В настоящее время ни одно из стратегически важных технологических направлений в  мире не обходится без использования лазеров при обработке материалов. Лазерные технологии во многом определяют развитие практически всех отраслей современной промышленности и  активно применяются в  машиностроении, автомобилестроении, атомной, космической, авиационной и судостроительной промышленности.

АО «Центр технологии судостроения и  судоремонта» является ведущим проектно технологическим центром судостроения в России и на протяжении 75 лет с момента образования в 1939 г. разрабатывает и  оснащает отечественное судостроение высокоэффективными технологиями строительства, эксплуатации и  ремонта морской техники. В частности, АО «ЦТСС» активно занимается разработкой и внедрением лазерных и  плазменных технологий для судостроения и уже более 40 лет выпускает портальные машины термической резки различных модификаций. Последние разработки — машины лазерной резки, в основе которых лежит применение иттербиевых волоконных лазерных источников производства НТО «ИРЭПолюс». Машины лазерной резки АО «ЦТСС» воплощают в себе передовые инновационные решения, как в  части лазерных технологий, так и в части координатных систем.

Портальный комплекс лазерной резки «РИТМЛАЗЕР» (рисунок 1) предназначен для раскроя листового металлопроката с габаритами 2,5 х8,0 м, оснащен лазерным источником мощностью 3,5  кВт и  позволяет получить качественный рез при резке стального проката толщиной до 20 мм.

Основные преимущества:

— прецизионная точность вырезки деталей;

— возможность  автоматизированного маркирования и разметки деталей;

— низкие эксплуатационные расходы по  обслуживанию комплекса: высокая надежность иттербиевого волоконного лазера и  координатной системы, отсутствие потребности в  газах высокой очистки для обслуживания оптического тракта лазера;

— приспособленность  к  эксплуатации в тяжелых цеховых условиях.

В АО «ЦТСС» активно разрабатываются программно-управляемые лазерные комплексы роботизированной лазерной сварки изделий судового машиностроения, в  частности: теплообменных аппаратов, а  также сварки в  труднодоступных местах (рисунок 2).

ТК «Лабиринт» предназначен для приварки тонкостенных обечаек к массивным конструкциям, например: в  судовых насосах или арматуре, а также для вварки тонкостенных труб в  трубную доску (в теплообменных аппаратах).

Комплекс включает в  себя: волоконный лазерный источник мощностью 8 кВт, сварочный робот, лазерную головку для сварки в  труднодоступных местах или лазерную головку со  сканатором для сварки трубных решеток. Принцип работы комплекса при использовании головкисканатора заключается в  следующем: иттербиевый волоконный лазер генерирует высококонцентрированный поток лазерного излучения, передающийся по  транспортному волокну к  оптической головке, где он коллимируется, проходит через систему управляемых отражающих зеркал, расположенных в головке, и фокусируется на изделии. Управляемые зеркала позволяют произвести развертку луча по двум взаимно перпендикулярным осям в  плоскости сварки и, соответственно, повторить контур любой сложности, ограничиваясь зоной действия лазерной головки (370  х370  мм). Головка, в  свою очередь, закреплена на  роботе-манипуляторе, позволяющем производить ее позиционирование над обрабатываемым изделием. Основная задача, решаемая в данном случае, — это сварка труб различного поперечного сечения с  трубной доской, а  также сварка углублений стенки трубки между собой со сквозным проплавлением. При этом минимальная толщина стенки трубки может составлять 0,5 мм, а ширина перемычки между отверстиями трубной доски — 2 мм.

Для сварки внутренних кольцевых швов на  комплекс устанавливается оптическая головка, позволяющая фокусировать лазерный луч перпендикулярно внутренней поверхности изделия. Лазерное излучение, проходящее через оптоконектор оптического выхода лазера, направляется в коллиматор, закрепленный в  верхней части корпуса головки. Прошедшее через коллиматор излучение поступает в фокусирующий модуль, закрепленный в  нижней части удлинителя головки, и, проходя через модуль поворотного зеркала и  модуль защитного стекла, поступает в  зону обработки (сварки). Основная задача, решающаяся в  данном случае, — вварка тонкостенного элемента в  массивную конструкцию внешнего корпуса, т. е. получение их нахлесточного сварного соединения. Перемещение луча относительно детали происходит либо при помощи вращателя (вращение изделия), либо при помощи движения модуля поворотного зеркала вокруг центральной оси сварного шва (вращение одного из  узлов головки). Основные преимущества комплекса относительно аналогов:

— скорость сварки до 20 м/мин, обеспечивающая высокую производительность;

— толщина свариваемых за  один проход материалов — от 0,5 мм до 8 мм;

— зона обработки материалов — 12 м²;

— возможность сварки в  труднодоступных местах, а  именно — внутренней вварки тонкостенных труб или их элементов в массивную конструкцию.

Исходя из  мирового опыта внедрения технологий лазерной обработки в  судостроении наиболее перспективным и  активно развивающимся направлением является технология гибридной лазерно-дуговой сварки. Основными преимуществами гибридной лазерной сварки, по сравнению с традиционными дуговыми способами, являются более высокая скорость процесса, высокое качество сварного шва, минимальная зона термического влияния, минимальный расход присадочных материалов и практически полное отсутствие термических деформаций. Деформации конструкций существенно сокращаются благодаря низким значениям погонной энергии процесса (в  несколько раз меньше, чем при сварке традиционными дуговыми способами) [1].

Согласно анализу ведущих мировых производителей, в современном судостроении качество изготовления является ключевым фактором достижения продуктивности. Подгонка деталей и правка готовых конструкций занимают до  30% трудоемкости постройки корпуса судна [2]. В наибольшей степени сказываются неточности при изготовлении компонентов корпуса — двухмерные, при использовании традиционных методов резки, и  трехмерные при сварке. Применение бездеформационных лазерных технологий — путь к  решению проблемы повышения производительности и  качества судостроительной продукции [3].

Для решения задачи оснащения отечественных предприятий судостроения и  судового машиностроения технологическими комплексами на  базе лазерных технологий специалистами АО «ЦТСС» выполнен ряд экспериментальных работ по  исследованию процессов лазерной и  гибридной лазернодуговой сварки, разработаны технологии и  оборудование для применения в  судокорпусном производстве. Для сравнения двух видов сварки на  рисунке 3  приведены типовые макрошлифы, полученные при лазерной и гибридной лазернодуговой сварке стали толщиной 11  мм при скорости сварки 2,2 м/мин. Мощность лазерного излучения составляла 10,2  кВт при лазерной сварке и 10,5 кВт при гибридной лазернодуговой, параметры дуги: I = 243 A, U = 25,3 В, диаметр сварочной проволоки 1,2  мм. В  ходе выполнения работ использовалась система для компьютерного инженерного анализа LaserCAD [4], которая позволяет производить расчеты геометрических параметров предполагаемого соединения, осуществлять выбор оптимальных параметров режима обработки, подбор необходимого оборудования в  соответствии с  полученными параметрами, выбор материала с  точки зрения предполагаемых свойств соединения. На  основании приведенного анализа можно сделать вывод о  том, что лазерная и  лазернодуговая сварка способны обеспечить глубину провара более 10 мм в области скоростей сварки порядка 2  м/мин. Однако главными критериями выбора технологии и  режимов сварки являются обеспечение необходимых механических и  вязкопластических свойств металла шва, обеспечение максимальной глубины проплавления и  возможность работы при наличии зазора между кромками свариваемых деталей.

Лазерная сварка применяется в  промышленности для сварки алюминиевых и  титановых сплавов, коррозионностойких и  высоколегированных сталей. Однако сравнение рассчитанных термических циклов свидетельствует о  том, что при гибридной лазернодуговой сварке создаются более благоприятные условия, чем при лазерной сварке для формирования шва, регулирования тепловложения и легирования металла.

В АО «ЦТСС» разработана промышленная технология изготовления плоских секций, основанная на  использовании процессов лазерной резки и  гибридной лазернодуговой сварки, и  получено одобрение Российского морского регистра судоходства на  типовой технологический процесс гибридной лазернодуговой сварки полотнищ и  набора судовых корпусных конструкций с  интегрированной подготовкой кромок под сварку с использованием лазерной резки.

АО «ЦТСС», совместно с  немецкой компанией  IMG, был создан опытный образец автоматизированной поточной линии сборки и  сварки плоских секций, позволяющий изготавливать секции размером до 12 м х 12 м из листов толщиной от  4  мм до  20  мм поточно-позиционным методом и  включающий технологические решения, реализованные впервые в  мировом судостроении (рисунок 4). Инновационным является решение совместить на одной позиции подготовку кромок лазерной резкой и  укрупнение полотнищ гибридной лазернодуговой сваркой. Реализован принцип многопостовой эксплуатации одного лазерного источника за  счет применения волоконного лазера ЛС16П4  мощностью 16  кВт с  четырехканальным оптическим переключателем, позволяющим передавать лазерное излучение на рабочие позиции по оптоволокну.

Позиция укрупнения полотнищ оборудована прижимным порталом для фиксации листов полотнищ, а  также порталом лазерной резки и  гибридной лазернодуговой сварки стыков полотнищ, на  котором установлены две каретки с  оптическими головками для реализации процессов резки и  сварки. Каретка лазерной резки снабжена оптической головкой для резки и  модулем наклона головки на  угол от  0  град до  15  град для выполнения разделки кромок. Сварочная каретка включает гибридную лазерно дуговую и тандемную сварочную головки, позволяющие выполнять за  один проход сварной шов на  толщинах до  20  мм. Поданные и  выровненные листы фиксируются гидроцилиндрами на  прижимном портале. Производится последовательная подготовка кромок листов при помощи лазерной резки (рисунок 5). Для листов толщиной от 14 мм выполняется разделка кромок с притуплением.

После подготовки кромок листы сводятся встык без зазора, и  производится гибридная лазернодуговая сварка при скорости сварки 1,0÷2,5  м/мин. На  сварочной каретке установлена система для наведения и слежения по шву. Для листов большой толщины выполняется заполнение разделки тандемной сварочной головкой. Таким образом, на  линии возможно осуществлять сварку за  один проход полотнищ толщиной до 20 мм.

Для компенсации возможных сварочных напряжений и  деформаций применяется специальное устройство обратного выгиба. Выполняется двухсторонняя гибридная лазернодуговая приварка профиля к полотнищу за один проход (рисунок 6). Сварка осуществляется с опережающим положением сварочной горелки на  скоростях до  3  м/мин и  средней мощности лазерного излучения 10 кВт. Работа оборудования максимально автоматизирована и выполняется по программе с отдельных пультов оператора.

По результатам проведенных исследований и  испытаний сварных швов, выполненных гибридной лазернодуговой сваркой продольных стыковых и  тавровых соединений получены стабильные значения вязкопластических свойств металла шва и  околошовной зоны, их значения соответствуют или превышают нормативные значения. Значения твердости материала не превышают 300 (HV5) и также находятся в допустимых пределах.

Основными преимуществами применения лазерных технологий при изготовлении плоских секций, в сравнении с традиционными технологиями, являются:

— более высокая (в 1,5–3,0 раза) производительность процесса;

— низкая (на  20,0–40,0%) материалоемкость и энергоемкость процесса;

— минимальный уровень остаточных сварочных напряжений и деформаций свариваемых конструкций.

Применение лазерных технологий позволяет получать плоские секции с  минимальными деформациями, гарантированного качества и  с  требуемыми геометрическими параметрами, выгодно отличающихся от  секций, изготовленных дуговыми методами сварки.

Для изготовления сварных конструкций сложной геометрии в АО «ЦТСС» был разработан роботизированный комплекс для лазерной резки и сварки конструкций в различных пространственных положениях (рисунок 7). Применение данного оборудования позволит снизить суммарные затраты на  постройку корпусов до  30%, повысить производительность труда изготовления корпусных конструкций не менее чем в 1,1 раза при одновременном снижении сварочных деформаций по сравнению с традиционными способами дуговой сварки корпусных конструкций не менее чем в 1,4 раза.

Традиционные методы сварки вертикальных стыков металла большой толщины предполагают высокий уровень тепло-вложения в  сварную конструкцию, что, как правило, влечет за  собой снижение прочностных и  вязкопластических свойств зоны сварного соединения. В связи с этим разработка новых методов, обеспечивающих узкие и  глубокие зоны проплавления, высокие скорости сварки, снижение количества введенной в  металлоконструкцию энергии является актуальной. Одним из таких методов является гибридная лазерно-дуговая сварка плавящимся электродом (ЛДС ПЭ).

В ходе экспериментов также были сварены вертикальные стыки образцов из судостроительной стали высокой прочности толщиной 48  мм с  Х-образной разделкой кромок. Величина притупления составляла 24  мм. Сварка притупления осуществлялась гибридной лазерно-дуговой сваркой. Внешний вид образца перед сваркой притупления и макроструктура поперечного сечения сварного шва представлены на рисунке 8.

Данная технология в настоящее время отрабатывается на  макете технологического комплекса для вертикальной сварки, который является развитием сварочного автомата «Вертикаль» и предназначен для сварки вертикальных швов листов толщиной до 80 мм.

Разработанные АО «ЦТСС» лазерные технологии изготовления судостроительных и  машиностроительных конструкций и  новаторские технические решения защищены патентами РФ [6,7,8,9]. Применение комплекса передовых лазерных технологий позволит выйти на качественно новый уровень производительности труда и качества изготовления конструкций.

Дальнейшим направлением работ научного центра в  области развития лазерных технологий в РФ будет внедрение инновационных лазерных технологий и оборудования на производственных площадках предприятий судостроительной и  машиностроительной отрасли. Первым этапом реализации данной программы можно считать успешное внедрение и ввод в  промышленную эксплуатацию в  апреле 2015  года комплекса лазерной резки «РИТМ–МАЛАЗЕР» на АО «Центр Судоремонта Звездочка» Филиал Астраханский Судоремонтный завод.

Литература

1. Левшаков В. М.,  Стешенкова Н. А., Носырев Н. А. Опыт  разработки  промышленных лазерных технологий изготовления судокорпусных конструкций «Вестник технологии судостроения и  судоремонта» № 21 2013 С.47–49.

2. Frank Roland, Luciano Manzon, Penttli Kujala, Markus Brede, Jan Weitzenbock Advanced Joining Techniques  in European Shipbuilding//Journal of Ship Production. Vol.20, No. 3, August 2004, pp. 200–210

3. D. K. Sarma, AGM, ESAB India limited, Chennai Hybrid Laser Welding: Process Advantages and Application for Shipbuilding//ESAB Global publications

4. Лопота В. А.,  Сухов Ю. Т.,  Туричин Г. А. Компьютерное моделирование лазерной сварки для применений в  технологии//Изв. РАН. Сер. физ. T. 61, № 8. 1997. C. 1613.

5. Туричин Г. А.,  Цибульский И. А.,  Кузнецов М. В. Перспективы  внедрения  лазерно дугового процесса для сварки металлов больших толщин//Ритм. –2010. Вып. 10. С. 28–31.

6. Патент РФ № 118937 на полезную модель Установка для сборки набора с  полотнищем//АО «ЦТСС», зарегистрирован 10.08.2012 г.

7. Патент РФ № 2483848 на изобретение Способ изготовления ребристых панелей//АО «ЦТСС», зарегистрирован 10.06.2013 г.

8. Патент РФ №  2460665  С1  на  изобретение Способ изготовления цилиндрической вставки для судна с  двойным корпусом и  поворотное устройство для его осуществления//АО «ЦТСС»

9. Патент РФ №  151703  на  полезную модель Автомат для вертикальной лазернодуговой сварки//АО «ЦТСС», зарегистрирован 19.03.2015 г.

В. К. Букато,

нач. лаборатории лазерных

технологий в судостроении, АО ЦТСС;

Н. А. Носырев,

инженер-технолог 1 категории,

АО ЦТСС;

Н.А Афанасьев,

ведущий инженер-технолог,

АО ЦТСС;

А. Г. Жмуренков,

инженер-технолог 2 категории,

АО ЦТСС