大功率光纤激光器在船舶制造业中的应用

admin

一、大功率光纤激光器在船舶制造业中的应用趋势
光纤激光器是近几年激光领域里极其关注的热点，在加工领域光纤激光器有迅速替代传统的YAG、CO2激光器的趋势，人们普遍认为，大功率光纤激光器将是第三代最先进的工业加工激光器。
（一）、大功率光纤激光器的优点
目前商用化的光纤激光器输出功率连续功率已上升到数千瓦的量级，以至万瓦的量级。与一般的激光器相比，光纤激光具有许多独特的优点，例如光束质量好；体积小，重量轻，免维护；风冷却，简单易操作；运行成本低，可在工业环境下使用；寿命长，加工精度高，速度快；电能转化效率高，可以实现智能化，自动化，柔性化操作等。基于上述的优点，其应用领域已经扩展到汽车制造，船舶制造和航空制造业等的金属和非金属材料的激光切割、激光焊接等方面。
（二）、大功率光纤激光器的工业应用
最近，国际上采用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。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。上海大众等汽车制造厂也采用激光加工技术焊接车身与箱体等部件。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型构件，采用激光焊接技术，使船舶的重量大大降低。船体平板为了适应海洋流力学的需要，都被设计成具有复杂的三维曲率形状，激光辅助平板成型技术可以代替费力、费时、具有一定的危险性的机械加热成型工艺，应用前景良好。日本的Kawasaki重工等造船企业已经安装了高功率激光平板切割系统。德国的MeyerWerft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杆。目前美国、欧洲等地区正在进行大功率光纤激光工业加工设备的开发，正在进行的有2KW、6KW输出的工业级光纤激光器的加工设备的二次开发。我国已开发出小功率系列工业光纤激光产品。中小功率激光加工设备，如激光打标机，雕刻机，切割机，焊接机等也广泛应用各个行业，但大功率光纤激光器工业加工应用尚是空白，而在我国造船工业中甚至还没有使用激光加工技术。
（三）、开发大功率光纤激光器在我国造船工业的应用
造船工业是上海未来五年新一轮经济建设的重点，是上海工业支柱产业之一，各种选进的造船技术和工艺必然得到推广应用。上海作为国际化大城市，城市旅游资源非常丰富，黄浦江两岸美丽的景色使国内外游客留恋忘返。采用高强度轻持合金材料（使用光纤激光加工技术具有明显优势）建成的新型观光旅游船，满足旅游市场进一步发展的需要，现已列为中船集团（MARIC）等设计院所的重点发展方向。在充分考虑到从船舶设计单位和制造工艺标准制定的源头着手，切入上海的船舶制造业，并通过与光纤激光器制造商IPG公司的密切合作，引进大功率（700W—1000W）光纤激光器，跨越式地走出一条现代先进制造业装备集成的新模式，开发具有自主知识产权、采用国际最新激光技术的船舶制造业新颖装备，对填补国内空白，推动上海造船支柱工业的促进上海激光产业的跨越式发展具有重要意义。
（四）、上海激光所首涉大功率光纤激光器造船工业应用
上海激光所曾于1984年和1993年先后两次引进国外大功率（1500W和2500W）CO2激光加工机，在国内首次引进并率先发展开拓了具有世界先进水平的大功率CO2激光工业加工技术和工业加工市场。在国家火炬计划和上海市火炬计划的支持下，这一项目迅速推广，目前已带动了大功率CO2激光器制造业、精密数控加工机床制造业和大功率CO2激光加工业的迅速、大规模的发展，形成了1.7亿元年产值的产业群。德国芙琅霍夫研究院ILT（激光技术研究所）已表示希望和我们进行合作，共同开展大功率光纤激光器加工设备在造船行业的集成开发。美国大功率光纤激光器制造商IPG公司副总裁已多次来我所，积极希望合作，在上海开拓大功率光纤激光器的应用开发工作。
上海市激光技术研究所有引进、消化、二次开发和市场开拓的成功经验和技术优势，采用国际和国内合作方式，不仅将开拓大功率光纤激光器工业加工设备在上海造船业中零的突破，而且将会进一步向上海汽车制造业，上海航空制造业，上海桥梁建造业，上海建筑业等领域渗透，将推动上海激光加工为业的跨越式的新突破，引领全国激光加工产业的新发展。
二、大功率光纤激光器加工设备主要技术指标及研究开发内容
1.主要技术指标
工业级大功率光纤激光器：波长1.06μm，
激光输出功率：700/1000/2000W（与IPG合作实施）
工业级大功率光纤激光器光束控制，聚焦光学系统
多轴位移传动控制台系统（上海团结普瑞玛）
机器人位移传动系统（国内合作）
激光加工的其他辅助装备（辅助气体，检测设备等）
激光切割，焊接工艺数据系统和控制软件程序
2.主要研究、开发内容
1)采用合作方式引进国外先进的大功率光纤激光器，同时开发和研制专用配套的大型精密控制激光加工设备；
2)开展激光切割在先进制造技术中的应用研究，提供性能优异，稳定可靠的多维光纤激光切割成型装备，并开展相关工艺研究，使该技术尽快融入汽车，造船及航天等领域的先进制造；
3)开展光纤激光器加工设备的应用软件的开发；
4)激光焊接技术研究，开展光纤激光焊接工艺，焊接过程参数监测及材料和控制技术研究；
5)激光加工外围心装置开发，如导光系统，过程实时监测和控制、喷嘴、浮动装置的设计和研制；
6)建立激光加工设备参数的检测手段，并进行方法研究。