Лазерное излучение обеспечивает высокую концентрацию энергии, значительно превосходящую другие традиционные ис-точники энергии, используемые для резки и сварки, чем и опре-деляются основные особенности технологических процессов и их основного преимущества - локального и быстрого ввода теп-ловой энергии в зону обработки и, соответственно, низких де-формаций судовых металлоконструкций [2,3].
Подробно физические и технологические особенности ла-зерной резки (ЛР) и сварки (ЛС), оборудование для их осуществле-ния - рассмотрены в работах [2,3].
Ключевым и определяющим видом лазерной обработки, по-зволяющим радикально модернизировать технологию сборочно-сварочных работ в судостроительном производстве является лазерная резка, которая позволяет на порядок повысить точ-ность изготовления заготовок и, соответственно, снизить объ-ём наплавленного металла при сварочных работах, что, в свою очередь, снижает в 5-10 раз трудоёмкость сварочных, а затем и рихтовочных работ по исправлению деформаций. А это, в свою очередь, уменьшает на 10-30% срок строительства, а также и вес металлоконструкций, материалоёмкость за счёт увеличения ша-га рёбер жесткости или уменьшения толщины использованного металла.
Рассмотрим более подробно резку деталей корпусов судов, которая является одной из основных технологических операций корпусо-обрабатывающего производства, оказывающих непо-средственное влияние на качество и трудоемкость изготовле-ния корпуса судна. Основными параметрами процесса вырезки деталей, влияющими на конкурентоспособность продукции, яв-ляются:
Специалисты "MESSER GRIESHEIM" отмечают также, что при со-временном, без складского хозяйства, мелкосерийном (до еди-ничного) производстве изделий всегда предпочтительнее быст-рые способы, такие как лазерная или плазменная резка. Высокое качество кромки реза даёт возможность непосредственной дальнейшей обработки деталей. Прежде всего, лазерная резка обеспечивает необходимое качество, с небольшой теплодефор-мацией, точным обеспечением заданных размеров и вертикаль-ными кромками реза. Этим исключается последующая механиче-ская обработка. Точное соблюдение заданных размеров являет-ся предпосылкой того, что последующие этапы производства де-талей, такие как сварка, могут быть автоматизированы. На по-верхности реза лазер оставляет минимальную, толщиной лишь в несколько слоёв атомов, зону закалки. Азотирование поверхно-сти реза при этом не происходит.
Лазерная резка и сварка в европейском судостроении до 90-х годов имела ограничение по технической возможности и эко-номической целесообазности - только в 90-х годах появились промышленные лазеры и установки с суперимпульсными режимами и гауссовым пучком для высококачественной и экономичной резки мощностью до 3 кВт, а сейчас на рынок выходят уже такие же по качеству 6 кВт-ые лазеры. Сварка в судостроении стала возможна благодаря созданию промышленных лазеров мощностью до 20-30 кВт. Стоимость же лазерного технологического оборудо-вания за 10-15 лет уменьшилась в 1,5-2 раза при значительном по-вышении его качества и надёжности [3].
Лазерная резка внедряется в практику значительно быст-рее, чем сварка. В мире работает уже около 10 000 установок для ЛР и каждый год их количество увеличивается приблизительно на 1000 шт. Основным их преимуществом отмечается - незначи-тельный нагрев обрабатываемых кромок материала, отсутствие необходимости в последующей обработке кромок после резки и сварных швов после ЛС. Германия занимает ведущее положение в мире по разработ-ке и промышленному применению лазерной техники [3].
Одной из первых попыток в западном судостроении, к сожа-лению неудачной, но поучительной - было внедрение Бременским институтом лазера мощностью 2,5 кВт для резки судостроитель-ной стали толщиной до 16 мм и размером листов 3 х 12 м, со скоро-стью около 1м/мин, хромоникелевых листов толщиной до 8 мм, алю-миниевых сплавов толщиной до 5 мм на верфи Schichau-Seebeckwerf, ФРГ. По результатам работ в 1992/95 г.г. было сделано заключение, что несмотря на очевидные преимущества лазерных технологий: уменьшение деформаций и снижение объёма дополнительных ра-бот, новые конструктивные возможности при монтаже закрытых помещений, как например, двойного дна и бортовых танков, а так-же улучшения условий труда, разработанная специальная уста-новка обладает рядом существенных недостатков, не обеспечи-вает необходимой точности и надёжности работы и не может быть рекомендована к применению в судостроении. Основными труд-ностями при внедрении ЛТО было: пыленасыщенный воздух на вер-фи, влажность, колебания температуры от - 10о до + 35о, очень большие размеры обрабатываемых листов.
Верфь Jos. L. Meyer (Papenburg, ФРГ) первой в Германии в 1994 году успешно применила лазерную резку, а затем сварку легких пане-лей палубного настила, переборок и палубных надстроек судов спецназначения 20-кВт-м ЛТК портального типа производства "MESSER GRIESHEIM" (ФРГ) [10]. Лазером из листов предварительно выре-зают заготовки требуемого контура, выполняют в них, если необ-ходимо нужные отверстия. Затем два паралельно смонтированных лазера мощностью по 18 кВт каждый сваривают два листа размером 3 х 20 м с проставками. Лазерная обработка предупредила коробле-ние листового металла, неизбежное при др. видах термической резки и сварки тонкого листа, и устранила необходимость в рих-товке. В зависимости от типа судна затраты на такую дополни-тельную обработку составляют 5-25% полной стоимости изготовле-ния стальной конструкции. Кроме того, при сварке 20 кВт -м СО2 - лазером было значительно сокращено время изготовления конст-рукции, снижен расход присадочного материала. Резка лазером при подготовке кромок под сварку выполнялась с высокой точно-стью, так же точно вырезаются отверстия, контуры и сверления.
Лазерную резку правильнее называть механической обра-боткой, чем резкой. С использованием 5% мощности лазерного источника произ-водилась маркировка корпусных деталей с нанесением их по-рядковых номеров, нулевых точек, линий установки шпангоутов и отбортовки. Высокая точность и малая ширина реза позволили использовать ЛТУ кроме контурной резки также для вырезки всех круглых отверстий диаметром до 3 мм вместо их сверления и пробивки.
ЛТУ использовалась также для изготовления деревянных или металлических шаблонов, на ведущей военно-морской верфи Ве-ликобритании Vosper Thornycroft UK Ltd применяемых при изготовле-нии корпусных конструкций. Отмечается возможность точной пригонки после ЛР. Высокая точность лазерной резки и разметки способствовала получению некоторых очень важных преиму-ществ при изготовлении корпусных конструкций. Все корпусные детали подгонялись друг к другу с минимальными зазорами, обеспечивая получение качественных сварных швов. Раньше трудно было добиться устойчивой качественной подгонки дета-лей и, как знают инженеры-сварщики, плохая подгонка является причиной низкой производительности сварочных работ, так как вызывает необходимость выполнения лишних объёмов сварки. Хорошая пригонка способствовала при сварке расходованию меньшего объёма наплавляемого металла и поэтому меньшей де-формации изделий. На следующем этапе производства благодаря более точной пригонке опять же снижались объёмы сварочных работ и, соответственно - деформаций. Применение лазера уст-ранило необходимость ручной маркировки, обеспечив этим дальнейшее повышение точности и стабильности формирования сварных швов. Точность пригонки фактически устранила необ-ходимость в контуровке корпусных деталей в корпусозаготови-тельных цехах, при этом снижение шума в цехе - ещё одно сущест-венное преимущество лазерных технологий.
В условиях жёсткой конкуренции на мировом рынке судо-строения верфям Германии для поддержания стоимости своей продукции на требуемом уровне необходимо повышение произво-дительности на 30-40%.
Одним из основных путей достижения этой цели рассматри-вается рационализация и внедрение поточных линий с односто-ронней сваркой и автоматического монтажа элементов жёстко-сти, перегородок и балок.
Применение робототехнических устройств эффективно, но сдерживается недостатками программного обеспечения.
В качестве перспективных направлений рассматривается внедрение лазерных технологий и роботизация монтажа судовых конструкций. На некоторых верфях, занимающихся постройкой специальных судов уже полностью ориентированы на лазерную технологию резки. Определяющими этот выбор называются сле-дующие особенности ЛР: малая ширина реза, определяемая только диаметром сфокусированного пучка (0,2 - 0,3 мм), незначительной зоной термического влияния вдоль кромок реза, широкий диапо-зон обрабатываемых материалов, используемых в судостроении, в т.ч. дерево и неметаллические материалы. Новая технология позволяет изготавливать судокорпусные детали с высокой точ-ностью, на длине 16 м обеспечивается допуск +-0,5 мм. Такая точ-ность упрощает работы по подготовке изделий к сварке, в т.ч. и при изготовлении роботов, полностью исключаются последующие пригоночные работы. Необходимо учитывать факторы, влияющие на точность резки: технико-эксплуатационные характеристики машин, параметры процесса резки, состояние материалов, в т.ч. наличие внутренних напряжений.
В 1997 году на верфи Odense Lindo Steel Shipvard в Дании при резке сталей до 20 мм и сварке - при толщине до 15 мм было отмечено значительное снижение деформаций листов за счёт минимально-го теплового воздействия на судовые конструкции и исключе-ние необходимости рихтовки. Лазерная установка для резки листов размером 3 х 16 м толщиной до 25 мм с 5-осевой головкой позволяет обрабатывать объёмные конструкции. СО2 -лазер мощ-ностью 6 кВт крепится и перемещается на портале, поэтому длина обрабатываемых листов и рабочей зоны может без проблем быть увеличена до 30 м и более. Планируется использование двух 6 кВт-х лазеров для резки и 25 кВт-го лазера для сварки - листов и объёмных конструкций.
Несомненным лидером во внедрении лазерных технологий в европейском судостроении является немецкая фирма "MESSER GRIESHEIM", которая обладает наиболее богатым опытом в лазерных и традиционных технологиях [3,6].
Несколько уступает ей известная в Европе и мире шведская фирма ESAB [3,6]. Немецким филиалом этой фирмы - ESAB-Hancock для судострое-ния предлагаются лазерные установки Alpharex AXB моделей 5000 и 7000 с многопроцессорным числовым регулятором NCE 520 и ком-плексной базой данных, отвечающая требованиям стандарта VD 13441: на длине 12 м должна обеспечиваться точность 0,4 мм, заме-ряемая лазерным интерферометром - по всем осям машины. Уста-новка Alpharex AXB модели 7000 позволяет резать листы толщиной до 20 мм и размером 4 х 12 м. Модель 5000 имеет рабочую зону в 2 раза меньше (около 1,5 м). При замене лазерного излучателя на более мощный - 3 кВт - скорость резки можно увеличить на 10%. Т.е. при увеличении мощности в 2 раза производительность и технологи-ческие возможности увеличатся примерно вдвое, в случае ис-пользования лучших лазеров - фирм Fanuc, Rofin Sinar, Trumpf, которые в основном и используются в западноевропейском судостроении на лазерных установках фирм "MESSER GRIESHEIM" и ESAB-Hancock. Т.е. в данном случае почти не происходит увеличение пятна фокуси-ровки и другие параметры лазерного излучения ухудшаются не-значительно. К сожалению, при использовании лазеров отечест-венного производства качество излучения и технические пара-метры будут ухудшены существенно и это нужно будет учитывать [1-3].
Фирмой ESAB-Hancock отмечается целый ряд преимуществ ла-зерной резки:
При оценке преимуществ нового процесса обработки мате-риалов наряду с чисто экономическими показателями следует принимать во внимание высокие качественные характеристики ла-зерной резки. Отсутствие коробления и грата устраняет необхо-димость в дополнительных операциях механической обработки кромок и рихтовки заготовок после резки, а также возможность изготовления деталей на окончательный размер под сборку и рез-кое сокращение времени изготовления деталей, что особенно цен-но при необходимости срочной поставки изделий, в результате соображения качества будут дополнять и усиливать чисто эконо-мические показатели.
Успешным опытом лазерной резки и сварки объёмных конст-рукций богата зарубежная автомобильная промышленность, а по-скольку в ней применяются толщины на порядок меньше, чем в судо-строении, то и широкое внедрение лазерных технологий началось на десяток лет раньше. Лазерные технологии позволяют сущест-венно повышать точность изготовления автомобиля и заметно снижать его массу за счёт применения лазерной резки для изго-товления "подогнанных заготовок". Тоже самое можно без сомне-ний говорить о судостроении, только процесс внедрения лазер-ных технологий начался недавно. Как и в автомобилестроении, в судостроении на первое место достоинств лазерной технологии выходит точность и качество процесса, снижение массы и безопасность изделий. Всеобъемлющее применение лазерной резки в судостроении "в размер" и использование "подогнанных заготовок" в ближайшие годы обещает стать определяющим направлением модернизации верфей, повышения производительности и точности, сокращения сроков строительства и снижения материалоёмкости, повышения степени механизации и автоматизации, улучшения экологии и условий труда, повышения надёжности и качества судовых кон-струкций и изделий в целом.
По сведениям датских экономистов, годовая экономия за счет внедрения лазерной резки и сварки при постройке двух танкеров-пятидесятитысячников составляет 83000 долларов США. Как утвер-ждают западно-европейские эксперты, за счет широкого внедрения лазерных технологий в судостроение общие расходы, связанные со сварочными работами, могут быть уменьшены на 50 %.
Использование лазерной сварки и резки позволило фирме "Messer Griesheim" снизить на 5-25% затраты на изготовление палубных секций, переборок, и надстроек на верфи Jos.L.Meyer GmbH в Паленбур-ге (ФРГ). Экономия достигается благодаря точной резке. Так, тру-доёмкость постройки корпуса пассажирского судна массой 7500 т, изготовленного из элементов толщиной 5-6 мм, снижена на 14-18%. Дополнительный эффект получен благодаря уменьшению затрат на электроэнергию и за счёт сокращения продолжительности по-стройки судна.
По данным японских исследователей, при типичной для плаз-менной и кислородной резки точности 4-6 мм на 10 м длины детали, расходы времени при сборке конструкций составляют от 50 до 80 чел.ч/т. При уменьшении же погрешности до 2 мм на 10 м, они умень-шатся до 25 чел.ч/т, а при еще большей точности, достижимой в слу-чае лазерной резки - в 3 и более раз.
Очень важно увеличивать долю работ, выполняемых в цехе при проектировании и организационно-технологических мероприяти-ях, в т.ч. с максимальным использованием модульного принципа проектирования и производства. Так, если стоимость работ, вы-полняемых в цехе, принять за единицу, то при монтаже она возрас-тает в пять раз, при выполнении её на стапеле - в 10 раз, и в 20 раз - на корабле, спущенном на воду. Использование лазерной сварки наиболее эффективно приме-нительно к конструкциям, в наибольшей степени подверженным сварочным деформациям, так как наибольший экономический эф-фект будет достигнут именно за счет снижения их объема (до 25 % трудоемкости всех сборочно-сварочных работ).
Применение лазерной сварки с компьютерным управлением позволило при сборке больших корпусных секций массой до 600 т избавиться от больших допусков и выполнять судовые конструк-ции с допуском в несколько мм.
Применение с 1995 года лазерной сварки для изготовления трёхслойных панелей размером 3 х 10 м, обладающих повышенной жё-сткостью и прочностью, на верфи Jos.L.Meyer GmbH в Паленбурге (ФРГ) позволило снизить вес металлоконструкций по сравнению с обыч-ными - до 40% .
В качестве перспективных направлений для повышения кон-курентспособности на мировом рынке судоверфи Германии преду-сматривают повышение производительности на 30-40% за счёт вне-дрения лазерной резки и сварки, роботизации монтажа простран-ственных конструкций, повышения эффективности научно-исследовательских разработок .
По сообщению автора [8], в Японии уже сейчас используется в промышленности столько же лазеров, сколько в Западной Европе и США вместе взятых. Внедрение лазерных технологий в судострое-нии способствует значительному увеличению эффективности про-изводства и существенно усиливает позиции судостроительных предприятий в конкурентной борьбе за рынок.
Лазерная сварка сопоставима по удельным затратам с тради-ционными способами сварки, даже без учёта уменьшения деформа-ций, затрат на рихтовку и прочих преимуществ [7]. Рассмотрим несколько отечественных и зарубежных примеров возможного эффективного применения ЛС мощными ТЛ в других от-раслях промышленности ещё в 80-х годах, опыт которых может быть полезен.
Автором [4] ещё в 1983/85 г.г. выполнялось сравнение технико-экономических аспектов ЛС большой мощности, в сравнении с тра-диционными способами сварки на Ижорском заводе. Так для сварки трубного узла АЭС из стали 08Х18Н10Т диаметром 300 мм и толщиной стенки 12 мм при аргоно-дуговой сварке требовалось выполнить 4-5 проходов со скоростью сварки порядка 15 м/ч, с тех-нологическими перерывами между проходами (для остывания и за-чистки сварных швов), что в итоге определяло норму времени на стык - 2-2,5 часа. Лазером такое соединение сваривалось за 1,5-2 ми-нуты за один проход при мощности излучения 10 кВт и скорости сварки 60 м/ч и более (см. [1,38]. Т.е норма времени на стык уменьша-лась в 60 и более раз. Поскольку это были швы 1 категории, то они прходили очень жесткий контроль , в т.ч. и рентгенографией. При аргоно-дуговой сварке браковалось до 20% стыков. Бракованные участки выбирались механическим способом и заваривались вруч-ную. Очевидно, что за 5 проходов вероятность получения дефектов существенно увеличивается, по сравнением с одним проходом, при прочих равных условиях. Качество лазерных швов не уступало, а скорее превосходило швы, выполненные аргоно-дуговой сваркой. Годовая программа могла быть выполнена за пару недель. Пробле-ма была только в подборе подходящей номенклатуры, чтобы макси-мально, хотя бы в 1-2 смены загрузить "прожорливую" лазерную ус-тановку (такой проблемы, как правило, в судостроении нет. Протя-жённость однотипных соединений очень велика, тысячи метров). По производительности, качеству, простоте использования и авто-матизации - трудно и невозможно было найти другой способ свар-ки.
Стало очевидным, что ЛС при условии точной сборки и качест-венном оборудовании и оснастке - не имеет конкурентов при свар-ке обычных сталей и сплавов на однотипной продукции. При сварке алюминиевых и титановых и других сплавов, требующих особенно качественной защиты зоны сварки - сильные позиции только у ЭЛС.
Данный результат в те же годы подтверждался результатами американских и японских исследователей.
При лазерной сварке (тоже на мощности 10 кВт и скорости 60 м/ч взамен аргоно-дуговой сварки) цилиндров из коррозионно-стойкой стали диаметром 200-600 при толщине стенки 9,5 и 12,7 мм фирма "Westinghouse Marine Div., Sunnyvale" (США) сократила трудоёмкость в 2,5 раза, стоимость работ была снижена в 3 раза, а также была устра-нена необходимость механической обработки после сварки [2].
При приварке фланца из углеродистой стали 1015 толщиной 22,5 мм к стенке только на одном сварном соединении получили [2] эко-номию в 357 000 $/год и увеличили производительность в 30 раз.
На заводе Артиллерийского вооружения в Миннааполисе (США) при замене 7-прходной сварки погруженной дугой на лазерную од-нопроходную при сварке профилей стартовых ракетных установок и рам орудий длиной до 2-3 м из низкоуглеродистой стали толщиной 4-19 мм длиной до 2-3 м (т.е. при ЛС изделий, во многом аналогичных судокорпусным) была снижена трудоёмкость до 300 000 чел.ч./год и получена экономия до 223 000 $/год. Механические свойства находи-лись на уровне свойств основного металла, уменьшались деформа-ции изделий, получено значительное повышение производительно-сти и снижение трудоёмкости [2].
Лазерная сварка позволяет повысить точность контуров сварных конструкций, снизить массу изделий, повысить ресурсные и механические характеристики, стабильность механических свойств, применять рациональные заготовки, в т.ч. детали сложно-го профиля с перепадом толщин до 1:10, повысить производитель-ность труда за счёт выполнения на одном рабочем месте несколь-ких аппаратурно-совместимых операций.
Лазерные технологии позволяют по новому проектировать и производить
судовые конструкции, в т.ч. с использованием новых сотовых и многослойных,
нахлёсточных соединений, выйти на но-вый технологический уровень заготовительного
и сборочно-сварочного производства, существенно повысить их качество и
точность, снизить трудоёмкость, вывести судостроительное про-изводство
на новый высокоинтеллектуальный уровень, максималь-но соответствующий современным
требованиям по автоматизации, надёжности и безопасности, экологии и культуре,
уменьшить от-ставание от западных производителей и улучшить экспортные
воз-можности.
2. Отчёт. Лазерное технологическое оборудование для обработки материалов в СССР и за рубежом / Обзор // А.Г.Игнатов, А.И.Скрипченко, В.И.Лукьянов, и др.- Л.:ЛазерИнформ.-1989.- 225 с.
3. Отчёт о НИР. Исследование технологии лазерной резки и сварки металлов и сплавов. Моделирование применения высококонцентри-рованных источников энергии в перспективных технологических процессах постройки морских судов.- СПб.:ЦНИИ ТС.-1999.- Т.1-172 с, т.2 - 77с.
4. Игнатов А.Г. Работы по лазерной сварке энергомашинострои-тельных и судостроительных сталей и сплавов больших толщин в России и за рубежом. // Лазер-Информ.-М.: ЛАС.- 1998, N 148-149.- С.10-13.
5.СО2 - лазеры в судостроении / D.Rassel // Лазер-Информ.- М.: ЛАС.-1997, N 127.-С.4-7.
6.Проспекты фирм "MESSER GRIESHEIM" (ФРГ), ESAB (Швеция), Trumpf (ФРГ), Rofin-Sinar (ФРГ), United Technologies Industrial Lasers (США), АО "БЛАСТЕР", АП "Кри-сталл", НИИЭФА им.Д.В.Ефремова, НИЦТЛ, ГП "Ижевский механический завод".
7.Опыт использования лазерных технологий в судостроении / В.Д.Горбач, О.Г.Соколов, В.М.Левшаков, В.Л.Чабан, А.А.Васильев, А.Г.Игнатов.- Судостроение.-2000, ╧1.-С.49-53. 8.Стрельцов П. Лазерный луч проникает в судостроение // Судоход-ство.- 1998.- ╧ 3.- С.38-40.