La industria de la construcción naval es un actor importante en la soldadura y el corte de metales, siendo sus principales procesos el corte y la soldadura. En los últimos años, la industria ha experimentado una rápida expansión seguida de una repentina contracción.
Según la Asociación de la Industria de Construcción Naval, el ajuste del mercado ha dado lugar a algunos nuevos desarrollos en la industria. Aunque el agregado económico general de la industria de la construcción naval se mantuvo sin cambios, las ganancias disminuyeron hasta cierto punto, pero los pedidos de exportación aumentaron a medida que disminuyó el orden global.
Además, la concentración de la industria de la construcción naval ha seguido aumentando: las diez principales empresas ocupan ahora más del 53,4% del mercado en China. Con una intensa competencia en el mercado, ganancias decrecientes y requisitos de calidad crecientes, la industria de la construcción naval ha puesto mayor énfasis en la calidad de fabricación.
El corte por láser, al ser una tecnología eficiente, ecológica, de alta calidad y precisión, se ha vuelto aún más crucial para promover el desarrollo y la optimización de la industria de la construcción naval. Desempeña un papel crucial en la reducción de peso, la remanufactura, la reducción de costos, la reducción de horas de trabajo, el ahorro de energía y la protección del medio ambiente en la industria de la construcción naval.
Además, el proceso de corte por láser es un método ideal para preparar la placa frontal del barco, alineándose con la tendencia actual de estructuras navales a gran escala, fabricación de precisión y construcción eficiente.
1. Tecnología de corte por láser
(1) Principio de corte por láser
El corte por láser es una técnica de corte térmico común. Funciona mediante el uso de un láser para producir un rayo láser de alta densidad, que luego es enfocado por un grupo de lentes láser sobre la pieza de trabajo. El haz calienta repetidamente el material de la pieza de trabajo, lo que hace que se derrita, se vaporice y forme agujeros rápidamente.
A medida que se produce el corte, un flujo de aire de alta velocidad coaxial con el haz de luz elimina los restos fundidos de la incisión, completando el corte y la separación de la pieza.
Principio de corte por láser
(2) Capacidades de corte por láser
Buena calidad de corte:
El corte por láser ofrece una excelente calidad de corte con su pequeño punto láser y su alta densidad de energía, lo que da como resultado una velocidad de corte rápida y una incisión estrecha y plana. La superficie de corte es lisa y atractiva, con una rugosidad superficial de sólo unas pocas decenas de micrómetros. La precisión dimensional de las piezas cortadas puede alcanzar ±0,05 mm.
La pieza sufre una mínima deformación y tiene una pequeña zona afectada por el calor, lo que la hace muy adaptable y flexible. Esto permite utilizar el corte por láser como paso de procesamiento final, eliminando la necesidad de un procesamiento secundario y reduciendo los costos de procesamiento.
Alta eficiencia de corte:
El corte por láser es altamente eficiente debido a sus características ópticas y de transmisión, que pueden realizarse en una máquina de corte por láser con múltiples mesas de operaciones de control numérico. Además, se puede lograr el corte de múltiples formas y piezas modificando el programa NC, incluido el corte 2D y 3D.
Costos de herramientas reducidos:
El corte por láser se diferencia de los métodos de corte tradicionales porque el soplete de corte no entra en contacto con la pieza de trabajo, lo que elimina la necesidad de cambios de herramienta y reduce el desgaste de la herramienta. El láser se puede ajustar para cortar diferentes espesores o formas de piezas simplemente cambiando los parámetros de salida del láser.
Verde y respetuoso con el medio ambiente:
El corte por láser es un método de procesamiento respetuoso con el medio ambiente y con poco ruido, vibración y sin contaminación. Además es un proceso de bajo impacto que no produce residuos.
Corte rápido de diversos materiales:
El corte por láser se puede realizar en una amplia variedad de materiales, incluidos metales, no metales, materiales compuestos y madera. La velocidad de corte es rápida, con un láser de 4000 W que corta acero con bajo contenido de carbono de 12 mm de espesor con un bisel de 30° a una velocidad de 2200 mm por minuto. Un láser de 6000 W puede cortar acero inoxidable de 8 mm de espesor con un bisel de 22,5° a una velocidad de 1500 mm por minuto.
2. Aplicación de la tecnología de corte por láser en la construcción naval.
(1) Características del corte de barcos
La industria de la construcción naval requiere una alta precisión en la segmentación del casco y la exactitud de la transferencia, y el espacio de transferencia de la estructura debe mantenerse dentro de 1 mm. En el pasado, las empresas de construcción naval utilizaban comúnmente el plasma para cortar costillas, lo que requería un corte manual durante el ensamblaje en el campo debido a las tolerancias de corte establecidas en las costillas para garantizar el espacio libre para el ensamblaje. Una mala calidad de corte daría como resultado un aumento de óxido residual en la ranura de corte, lo que provocaría una mayor carga de trabajo de ensamblaje y una prolongación del ciclo de ensamblaje, afectando todo el ciclo de construcción segmentada.
Sin embargo, el uso de una máquina de corte por láser para eliminar el margen de montaje reduce la necesidad de realizar cortes en el sitio y minimiza el desperdicio de mano de obra y materiales. Esto conduce a un montaje más rápido de la estructura y a una mejor calidad de montaje.
(2) Ventajas de la tecnología de corte por láser en la construcción naval
En los últimos años, la precisión y la construcción naval rápida se han convertido en las principales tendencias en la industria de la construcción naval, y la tecnología de corte por láser se ha desarrollado rápidamente y representa más del 70% de toda la industria de procesamiento por láser. La industria de la construcción naval utiliza principalmente placas de acero como materia prima principal, y las placas de corte por láser pueden reemplazar algunos métodos de troquelado que requieren moldes grandes y complejos, lo que reduce significativamente los ciclos y costos de producción.
En la actualidad, el método de corte de piezas de placas de casco en la industria de la construcción naval implica principalmente corte con llama, corte por plasma, procesamiento de cizalla y corte por láser. Sin embargo, otros métodos de corte tienen varias desventajas en comparación con el corte por láser. Por ejemplo, el corte por llama y por plasma tiene ranuras anchas, baja precisión de corte, produce gases nocivos y causa una contaminación ambiental significativa.
En el corte de tableros, el corte por láser tiene las ventajas de alta precisión, mínima deformación térmica, procesamiento secundario reducido (como fresado, taladrado, etc.), transferencia y rectificado, especialmente para círculos pequeños, agujeros pequeños y superficies curvas. Puede cumplir plenamente con los requisitos de precisión de la transferencia seccional del casco y controlar la separación del conjunto del marco dentro de 1 mm, pero su velocidad de corte práctica para acero es más lenta en comparación con el corte por plasma.
La figura muestra la relación entre la velocidad de corte y el espesor de corte del acero con bajo contenido de carbono con diferentes métodos de corte y el efecto de corte del acero con bajo contenido de carbono con diferentes métodos de corte.
Relación entre la velocidad de corte y el espesor de corte de acero con bajo contenido de carbono en diferentes modos de corte
Efecto de corte del acero con bajo contenido de carbono bajo diferentes métodos de corte.
En la construcción naval, el corte por láser se utiliza para garantizar la holgura de montaje estableciendo un margen de corte en las nervaduras, lo que evita el corte por plasma. Sin embargo, el corte manual produce una calidad de corte desigual.
Cuando se utiliza el corte por láser, se mejora la calidad del corte, lo que da como resultado una buena verticalidad de la superficie de corte, sin escoria, una fina capa de óxido y una superficie lisa. Esto elimina la necesidad de un procesamiento secundario y permite la soldadura directa.
Además, el corte por láser minimiza la deformación térmica, asegurando una alta precisión en el corte curvo. Esto reduce las horas de trabajo de coordinación y permite el corte sin obstáculos de placas de barcos de alta resistencia, lo que reduce la carga de trabajo de ensamblaje, el tiempo de ciclo y los costos de material y mano de obra.
Desvío de huecos estructurales en buques.
(3) Estado de la aplicación de la tecnología de corte por láser en la construcción naval
Actualmente, la tecnología de corte por láser de CO 2 es la tecnología de fabricación y procesamiento más extendida y utilizada a nivel mundial en la industria de la construcción naval.
Sin embargo, la velocidad de corte del láser CO 2 de 5-6 kW comúnmente utilizado no alcanza la del plasma y no cumple con los requisitos actuales de velocidad y eficiencia de la industria de la construcción naval. Además, los elevados costes de mantenimiento de los equipos y la maquinaria, junto con los bajos rendimientos, dificultan la satisfacción de las necesidades de la industria de la construcción naval.
A pesar de sus limitaciones en las aplicaciones de construcción naval, la tecnología de corte por láser se ha ido adoptando gradualmente en el campo.
Además, ha habido nuevos avances en tecnologías de corte y procesamiento relacionadas.
El efecto del corte por láser de CO 2 de 4 kW
En los últimos años, varios astilleros nacionales con sólidas capacidades, como la base de construcción naval de Jiangnan Changxing, han presentado al mundo la avanzada "máquina de corte por láser de CO 2 ".
Sin embargo, la aplicación de la tecnología de las máquinas de corte por láser es más optimista sólo en Japón. Su éxito o fracaso proporciona una experiencia valiosa para la industria naviera nacional.
Con el crecimiento de la fabricación nacional, los láseres de fibra también han experimentado un rápido desarrollo. La alta potencia de los láseres de fibra, combinada con su excelente calidad de haz, alta eficiencia de conversión electroóptica, tamaño compacto y capacidad de transmisión a través de fibras ópticas, proporcionan una mayor flexibilidad de trabajo y prácticamente no requieren mantenimiento y son de alta confiabilidad. Esto desafió la tecnología tradicional de corte por láser de CO 2 .
A medida que la eficacia del corte por láser de fibra en placas gruesas continúa mejorando, muchos fabricantes nacionales de equipos de corte han ingresado o se están preparando para ingresar al mercado del láser de fibra.
Universidades, instituciones y académicos también están estudiando el efecto de corte de los láseres de fibra. Por ejemplo, Jae Sung Shin utilizó un láser de fibra de 6 kW para examinar el rendimiento de corte de láseres de fibra de alta velocidad en placas de acero inoxidable. La velocidad de corte máxima alcanzada fue de 72 mm por minuto y el estudio demostró que el láser de fibra era capaz de cortar placas de acero inoxidable de 60 mm de espesor con una forma de corte y un ancho de ranura excelentes.
Velocidad de corte para cortar chapa de acero inoxidable de 60 mm de espesor
Antti Salminen utilizó un láser de fibra de 5 kW para realizar cortes con láser asistido por gas inerte en placas de acero inoxidable de 10 mm y placas de aluminio de 4 mm. El estudio investigó los efectos de la potencia del láser, la velocidad de corte, la posición del enfoque y la presión del gas auxiliar sobre el rendimiento y la calidad del corte.
La velocidad máxima de corte se determinó a diferentes potencias del láser y se estudió la combinación de varios parámetros de corte para optimizar el rendimiento de corte y obtener cortes de alta calidad.
Para el parámetro de potencia del láser establecido en 4 kW y una velocidad de corte de 1 m por minuto, la figura muestra el efecto de corte en una placa de acero inoxidable de 10 mm de espesor con 2 MPa de nitrógeno.
Placa de acero inoxidable de 10 mm de espesor con potencia láser de 4 kw, velocidad de corte lm/min y nitrógeno de 2 MPa
La potencia de salida de un láser de fibra sobre una placa de acero inoxidable de 10 mm de espesor con una potencia de láser de 4 kW, una velocidad de corte de 1 m/min y una presión de nitrógeno de 2 MPa alcanzó los 50 kW. Actualmente, el desarrollo se centra todavía en los láseres de 1 a 4 kW, y sobre esta base se están desarrollando láseres de 10 kW.
La tecnología láser se industrializó y resolvió problemas de corte y soldadura en la construcción naval, aeroespacial y en la fabricación de automóviles.
La industria de la construcción naval ha utilizado plenamente la tecnología de corte por láser, incorporándola a robots para formar sistemas de corte robóticos. Desde el año 2000, empresas de robótica como KUKA en Alemania, ABB en Suiza y FANUC en Japón han desarrollado una gama de robots láser y robots de corte por láser.
La integración de la robótica y la tecnología láser es la tendencia actual en la industria de la construcción naval y en toda la industria manufacturera.
3. Tendencias y sugerencias de corte por láser en la industria marina.
Como se mencionó anteriormente, la tecnología de corte por láser tiene importantes ventajas en calidad y ha sido ampliamente adoptada en industrias como la automotriz, la de chapa y la de maquinaria.
Actualmente, grandes empresas de construcción naval como Jiangnan Shipyard y Wuhan Shipyard utilizan el corte por láser para procesar chapas de barcos.
Sin embargo, objetivamente hablando, el corte por láser aún no ha dominado la industria de construcción naval nacional por las siguientes razones:
- El coste del corte por láser es mayor que el de los métodos de corte tradicionales.
- La gran escala de los equipos de corte por láser no es adecuada para las características de fabricación de la industria de la construcción naval, como la construcción en el sitio, operaciones segmentadas y entornos de trabajo desafiantes.
- No existe ninguna ventaja significativa en la eficiencia de corte, especialmente para cortar placas gruesas en la industria marina.
- El mantenimiento de los equipos láser es complejo y requiere trabajadores altamente calificados, lo que genera altos costos.
Según el estado actual de la industria, se espera que la tecnología de corte por láser se utilice ampliamente en la construcción naval debido a la caída de los precios del láser y al aumento del nivel de inteligencia. Las siguientes son las principales razones de esto:
(1) Rentable
La reducción de costes es una cuestión crucial en la industria de la construcción naval. En la actualidad, los procesos tradicionales implican múltiples pasos, incluyendo la entrada de la placa, el corte por llama o plasma, el desbarbado artificial, la ranura artificial o la apertura de la máquina de corte por ranura y balancín, el taladro, etc. Sin embargo, si se utiliza el corte por láser, el proceso se puede simplificar a la entrada de la placa y al corte por láser, lo que reduce significativamente el tiempo, la mano de obra y los costos de sitio.
(2) Flexibilidad e inteligencia de los equipos láser.
En los últimos años se ha producido un avance importante en el nivel de inteligencia de los equipos domésticos. Los equipos CNC y basados en robots cuentan con varias tecnologías modulares e inteligentes. Por ejemplo, la línea de producción inteligente de Nantong COSCO Kawasaki puede adaptarse a sistemas de fabricación complejos. Esta adaptabilidad es crucial para la fabricación segmentada, las operaciones externas y los complejos entornos de producción de la industria de la construcción naval.
El proceso juega un papel crucial a la hora de determinar la eficacia del equipo. Por lo tanto, el personal técnico debe monitorear y controlar el proceso de corte mecánico en tiempo real para recopilar y analizar información del proceso. La integración de varios campos y procesos de energía puede simplificar el proceso de corte, mejorar el efecto de corte por láser y reducir el período y el costo de construcción.
(3) Reducción de costos de equipo y mantenimiento.
El rápido desarrollo de la tecnología de fabricación de láseres de fibra de alta potencia y láseres semiconductores y la mejora de la tecnología de procesamiento correspondiente han dado lugar a características de corte precisas, de alta eficiencia y que ahorran energía. Esto satisface la demanda del mercado y la dirección de desarrollo actual de la tecnología de fabricación láser.
Los láseres de fibra y los láseres semiconductores deben industrializarse y comercializarse, y deben desarrollarse y mejorarse los equipos y tecnologías de control correspondientes. El progreso del equipo ha mejorado aún más la integración y la flexibilidad del equipo.
Para los requisitos especiales de la máquina cortadora para el trabajo de placas de popa de barcos y la diversidad de formas de estructuras de cascos, se requieren diseños de optimización de múltiples grados de libertad del cabezal de corte láser, desarrollo de métodos de control de rotación y sistemas de control. También se debe prestar atención a la investigación de aplicaciones de robots y sistemas de detección de visión artificial en el campo del láser para lograr el monitoreo de la trayectoria de corte, el corte de alta precisión y la operación automática no tripulada para mejorar la calidad y la eficiencia de las operaciones.
Un control de calidad de corte eficaz puede reducir los costos de producción y los riesgos de seguridad.
