки (Messer Griesheim) MG 200 K HD 3070 (до 100 А) H 401 (до 400 А) С 3000 (3 кВт)
Толщина листов, мм 4—200 1—15 4-80 0,5—20
Ширина реза, мм 1,0—5,0 1,0—2,0 2,5-4 0,1—0,5
Точность резки, мм ±2,0 ±1,0 ±2,0 ±0,3
Скорость резки конструкционной стали (м/мин) при толщине листа, мм
4 0,7 3,8 5,0 3,5
8 0,6 2,5 3,2 2,0
12 0,55 1,8 2,5 1,3
20 0,5 — 1,6 0,8
щению в панелях магистральных коммуникаций. За счет автоматизации производства панелей снижается трудоемкость изготовления корпусных конструкций в два раза и более. На рис. 4 показаны образцы конструкции таких панелей, а на рис. 5 — схема процесса лазерной сварки панелей с «кинжальным проплавлением».
Основными преимуществами лазерной сварки, по сравнению с традиционной дуговой, являются более высокая
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.