激光焊接技術在船舶制造中的應用

高澤亮

（葫蘆島意達機械設備制造有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

當前，各國之間大型船舶制造的競爭愈演愈烈。在船舶制造領域中，我國屬于核心國之一，但是想要真正的獨占鰲頭，成為造船強國，還應當積極創新，吸收先進的理念與模式，優化制造環節，提升制造效率。焊接是船舶制造的常用工藝之一，對船舶生產周期與生產成本的影響較大。

1 激光焊接技術

激光焊接技術主要建立在原子受激輻射原理的基礎上，通過對激光材料的受激影響而形成一種激光束，總體呈現強度高、方向強、單色性強三大特征，當聚焦以后，其能量密度的最高值基本在1013W/cm2左右，溫度均高于1萬℃，在瞬間內即可完成光能向熱能的轉化過程。借助于這種激光脈沖，對特定微小區域進行加熱處理，脈沖會逐步將自身熱量向材料內部進行擴散，從而讓材料實現熔化，成為熔池，以此來完成最終的焊接處理。激光焊接技術普遍應用于船舶制造領域，特別是在船身制造方面，用于焊接工藝的地方更多。船用板材與普通機械產品的板材選取有著很大的差異，除了厚度更大以外，在焊縫方面表現更長，所以當焊接以后，往往會出現翹曲變形的問題。而采用激光焊接技術可以有效解決此問題，在降低變形率的同時，還能減少焊縫缺陷問題，而且在工作效率表現方面相比傳統人工焊接更好。

2 激光焊接的基本原理及特點

2.1 激光焊接的基本原理

激光焊接的熱源是以激光為主導。激光光束的構成結構主要為電磁波，電磁波主要表現為單色與相位相干兩大特點。激光束可以將其能量通過聚焦的手段來固定到一個點上，從而大幅度提升工件的功率密度，基本都高于107W/cm2。通常而言，到達此功率密度后，能夠在很短的時間就可以將特定加熱區的金屬物質進行汽化，最終形成匙孔。需要說明的是，匙孔與激光功率密度分布情況有著很大的關聯性。光束可以借助于匙孔的熱性傳導作用來增大熔深程度。激光焊接機理可以概括為兩類：

（1）熱傳導焊接。激光與材料接觸以后會形成兩種結果，其一是激光反射，其二則是激光被吸收。這些已經被吸收進材料的激光是熔化金屬材料的主導力量，材料表面層的熱以熱傳導模式能夠讓這種熱能繼續深入內部，最終完成焊件與焊件的無縫熔接。

（2）激光熔深焊。激光束的功率密度往往較高，當與材料表面進行接觸后，材料會將部分激光束進行吸收，這也是光能向熱能轉化的一個過程，隨后材料將會從熔化形成向汽化形態轉變，進而形成金屬蒸汽。受反作用力影響，當蒸汽溢出以后，金屬液體會由于排擠影響而出現凹坑；當激光繼續保持向凹坑位置進行照射時，其穿入深度會更強；當停止后，凹坑四周的溶液會逐步表現出回流變化，當逐漸冷卻凝固以后可以完成焊件之間的熔接。

2.2 激光焊接的特點

該類焊接的熱源是以激光束為主，激光束呈現高能量、高密度的表現特征，能夠對金屬特定區域瞬間實現熔化并與焊件實現熔接的一種精準高、效率強的方法。該類焊接技術應用領域較廣，包括船舶制造業、汽車制造業、航天業等。與傳統焊接手段相比，激光焊接優勢眾多：第一，激光束功率密度較大，通常密度在106～108W/cm2之間，且深度最大值達到了10比1，擴展了焊材范圍，例如非金屬材料、難焊材料以及異種材料等；第二，采用激光焊接效率高、熱影響區域能夠更好控制、變形率降低等；第三，焊接接頭力學性能表現較佳，焊縫處理完以后外型較好，無需深度清理，且焊縫加工部位的強度與質量也較好；第四，激光焊接系統的靈活性與適應性較強，特別是在遠程控制與自動化制造方面表現更為顯著。但是該類焊接技術也存在相對的弊端，例如預處理條件較高，焊接成本支出較大等。

3 激光焊接技術在船舶制造中的應用

激光焊接的出現讓制造工藝得以不斷創新。特別是船舶制造方面，其創新點主要聚焦于船體結構設計領域，通過創新來降低船重，壓縮制造成本。

3.1 激光-MIG/MAG復合焊在船體結構鋼上的焊接應用

船體結構鋼涉及類型較多，通常包括兩種，其一為一般強度鋼，例如A級，B級,D級等；其二則是高強度鋼，例如DH36級，AH36級以及DH32級等。在船身制造階段中，鋼材使用量有一半左右都為一般強度鋼，并且T型接頭的使用量占據70%左右?，F階段，我國船舶制造使用的焊接手段基本以埋弧焊與電弧焊等為主。但是，隨著船舶制造業的不斷發展，以往的焊接工藝手段已然無法滿足行業的發展要求，于是激光電弧復合焊應運而生，該類技術主要應用在三明治板與T型結構件的焊接處理方面。通過實踐表明，該類焊接對增強電弧穩定性，提升焊接效率與質量等諸多方面都有著積極影響。另外，由于該類焊接工藝具有耦合作用，對以往焊接存在的氣孔、咬邊等問題都得到了很好的解決。具體來說，激光-MIG/MAG復合焊接技術有效增強了焊縫熔深水平，預計同傳統焊接比較增強了0.5～2.5倍。在確保焊縫質量標準完全滿足的情況下，使用相同焊接熱輸入其效率提升1.5倍有余，且焊接缺陷問題很少。焊接熱變形問題也明顯減少，不用再過多支出焊后矯正修復成本。

3.2 激光-電弧復合焊在船用不銹鋼的焊接應用

近幾年，世界各國對海洋工程裝備需求不斷提升，不銹鋼管在船舶制造方面的應用需求越來越高。當前，在海洋鋼結構領域，使用數量最多的不銹鋼管諸如304L與316L等都是以TIG焊為主。此焊接手段表現出的弊端較多，例如粗景區出現概率較大，接頭熱影響區域范圍更廣，從而致使焊完后的部位力學性能不高，抗蝕性能力大打折扣；并且該類焊接手段效率不高，熱變形與應力表現都較強，而且出現咬邊與氣孔等問題較多。而針對304L或316L不銹鋼管運用激光電弧復合焊進行焊接時，確保參數與操作合理，能夠降低焊接變形率，大幅度增強焊縫質量，提升焊接整體效率。

3.3 激光-電弧復合焊在異種材料的焊接應用

在船舶制造領域，使用異種材料的事例越來越多，并且針對此材料焊接應用方面也更加多樣。由于船體部位與結構的不同，因此對各類材料的選擇也就不同，例如有的部位需要韌性強的材料，有的則是需要抗腐蝕能力強的材料等。所以，有必要加強對異種材料焊接工藝的研究深度。當屈服強度符合船用結構鋼強度標準時，由于激光復合焊熱源能量較強，從而增加過渡區熔合比，相較于傳統焊接手段而言，化學成分過渡顯得更為穩定；在顯微組織硬度與母材相似度較高，接頭斷裂處基本聚集在不銹鋼一側。采用激光電弧復合焊對LF6防銹鋁和304不銹鋼異種材料焊接，得到的接頭機械性更強。

4 結 語

自二十一世紀開始，激光焊機技術的應用開始步入快速發展期，在各大領域都表現出了較大的應用前景，特別是汽車重工與船舶制造方面。在西方歐美等發達國家中，激光焊接技術較為成熟，雖然我國在造船行業中名列前茅，但是相比具體的工藝技術方面仍然與西方國家有著很大的差距，所以應當投入更多的資源來改善當前的焊接工藝，從而提升船體焊接的效率與質量。