激光焊接技术在船舶制造中的应用和前景

激光焊接技术在船舶制造中的应用与前景陈飞摘要:本文介绍了激光焊接技术的原理、特性，结合船舶本身的加工和应用特点，阐述了激光焊接技术在船舶制造中的应用具有良好的发展前景，展示了无限发展潜力。关键词：激光焊接、船舶制造、应用、前景2009年10月，本人有幸赴欧洲船厂进行考察，通过与德国IMG公司激光焊接领域专家的技术交流和现场参观，初步了解了当前激光焊接技术在海洋工程及船舶制造领域的发展和应用情况，在此作简单介绍。一激光焊接技术概要激光焊接是材料加工技术应用的重要方面之一。20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属于热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。高功率激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域的应用日益广泛。据了解，激光焊接具有焊接能量密度高，可精确控制，穿透能力强，焊缝的深宽比大，热输入量低，焊接变形小，可利用不同焊接保护气进行焊接等优点，被认为是21世纪的焊接新热点。然而，由于激光聚焦后的光斑直径小，对被焊接工件的装配间隙要求很高，因此，在造船上应用激光焊接难度很大。据悉，目前，世界上仅有德国、美国等欧美国家应用激光焊接技术建造船舶，其中德国尤为领先，在激光发生器、激光焊接装置等方面做了很多研究工作。1、激光焊接原理：激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用，金属吸收激光转化为热能使金属熔化后冷却结晶形成焊接。激光焊接的机理有两种：（1）热传导焊接当激光照射在材料表面时，一部分激光被反射，一部分被材料吸收，将光能转化为热能而加热熔化，材料表面层的热以热传导的方式继续向材料深处传递，最后将两焊件熔接在一起。（2）激光深熔焊当功率密度比较大的激光束照射到材料表面时，材料吸收光能转化为热能，材料被加热熔化至汽化，产生大量的金属蒸汽，在蒸汽退出表面时产生的反作用力下，使熔化的金属液体向四周排挤，形成凹坑，随着激光的继续照射，凹坑穿入更深，当激光停止照射后，凹坑周边的熔液回流，冷却凝固后将两焊件焊接在—起。2、激光焊接的主要特性与其它传统焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：（1）速度快、深度大、变形小。被焊接工件变形极小，几乎没有连接间隙，焊接深度/宽度比高，因此焊接质量比传统焊接方法高。（2）相比传统焊接，激光焊能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接装置简单。例如，激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能穿过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。（3）激光聚焦后，功率密度高，焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。由于熔深大,在造船中无需翻身即可获得良好的焊接接头，同时焊接边缘坡口角度小，小体积焊缝还能节省填充材料。（4）可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。（5）激光束易实现光束按时间与空间分光，从而能进行多光束同时加工及多任务位加工，这为更精密、更微型的船舶部件焊接提供了条件。但是，激光焊接也存在着一定的局限性：（1）要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝窄，若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾。（2）激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资较大。二、激光焊接技术在海洋工程、船舶配套等领域的应用据了解，在欧洲，激光焊接技术在海洋工程、船舶配套等领域得到了广泛应用。比如：（1）海洋工程设备的阀门密封圈焊接（合金复合材料），直径2~2.5m，常规焊接时间需要12小时，在真空状态下采用CO2激光焊接7分钟即可解决。效果明显，无热变形。（2）潜艇上高强度钢的激光切割和焊接。（3）油气管线的焊接。板厚15mm左右，采用内焊，激光焊接。据了解，俄罗斯至德国的油气管线制作采用激光焊接。（4）大功率燃气机叶轮焊接，直径2~2.5m，12%铬合金材料，在西门子和西屋公司均广泛采用。（5）大型低速机活塞缺陷通过激光焊接修补。低速机活塞部件一般运行4000~5000h后需要修复。使用涂铬激光焊修补工艺，覆盖层2mm，使用寿命可延长2~3倍。（6）螺旋桨空泡的修复。船舶螺旋桨长期和空气、水接触后，端头、侧面易产生空泡现象，影响推进效率。采用激光焊接在空泡位置上进行修补，和常规焊接相比较分析，修后抗空泡能力大大提高。有了激光焊接，船体设计人员在选用螺旋桨时不需考虑更多空泡的影响。另外激光焊接使结构件变形小，焊缝美观，在建筑领域也开始应用。三、激光焊接技术在船舶制造中的应用与前景在20世纪90年代中期，激光作为一种重工业制造工具用于造船工业。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革，焊接方法、工艺和设备也稳步发展，从早先的气焊、电弧焊，发展到激光焊。造船技术的不断发展，带动了造船材料和船舶设计的重大变化。当前，欧洲一些大型船厂已大量采用激光加工技术，即激光切割和大功率（10KW）激光焊接技术，并进行大功率光纤激光工业加工设备的开发。而大功率激光制造技术在我国造船工业中的应用尚属空白。1、为什么造船要使用激光焊接？船舶制造中，钢板从储存、运输到下料切割、装配焊接等一直是增加变形的过程，特别是焊接，钢板变形影响很大。很多船厂花费大量人力物力用于焊接变形的火工校正工作。据统计，单船焊接费用占到整个船体制造费用的30%以上。现在船东、船检对船舶的质量要求提高，特别是豪华游船，船体外观要求很光顺，而船厂为达到要求花费在此方面的费用很高。而使用激光焊接，速度快，变形小，焊缝窄，光顺美观，节省了大量后续校正工作。激光焊接不仅是制造工艺上的变化，而且也带来了船体结构上的创新和变化。例如，美国在最新建造的新型船舶上广泛使用高强度、低合金钢的T形构件，通过激光焊接技术的采用，令船舶的重量大幅降低。船用复杂结构的激光焊接技术，如“三明治”板、T型和I型结构等，传统焊接方法的热输入量大，易引起工件严重变形、热影响区性能下降等问题；此外“三明治”结构是在两层薄板间加不同形式的撑板来实现整体结构的强度提升和重量减轻，弧焊方法难以完成。采用激光焊接技术可改进船舶设计的理念、减轻船舶的重量、降低船舶制造成本等。在欧洲，激光焊接已应用于护卫舰、轻型巡洋舰、大型游艇的焊接，它能够提高板的有效载荷，满足轻型设计要求，同时具有较高焊接速度。2、激光加工技术在造船工业中应用的优势(1)舰船载重量日益增加，要求使用非常薄的平板，激光焊接避免了加工时的热影响；(2)激光可以采用光纤等灵活的输出方式，因此甲板、船体等大表面尺寸的工件加工可以不受工作台尺寸的影响。(3)加工非接触，速度快，边缘光滑，高度自动化，大大提高效率，降低造船成本及时间。3、激光复合焊在船厂的应用激光束焊通过光纤将能量从激光发射器传输到工件上。而电弧焊则利用大电流，通过电弧弧柱传输能量。激光焊的焊接热影响区非常窄，焊缝的纵横比很高。由于它的聚焦直径很小，激光束焊的焊缝搭桥能力很差。但另一方面，激光束焊的焊接速度非常高。电弧焊的能量密度比较低，因而在工件表面的聚焦的直径比较大，而且焊接速度相对较低。激光复合焊就是将这两种焊接技术(激光焊接和电弧焊接)有机的结合起来，从而获得了优良的综合性能，在提高焊接质量和生产工艺性的同时，改善了成本效益比。目前，激光-复合焊已在汽车工业的应用上成绩斐然，同时在造船工业上这种技术的经济性也是非常诱人的：更高的连接速度，并且可以获得非常好的机械/工艺性能。激光电弧复合焊接技术可提高焊缝搭桥能力，则对间隙较大时的焊接有着重大的意义。复合焊的激光电源可以选配不同的激光源，目前主要研究的是将：CO2激光、光纤激光等与电弧焊工艺的复合。（1）激光焊接工艺激光焊不仅需要很好的激光源，而且需要高质量的激光束，以确保能够获得期望的“深熔深焊接”。高质量的激光束可以实现更小的聚焦直径或更大的焦距。线能量极低，变形量显著减小。与先进的自动化弧焊一样，对于大型工件的激光焊接来说，编程、焊缝跟踪及其它必要的焊接控制系统也是必需的。如果单纯的用激光焊接，其焊缝接头的间隙最大为0.1至0.2mm,然而更宽的间隙需要加入填充金属，通常填充金属的加入可使焊缝搭桥能力达到0.4mm。在工业领域中已有使用12kW的CO2激光源，此时激光的传导通过镜面进行。同时，大功率光纤激光器也已开发和应用。（2）激光复合焊激光复合焊的基本原理：激光束在焊缝顶部向其输入热量，同时电弧也向焊缝输入热量。激光复合焊不是两种焊接方法依次作用于焊接区域，而是同时作用于焊接区域。激光和电弧同时影响焊接的性能。不同的电弧或激光工艺的使用及采用何种工艺参数都会对焊接工艺带来不同的影响效果。在船舶制造中首先必须做到的是焊件间隙较大时有足够的搭桥连接能力，因为在焊接过程中，难免会出现间隙公差大小不一，于是在焊接时调节的参数就比较多，如：激光功率，焊接速度，送丝速度及角度的调整。（3）激光复合焊和大功率光纤传输激光器的应用在造船工业，激光复合焊在欧洲一些船厂已被应用。德国Papenburg的Meyer船厂，采用铣边机和拼板相结合的工艺。拼板流水线基于激光焊接工艺开发，不需要将板翻面，安装了4台12kW的CO2激光器，用于焊接不同长度的船体板材。激光焊接直线尺寸长度在20米以内，厚度在15mm以内的板能达到3.0米/分钟的焊接速度。焊接前，钢板在铣边机上完成边缘加工，以保证良好的装配精度。目前，该厂激光焊接总功率已接近140KW。图1钢板在激光焊接门架上焊接图2激光跟踪器布置在焊接门架上图3激光焊接后的钢板表面2003年，欧盟开展了DockLaser（船坞激光）项目，计划是通过研发用于船舶建造和维修的装配作业区域的激光工艺技术和设备，达到提高生产力和生产质量，改善作业的灵活性和生产工作条件的目的。这些区域的共有特征是焊接工艺的效率低、热输入量大，从而导致焊接变形和对工件油漆表面及舾装部件的损坏。该计划详细说明了船坞作业区的激光工艺的应用实例，需求和目标，开发焊接、切割工艺和设备。操作安全和规范是整套设备工艺的着重点。三个主要的应用领域为：利用行走机构来焊接长直角焊缝，完成自动化焊接大型工件的定位焊，在船舶舾装作业中应用手持操纵激光焊接和切割。2004年，世界上第一台大功率光纤传输激光发生器应用于船厂。该发生器整个尺度、重量均很小，长*宽=0.8*1.46m，高1.5m，重量900kg左右，可移动使用，效率因素大于27%。而早期使用的大功率CO2激光发生器体积比较庞大，重量达到8t，效率因素也只有5%。2005年，激光焊接门架在德国船厂使用，并且同时配备了氩弧焊、CO2气体保护焊和埋弧焊，激光发生器在200m范围内可放置在任何地方。2006年，芬兰AkerFinYard船厂针对豪华游船薄板焊接要求高的特点，将原有的焊接门架改装为激光焊接门架，这是世界上第一家在老的焊接设备上改造成激光焊接。2007年，IMG公司为意大利一船厂设计了激光焊接平面流水线。该线总长600m，最大平面分段16*16m，焊缝长16m，焊接采用激光+气体保护焊以及埋弧焊相结合的工艺。激光复合焊是一种全新的工艺，它最大的优点就是焊接变形小并且减小了焊后处理的工作量，在造船工业有着广泛的用途，尤其是一些激光焊不可能达到或从经济成本上来考虑不能满足其所需的装配公差的场合。当前的研究表明大功率CO2或光纤激光器与电弧焊相结合的激光复合焊工艺可应用于各种板厚的焊接。如此广泛的应用范围和高性能的复合焊工艺使得在当前利润日渐萎缩的形势下竞争力极大的提高，制造时间减少，生产成本降低且生产力大大提高。通过本次考察，了解到结合船舶本身的加工和应用特点，激光技术在船舶制造中的应用具有良好的发展前景，展示了无限发展潜力。造船工业作为劳动密集、资金密集、技术密集的重工业，在我国未来新一轮经济增长中起着重要作用，它也是许多沿海城巿的支柱产业之一，各种先进的造船技术和工艺的推广应用值得期待。例如，采用高强度轻型