隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的加速推進(jìn)，船舶與海洋工程裝備的研發(fā)制造成為國(guó)防建設(shè)的重中之重，對(duì)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(shí)量約占船體建造工時(shí)總量的1/3，提高焊接工藝技術(shù)直接關(guān)系船舶建造的質(zhì)量、效率和成本。因此，在船舶建造中應(yīng)用高效、精密的焊接技術(shù)成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

激光具有高能量密度、高穩(wěn)定性、高定向性等優(yōu)點(diǎn)，聚焦功率密度達(dá)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(jìn)的材料加工技術(shù)。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(diǎn)，限制了其在工程裝備焊接中的推廣應(yīng)用。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)彌補(bǔ)了單一焊接方式的不足，將激光技術(shù)與傳統(tǒng)電弧焊接的優(yōu)點(diǎn)有機(jī)融合，具有焊接速度快、焊后變形小、熱影響區(qū)窄、殘余應(yīng)力低、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

因此，開(kāi)展激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究對(duì)其在船舶與海洋工程的應(yīng)用具有指導(dǎo)性意義。本文通過(guò)研究分析國(guó)內(nèi)外激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)相關(guān)文獻(xiàn)，總結(jié)了激光-電弧復(fù)合焊接方法的工作機(jī)理及其在船舶領(lǐng)域工程化應(yīng)用的情況，旨在分析船舶建造中激光-電弧復(fù)合焊接的優(yōu)勢(shì)和不足，探討其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)原理

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

在激光復(fù)合焊接技術(shù)中激光-電弧復(fù)合焊接應(yīng)用最為廣泛。當(dāng)激光和電弧兩種熱源的復(fù)合反應(yīng)共同作用于焊接工件時(shí)，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(diǎn)吸引電弧，為焊接電弧提升導(dǎo)電通路，壓縮電弧弧根，減小電弧等離子高溫區(qū)范圍，增強(qiáng)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(wèn)題，大幅擴(kuò)大焊接熱作用范圍，提高焊接橋接能力。通過(guò)調(diào)節(jié)激光和電弧的復(fù)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(shí)，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(shí)現(xiàn)高效焊接提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

此外，在激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中激光束振蕩作用可促進(jìn)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(fù)合焊接技術(shù)的類(lèi)型

激光-電弧復(fù)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(lèi)型可分為激光-鎢極氬弧焊復(fù)合熱源焊接（激光-TIG）、激光-熔化極氣體保護(hù)焊復(fù)合熱源焊接（激光-GMAW）和激光-等離子弧焊復(fù)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(diǎn)。

激光-GMAW復(fù)合熱源焊接技術(shù)

激光-GMAW復(fù)合熱源焊接技術(shù)將激光與熔化極氣體保護(hù)焊熱源相結(jié)合，電弧熱源包括CO2焊、MAG焊、MIG焊等。熔化極氣體保護(hù)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(guò)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(xué)性能，適用于船用高強(qiáng)鋼、不銹鋼及鋁合金等材料焊接。激光-GMAW復(fù)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(qiáng)、焊接缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，應(yīng)用于中厚板的智能焊接優(yōu)勢(shì)明顯，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、性?xún)r(jià)比最高的復(fù)合焊接技術(shù)。

激光-TIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)

激光-TIG電弧復(fù)合焊接將激光與鎢極氬弧焊熱源結(jié)合，通過(guò)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(guò)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(shí)，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(fù)合焊接相較于其他復(fù)合熱源焊接技術(shù)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(xì)化，擁有優(yōu)良的接頭力學(xué)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(fù)合焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

隨著工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)新型焊接技術(shù)的不斷研究與深入探索，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)迅速擴(kuò)展到航空航天、船舶海工、汽車(chē)裝備、機(jī)械零件制造等領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Α＜す夂附蛹夹g(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用程度已經(jīng)成為衡量各國(guó)工業(yè)制造水平的重要標(biāo)志。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用現(xiàn)狀

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

國(guó)內(nèi)激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)發(fā)展較晚，經(jīng)過(guò)二十多年的研究已獲得較大突破。2018年，中集來(lái)福士集團(tuán)研發(fā)了一條激光-電弧復(fù)合焊接生產(chǎn)線(xiàn)，開(kāi)啟了國(guó)內(nèi)船舶領(lǐng)域的首次應(yīng)用；2020年，中船集團(tuán)716研究所與725研究所合作研發(fā)的大功率生產(chǎn)線(xiàn)投入生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)船舶制造企業(yè)滬東中華和渤海造船廠(chǎng)等專(zhuān)門(mén)成立了激光復(fù)合焊接工作站。2021年，廣船國(guó)際有限公司采用世界領(lǐng)先的大功率激光與智能機(jī)器人焊接工藝，打造占地45000m2、總長(zhǎng)390m的智能薄板分段車(chē)間，實(shí)現(xiàn)了巨型船體薄板分段的流水線(xiàn)制造，效率為傳統(tǒng)制造方式的2.4倍，該工藝已被廣泛應(yīng)用于各型豪華客滾船及汽車(chē)滾裝船建造。上海外高橋造船廠(chǎng)引進(jìn)了德國(guó)IMG的激光復(fù)合焊接系統(tǒng)，開(kāi)展自主調(diào)試與工藝研發(fā)，成為國(guó)內(nèi)首家實(shí)現(xiàn)激光復(fù)合焊接在大型生產(chǎn)流水線(xiàn)上應(yīng)用認(rèn)證的制造企業(yè)，并成功應(yīng)用于中國(guó)首艘國(guó)產(chǎn)大型郵輪“愛(ài)達(dá)·魔都號(hào)”的生產(chǎn)制造。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶建造中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

在船舶建造中，激光復(fù)合焊接技術(shù)主要應(yīng)用于上建壁板、船體甲板、平直外板、骨架及加強(qiáng)壁板等船舶結(jié)構(gòu)焊接，焊接對(duì)象包括船體結(jié)構(gòu)鋼、船用高強(qiáng)鋼、不銹鋼及鋁鎂合金等，并可實(shí)現(xiàn)窄間隙焊接、薄板及異種材料連接，有效改善結(jié)構(gòu)變形、提高焊接效率、穩(wěn)定焊接質(zhì)量，對(duì)于推動(dòng)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(fù)合焊接技術(shù)在船舶建造上的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)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(jié)構(gòu)對(duì)焊工技能依賴(lài)較高，特別對(duì)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(fù)合焊接通過(guò)激光光束作用可深入匙孔內(nèi)部增加焊縫熔深，實(shí)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(jié)構(gòu)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(yīng)力集中，工件顯著變形，降低焊接接頭的性能穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)平直度。激光-電弧復(fù)合焊接通過(guò)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(xué)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(fù)合焊接結(jié)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(jié)構(gòu)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(fù)雜，流轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)，質(zhì)量控制難。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)適配船舶智能控制系統(tǒng)，可通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與生產(chǎn)線(xiàn)上的其他設(shè)備聯(lián)接，實(shí)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(fù)合焊接技術(shù)在船舶建造中面臨的挑戰(zhàn)

雖然激光-電弧復(fù)合焊接在船舶工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但在其焊接過(guò)程中受到溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)等多種疊加作用，焊接接頭中熱傳導(dǎo)過(guò)程極其復(fù)雜，兩種熱源之間的復(fù)合作用還受到眾多工藝參數(shù)的影響，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著較多的問(wèn)題亟待解決。例如，對(duì)于長(zhǎng)焊縫的薄板船體結(jié)構(gòu)復(fù)合焊接，拼板坡口面較小的錯(cuò)位都會(huì)導(dǎo)致裝配間隙超差，影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，形成一定范圍的焊接缺欠；在高速焊接過(guò)程中，容易產(chǎn)生咬邊、駝峰、裂紋、未熔合及氣孔等缺陷；進(jìn)行窄間隙坡口焊接時(shí)，電弧出現(xiàn)攀升、偏擺等失穩(wěn)現(xiàn)象易導(dǎo)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(shí)，因工件之間存在間隙，容易在間隙處形成缺陷，降低接頭強(qiáng)度；對(duì)于中厚板復(fù)合焊接，激光致細(xì)長(zhǎng)小孔的動(dòng)態(tài)行為更為復(fù)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(wèn)題突出。對(duì)于窄間隙智能焊接過(guò)程，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和智能跟蹤效果欠佳，難以保障焊接質(zhì)量。

此外，目前國(guó)內(nèi)核心激光-電弧焊接系統(tǒng)均來(lái)自進(jìn)口，設(shè)備成本高、維護(hù)難度大，僅國(guó)有大型企業(yè)配備相應(yīng)生產(chǎn)線(xiàn)，極大制約了國(guó)內(nèi)激光復(fù)合焊接技術(shù)的推廣應(yīng)用。

船舶激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

激光焊接技術(shù)從單一的熱傳導(dǎo)激光發(fā)展為多種熱場(chǎng)耦合的復(fù)合焊接技術(shù)，工藝水平日趨成熟，應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)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(fù)合焊接技術(shù)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）高效化：高性能半導(dǎo)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(jìn)激光器技術(shù)高速發(fā)展，萬(wàn)瓦級(jí)大功率激光技術(shù)日趨成熟，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)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(yīng)用難題。（2）智能化：通過(guò)引入先進(jìn)的電子信息、自動(dòng)控制、傳感檢測(cè)等技術(shù)，提升拼板加工、自動(dòng)焊接、無(wú)損檢測(cè)等過(guò)程的智能識(shí)別與實(shí)時(shí)跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接制造過(guò)程的精確控制和實(shí)時(shí)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(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)分析、精準(zhǔn)控制等信息化手段，將焊接機(jī)器人與生產(chǎn)線(xiàn)上的其他設(shè)備進(jìn)行聯(lián)接、調(diào)試和優(yōu)化，實(shí)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(lǐng)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(lái)船舶工業(yè)制造發(fā)展的必然趨勢(shì)。

轉(zhuǎn)自：光學(xué)與半導(dǎo)體綜研

來(lái)源：熱加工工藝《船舶激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)的研究進(jìn)展》

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