中德激光科技合作项目:造船工业大功率激光制造技术及应用

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“造船工业大功率激光制造技术及应用”

一、项目概况

“造船工业大功率激光制造技术及应用”已被列入中国与德国政府间2004年“中德激光科技合作”项目之一，2004年5月4日在两国总理鉴证下于柏林签约，两国政府给予项目和经费上的大力支持。中德双方团队均包括优势大学和企业，其中德方有最大激光器件和系统供应商Trumph公司和最大系统集成供应商Schuler Held公司，并由不来梅大学激光应用所协调；中方由上海交通大学牵头，包括占全国造船产量1/3的三家船厂（沪东中华造船集团、江南造船集团、外高桥造船有限公司）和最先进的钢铁企业宝钢，各合作单位均投入资金和人力。项目始终以国际官产学研机制组织，这一合作框架不但综合了各方优势，扩大资金渠道，也打通了从研究到应用的渠道。德方政府和企业共同出资244万欧元，形成软、硬件系统转移给中方，中方投入180万欧元，共同构成船舶激光制造系统平台。德方与中方在系统平台建成后共同开展后续应用基础与应用开发研究，系统建成后研究生产的成果归中方所有。

“造船工业大功率激光制造技术及应用”项目采用的15KWCO₂激光发生器是世界目前商用级最大功率激光器，因此该套设备具有很高的科学研究和应用研究价值。该合作项目研究平台由大功率激光器及外围集成系统组成，形成一套完整的大功率激光焊接设备，其主要部件包括15KWCO₂激光发生器和五轴联动激光加工头等。15KWCO₂激光发生器提供的超高功率密度，使焊接技术具有深熔、洁净、小变形等特点；五轴联动激光加工头使大功率激光在实际生产中的应用成为可能，是激光焊接技术的关键环节。上海交通大学将于2005年10月底在闵行校区建成3000㎡现代化实验室用房，2006年2月底设备调试完毕后成立激光制造实验室。

二、设备概况

n        世界目前商用级最大功率15KWCO₂激光发生器。

n        激光光路系统及五轴联动工作头系统PEDILAS 6030-5A，X = 6000 mm，Y = 3000 mm，Z = 1000 mm，C = ± 200°，B = ± 90°。

n        CNC控制系统 PA 8000 HTHS。

n        光束整直光学系统。

n        MIG焊炬和混合焊设备。

n        三维同步焊缝跟踪传感。

n        对接接头和T形接头的装夹设备。

三、项目进展

n        15KWCO₂激光加工系统各个部分的制造工作已经全部结束并已全部运至Schuler Lasertechik进行集成和调试，目前这部分工作已经进入收尾阶段，系统各部分均工作正常，效果良好。整套设备将于2005年10月中旬调试完毕，2005年12底可运至上海港，预计上海的安装调试工作可于2006年2月底全部结束并可投入工作。

n        中德双方的大功率激光焊接联合工艺试验于2005年7月1日至8月15日在德国BIAS进行，中德双方技术人员对国产船用钢板进行了不同材料、不同厚度、不同接头形式和不同焊接方法的试验研究，材料种类包括A级钢、不锈钢和铝合金，材料厚度包括3mm、8mm、10mm、14mm，接头形式包括对接接头和T型接头，焊接方法包括激光冷丝焊和激光+MIG复合焊，经过大量试验，基本摸索出了上述材料大功率激光焊接的适用工艺参数，对上述焊缝进行了金相分析和力学分析并完成了联合试验报告，同时也发现材料的化学成分、组织状态、工件表面状态等因素对焊缝质量的影响。这次中德联合试验为本项目的深入开展奠定了技术方面的基础，双方拟在设备达到上海后继续开展联合研究，针对大厚度板材的激光焊接技术进行进一步研究。

n        中方人员培训分两期进行，第一期培训时间为2005年3月14日至4月24日，第二期培训时间为2005年8月15日至9月25日，培训机构为Rostock的SLV，来自中方合作单位的共13位技术人员参加了培训，全部通过理论考试和实际操作考核并取得德国DVS认可的“Laser beam specialist”证书和“Laser safety representative”证书，成果我国首批获此证书的激光应用技术人员。该培训内容涉及激光产生机理、激光加工技术、激光应用安全等理论和实际操作知识，对本项目的顺利开展和深入研究奠定了良好的人员基础。

四、已批准项目

n        造船工业大功率激光制造技术及应用研究（上海市科委）

起止时间：2004年1月～ 2006年6月

资助金额：150万元

负责人：吴毅雄教授

n        船舶大功率激光建造技术（国家科技部）

起止时间：2004年3月～ 2007年3月

资助金额：100万元

负责人：沈为平教授

五、研究方向

该项目针对船舶建造结构不均匀接头缝隙，接头易产生Z向错边装配的条件下以及尽可能焊后变形小为目标，特别对于各种船用钢板的激光制造工艺适应性和冶金适应性的系统研究与评价，将在大功率激光制造应用基础理论上和实践上进行丰富科学内容的工作。大功率（>10KW）激光制造技术在船舶工业中的应用在国内还无先例，围绕大功率激光焊接过程中一系列科学及应用技术问题的研究空间十分广阔。本项目的研究内容包括：

n        大功率激光与材料作用机理研究，大功率激光的高能量密度可使材料瞬间产生气化，其冶金反应理论将有其自身特征与体系。大功率能束密度深熔过程，使材料本身夹质与气体产生二次聚集与逸出过程，特别对厚板焊缝Z向有明显的清洁作用，其内在机理也有待分析与研究。

n        大厚度高强度结构的激光焊接技术，这类材料以宽厚尺寸、高强度、强功能为主要技术特征，以大型舰船、高技术军品船、大型钢结构、电站设备、煤液化装置、桥梁、港口机械、机车、化工设备等为主要应用对象。

n        船用复杂结构的激光焊接技术，如三明治板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输入量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题；此外三明治结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。

n        实现激光焊接技术在船舶制造中的产业化，提高激光焊接技术在船厂生产实践中应用的稳定性，深入研究激光焊接过程的反应机理和现象，吸收和掌握国际上先进的激光焊接技术和测控技术，实现船用复杂结构的激光焊接技术和测控技术的国有自主化。