隨著建設海洋強國戰(zhàn)略的加速推進，船舶與海洋工程裝備的研發(fā)制造成為國防建設的重中之重，對高質(zhì)量的海工裝備和艦船建造提出了更高要求。焊接是船舶建造的重要組成部分，其工時量約占船體建造工時總量的1/3，提高焊接工藝技術直接關系船舶建造的質(zhì)量、效率和成本。因此，在船舶建造中應用高效、精密的焊接技術成為未來的發(fā)展趨勢。

激光具有高能量密度、高穩(wěn)定性、高定向性等優(yōu)點，聚焦功率密度達1011W/cm2，可在材料局部集中大量能量，迅速升溫并快速冷卻，成為先進的材料加工技術。但因激光焊接能量轉(zhuǎn)化率較低、適用材料厚度有限、裝配間隙要求高等缺點，限制了其在工程裝備焊接中的推廣應用。激光-電弧復合焊接技術彌補了單一焊接方式的不足，將激光技術與傳統(tǒng)電弧焊接的優(yōu)點有機融合，具有焊接速度快、焊后變形小、熱影響區(qū)窄、殘余應力低、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，擁有廣闊的市場應用前景。

因此，開展激光-電弧復合焊接技術研究對其在船舶與海洋工程的應用具有指導性意義。本文通過研究分析國內(nèi)外激光-電弧復合焊接技術相關文獻，總結了激光-電弧復合焊接方法的工作機理及其在船舶領域工程化應用的情況，旨在分析船舶建造中激光-電弧復合焊接的優(yōu)勢和不足，探討其未來的發(fā)展趨勢和研究方向。

激光-電弧復合焊接技術原理

常用的激光焊接技術包含激光自熔焊接、激光填絲焊接、激光填粉焊接、激光-場耦合焊接和激光復合焊接等。激光復合焊接又稱激光增強焊接，是將激光與其他熱源機制相互協(xié)同、相互促進，改變激光的小孔特征、等離子體強度和電弧挺度，以提高焊接效率、優(yōu)化焊縫組織結構、改善接頭力學性能，獲得“1+1＞2”的組合效果。激光-電弧復合焊接工作原理如圖1所示。

在激光復合焊接技術中激光-電弧復合焊接應用最為廣泛。當激光和電弧兩種熱源的復合反應共同作用于焊接工件時，熔池中金屬蒸汽、等離子體等光致金屬羽輝從匙孔內(nèi)快速溢出與電弧產(chǎn)生耦合。激光在工件表面匯聚斑點吸引電弧，為焊接電弧提升導電通路，壓縮電弧弧根，減小電弧等離子高溫區(qū)范圍，增強電弧方向性、電弧穩(wěn)定性和熱流密度。引入電弧熱源可有效解決激光光束聚焦范圍小的問題，大幅擴大焊接熱作用范圍，提高焊接橋接能力。通過調(diào)節(jié)激光和電弧的復合作用區(qū)域，可提高工件裝配間隙的容忍度，降低裝配的精度要求，減少焊接工件邊緣的加工量，改善焊后表面成型質(zhì)量。同時，外加電弧的等離子密度低，稀釋了激光等離子體的濃度，從而降低入射激光的阻力，可提高激光的利用率，使作用于焊接工件的有效能量增加，為實現(xiàn)高效焊接提供關鍵技術支撐。

此外，在激光-電弧復合焊接過程中激光束振蕩作用可促進熔池產(chǎn)生湍流，提升氣泡遷移速率，降低焊縫氣孔生成率；加入焊絲填充可調(diào)整焊縫合金成分，減少焊縫未熔合、咬邊等缺陷的產(chǎn)生。

船舶常用激光-電弧復合焊接技術的類型

激光-電弧復合焊接為激光與電弧兩種熱源的協(xié)同組合，依據(jù)組合熱源的不同類型可分為激光-鎢極氬弧焊復合熱源焊接（激光-TIG）、激光-熔化極氣體保護焊復合熱源焊接（激光-GMAW）和激光-等離子弧焊復合熱源焊接（激光-PAW）等，其中激光-GMAW（MIG/MAG）、激光-TIG是船舶工業(yè)制造中研究的熱點。

激光-GMAW復合熱源焊接技術

激光-GMAW復合熱源焊接技術將激光與熔化極氣體保護焊熱源相結合，電弧熱源包括CO2焊、MAG焊、MIG焊等。熔化極氣體保護焊電弧在激光光束作用下可深入匙孔內(nèi)部增加焊縫熔深，并通過加熱母材與稀釋激光等離子體濃度提升能量利用率和激光傳輸效率，降低焊接接頭裂紋傾向與氣孔率，改善焊縫成型，提升力學性能，適用于船用高強鋼、不銹鋼及鋁合金等材料焊接。激光-GMAW復合焊接相比單激光焊接具有能量吸收率高、冷卻速率小、間隙容限大、搭橋能力強、焊接缺陷少等優(yōu)點，相比電弧焊接具有焊接效率高、熱影響區(qū)窄、焊縫熔深大、試件變形小等優(yōu)點，應用于中厚板的智能焊接優(yōu)勢明顯，是當前應用最廣泛、性價比最高的復合焊接技術。

激光-TIG復合熱源焊接技術

激光-TIG電弧復合焊接將激光與鎢極氬弧焊熱源結合，通過激光等離子體穩(wěn)定氬弧焊電弧，避免電弧漂移，引入電弧提高了焊接搭橋能力，降低了拼板裝配的精度要求。在焊接過程中，激光作用于試件上產(chǎn)生電離能較低的金屬蒸汽，可降低電弧通道中的電阻，增大電流密度。同時，激光產(chǎn)生的熱散射電子將電弧壓縮在匙孔中，改善了材料的激光吸收率，提高了激光的能量利用率。激光-TIG復合焊接相較于其他復合熱源焊接技術采用更低的能量密度和焊接速率，焊接穩(wěn)定性好、熱影響范圍窄、焊縫熔深大，焊縫金屬晶粒細化，擁有優(yōu)良的接頭力學性能，常用于船舶鋁鎂合金、不銹鋼等難焊金屬的焊接。

激光-電弧復合焊接技術在船舶制造中的應用

隨著工業(yè)發(fā)達國家對新型焊接技術的不斷研究與深入探索，激光-電弧復合焊接技術以其獨特的優(yōu)勢迅速擴展到航空航天、船舶海工、汽車裝備、機械零件制造等領域，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α＜す夂附蛹夹g在工業(yè)生產(chǎn)中的應用程度已經(jīng)成為衡量各國工業(yè)制造水平的重要標志。

激光-電弧復合焊接技術在船舶制造中的應用現(xiàn)狀

國外激光-電弧復合焊接技術發(fā)展成熟，在船舶制造中已獲得廣泛應用。早在1994年，Meyer船廠就開展激光復合焊接技術的工程應用研究，于2001年底成功投產(chǎn)集板材邊緣加工、精準定位和焊接過程控制的高度智能化生產(chǎn)線，應用于大型船舶構件的生產(chǎn)制造，使德國成為激光復合焊工業(yè)化應用最早的國家；丹麥Odense船廠配備了1臺12kW的CO2激光-熔化極氣保焊設備，集成機床的切割功能，實現(xiàn)了工業(yè)生產(chǎn)裝、焊一體化；美國弗克特里船廠同樣采用激光切割和焊接一體化的設計方案，建造了一條實現(xiàn)12m×12m大規(guī)格板材切割、裝配、焊接的智能化生產(chǎn)線；美國GE公司研發(fā)了1套大功率激光復合焊接系統(tǒng)，應用于“福特”號航空母艦建造，大幅縮短了建造周期，降低了焊材用量；美國還將激光焊接成熟應用于艦艇的加強肋板與導彈支架的型材焊接制造和航母導架蓋板的修復工程中；日本川崎重工則在低碳鋼板和不銹鋼板上開展激光復合焊接研究，實現(xiàn)了15mm厚度的板材焊接。

國內(nèi)激光-電弧復合焊接技術發(fā)展較晚，經(jīng)過二十多年的研究已獲得較大突破。2018年，中集來福士集團研發(fā)了一條激光-電弧復合焊接生產(chǎn)線，開啟了國內(nèi)船舶領域的首次應用；2020年，中船集團716研究所與725研究所合作研發(fā)的大功率生產(chǎn)線投入生產(chǎn)。國內(nèi)船舶制造企業(yè)滬東中華和渤海造船廠等專門成立了激光復合焊接工作站。2021年，廣船國際有限公司采用世界領先的大功率激光與智能機器人焊接工藝，打造占地45000m2、總長390m的智能薄板分段車間，實現(xiàn)了巨型船體薄板分段的流水線制造，效率為傳統(tǒng)制造方式的2.4倍，該工藝已被廣泛應用于各型豪華客滾船及汽車滾裝船建造。上海外高橋造船廠引進了德國IMG的激光復合焊接系統(tǒng)，開展自主調(diào)試與工藝研發(fā)，成為國內(nèi)首家實現(xiàn)激光復合焊接在大型生產(chǎn)流水線上應用認證的制造企業(yè)，并成功應用于中國首艘國產(chǎn)大型郵輪“愛達·魔都號”的生產(chǎn)制造。

激光-電弧復合焊接技術在船舶建造中的應用優(yōu)勢

在船舶建造中，激光復合焊接技術主要應用于上建壁板、船體甲板、平直外板、骨架及加強壁板等船舶結構焊接，焊接對象包括船體結構鋼、船用高強鋼、不銹鋼及鋁鎂合金等，并可實現(xiàn)窄間隙焊接、薄板及異種材料連接，有效改善結構變形、提高焊接效率、穩(wěn)定焊接質(zhì)量，對于推動船舶工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展起到極其重要作用。

激光-電弧復合焊接技術在船舶建造上的應用優(yōu)勢主要表現(xiàn)為以下幾個方面：

（1）焊接效率高，焊縫熔深大。采用傳統(tǒng)電弧焊工藝焊接船體結構對焊工技能依賴較高，特別對于中厚板材焊接，需分多層多道完成，焊接效率低，且焊縫中極易形成層間未熔合、夾渣、氣孔等焊接缺欠。激光-電弧復合焊接通過激光光束作用可深入匙孔內(nèi)部增加焊縫熔深，實現(xiàn)中厚板一次焊接成型，焊接效率高，焊縫質(zhì)量穩(wěn)定。（3）焊接變形小，接頭性能好。船舶結構的電弧焊接工藝熱輸入量較大，熱影響范圍廣，焊縫及粗晶區(qū)組織粗大，焊接應力集中，工件顯著變形，降低焊接接頭的性能穩(wěn)定性和結構平直度。激光-電弧復合焊接通過激光束作用壓縮電弧弧根，縮小電弧等離子高溫區(qū)范圍，焊縫及熱影響區(qū)組織致密，工件變形小，接頭力學性能與疲勞斷裂性能良好。（3）可焊材料多，適用范圍廣。激光-電弧復合焊接結合了激光焊接的間隙窄、能量大與電弧焊接的熔焊寬、橋接強等優(yōu)點，一次焊接厚度覆蓋2～20mm，裝配間隙低至0～1mm，除可焊接鋼材外，還可適用于鋁鎂合金、鎳基合金、鈦基合金等材料焊接。（4）集成程度高，智控效果好。在船舶建造中，結構拼接需經(jīng)歷板材下料、坡口加工、裝配定位、焊接及矯形等多道工序，工序銜接復雜，流轉(zhuǎn)周期長，質(zhì)量控制難。激光-電弧復合焊接技術適配船舶智能控制系統(tǒng)，可通過工業(yè)以太網(wǎng)與生產(chǎn)線上的其他設備聯(lián)接，實現(xiàn)數(shù)控加工、智能拼裝與高效焊接一體集成，保障船舶高質(zhì)量建造。

激光-電弧復合焊接技術在船舶建造中面臨的挑戰(zhàn)

雖然激光-電弧復合焊接在船舶工業(yè)生產(chǎn)中的應用越來越廣泛，但在其焊接過程中受到溫度場、流場及應力場等多種疊加作用，焊接接頭中熱傳導過程極其復雜，兩種熱源之間的復合作用還受到眾多工藝參數(shù)的影響，在實際應用中仍存在著較多的問題亟待解決。例如，對于長焊縫的薄板船體結構復合焊接，拼板坡口面較小的錯位都會導致裝配間隙超差，影響焊接過程的穩(wěn)定性，形成一定范圍的焊接缺欠；在高速焊接過程中，容易產(chǎn)生咬邊、駝峰、裂紋、未熔合及氣孔等缺陷；進行窄間隙坡口焊接時，電弧出現(xiàn)攀升、偏擺等失穩(wěn)現(xiàn)象易導致起弧位置發(fā)生變化，引發(fā)電弧偏轉(zhuǎn)，坡口側(cè)壁受熱不均，產(chǎn)生未熔合缺陷；在焊接搭接工件時，因工件之間存在間隙，容易在間隙處形成缺陷，降低接頭強度；對于中厚板復合焊接，激光致細長小孔的動態(tài)行為更為復雜，孔壁熱力分布難以調(diào)控，參數(shù)可調(diào)范圍變窄，降低了焊接熔池穩(wěn)定性，熔透焊背面成型的質(zhì)量問題突出。對于窄間隙智能焊接過程，系統(tǒng)自動識別和智能跟蹤效果欠佳，難以保障焊接質(zhì)量。

此外，目前國內(nèi)核心激光-電弧焊接系統(tǒng)均來自進口，設備成本高、維護難度大，僅國有大型企業(yè)配備相應生產(chǎn)線，極大制約了國內(nèi)激光復合焊接技術的推廣應用。

船舶激光-電弧復合焊接技術的發(fā)展趨勢

激光焊接技術從單一的熱傳導激光發(fā)展為多種熱場耦合的復合焊接技術，工藝水平日趨成熟，應用領域逐步擴展。隨著大功率激光器的發(fā)展與高性能電弧焊工藝的研發(fā)，船舶激光-電弧復合焊接技術未來發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：

（1）高效化：高性能半導體激光器、高功率固體激光器、高質(zhì)量光纖激光器和碟片激光器等先進激光器技術高速發(fā)展，萬瓦級大功率激光技術日趨成熟，激光-電弧復合焊接技術正朝著高效率、高質(zhì)量焊接方向發(fā)展，逐步突破中厚板高效焊接等工程應用難題。（2）智能化：通過引入先進的電子信息、自動控制、傳感檢測等技術，提升拼板加工、自動焊接、無損檢測等過程的智能識別與實時跟蹤技術，實現(xiàn)對焊接制造過程的精確控制和實時反饋，提高船舶建造的焊接效率和質(zhì)量管控水平。（3）集成化：在工業(yè)以太網(wǎng)基礎上，運用計算機數(shù)據(jù)分析、精準控制等信息化手段，將焊接機器人與生產(chǎn)線上的其他設備進行聯(lián)接、調(diào)試和優(yōu)化，實現(xiàn)數(shù)控加工、智能拼裝及高效焊接等功能集成。（4）環(huán)保化：在綠色低碳循環(huán)發(fā)展理念的引領下，船舶焊接將更加注重環(huán)保與節(jié)能，采用低污染、低能耗的焊接材料和制造工藝，減少碳排放成為未來船舶工業(yè)制造發(fā)展的必然趨勢。

轉(zhuǎn)自：光學與半導體綜研

來源：熱加工工藝《船舶激光-電弧復合焊接技術的研究進展》

注：文章版權歸原作者所有，本文內(nèi)容、圖片、視頻來自網(wǎng)絡，僅供交流學習之用，如涉及版權等問題，請您告知，我們將及時處理。