高效激光电弧复合焊技术在船舶行业的应用及趋势

船舶焊接技术是现代造船模式中的关键技术之一。在船舶建造工程中，焊接工时约占单穿船体建造工时的30%-40%，焊接成本约占船体建造成本的30%-40%。因此，船舶焊接工艺的水平会直接影响船舶建造的周期、生产成本、产品质量。在国内的大多数造船厂中，电弧焊依然是焊接的主要工艺，但电弧焊会带来明显的焊接变形和大量的焊后矫形工作。

随着造船行业和焊接技术不断发展，一种优质高效的焊接技术在船舶工业领域不断得到应用，这就是激光-电弧复合焊。作为当前世界最先进的焊接技术之一，激光电弧复合焊集众多优点于一身：其采用激光与电弧相结合，利用激光深熔能力和电弧的搭桥能力，可真正实现单面焊接双面成型，减少了片体翻身和吊耳的焊接；焊接速度快，焊接质量好，焊接成本低；焊接热影响区小，能够特别有效地控制焊接变形。 该种工艺充分发挥了激光焊和电弧焊的优势，又弥补了各自的不足，达到了“1+1>2”的效果，从而获得优异的综合性能，提高了焊接质量和生产工艺性。

德国 Meyer船厂建造海洋光谱号（Spectrum of the Seas）邮轮

在大型船舶建造中，为了降低船体自重，降低船舶重心，通常在水线以上的舱室使用大量的薄钢板，尤其是在客滚船、滚装船及载人邮轮中，这些船舶使用钢薄板在船舶上层建筑中分隔出上百甚至上千个舱室。如果焊接后的薄板变形程度较高，会对舱室的总体精度及水平度造成严重不良影响，需要大量的装修敷料及装修变更，导致船舶超重，并对内装及安装工程造成巨大影响，因此其对于薄板变形控制有着极高的要求。

传统的电弧焊在薄板焊接过程中存在热输入大、焊接变形大、焊接效率低等问题，使用传统的熔化极气体保护焊焊接5mm厚DH36船用钢后，可以看出在焊接中出现了明显的波浪变形；反之，激光电弧复合焊的最大变形只有弧焊的40%。

而在焊接速度方面，复合焊焊接速度可达到4.2m/min，焊接T型接头也能达到3.9m/min。与之相对比，传统的熔化极气体保护焊，焊接速度往往达不到0.5m/min。所以国外最先将激光-电弧复合焊技术应用到了薄板焊接中，如日本三菱船厂中复合焊分段制造产线。

位于德国Papenburg的Meyer船厂由最初的捕鱼船和引航船制造商逐步转变为集装箱运输船和渡轮，如今已成为拥有百年历史的世界邮轮最顶尖制造商。Meyer船厂在船舶行业的盛誉和技术领航者称谓与其始终把不断改进生产工艺尤其是焊接工艺有着非常重要的关系：早在2000年Meyer就引进了激光复合焊技术并在船舶分段焊接制造上取得应用，其分段最大加工尺寸达到了20m×40m，激光复合焊工艺的应用极大地压缩了船舶建造周期，极高地提升了焊接速度和焊缝深度，并降低了后续费用。

英国劳氏船级社颁发激光电弧复合焊工艺规程

自从开始实施激光-GMAW复合焊以来，整个行业的趋势是朝着使用固体激光器加工更大面积的板材、更大的板材厚度的方向发展。为此，Meyer船舶制造厂一直精心运营其具有顶尖研究实验室的研发部门，并与研究机构例如德国亚琛工业大学ISF焊接和连接研究所（ISF Welding and Joining Institute）进行密切合作。最新的激光-GMAW复合焊设备已被应用于建造豪华邮轮。

这里甲板预制的全自动化生产就是以激光-GMAW复合工艺开发的。基于这种工艺方法，可高质量地完成20m×40m分段的焊接生产，而不需要进行钢板翻身。在甲板预制区内，有两个对接焊工作站，厚度在15mm以内的钢板能达到3m/min的焊接速度。另外，还有两个角接焊接工作站，用于焊接直线尺寸长度在20m以内，厚度在12mm的甲板或围壁板。

Aker Yards船厂在芬兰设有三个造船厂，主要建造邮轮和渡轮，也于2006年12月开始使用激光电弧复合焊技术，在当时现有的板材生产线上改造，增加了该项工艺。意大利的Fincantieri造船厂，使用激光复合焊设备对甲板结构板材进行对接焊。最近，船厂还投资了新的高度自动化板材生产线设备，该设备使用高功率的激光以进行复合焊接。

中集来福士激光电弧复合焊接生产线

丹麦的Odense Steel船坞，不同于上面介绍的其他船厂，主要是建造大型的商业船，特别是大型的集装箱船。Odense Steel船坞于1998年1月，首次用激光焊接工艺进行船用部件焊接，在2000年8月后使用CO2激光-MAG复合焊来生产用于不同分段模块的零件。

大型邮轮被誉为造船行业“皇冠上最耀眼的明珠”，也是目前中国唯一没有攻克的高技术民用船舶产品。其中4-8mm的薄板焊接占到全船焊接总量的80%，中国民用船舶建造领域的主力军—中国船舶集团旗下的上海外高桥造船厂被确定为国内首艘大型邮轮生产商，同样引进了激光复合焊设备，建造了全新的激光制造车间，引进了国内船舶业首套邮轮激光电弧复合焊生产线。

该产线于2018年签订合同，2020年开始设备安装，为保证激光复合焊接的成功应用，上海外高桥联合上海船舶工艺研究所、上海工程技术大学、上海市激光先进制造技术协同创新中心、上海交通大学、LR、ABS、CCS、RINA众多船级社及国内多家科研单位开展了基础理论研究、工艺技术攻关、设备参数预开发、技术标准制定等繁复工作，并成功组建了国内首个专业的激光电弧复合焊焊接调试工艺团队。

该团队于2021年9月份起，开始完全独立承担激光复合焊设备自主工艺开发工作，经过上千次焊接试验，基本掌握了激光电弧复合焊工艺自主开发能力。于2021年12月获得英国劳氏船级社颁发的5mm和10mm对接焊的激光复合焊工艺规程（WPS），成为国内首家在大型流水线上实现激光电弧复合焊应用认证的船舶制造企业。

随后，2022年3月，外高桥造船厂收到了中国船级社（CCS）颁发的6mm和8mm角焊的激光电弧复合焊工艺文件，这是CCS在激光电弧复合焊接领域签发的首个WPS。截至2022年11月，该生产线已完成150片以上实船板架生产工作，并在大型邮轮二号船H1509上进行薄板实船生产，标志着激光电弧复合焊生产线在国产邮轮建造上正式投入应用。

为了解决薄板焊接变形难题，招商重工船厂也与上海外高桥同期引进了德国IMG公司全套的激光复合焊接设备，配备16kW大功率激光器、激光复合焊枪以及双丝MAG焊枪，其建成的激光薄板生产流水线最大处理尺寸达到25m×36m，为全球最大。目前已经掌握了4-25mm板厚激光复合焊接基本参数，完成了4-25mm板厚激光复合焊接工艺评定，焊缝成形、探伤及力学性能满足规范要求，取得了CCS、BV、DNV船级社认可。目前其正在攻克不同板厚十字焊缝拼板焊接工艺，这对铣边的精度、装配以及焊接都有极高的要求，此技术目前仅有德国的Meyer船厂掌握。

由于激光电弧复合焊技术上的先进性和优势，国内的其他船厂也开始使用激光电弧复合焊，中集来福士、中集海洋工程研究院与哈尔滨焊接研究院有限公司、无锡华联科技集团有限公司等联合攻关研发建造的国内首条以激光电弧复合焊接设备为基础的滚装船和特种船智能化生产线于2019年9月正式投产，并应用在渤海轮渡股份有限公司的高端客滚船上。

实现了高强钢20米超长焊缝焊接，工艺稳定性好，内部缺陷控制好，实现了船舶拼板的高质量稳定优异焊接，打破了国外的技术垄断，满足了我国高端船舶制造对自主安全可控的先进焊接设备需求。广船国际也引进了德国IMG的激光电弧复合焊接设备用于智能薄板生产线，集中焊接大量的4-6mm薄板来生产豪华客滚船；渤海造船厂、沪东船厂等均建成了激光电弧复合焊接工作站以提高薄板焊接质量和效率。

国内船厂在2020年前后才开始积极引入德国的焊接装备或自主研发相应装备与产线，这与该项技术的核心装备——激光器的发展趋势息息相关。早年，高端大功率激光器被欧美先进制造强国垄断，国产激光器无论从功率还是稳定性方面都落后于国外同类产品，而且早期国外船厂使用的大都是二氧化碳气体激光器，该类型激光器设备价格高、维护成本高、转换效率低等特点也限制了国内企业的应用。

现在，国内众多企业比如锐科激光、创鑫激光等激光器厂商不断推出焊接用大功率固体激光器，在功率、光束质量和稳定性方面已经与国外产品有一较高下的实力；焊接整体装备制造商如奔腾激光、大族激光、哈焊所等，开始不断创新并根据行业特点推出多款适合国内市场需求的激光电弧复合焊接设备，逐渐填补了我国焊接产业中激光电弧复合焊装备的空白。

比如，锐科激光生产的12kW光纤激光器的激光-电弧复合焊设备，已经顺利实现对板厚6-14mm、焊缝长度4-9m的板材的激光-电弧复合焊对接，解决了弧焊工艺无法解决的单面焊双面成形及背面焊缝熔透的可靠性问题，且使焊接变形减少了50%。需要强调的是其在焊接6-10mm厚度的板材时无需开坡口，大大节约了焊接时间和降低了填充金属的成本。

未来，激光-电弧复合焊技术将在船舶制造行业中得到更多的应用，尤其是一些船体已经开始使用铝合金结构，特别是注重重量的快艇、巡逻船、渡轮等。激光-电弧复合焊能够在焊接铝合金时也有良好的焊接性，尤其焊接超过5mm的厚板，这时单独的激光会因为穿透形成的小孔极不稳定导致焊接成形变差，形成焊接缺陷，电弧复合焊因为电弧的加入，能避免这些缺陷。总而言之，激光-电弧复合焊能够提高生产的自动化率，降低船舶制造成本，大大降低了焊接变形量，焊后修整工作量大大减少，在船舶行业的应用前景相当的广阔。

作者：张培磊（上海工程技术大学教授、博士/博士后导师）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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