激光焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

高澤亮

（葫蘆島意達(dá)機(jī)械設(shè)備制造有限公司，遼寧 葫蘆島 125000）

當(dāng)前，各國(guó)之間大型船舶制造的競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈。在船舶制造領(lǐng)域中，我國(guó)屬于核心國(guó)之一，但是想要真正的獨(dú)占鰲頭，成為造船強(qiáng)國(guó)，還應(yīng)當(dāng)積極創(chuàng)新，吸收先進(jìn)的理念與模式，優(yōu)化制造環(huán)節(jié)，提升制造效率。焊接是船舶制造的常用工藝之一，對(duì)船舶生產(chǎn)周期與生產(chǎn)成本的影響較大。

1 激光焊接技術(shù)

激光焊接技術(shù)主要建立在原子受激輻射原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)激光材料的受激影響而形成一種激光束，總體呈現(xiàn)強(qiáng)度高、方向強(qiáng)、單色性強(qiáng)三大特征，當(dāng)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(wàn)℃，在瞬間內(nèi)即可完成光能向熱能的轉(zhuǎn)化過(guò)程。借助于這種激光脈沖，對(duì)特定微小區(qū)域進(jìn)行加熱處理，脈沖會(huì)逐步將自身熱量向材料內(nèi)部進(jìn)行擴(kuò)散，從而讓材料實(shí)現(xiàn)熔化，成為熔池，以此來(lái)完成最終的焊接處理。激光焊接技術(shù)普遍應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)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(jī)械產(chǎn)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(xiàn)更長(zhǎng)，所以當(dāng)焊接以后，往往會(huì)出現(xiàn)翹曲變形的問題。而采用激光焊接技術(shù)可以有效解決此問題，在降低變形率的同時(shí)，還能減少焊縫缺陷問題，而且在工作效率表現(xiàn)方面相比傳統(tǒng)人工焊接更好。

2 激光焊接的基本原理及特點(diǎn)

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(dǎo)。激光光束的構(gòu)成結(jié)構(gòu)主要為電磁波，電磁波主要表現(xiàn)為單色與相位相干兩大特點(diǎn)。激光束可以將其能量通過(guò)聚焦的手段來(lái)固定到一個(gè)點(diǎn)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(dá)此功率密度后，能夠在很短的時(shí)間就可以將特定加熱區(qū)的金屬物質(zhì)進(jìn)行汽化，最終形成匙孔。需要說(shuō)明的是，匙孔與激光功率密度分布情況有著很大的關(guān)聯(lián)性。光束可以借助于匙孔的熱性傳導(dǎo)作用來(lái)增大熔深程度。激光焊接機(jī)理可以概括為兩類：

（1）熱傳導(dǎo)焊接。激光與材料接觸以后會(huì)形成兩種結(jié)果，其一是激光反射，其二則是激光被吸收。這些已經(jīng)被吸收進(jìn)材料的激光是熔化金屬材料的主導(dǎo)力量，材料表面層的熱以熱傳導(dǎo)模式能夠讓這種熱能繼續(xù)深入內(nèi)部，最終完成焊件與焊件的無(wú)縫熔接。

（2）激光熔深焊。激光束的功率密度往往較高，當(dāng)與材料表面進(jìn)行接觸后，材料會(huì)將部分激光束進(jìn)行吸收，這也是光能向熱能轉(zhuǎn)化的一個(gè)過(guò)程，隨后材料將會(huì)從熔化形成向汽化形態(tài)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而形成金屬蒸汽。受反作用力影響，當(dāng)蒸汽溢出以后，金屬液體會(huì)由于排擠影響而出現(xiàn)凹坑；當(dāng)激光繼續(xù)保持向凹坑位置進(jìn)行照射時(shí)，其穿入深度會(huì)更強(qiáng)；當(dāng)停止后，凹坑四周的溶液會(huì)逐步表現(xiàn)出回流變化，當(dāng)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(diǎn)

該類焊接的熱源是以激光束為主，激光束呈現(xiàn)高能量、高密度的表現(xiàn)特征，能夠?qū)饘偬囟▍^(qū)域瞬間實(shí)現(xiàn)熔化并與焊件實(shí)現(xiàn)熔接的一種精準(zhǔn)高、效率強(qiáng)的方法。該類焊接技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域較廣，包括船舶制造業(yè)、汽車制造業(yè)、航天業(yè)等。與傳統(tǒng)焊接手段相比，激光焊接優(yōu)勢(shì)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(dá)到了10比1，擴(kuò)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(qū)域能夠更好控制、變形率降低等；第三，焊接接頭力學(xué)性能表現(xiàn)較佳，焊縫處理完以后外型較好，無(wú)需深度清理，且焊縫加工部位的強(qiáng)度與質(zhì)量也較好；第四，激光焊接系統(tǒng)的靈活性與適應(yīng)性較強(qiáng)，特別是在遠(yuǎn)程控制與自動(dòng)化制造方面表現(xiàn)更為顯著。但是該類焊接技術(shù)也存在相對(duì)的弊端，例如預(yù)處理?xiàng)l件較高，焊接成本支出較大等。

3 激光焊接技術(shù)在船舶制造中的應(yīng)用

激光焊接的出現(xiàn)讓制造工藝得以不斷創(chuàng)新。特別是船舶制造方面，其創(chuàng)新點(diǎn)主要聚焦于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，通過(guò)創(chuàng)新來(lái)降低船重，壓縮制造成本。

3.1 激光-MIG/MAG復(fù)合焊在船體結(jié)構(gòu)鋼上的焊接應(yīng)用

船體結(jié)構(gòu)鋼涉及類型較多，通常包括兩種，其一為一般強(qiáng)度鋼，例如A級(jí)，B級(jí),D級(jí)等；其二則是高強(qiáng)度鋼，例如DH36級(jí)，AH36級(jí)以及DH32級(jí)等。在船身制造階段中，鋼材使用量有一半左右都為一般強(qiáng)度鋼，并且T型接頭的使用量占據(jù)70%左右?，F(xiàn)階段，我國(guó)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(yè)的不斷發(fā)展，以往的焊接工藝手段已然無(wú)法滿足行業(yè)的發(fā)展要求，于是激光電弧復(fù)合焊應(yīng)運(yùn)而生，該類技術(shù)主要應(yīng)用在三明治板與T型結(jié)構(gòu)件的焊接處理方面。通過(guò)實(shí)踐表明，該類焊接對(duì)增強(qiáng)電弧穩(wěn)定性，提升焊接效率與質(zhì)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(duì)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(lái)說(shuō)，激光-MIG/MAG復(fù)合焊接技術(shù)有效增強(qiáng)了焊縫熔深水平，預(yù)計(jì)同傳統(tǒng)焊接比較增強(qiáng)了0.5～2.5倍。在確保焊縫質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)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(guò)多支出焊后矯正修復(fù)成本。

3.2 激光-電弧復(fù)合焊在船用不銹鋼的焊接應(yīng)用

近幾年，世界各國(guó)對(duì)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(yīng)用需求越來(lái)越高。當(dāng)前，在海洋鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，使用數(shù)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(xiàn)出的弊端較多，例如粗景區(qū)出現(xiàn)概率較大，接頭熱影響區(qū)域范圍更廣，從而致使焊完后的部位力學(xué)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(yīng)力表現(xiàn)都較強(qiáng)，而且出現(xiàn)咬邊與氣孔等問題較多。而針對(duì)304L或316L不銹鋼管運(yùn)用激光電弧復(fù)合焊進(jìn)行焊接時(shí)，確保參數(shù)與操作合理，能夠降低焊接變形率，大幅度增強(qiáng)焊縫質(zhì)量，提升焊接整體效率。

3.3 激光-電弧復(fù)合焊在異種材料的焊接應(yīng)用

在船舶制造領(lǐng)域，使用異種材料的事例越來(lái)越多，并且針對(duì)此材料焊接應(yīng)用方面也更加多樣。由于船體部位與結(jié)構(gòu)的不同，因此對(duì)各類材料的選擇也就不同，例如有的部位需要韌性強(qiáng)的材料，有的則是需要抗腐蝕能力強(qiáng)的材料等。所以，有必要加強(qiáng)對(duì)異種材料焊接工藝的研究深度。當(dāng)屈服強(qiáng)度符合船用結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由于激光復(fù)合焊熱源能量較強(qiáng)，從而增加過(guò)渡區(qū)熔合比，相較于傳統(tǒng)焊接手段而言，化學(xué)成分過(guò)渡顯得更為穩(wěn)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(cè)。采用激光電弧復(fù)合焊對(duì)LF6防銹鋁和304不銹鋼異種材料焊接，得到的接頭機(jī)械性更強(qiáng)。

4 結(jié) 語(yǔ)

自二十一世紀(jì)開始，激光焊機(jī)技術(shù)的應(yīng)用開始步入快速發(fā)展期，在各大領(lǐng)域都表現(xiàn)出了較大的應(yīng)用前景，特別是汽車重工與船舶制造方面。在西方歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家中，激光焊接技術(shù)較為成熟，雖然我國(guó)在造船行業(yè)中名列前茅，但是相比具體的工藝技術(shù)方面仍然與西方國(guó)家有著很大的差距，所以應(yīng)當(dāng)投入更多的資源來(lái)改善當(dāng)前的焊接工藝，從而提升船體焊接的效率與質(zhì)量。