随着建设海洋强国战略的加速推进，船舶与海洋工程装备的研发制造成为国防建设的重中之重，对高质量的海工装备和舰船建造提出了更高要求。焊接是船舶建造的重要组成部分，其工时量约占船体建造工时总量的1/3，提高焊接工艺技术直接关系船舶建造的质量、效率和成本。因此，在船舶建造中应用高效、精密的焊接技术成为未来的发展趋势。 激光具有高能量密度、高稳定性、高定向性等优点，聚焦功率密度达1011W/cm2，可在材料局部集中大量能量，迅速升温并快速冷却，成为先进的材料加工技术。但因激光焊接能量转化率较低、适用材料厚度有限、装配间隙要求高等缺点，限制了其在工程装备焊接中的推广应用。激光-电弧复合焊接技术弥补了单一焊接方式的不足，将激光技术与传统电弧焊接的优点有机融合，具有焊接速度快、焊后变形小、热影响区窄、残余应力低、易实现自动化等优点，拥有广阔的市场应用前景。 因此，开展激光-电弧复合焊接技术研究对其在船舶与海洋工程的应用具有指导性意义。本文通过研究分析国内外激光-电弧复合焊接技术相关文献，总结了激光-电弧复合焊接方法的工作机理及其在船舶领域工程化应用的情况，旨在分析船舶建造中激光-电弧复合焊接的优势和不足，探讨其未来的发展趋势和研究方向。 激光-电弧复合焊接技术原理 常用的激光焊接技术包含激光自熔焊接、激光填丝焊接、激光填粉焊接、激光-场耦合焊接和激光复合焊接等。激光复合焊接又称激光增强焊接，是将激光与其他热源机制相互协同、相互促进，改变激光的小孔特征、等离子体强度和电弧挺度，以提高焊接效率、优化焊缝组织结构、改善接头力学性能，获得“1+1＞2”的组合效果。激光-电弧复合焊接工作原理如图1所示。
在激光复合焊接技术中激光-电弧复合焊接应用最为广泛。当激光和电弧两种热源的复合反应共同作用于焊接工件时，熔池中金属蒸汽、等离子体等光致金属羽辉从匙孔内快速溢出与电弧产生耦合。激光在工件表面汇聚斑点吸引电弧，为焊接电弧提升导电通路，压缩电弧弧根，减小电弧等离子高温区范围，增强电弧方向性、电弧稳定性和热流密度。引入电弧热源可有效解决激光光束聚焦范围小的问题，大幅扩大焊接热作用范围，提高焊接桥接能力。通过调节激光和电弧的复合作用区域，可提高工件装配间隙的容忍度，降低装配的精度要求，减少焊接工件边缘的加工量，改善焊后表面成型质量。同时，外加电弧的等离子密度低，稀释了激光等离子体的浓度，从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，为实现高效焊接提供关键技术支撑。 此外，在激光-电弧复合焊接过程中激光束振荡作用可促进熔池产生湍流，提升气泡迁移速率，降低焊缝气孔生成率；加入焊丝填充可调整焊缝合金成分，减少焊缝未熔合、咬边等缺陷的产生。 船舶常用激光-电弧复合焊接技术的类型 激光-电弧复合焊接为激光与电弧两种热源的协同组合，依据组合热源的不同类型可分为激光-钨极氩弧焊复合热源焊接（激光-TIG）、激光-熔化极气体保护焊复合热源焊接（激光-GMAW）和激光-等离子弧焊复合热源焊接（激光-PAW）等，其中激光-GMAW（MIG/MAG）、激光-TIG是船舶工业制造中研究的热点。 激光-GMAW复合热源焊接技术 激光-GMAW复合热源焊接技术将激光与熔化极气体保护焊热源相结合，电弧热源包括CO2焊、MAG焊、MIG焊等。熔化极气体保护焊电弧在激光光束作用下可深入匙孔内部增加焊缝熔深，并通过加热母材与稀释激光等离子体浓度提升能量利用率和激光传输效率，降低焊接接头裂纹倾向与气孔率，改善焊缝成型，提升力学性能，适用于船用高强钢、不锈钢及铝合金等材料焊接。激光-GMAW复合焊接相比单激光焊接具有能量吸收率高、冷却速率小、间隙容限大、搭桥能力强、焊接缺陷少等优点，相比电弧焊接具有焊接效率高、热影响区窄、焊缝熔深大、试件变形小等优点，应用于中厚板的智能焊接优势明显，是当前应用最广泛、性价比最高的复合焊接技术。 激光-TIG复合热源焊接技术 激光-TIG电弧复合焊接将激光与钨极氩弧焊热源结合，通过激光等离子体稳定氩弧焊电弧，避免电弧漂移，引入电弧提高了焊接搭桥能力，降低了拼板装配的精度要求。在焊接过程中，激光作用于试件上产生电离能较低的金属蒸汽，可降低电弧通道中的电阻，增大电流密度。同时，激光产生的热散射电子将电弧压缩在匙孔中，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复合焊接相较于其他复合热源焊接技术采用更低的能量密度和焊接速率，焊接稳定性好、热影响范围窄、焊缝熔深大，焊缝金属晶粒细化，拥有优良的接头力学性能，常用于船舶铝镁合金、不锈钢等难焊金属的焊接。 激光-电弧复合焊接技术在船舶制造中的应用 随着工业发达国家对新型焊接技术的不断研究与深入探索，激光-电弧复合焊接技术以其独特的优势迅速扩展到航空航天、船舶海工、汽车装备、机械零件制造等领域，展现出巨大的发展潜力。激光焊接技术在工业生产中的应用程度已经成为衡量各国工业制造水平的重要标志。 激光-电弧复合焊接技术在船舶制造中的应用现状 国外激光-电弧复合焊接技术发展成熟，在船舶制造中已获得广泛应用。早在1994年，Meyer船厂就开展激光复合焊接技术的工程应用研究，于2001年底成功投产集板材边缘加工、精准定位和焊接过程控制的高度智能化生产线，应用于大型船舶构件的生产制造，使德国成为激光复合焊工业化应用最早的国家；丹麦Odense船厂配备了1台12kW的CO2激光-熔化极气保焊设备，集成机床的切割功能，实现了工业生产装、焊一体化；美国弗克特里船厂同样采用激光切割和焊接一体化的设计方案，建造了一条实现12m×12m大规格板材切割、装配、焊接的智能化生产线；美国GE公司研发了1套大功率激光复合焊接系统，应用于“福特”号航空母舰建造，大幅缩短了建造周期，降低了焊材用量；美国还将激光焊接成熟应用于舰艇的加强肋板与导弹支架的型材焊接制造和航母导架盖板的修复工程中；日本川崎重工则在低碳钢板和不锈钢板上开展激光复合焊接研究，实现了15mm厚度的板材焊接。 国内激光-电弧复合焊接技术发展较晚，经过二十多年的研究已获得较大突破。2018年，中集来福士集团研发了一条激光-电弧复合焊接生产线，开启了国内船舶领域的首次应用；2020年，中船集团716研究所与725研究所合作研发的大功率生产线投入生产。国内船舶制造企业沪东中华和渤海造船厂等专门成立了激光复合焊接工作站。2021年，广船国际有限公司采用世界领先的大功率激光与智能机器人焊接工艺，打造占地45000m2、总长390m的智能薄板分段车间，实现了巨型船体薄板分段的流水线制造，效率为传统制造方式的2.4倍，该工艺已被广泛应用于各型豪华客滚船及汽车滚装船建造。上海外高桥造船厂引进了德国IMG的激光复合焊接系统，开展自主调试与工艺研发，成为国内首家实现激光复合焊接在大型生产流水线上应用认证的制造企业，并成功应用于中国首艘国产大型邮轮“爱达·魔都号”的生产制造。 激光-电弧复合焊接技术在船舶建造中的应用优势 在船舶建造中，激光复合焊接技术主要应用于上建壁板、船体甲板、平直外板、骨架及加强壁板等船舶结构焊接，焊接对象包括船体结构钢、船用高强钢、不锈钢及铝镁合金等，并可实现窄间隙焊接、薄板及异种材料连接，有效改善结构变形、提高焊接效率、稳定焊接质量，对于推动船舶工业高质量发展起到极其重要作用。 激光-电弧复合焊接技术在船舶建造上的应用优势主要表现为以下几个方面： （1）焊接效率高，焊缝熔深大。采用传统电弧焊工艺焊接船体结构对焊工技能依赖较高，特别对于中厚板材焊接，需分多层多道完成，焊接效率低，且焊缝中极易形成层间未熔合、夹渣、气孔等焊接缺欠。激光-电弧复合焊接通过激光光束作用可深入匙孔内部增加焊缝熔深，实现中厚板一次焊接成型，焊接效率高，焊缝质量稳定。（3）焊接变形小，接头性能好。船舶结构的电弧焊接工艺热输入量较大，热影响范围广，焊缝及粗晶区组织粗大，焊接应力集中，工件显著变形，降低焊接接头的性能稳定性和结构平直度。激光-电弧复合焊接通过激光束作用压缩电弧弧根，缩小电弧等离子高温区范围，焊缝及热影响区组织致密，工件变形小，接头力学性能与疲劳断裂性能良好。（3）可焊材料多，适用范围广。激光-电弧复合焊接结合了激光焊接的间隙窄、能量大与电弧焊接的熔焊宽、桥接强等优点，一次焊接厚度覆盖2～20mm，装配间隙低至0～1mm，除可焊接钢材外，还可适用于铝镁合金、镍基合金、钛基合金等材料焊接。（4）集成程度高，智控效果好。在船舶建造中，结构拼接需经历板材下料、坡口加工、装配定位、焊接及矫形等多道工序，工序衔接复杂，流转周期长，质量控制难。激光-电弧复合焊接技术适配船舶智能控制系统，可通过工业以太网与生产线上的其他设备联接，实现数控加工、智能拼装与高效焊接一体集成，保障船舶高质量建造。 激光-电弧复合焊接技术在船舶建造中面临的挑战 虽然激光-电弧复合焊接在船舶工业生产中的应用越来越广泛，但在其焊接过程中受到温度场、流场及应力场等多种叠加作用，焊接接头中热传导过程极其复杂，两种热源之间的复合作用还受到众多工艺参数的影响，在实际应用中仍存在着较多的问题亟待解决。例如，对于长焊缝的薄板船体结构复合焊接，拼板坡口面较小的错位都会导致装配间隙超差，影响焊接过程的稳定性，形成一定范围的焊接缺欠；在高速焊接过程中，容易产生咬边、驼峰、裂纹、未熔合及气孔等缺陷；进行窄间隙坡口焊接时，电弧出现攀升、偏摆等失稳现象易导致起弧位置发生变化，引发电弧偏转，坡口侧壁受热不均，产生未熔合缺陷；在焊接搭接工件时，因工件之间存在间隙，容易在间隙处形成缺陷，降低接头强度；对于中厚板复合焊接，激光致细长小孔的动态行为更为复杂，孔壁热力分布难以调控，参数可调范围变窄，降低了焊接熔池稳定性，熔透焊背面成型的质量问题突出。对于窄间隙智能焊接过程，系统自动识别和智能跟踪效果欠佳，难以保障焊接质量。 此外，目前国内核心激光-电弧焊接系统均来自进口，设备成本高、维护难度大，仅国有大型企业配备相应生产线，极大制约了国内激光复合焊接技术的推广应用。 船舶激光-电弧复合焊接技术的发展趋势 激光焊接技术从单一的热传导激光发展为多种热场耦合的复合焊接技术，工艺水平日趋成熟，应用领域逐步扩展。随着大功率激光器的发展与高性能电弧焊工艺的研发，船舶激光-电弧复合焊接技术未来发展趋势主要有以下几个方面： （1）高效化：高性能半导体激光器、高功率固体激光器、高质量光纤激光器和碟片激光器等先进激光器技术高速发展，万瓦级大功率激光技术日趋成熟，激光-电弧复合焊接技术正朝着高效率、高质量焊接方向发展，逐步突破中厚板高效焊接等工程应用难题。（2）智能化：通过引入先进的电子信息、自动控制、传感检测等技术，提升拼板加工、自动焊接、无损检测等过程的智能识别与实时跟踪技术，实现对焊接制造过程的精确控制和实时反馈，提高船舶建造的焊接效率和质量管控水平。（3）集成化：在工业以太网基础上，运用计算机数据分析、精准控制等信息化手段，将焊接机器人与生产线上的其他设备进行联接、调试和优化，实现数控加工、智能拼装及高效焊接等功能集成。（4）环保化：在绿色低碳循环发展理念的引领下，船舶焊接将更加注重环保与节能，采用低污染、低能耗的焊接材料和制造工艺，减少碳排放成为未来船舶工业制造发展的必然趋势。 转自：光学与半导体综研 来源：热加工工艺《船舶激光-电弧复合焊接技术的研究进展》 注：文章版权归原作者所有，本文内容、图片、视频来自网络，仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。 |
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