摘要：回顧了數(shù)控切割技術(shù)在我國造船行業(yè)中的應(yīng)用狀況，并揭示了大力推廣高新切割技術(shù)對船舶工業(yè)未來發(fā)展的重要意義。
關(guān)鍵詞：數(shù)控切割；火焰切割；等離子弧切割；激光切割；型材切割
1 數(shù)控切割
1958年英國氧氣公司試制成功了世界上第1臺數(shù)控切割機(jī)，開創(chuàng)了數(shù)控切割的新紀(jì)元。隨后，發(fā)達(dá)國家都相繼開展了對數(shù)控切割的技術(shù)、工藝、相關(guān)配套軟件和設(shè)備的深入開發(fā)研究工作，經(jīng)過40多年的不懈努力，得益于計算機(jī)產(chǎn)業(yè)不斷進(jìn)步的相助，已向市場推出了各種類型、功能齊全的系列化數(shù)控切割產(chǎn)品。如今，針對不同的工件對象，人們可分別采用數(shù)控、機(jī)器人切割等多種切割方法；為了滿足各種材質(zhì)的切割性能和精度要求，又可以選用火焰、等離子、激光等與之相適應(yīng)的切割工藝，真正達(dá)到了為用戶提供全面解決問題的方案。
我國數(shù)控切割技術(shù)開發(fā)研制是在20世紀(jì)80年代初、伴隨著微電子技術(shù)的成熟并獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上開始起步的，經(jīng)歷20多個春秋的持續(xù)發(fā)展，終于取得了可喜的成就。目前國產(chǎn)數(shù)控切割產(chǎn)品的種類和規(guī)格已相當(dāng)齊全，其中部分產(chǎn)品在技術(shù)、性能、指標(biāo)和功能上均已接近或達(dá)到國際上同類產(chǎn)品的水平。
造船業(yè)是我國引入數(shù)控切割技術(shù)最早、獲益最大的行業(yè)，20多年來，數(shù)控切割在國內(nèi)造船廠得到了迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，徹底改變了以往手工和半自動切割的低效率狀況，從根本上解決了長期困擾船舶建造過程中下料切割工段的瓶頸問題，成為推動我國造船總量快速增長的助推器。在此就數(shù)控切割技術(shù)在我國造船業(yè)中的應(yīng)用情況作一個回顧，并對其未來發(fā)展趨勢提出一些見解。
2 數(shù)控火焰切割
2．1 起步
20世紀(jì)70年代中期，我國造船行業(yè)，針對船舶建造過程中的放樣工序，研究了船體線型的數(shù)學(xué)光順及曲面外板展開的計算機(jī)輔助設(shè)計程序，該程序系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出結(jié)果可用于數(shù)控加工，從而使船體鋼板下料切割不再需要經(jīng)過實尺放樣——制作樣板——在鋼板上畫線——用手工或半自動切割這么多道繁瑣的工序，由此而來，應(yīng)用數(shù)控切割船用鋼板的優(yōu)越性立刻展現(xiàn)出來，它既節(jié)省了工時、放樣臺場地和樣板材料，又能減輕工人勞動強(qiáng)度，極大地提高了工效。正是在此背景下數(shù)控火焰切割機(jī)開始進(jìn)入我國船廠，用于鋼板切割下料。
2．2 數(shù)控火焰切割機(jī)的優(yōu)點
a．功能全，自動化程度高；
b．配置多個割炬工作，且有效切割時間長、生產(chǎn)效率高；
c．采用套料切割程序，提高了鋼板利用率，并可減小熱變形；
d．切割信息易于準(zhǔn)備、修改和保存；
e．加工精度高，切割質(zhì)量好；
f．機(jī)器運行穩(wěn)定可靠，操作方便。
數(shù)控冷彎技術(shù)的市場推廣要從事數(shù)控切割技術(shù)服務(wù)
2．3 船廠數(shù)控火焰切割機(jī)的特征
最為明顯的是軌距大，一般都超過6 500 mm，以使大尺度鋼板的切割不受限制。近年來，隨著船型的加大和船用鋼板變寬，7 500 mm和9 000 mm甚至更寬軌距的大型機(jī)器被優(yōu)先選用。另外還有：機(jī)器具有高速噴（鋅）粉劃線的功能，從而為切割后的裝配、焊接提供方便；由于存在大量的拼板焊接工作量，因此性能穩(wěn)定可靠、能勝任多種形狀坡口切割的火焰直線三割炬通常被列入船廠的訂貨單中；具有余料套料切割功能的CNC系統(tǒng)，因能簡化操作、提高了鋼板利用率。
為了適應(yīng)大跨距、高速度的要求，船廠選用的數(shù)控火焰切割機(jī)，普遍采用高剛性的龍門式機(jī)架以及齒輪、齒條雙邊同步的驅(qū)動方式。此外，用于切割船體鋼板的數(shù)控切割機(jī)還必須配備從船體線型光順、外板展開、結(jié)構(gòu)零件生成、排版套料、輸出切割指令的造船CAD/CAM
軟件系統(tǒng)。
2．4 應(yīng)用及發(fā)展趨勢
20世紀(jì)80年代以來，因為數(shù)控火焰切割機(jī)具有許多優(yōu)點，在我國造船行業(yè)獲得了普遍應(yīng)用。至90年代中期，當(dāng)數(shù)控等離子切割機(jī)登臺亮相時，其所扮演的角色逐漸發(fā)生了轉(zhuǎn)變，但這并不意味著它將從此退出歷史的舞臺，遭到棄用或淘汰，畢竟數(shù)控火焰切割機(jī)在切割厚度超過30 mm的鋼板、切割加工多種形狀的坡口和多割炬大批量切割直條鋼板時，還有許多不容忽視的優(yōu)越性�？梢灶A(yù)見，數(shù)控火焰切割機(jī)在今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，將作為數(shù)控等離子切割機(jī)等先進(jìn)設(shè)備的補(bǔ)充，在造船行業(yè)繼續(xù)發(fā)揮它應(yīng)有的作用，并在船廠的切割設(shè)備中長期存在。
3 數(shù)控等離子切割
3．1 概述
人類利用等離子弧切割金屬材料已有40多年的歷史，而將數(shù)控等離子切割應(yīng)用于中國造船業(yè)只是近10多年的事，然而人們不難發(fā)現(xiàn)這是一項成長壯大十分迅速的新技術(shù)，它給我國船廠的鋼板帶來了巨大的變革，并產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。時至今日，數(shù)控等離子切割機(jī)已經(jīng)接替數(shù)控火焰切割機(jī)，在船廠的鋼板下料中占據(jù)了主導(dǎo)地位。更有甚者，在訂造新船時，已將造船廠是否具備數(shù)控等離子切割加工手段列入了能否承接合同訂單的必要條件。
3．2 歷史回顧
我國數(shù)控等離子切割技術(shù)開發(fā)研制是在數(shù)控火焰切割技術(shù)趨于成熟并獲得廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上開始的。20世紀(jì)80年代末、90年代初，國民經(jīng)濟(jì)駛?cè)肓税l(fā)展的快車道，鋼板和其他金屬材料的切割量急劇增大，高速度、高效率的數(shù)控等離子切割技術(shù)日益受到包括造船在內(nèi)的制造業(yè)界的重視，而當(dāng)時國產(chǎn)設(shè)備還一時無法擔(dān)此重任，許多大型骨干船廠不得已只能花巨資，率先從國外引進(jìn)數(shù)控等離子切割機(jī)，以解生產(chǎn)上的燃眉之急。大量進(jìn)口機(jī)器的接踵而至，給國內(nèi)同行以極大的鞭策，更激發(fā)了我們發(fā)憤圖強(qiáng)研制先進(jìn)設(shè)備以替代進(jìn)口設(shè)備的使命感和緊迫感。另一方面，國外先進(jìn)設(shè)備的引進(jìn)，也為我們提供了難得的學(xué)習(xí)和借鑒機(jī)會。經(jīng)歷了消化學(xué)習(xí)、潛心鉆研，并在關(guān)鍵技術(shù)上采取引進(jìn)和自主開發(fā)的措施（值得一提的是：嫁接引入了國際上先進(jìn)的等離子切割系統(tǒng)），使我國數(shù)控等離子切割技術(shù)研制水平在高起點上得到了質(zhì)的飛躍，因此國產(chǎn)數(shù)控等離子切割機(jī)從降生之日起就基本實現(xiàn)了自動化程度高、功能齊全、運行可靠、性價比高的發(fā)展目標(biāo)，并很快被我國造船行業(yè)所認(rèn)知和接受，從此成為國外進(jìn)口設(shè)備強(qiáng)勁的競爭對手。
3．3 等離子弧切割的特點和種類
3．3．1 特點
在高溫、強(qiáng)電場條件下產(chǎn)生的等離子弧，經(jīng)機(jī)械壓縮、熱壓縮和磁壓縮，使弧柱電流密集、產(chǎn)生極高的溫度和高速氣流，高溫、高速的等離子弧焰流使工件金屬熔化，并被吹離基體形成割縫。由于弧柱溫度大大超過金屬及其氧化物的熔點，因此，除切割碳鋼外，等離子弧還可用于切割不銹鋼、鋁、銅等金屬。
3．3．2 種類
a．常規(guī)等離子弧切割。
b．雙氣體等離子弧切割。
割炬分別使用等離子氣體和屏蔽氣體。屏蔽氣體的作用是使切割區(qū)域與外界形成有效隔離，以獲得較好的切割邊緣質(zhì)量。根據(jù)被切材料的特性，可以改變不同氣體的組合來達(dá)到最佳的切割效果。
c．水射流等離子弧切割。
切割過程中，冷卻水由割炬噴嘴內(nèi)的小孔噴出射向電弧，對等離子弧再次壓縮，使其密度和溫度進(jìn)一步增高，用以提高切割速度和切割質(zhì)量。
d．長壽命氧氣等離子弧切割。
長壽命氧氣等離子弧切割是一種新穎的切割碳鋼的等離子弧切割技術(shù)。最突出的優(yōu)點是電極壽命長，與普通氧氣等離子比較，平均壽命延長4~6倍，穿孔次數(shù)上升了近10倍。
e．精細(xì)等離子弧切割。
該等離子弧電流密度極高，因此有非常狹窄挺直的等離子焰，割縫窄、切割面光潔、切口邊緣垂直、切割精度和表面質(zhì)量接近激光切割。
3．4 長壽命氧氣等離子弧切割技術(shù)在造船廠的適用性及推廣應(yīng)用
1983年美國HYPERTHERM公司成功地將氧氣作為等離子氣體用于切割碳鋼[1]，其主要優(yōu)點在于：a. 無掛渣、切割速度范圍大、切口質(zhì)量好；b. 相同電源功率下切割速度可提高30%;c. 無切口表面氮化問題，切割后的工件具有良好的焊接和加工性能。
長壽命氧氣等離子弧切割技術(shù)，從根本上克服了以往氧氣等離子弧切割過程中電極、噴嘴壽命短的缺點，使氧氣等離子弧切割在優(yōu)質(zhì)、高速的基礎(chǔ)上又大幅度地降低了成本，為那些鋼板切割需求量大的企業(yè)開辟了一片新天地。近10余年來，由于造船總量的增加和建造周期的縮短，鋼板切割工作量急劇上升，因此國內(nèi)眾多骨干造船企業(yè)和地方船廠紛紛添置配備有長壽命氧氣等離子切割系統(tǒng)的大型數(shù)控切割機(jī)，用來切割造船業(yè)用量最大的中厚鋼板，效果顯著，這也促使人們在機(jī)器選型時逐漸達(dá)成了共識，即長壽命氧氣等離子切割機(jī)是目前造船廠最佳適用機(jī)型。
長壽命氧氣等離子弧切割技術(shù)近期能在我國造船行業(yè)迅速推廣應(yīng)用的另一個重要原因是得益于其投入使用后所帶來的可觀經(jīng)濟(jì)效益。首先，利用數(shù)控等離子切割，人們能夠非�？旖莺头奖愕赝瓿蓴�(shù)控火焰切割無法勝任的不銹鋼、鋁、銅、復(fù)合板材以及復(fù)雜零件的切割任務(wù)，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于其他機(jī)械加工方法。其次，依據(jù)現(xiàn)時國情，查閱、對比國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)資料，反復(fù)求證、嚴(yán)格計算，結(jié)果顯示：[2]：以單位割縫長度（元/m）作為考核指標(biāo)，在我國造船廠切割厚度25 mm以下的鋼板，采用長壽命氧氣等離子切割的運行成本比火焰切割低，這與實際生產(chǎn)第一線跟蹤反饋的數(shù)據(jù)及國際上的普遍情形是吻合的。再者，一臺數(shù)控等離子切割機(jī)的生產(chǎn)能力相當(dāng)于數(shù)控火焰切割機(jī)的3~5倍，這大大節(jié)約了設(shè)備占用廠房的面積，既縮減了基建投資，又提高了造船廠十分寶貴的加工場地的利用率。還有數(shù)控等離子切割精度高、熱變形小、切口不掛渣，免去了人工打磨工時，綜合經(jīng)濟(jì)效益顯著。
3．5發(fā)展前景
進(jìn)入新世紀(jì)后，我國船舶工業(yè)迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，各骨干船廠為了應(yīng)對新的挑戰(zhàn)，又啟動了數(shù)控等離子切割技術(shù)新一輪的技術(shù)改造工作，等離子自動回轉(zhuǎn)坡口切割、新一代400 A長壽命氧氣等離子切割系統(tǒng)（HYPERTHERM HT4400；KOIKE SUPER-400）、性能良好的新穎干式等離子抽氣除塵切割平臺相繼投入造船生產(chǎn)使用，進(jìn)一步促進(jìn)了造船行業(yè)應(yīng)用數(shù)控等離子切割技術(shù)朝著廣度和深度方向發(fā)展。它們的完美演繹，對眾多尚未開展此項工的中小船廠具有強(qiáng)烈的示范效應(yīng)，這也從一個側(cè)面預(yù)示了數(shù)控等離子切割技術(shù)在我國造船業(yè)正方興未艾，其未來發(fā)展空間將變得更為廣闊。
4 數(shù)控激光切割
激光切割所形成的割縫窄，能提高零件尺寸精度和材料利用率；割縫質(zhì)量好，無掛渣、邊緣垂直、表面光滑。在那些需要高精度、高效率切割薄板的領(lǐng)域，數(shù)控激光切割機(jī)仍然是首選設(shè)備。另外，激光切割還有能量密度高，切割熱影響區(qū)小，可以對常規(guī)方法無法加工的材料和零件進(jìn)行加工等諸多優(yōu)點。但是數(shù)控激光切割機(jī)價格昂貴，設(shè)備投資費用大概是精細(xì)等離子的2~3倍；當(dāng)用激光切割厚度超過6~8 mm的鋼板時，加工費用將會大于精細(xì)等離子切割[3]，外加日常維護(hù)工作量大，因此數(shù)控激光切割的運行成本較高，這些不利因素，阻礙了其在我國造船行業(yè)的應(yīng)用。
我所就曾經(jīng)開展過“數(shù)控激光切割機(jī)在造船中應(yīng)用”的預(yù)研，若干年后數(shù)控激光切割機(jī)將出現(xiàn)在我國造船行業(yè)第一，激光用于切割已有近30個年頭，其間，為了滿足市場需求的增長，激光發(fā)生器的模式和功率得到了不斷地改進(jìn)和提高，中、厚板材的激光切割技術(shù)日見精良。文獻(xiàn)報道，美國、歐洲和日本的許多船舶制造廠商很早就把高輸出功率的CO2激光切割技術(shù)用于造船，并取得了成功[4]。第二，這些年“精度造船”的提法已是耳熟能詳，要真正做到這一點，單就數(shù)控切割來看，目前國內(nèi)船廠的設(shè)備顯然達(dá)不到技術(shù)要求，人們關(guān)注的目光自然投向了切割精度更高的激光切割，無疑這將成為數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)軍中國造船業(yè)的原動力。第三，光電技術(shù)的日新月異，使激光切割的作業(yè)成本（元/kW）大為降低，加上各生產(chǎn)廠家為占得先機(jī)進(jìn)行的激烈市場爭奪，必然會促使激光切割機(jī)的價格走低，最終使其在綜合經(jīng)濟(jì)效益方面與數(shù)控等離子切割機(jī)形成競爭而被我國造船業(yè)逐步認(rèn)知和接受。
文獻(xiàn)記載，激光切割碳鋼通常采用輔助氧氣來加快切割速度，同時獲得高質(zhì)量的切割效果，但這一般只適用于切割厚度小于20 mm以下的碳鋼板[5，6]。最近另有一篇報道應(yīng)該引起大家的興趣，1年多前在美國阿拉巴馬州的“Render船舶修造有限公司”。一項由激光和（增壓）氧氣組合的切割新工藝被用于切割50 mm厚的鋼板，而切割所用的CO2激光系統(tǒng)的功率還不到2 kW，這一切割方法具備了切割100 mm厚鋼板的潛能。
這項被稱為“LASOX”的工藝技術(shù)的工作原理為：激光束直接穿過割炬前端割嘴的中心孔投射在鋼板上，使鋼板迅速加熱至點燃溫度，而從割嘴噴出的高速氧氣流恰好噴射在激光束的聚射范圍內(nèi)，將這部分鋼板高溫氧化燃燒，并把熔化的金屬及其氧化物吹離鋼板形成割縫，割炬隨數(shù)控切割床身對鋼板作相對移動以完成零件的切割。不同于氧—燃?xì)馇懈�，這里沒有燃?xì)鈪⑴c預(yù)熱反應(yīng)，而是由激光在1~2 s內(nèi)就將投射區(qū)域的溫度加熱至超過900℃。事實上，為了達(dá)到預(yù)期的氧化反應(yīng)效率，僅要求激光束的功率能產(chǎn)生和維持點燃溫度即可，而不必采用那些能夠產(chǎn)生足以熔化鋼板溫度的、功率很大的激光源。
“LASOX” 的實用成果是：在大約1 s內(nèi)就可以完成38 mm厚鋼板的穿孔連續(xù)切割速度可達(dá)200 mm/min，割縫寬度僅有幾毫米；每切割一張鋼板比火焰切割平均可以節(jié)省時間40 min，作業(yè)成本更經(jīng)濟(jì)；割嘴離鋼板的初始距離上升到7 mm，較常規(guī)激光切割的0.5~2 mm增加了許多，減少了切割穿孔飛濺物對割嘴的損耗；切割表面質(zhì)量好，熱影響區(qū)小，可以獲得較高的切割精度，省略許多后續(xù)加工。更讓人意想不到的是，只需加裝一把特制的增壓割炬后，即可用常規(guī)激光裝置切割38 mm厚的鋼板。
從上可知，它為如何將激光切割更經(jīng)濟(jì)、更有效地應(yīng)用于中國造船業(yè)提供了一個成功的范例和開啟一條新思路，我們應(yīng)給予充分重視，跟蹤關(guān)注其發(fā)展動向，并創(chuàng)造條件開展相關(guān)的課題研究，做一些嘗試，為進(jìn)一步提高船廠切割效益作出貢獻(xiàn)。
5 船用型材自動化切割
經(jīng)統(tǒng)計，船體結(jié)構(gòu)中各種型材（包括組焊型材和軋制型材）的質(zhì)量平均占到船體質(zhì)量的20%左右，型材的品種有：球扁鋼、角鋼、扁鋼、T型鋼等，這些型材在成形或焊接加工前要切割各種形狀的端頭和中間孔，并標(biāo)識記號及加工裝配用的線段。由于型材的品種、規(guī)格尺寸多種多樣，更有變幻無常的切割內(nèi)容和要求，使得我們無法借助現(xiàn)有的設(shè)備和手段來自動化批量生產(chǎn)，因此國內(nèi)船廠長期以來只能靠熟練工人利用半自動的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行人工操作，生產(chǎn)效率低、勞動強(qiáng)度大、質(zhì)量難以控制，這與板材已普遍運用數(shù)控切割相比呈現(xiàn)了極其鮮明的反差。為了改變這一作業(yè)的落后狀況，國內(nèi)骨干造船企業(yè)（如：外高橋和江南）已引進(jìn)了型材切割的關(guān)鍵設(shè)備——數(shù)控等離子型材切割機(jī)，它被用于切割型材形狀各異的端頭和中間孔，而且可以按需要在型材上打印標(biāo)識和劃線，構(gòu)筑了型材自動切割作業(yè)的雛形，但這僅僅是開始離國際上已廣泛采用的、由型材儲存和提取系統(tǒng)、機(jī)器人型材切割系統(tǒng)、零件型材的分類和運出托盤等組成的型材加工生產(chǎn)線來看，無論在功能、加工質(zhì)量上，還是生產(chǎn)效率上，都尚有很長的路程要走。好在此項工作已引起了我國造船界的重視，相關(guān)課題的立項研究已擺上議事日程，相信用不了多久，目前的狀況將會有較大的改觀。
6 結(jié)束語
優(yōu)質(zhì)、高效、低成本是高新切割技術(shù)追求的目標(biāo)，其優(yōu)越的性能和良好的經(jīng)濟(jì)性已在中國船舶工業(yè)長期的生產(chǎn)實踐中得到了驗證。為了實現(xiàn)成為世界第一造船大國的（以載重噸計）的既定方針，我們必須加快增加造船總量的步伐，由此可見，造船用鋼量在未來一段時期將呈現(xiàn)快速增長趨勢，這無疑是為高新切割技術(shù)的未來發(fā)展搭建好了表演舞臺。到那時，匯集著我們幾代造船人夢想，旨在提升我國造船能力的一系列技術(shù)創(chuàng)新項目：新一代適應(yīng)能力更強(qiáng)、加工效率更高的型材柔性切割流水線、板材柔性切割流水線；運用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程控制的無人化數(shù)控切割車間；乃至打破廠際界限的區(qū)域性鋼板、型材（切割）加工中心等，將一一變?yōu)楝F(xiàn)實。我們堅信：伴隨著中國船舶工業(yè)的做大、做強(qiáng)，高新切割技術(shù)在我國造船業(yè)的明天將會更加輝煌。 |
