船舶制造，激光让电弧升华
船舶是水上运输和作业的重要交通工具，因其成本低、污染小且十分便捷，广泛应用于贸易、物流、客运等行业。对于现代船舶制造而言，焊接技术是不可或缺的，每个制造环节都存在大量的焊接工序。不论是观光邮轮还是传统货运船舶在建造方面大同小异，甲板层数多，舱室多是其主要特点。建造中既要尽量增加甲板层数，又要减轻上层建筑重量以保证船舶航行的稳定性，因此船舶的甲板和壁板以平直薄板和中厚板为主，这就要求船舶的焊接工作有较高的质量和精度来保证船体航行的安全性及线型的光顺度和美观性，以及甲板和舱壁板的平整度。
图1传统工艺造船现场
国内主流船厂针对船舶上层建筑分段片体的制造大都采用埋弧焊的方式进行焊接，之后再采用弧焊对扶强材进行焊接。弧焊焊接速度慢，热输入量大，造成船体结构焊接后产生较大的热变形，焊后的校平工作需要耗费大量时间。虽然有部分船厂提出了焊前增加反变形，焊中控制焊接顺序或施加强制约束等方式来控制焊接变形，但同时也增加了额外的时间和成本。因此，船舶制造领域急需一种新的技术来提高其整体制造精度和效率。
随着激光技术的发展，激光焊接凭借其高效率、热输入小、变形小、高深宽比、无接触等优势已开始在各行各业深入应用。但单激光焊接也存在一些不足之处。单激光焊接虽然可通过增加激光能量密度来提升焊接熔深，实现中厚板的焊接；但激光能量密度增大的同时会加剧母材的气化和飞溅，导致焊缝表面成形变差，无法满足船舶等行业的焊缝表观质量的要求。另外，单激光焊接是依靠激光能量熔化母材实现板材的连接，因此对工件的装配间隙要求很高，间隙过大会导致焊接无法顺利进行，而船舶制造用板因其板料长度幅面大，装配中不可避免会存在较大的间隙，因此单激光焊接的方式在船舶制造中的应用受限。
图2激光电弧复合焊原理
针对船舶制造行业的材料特点，我们将激光与传统电弧相结合，组合为一种新的焊接工艺——激光电弧复合焊，激光方面配备万瓦级高功率激光器，以适应船舶行业的板材厚度，弧焊机选择与激光焊接系统高度适配的焊接型号，两者优势合一，具有焊接变形小、效率高、焊接质量稳定，同时具有更好的装配间隙容忍度，并利用焊丝填充焊缝，改变焊缝形貌，完美适配了船板焊接场景。
图3华工激光万瓦级激光复合焊接平台
我司承接了某船厂的船板激光电弧复合焊工艺开发项目，针对船用5-10mm中厚板，通过大量工艺试验与检测分析，对各厚度船板进行激光复合焊接工艺研究，稳定实现5-10mm船板拼焊单面焊双面成形和T形焊缝双面焊，工件焊前均无需开坡口，焊缝成形饱满、美观、均匀一致，无不良缺欠，焊接强度高，满足船级社焊接质量标准，获取了船板中厚板激光电弧复合焊工艺规范和工艺数据库。
图4 10mm船板焊缝宏观形貌
通过研究发现，采用激光电弧复合焊接技术之后，船板焊接变形大幅减小，在不考虑预置反变形的前提下，5mm船板拼焊焊接变形为0.3mm/m，10mm船板拼焊变形仅0.7mm/m，而同厚度材料采用MAG焊焊接时，5mm船板焊接变形量达到1.0mm/m，而10mm船板焊接变形量达到了3mm/m。同时，采用激光复合焊工艺，复焊接效率可达到传统焊接效率的3~5倍，在同等板厚材料、同种接头形式下，焊接同等长度的焊缝，由于激光复合焊无需开坡口，焊丝使用量远小于传统焊接，由于船舶制造焊接工序繁多，焊丝使用量巨大，若全部工序均采用激光电弧复合焊，每制造一艘船舶，至少可节约30%的焊丝成本。
图5 10mm船板结构焊接效果图
我司目前拥有多个万瓦级光纤激光焊接柔性加工试制平台，可实现5-20mm中厚板的高质量、高效激光焊接，与传统焊接相比，在焊缝质量、变形控制、焊接效率及成本节约方面均有着巨大优势。不仅在船舶制造，在工程机械、轨道交通、矿山机械等领域，激光焊接凭借着其独到的技术优势，有着广泛的应用空间，我司凭借强大的激光加工设备平台及丰富的工艺积累，为各行业客户提供最具性价比的中厚板焊接解决方案。
