艦船激光電弧復(fù)合焊的應(yīng)用技術(shù)研究

趙勇杰 莫崇君 韋勇 聶黎軍 黃家勇

摘 ? ?要：提高船舶焊接技術(shù)水平，對縮短艦船建造周期、降低艦船生產(chǎn)成本、提高艦船質(zhì)量具有非常重要的意義。激光-電弧復(fù)合焊是一種非常高效的焊接技術(shù)，可以促進(jìn)艦船高質(zhì)量、高效率建造。本文介紹激光-電弧復(fù)合焊在國內(nèi)外工程化應(yīng)用的現(xiàn)狀，分析其在艦船建造中的優(yōu)勢，突破了其在工程化應(yīng)用中的部分關(guān)鍵技術(shù)，為激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用于船舶建造領(lǐng)域提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：激光-電弧復(fù)合焊;工程化應(yīng)用;艦船建造

中圖分類號：U671.8 ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： Welding technology is closely related to the shipbuilding capacity of shipyards. Improving welding technology is of great significance to shorten the construction period of ships， reduce production costs of ships and improve ship quality. Laser-arc hybrid welding is an efficient welding technology with great development potential， which can guarantee the high-quality and high-efficiency construction of ships. This paper summarizes the application status of laser-arc hybrid welding at domestic and abroad， analyzes the advantages of laser-arc hybrid welding technology in shipbuilding， solves the key technical problems of the laser-arc hybrid welding engineering application， and provides a basis for the application of laser-arc hybrid welding technology in shipbuilding.

Key words： Laser-arc hybrid welding; Engineering application; Shipbuilding Research on application technology of ship laser - arc composite Welding

1 ? ? 前言

焊接技術(shù)是船舶建造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)之一。在艦船建造中，焊接耗費的工時約占船舶建造總工時的三分之一左右。因此，提高焊接技術(shù)水平對于縮短艦船建造周期、降低艦船建造成本、提高艦船建造質(zhì)量具有非常重要的意義。激光-電弧復(fù)合焊是極具發(fā)展?jié)摿Φ母咝Ш附蛹夹g(shù)，相比傳統(tǒng)的焊接模式具有很大的優(yōu)勢，因此受到眾多船舶企業(yè)的高度關(guān)注。

在20世紀(jì)70年代，英國W.Steen教授將激光焊和電弧焊疊加在一起同時焊接一道焊縫，并得到了高質(zhì)量焊縫，由此提出了激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)[2]，其焊接示意圖，如圖1所示。后期的實驗研究發(fā)現(xiàn)，這種模式并不只是簡單疊加了單一激光焊的焊接速度快、熔化深度大、焊接變形小和單一電弧焊的輸入熱量大、母材搭橋?qū)挼忍攸c[1]，更有兩者間的相互作用：激光產(chǎn)生的匙孔可以引導(dǎo)、穩(wěn)定電弧，有利于聚焦能量;而電弧可以稀釋等離子體，減弱等離子體對激光能量的反射和吸收。因此，激光-電弧復(fù)合焊一方面彌補了單一焊接模式的缺點，另一方面還充分利用了兩種焊接模式的各自優(yōu)點[3]，是一種新型的高效復(fù)合焊接模式。目前復(fù)合焊接技術(shù)已經(jīng)開展了廣泛研究，并取得了較大成就，但在企業(yè)生產(chǎn)的工程化應(yīng)用方面還存在諸多問題有待解決。

針對激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在實際生產(chǎn)中的工程化應(yīng)用問題，本文簡要對比了該技術(shù)在國內(nèi)外企業(yè)的工程化應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了該技術(shù)在艦船建造中的優(yōu)勢。以某船舶總裝廠的自動拼板、復(fù)合焊接生產(chǎn)線為例，重點介紹該技術(shù)在工程化應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難題并提出了解決方案，取得滿足船舶標(biāo)準(zhǔn)要求的高質(zhì)量焊縫。

2 ? 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)在國內(nèi)外的工程化應(yīng)用現(xiàn)狀

激光-電弧復(fù)合焊在國外的發(fā)展較為成熟，早在1994年，德國Meyer船廠就開始研究激光復(fù)合焊接工藝的工程化應(yīng)用問題，在2001年底正式投入使用，成為激光復(fù)合焊接生產(chǎn)線應(yīng)用最早、最成功的國家;在丹麥Odense造船廠也配備了一臺集成有機床切割功能的12 kW CO2激光-熔化極氣體保護(hù)焊接設(shè)備，實現(xiàn)了裝配、焊接一體化;德國的Kvaerner Warnow船廠和Kvaerner Masa船廠在老舊淘汰的設(shè)備基礎(chǔ)上改裝了激光-電弧復(fù)合焊設(shè)備并投入生產(chǎn);美國弗克特里船廠建造了一條集激光切割和激光焊接一體化的船板生產(chǎn)線，可以實現(xiàn)12 m×12 m大板的切割、拼裝和焊接;在軍用艦船上，美國已經(jīng)成熟利用CO2激光焊接技術(shù)修復(fù)航空母艦的導(dǎo)架蓋板，并將激光焊接的型材應(yīng)用于反潛輕型巡洋艦的加強肋板和驅(qū)逐艦的防空導(dǎo)彈支架[5]。

國內(nèi)的激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)起步較晚，經(jīng)過近二十年的研究目前已取得了良好成績，并逐步推廣應(yīng)用于汽車工業(yè)、軌道交通、礦山機械等領(lǐng)域。如：徐工集團(tuán)成功開發(fā)了國內(nèi)第一套激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，并用于焊接大型輪式起重機的伸臂縱焊縫;哈爾濱焊接研究院聯(lián)合青島四方機車車輛股份有限公司研發(fā)的激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，成功應(yīng)用于地鐵枕梁和高速列車車體的焊接等[2]。但在我國艦船建造領(lǐng)域，由于設(shè)備昂貴、裝配要求高、工藝復(fù)雜等多種因素影響，激光-電弧復(fù)合焊的工程化應(yīng)用目前還非常稀少。

3 ? 激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)在艦船建造中的優(yōu)勢分析

激光-電弧復(fù)合焊綜合了單一激光焊和單一電弧焊的優(yōu)點，改善了傳統(tǒng)單一焊接的缺點。如：激光束可以增加電弧電離度，引導(dǎo)電弧能量聚焦，改善焊縫成形效果;而電弧焊可以彌補激光焊的裝配精度限制，提高母材的搭橋能力，增加工件裝配間隙的適應(yīng)范圍。兩種焊接方式優(yōu)勢互補，達(dá)到了“1+1>2”的協(xié)同增強效果。在艦船建造中，具體表現(xiàn)出以下幾方面的優(yōu)勢： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）激光-電弧復(fù)合焊的焊縫熔深大、接頭探傷合格率高，可減少質(zhì)量監(jiān)督不可控風(fēng)險;對于較厚板材的焊接，傳統(tǒng)手工弧焊工藝需要采用多層多道焊完成，焊接過程中容易產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷，焊接變形大、焊接效率低，而且焊接質(zhì)量對操作人員的依賴程度高，質(zhì)量穩(wěn)定性不可控;而激光-電弧復(fù)合焊的匙孔效應(yīng)使其具有深熔焊的特點，可實現(xiàn)較厚板材的單道一次性焊接，而且焊接后板材變形小、焊縫質(zhì)量高，提高了焊接效率;

（2）激光-電弧復(fù)合焊的焊接接頭機械性能優(yōu)良，可增強船體結(jié)構(gòu)可靠性。對于船體結(jié)構(gòu)鋼材，由于傳統(tǒng)電弧焊接方式的熱量輸入大，造成熱影響區(qū)寬且晶粒粗大，導(dǎo)致焊接接頭力學(xué)性能差;而激光-電弧復(fù)合焊焊接速度快、能量束集中，得到的焊縫組織致密，所以焊縫的顯微硬度、拉伸強度、沖擊韌性、抗疲勞性均有所提高[6];

（3）激光-電弧復(fù)合焊的可焊材料范圍廣、適用條件寬，具有良好的應(yīng)用普適性。這種復(fù)合焊接模式既可利用激光焊的能量集中、深熔焊的特點，焊接較厚的板材，厚度范圍可達(dá)2～20 mm;也可利用電弧焊的熱輻射區(qū)大、寬熔焊的特點，增加母材的搭橋能力，焊接間隙可達(dá)到0～1 mm;另外，除了適用于船用鋼材以外，還適用于其它有色金屬的焊接（如鋁合金等），拓寬了焊接適用范圍，增加了焊接應(yīng)用場景;

（4）激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)具有高度柔性，易于自動化、智能化。在傳統(tǒng)生產(chǎn)中，船體結(jié)構(gòu)的鋼材從下料、坡口切割、定位裝配、焊接以及焊后的火攻矯正都在不同工位，其中兩個工位間的轉(zhuǎn)置運輸都可能對產(chǎn)品造成變形和損傷，增加了產(chǎn)品的次品率;而激光-電弧復(fù)合焊自動化程度高，易于集成化、數(shù)字化、智能化，利用智能管控系統(tǒng)和物料傳輸系統(tǒng)將傳統(tǒng)各工位串聯(lián)起來，使船體結(jié)構(gòu)用鋼的下料、坡口切割、定位裝配、自動焊接集成在一條生產(chǎn)線上，實現(xiàn)全自動化生產(chǎn)，利用參數(shù)化管理，有利于保證艦船的高質(zhì)量生產(chǎn)。

4 ? ?激光-電弧復(fù)合焊在艦船建造中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

某船舶總裝廠為了提高焊接水平，引進(jìn)了可滿足焊縫長達(dá)8 m的自動拼板、復(fù)合焊接生產(chǎn)線。雖然激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的理論研究在實驗室已取得較大成就，但在工程實際中仍存在較多關(guān)鍵技術(shù)問題，主要體現(xiàn)在薄壁結(jié)構(gòu)長直焊縫的超窄間隙控制、焊縫識別與跟蹤、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化匹配等方面。

4.1 ? 薄壁結(jié)構(gòu)長直焊縫的超窄間隙控制技術(shù)

激光-電弧復(fù)合焊對板材拼裝的裝配要求高，裝配間隙需控制在0～1 mm以內(nèi)，錯邊不得大于板厚的1/10。板材焊縫越長，則拼接間隙和錯邊就越難保證。特別是對于薄壁長焊縫結(jié)構(gòu)，當(dāng)板材達(dá)到數(shù)米長時，板材端面極小的不平整都會使得工件拼接間隙超差，導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定和焊接缺陷產(chǎn)生。例如：意大利的Fincantieri船廠由于板材的拼接面加工達(dá)不到要求，使得焊縫間隙超差，導(dǎo)致引進(jìn)的一條用于平板拼接的激光加工焊接生產(chǎn)線未能成功投入生產(chǎn)[5]。因此，激光-電弧復(fù)合焊的推廣應(yīng)用首先要解決長直焊縫的裝配間隙控制問題。以某船舶總裝廠為例，其在某型艦船上層建筑壁板拼焊過程中，采用了激光切割方式或在焊接之前增加端面銑邊工序來保證端面平齊、間隙穩(wěn)定，同時在薄壁結(jié)構(gòu)吊裝過程中，采用托盤平吊等方式來保證工件平整，從而保證了薄壁構(gòu)件長直焊縫無錯邊、零間隙的焊接工作順利進(jìn)行。

4.2 ? 超窄間隙焊縫識別與跟蹤技術(shù)

超窄間隙焊縫識別與跟蹤技術(shù)，也是實現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊接的關(guān)鍵技術(shù)之一。焊縫跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)工件間隙判斷焊縫位置而進(jìn)行識別跟蹤，當(dāng)拼接間隙小于系統(tǒng)識別極限時，系統(tǒng)就無法識別待焊縫間隙。目前，某艦船總裝廠基本實現(xiàn)了船體薄壁構(gòu)件長直焊縫的零間隙裝配，但因焊縫跟蹤系統(tǒng)識別極限為0.5 mm而導(dǎo)致長直焊縫無法有效識別，使得焊縫偏離。因此，對于超窄間隙的焊縫跟蹤問題，某艦船總裝廠通過對待焊工件待焊接部位加工出0.3～0.5 mm的小倒角以獲得間隙為0.6～1 mm的小坡口來保證焊縫能夠準(zhǔn)確識別，從而保證了焊接順利進(jìn)行。

4.3 ? 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化匹配

雖然激光-電弧復(fù)合焊集成了激光焊和電弧焊的優(yōu)勢，但兩種焊接技術(shù)的糅合導(dǎo)致影響焊接質(zhì)量的因素變得更為復(fù)雜，因此要保證焊接得到高質(zhì)量焊縫，工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配也是關(guān)鍵一步。在焊接過程中，除了需要考慮激光焊的激光功率、離焦量等參數(shù)與電弧焊的電壓、電流、送絲速度、保護(hù)氣體的成分和氣流量等參數(shù)匹配，還要考慮激光焊和電弧焊的耦合作用，如激光焦點和焊絲的距離、激光束與焊絲的位置角度、焊接速度等。因此，艦船總裝廠必須開展不同板材激光-電弧復(fù)合焊工藝優(yōu)化研究，獲得滿足要求的艦船用鋼激光-電弧復(fù)合焊接工藝。

目前，某艦船總裝廠突破了超窄間隙控制、焊縫識別與跟蹤、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化匹配等關(guān)鍵技術(shù)，掌握了船體薄壁結(jié)構(gòu)長直焊縫激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)之后，使用自動拼板、復(fù)合焊接生產(chǎn)線得到的焊縫成形良好、飛濺少、完全焊透、無裂紋和未融合缺陷。經(jīng)理化實驗檢測，焊縫接頭的拉伸、彎曲、沖擊和硬度力學(xué)性能均滿足船用要求。

5 ? ?激光-電弧復(fù)合焊的應(yīng)用前景

由上可見，激光-電弧復(fù)合焊作為一種極具發(fā)展?jié)摿Φ暮附蛹夹g(shù)，具有熱輸入小、焊接熔深大、焊接變形小等優(yōu)點，可實現(xiàn)中薄板（2～12 mm）的單道焊接;與傳統(tǒng)電弧焊相比，焊接速度提高、自動化程度高、受人為因素影響小、焊縫探傷一次合格率高、機械性能優(yōu)良。激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)的成功應(yīng)用，可實現(xiàn)艦船平直外板、甲板、上建外圍壁等結(jié)構(gòu)的高效率高質(zhì)量焊接，確保艦船建造周期，為我國艦船高質(zhì)量、高效率建造提供有力保障。

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