船舶制造，激光讓電弧升華
船舶是水上運(yùn)輸和作業(yè)的重要交通工具，因其成本低、污染小且十分便捷，廣泛應(yīng)用于貿(mào)易、物流、客運(yùn)等行業(yè)。對(duì)于現(xiàn)代船舶制造而言，焊接技術(shù)是不可或缺的，每個(gè)制造環(huán)節(jié)都存在大量的焊接工序。不論是觀光郵輪還是傳統(tǒng)貨運(yùn)船舶在建造方面大同小異，甲板層數(shù)多，艙室多是其主要特點(diǎn)。建造中既要盡量增加甲板層數(shù)，又要減輕上層建筑重量以保證船舶航行的穩(wěn)定性，因此船舶的甲板和壁板以平直薄板和中厚板為主，這就要求船舶的焊接工作有較高的質(zhì)量和精度來(lái)保證船體航行的安全性及線型的光順度和美觀性，以及甲板和艙壁板的平整度。
圖1傳統(tǒng)工藝造船現(xiàn)場(chǎng)
國(guó)內(nèi)主流船廠針對(duì)船舶上層建筑分段片體的制造大都采用埋弧焊的方式進(jìn)行焊接，之后再采用弧焊對(duì)扶強(qiáng)材進(jìn)行焊接。弧焊焊接速度慢，熱輸入量大，造成船體結(jié)構(gòu)焊接后產(chǎn)生較大的熱變形，焊后的校平工作需要耗費(fèi)大量時(shí)間。雖然有部分船廠提出了焊前增加反變形，焊中控制焊接順序或施加強(qiáng)制約束等方式來(lái)控制焊接變形，但同時(shí)也增加了額外的時(shí)間和成本。因此，船舶制造領(lǐng)域急需一種新的技術(shù)來(lái)提高其整體制造精度和效率。
隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光焊接憑借其高效率、熱輸入小、變形小、高深寬比、無(wú)接觸等優(yōu)勢(shì)已開(kāi)始在各行各業(yè)深入應(yīng)用。但單激光焊接也存在一些不足之處。單激光焊接雖然可通過(guò)增加激光能量密度來(lái)提升焊接熔深，實(shí)現(xiàn)中厚板的焊接；但激光能量密度增大的同時(shí)會(huì)加劇母材的氣化和飛濺，導(dǎo)致焊縫表面成形變差，無(wú)法滿足船舶等行業(yè)的焊縫表觀質(zhì)量的要求。另外，單激光焊接是依靠激光能量熔化母材實(shí)現(xiàn)板材的連接，因此對(duì)工件的裝配間隙要求很高，間隙過(guò)大會(huì)導(dǎo)致焊接無(wú)法順利進(jìn)行，而船舶制造用板因其板料長(zhǎng)度幅面大，裝配中不可避免會(huì)存在較大的間隙，因此單激光焊接的方式在船舶制造中的應(yīng)用受限。
圖2激光電弧復(fù)合焊原理
針對(duì)船舶制造行業(yè)的材料特點(diǎn)，我們將激光與傳統(tǒng)電弧相結(jié)合，組合為一種新的焊接工藝——激光電弧復(fù)合焊，激光方面配備萬(wàn)瓦級(jí)高功率激光器，以適應(yīng)船舶行業(yè)的板材厚度，弧焊機(jī)選擇與激光焊接系統(tǒng)高度適配的焊接型號(hào)，兩者優(yōu)勢(shì)合一，具有焊接變形小、效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定，同時(shí)具有更好的裝配間隙容忍度，并利用焊絲填充焊縫，改變焊縫形貌，完美適配了船板焊接場(chǎng)景。
圖3華工激光萬(wàn)瓦級(jí)激光復(fù)合焊接平臺(tái)
我司承接了某船廠的船板激光電弧復(fù)合焊工藝開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，針對(duì)船用5-10mm中厚板，通過(guò)大量工藝試驗(yàn)與檢測(cè)分析，對(duì)各厚度船板進(jìn)行激光復(fù)合焊接工藝研究，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)5-10mm船板拼焊單面焊雙面成形和T形焊縫雙面焊，工件焊前均無(wú)需開(kāi)坡口，焊縫成形飽滿、美觀、均勻一致，無(wú)不良缺欠，焊接強(qiáng)度高，滿足船級(jí)社焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，獲取了船板中厚板激光電弧復(fù)合焊工藝規(guī)范和工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。
圖4 10mm船板焊縫宏觀形貌
通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，采用激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)之后，船板焊接變形大幅減小，在不考慮預(yù)置反變形的前提下，5mm船板拼焊焊接變形為0.3mm/m，10mm船板拼焊變形僅0.7mm/m，而同厚度材料采用MAG焊焊接時(shí)，5mm船板焊接變形量達(dá)到1.0mm/m，而10mm船板焊接變形量達(dá)到了3mm/m。同時(shí)，采用激光復(fù)合焊工藝，復(fù)焊接效率可達(dá)到傳統(tǒng)焊接效率的3~5倍，在同等板厚材料、同種接頭形式下，焊接同等長(zhǎng)度的焊縫，由于激光復(fù)合焊無(wú)需開(kāi)坡口，焊絲使用量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)焊接，由于船舶制造焊接工序繁多，焊絲使用量巨大，若全部工序均采用激光電弧復(fù)合焊，每制造一艘船舶，至少可節(jié)約30%的焊絲成本。
圖5 10mm船板結(jié)構(gòu)焊接效果圖
我司目前擁有多個(gè)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接柔性加工試制平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)5-20mm中厚板的高質(zhì)量、高效激光焊接，與傳統(tǒng)焊接相比，在焊縫質(zhì)量、變形控制、焊接效率及成本節(jié)約方面均有著巨大優(yōu)勢(shì)。不僅在船舶制造，在工程機(jī)械、軌道交通、礦山機(jī)械等領(lǐng)域，激光焊接憑借著其獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，有著廣泛的應(yīng)用空間，我司憑借強(qiáng)大的激光加工設(shè)備平臺(tái)及豐富的工藝積累，為各行業(yè)客戶提供最具性價(jià)比的中厚板焊接解決方案。
