激光焊接技术在船舶制造中的发展及应用现状

王 凯，朱加雷，焦向东，王纪兵，蔡源超

（北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）

激光焊接技术在船舶制造中的发展及应用现状

王 凯，朱加雷，焦向东，王纪兵，蔡源超

（北京石油化工学院机械工程学院，北京102617）

激光焊接技术作为激光加工技术的研究热点之一，近年来在船舶制造领域的应用引起各国的广泛关注，随着造船工业对节能高效、低碳环保、生产自动化的发展要求逐步提高，激光焊、激光复合焊等新型焊接工艺得到了飞速发展。介绍激光焊接技术在船舶制造领域的发展及应用现状，分析激光复合焊在船用铝合金、防锈铝，船用T型高强钢及不锈钢的焊接优势，提出深入研究激光复合焊接工艺在船用合金材料焊接应用的必要性。

激光焊接技术；节能高效；激光复合焊接工艺

0 前言

激光焊接技术始于20世纪60年代末，是一种焊接速度快、深宽比大、变形小的新型焊接技术，在德国、美国、日本等发达国家已经进入了工业化应用阶段。目前，激光焊在船舶制造、航空航天、汽车工业等领域已有诸多应用。造船业是激光焊接技术工业应用的重要领域之一。

船身的主要制造工艺就是焊接，由于船用板材厚度大、焊缝长，因此焊后的翘曲变形是造船工艺的主要问题。激光焊接技术可以有效减小焊接变形和焊缝缺陷，再加上近年来大功率连续激光器的发展和应用，激光焊接的钢板厚度、焊缝质量和焊接效率也随之大幅提高。因此，激光焊接技术在船舶制造领域具有广阔的推广发展前景以及经济价值。

1 激光焊接技术在船舶制造中的应用特点

激光焊接技术用于造船业的主要优势就是低畸变制造技术。此外，还能集切割与焊接操作于一体，与其他工业设备搭配灵活，易于实现大批量生产线高度自动化生产。

在船体结构方面，激光焊接技术在船体骨架、带筋船舱壁板、船舱甲板以及船用波纹夹芯板、货轮集装箱等船体结构均有应用，其应用范围如图1所示[1]。在船体材料方面，激光焊接技术可焊材料种类多，热源密度集中，使船体材料的使用范围大大增加。目前，国内外船舶制造应用到的金属材料几乎均可使用激光焊接，包括一般强度船用钢（CCSACCSB CCSCCCSD）、高强度船用钢（AH32DH32AH36EH36 DH40）、铝合金（Al-Mg系列合金的5083、5086等耐蚀合金、Al-Mg-Si系列的6061、6063等T状态合金、船用防锈铝5052、5082等）、不锈钢（304不锈钢、304L、316L、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢等）以及上述异种材料的不同组合的焊接，例如304不锈钢和LF6防锈铝的焊接、304L不锈钢和高强钢AH32的焊接等。

图1 激光焊接技术在船舶制造中的应用示意

激光焊接技术不仅解决了船体异种材料的焊接性问题，并且在焊接质量和加工精度方面均有不同程度的提高，此外其焊接热应力、热变形小，大大降低了焊后整形工作量，提高了加工效率。

2 激光-MIG复合焊在船用铝合金上的焊接应用

国外铝合金材料在船体结构的应用已相当普遍。在美国采用铝合金制造的各种舰船已有2 000多艘，法国、英国等欧洲国家建造的铝合金游艇、科学考察船等约有1 000多艘，日本目前也有将近100多家公司正在建造铝合金游艇、客轮等船体[2]，我国于2005年自主研发建造了全铝合金结构的北海救201号快速救助船，如图2所示。

图2 我国自主研发建造的全铝结构快速救助船

铝合金材料之所以在造船业广泛应用，主要是因为铝合金具有相对密度小、比强度高、耐海水腐蚀性好等优点。其中，应用最为广泛的是5083、5086等5xxx系列防腐铝合金，目前国内主要使用的焊接方法是TIG焊和MIG焊，存在的主要问题有：热输入量大，引起较大的焊接变形；焊接接头和热影响区有较大程度的软化现象，接头强度下降；长焊缝焊接过程的稳定性差；焊接速度慢，生产效率低。为解决上述问题，国外发达国家已建立新型焊接生产线对铝合金船板进行焊接加工。

德国的Aker Warnow Werf船厂与美克伦博格焊接技术研究所对船用铝合金进行了激光-MIG复合焊相关实验研究，实验采用4.4 kW的Nd:YAG激光和MIG焊复合焊接系统，对钢铝混合结构船只中5083铝合金对接和T型接头进行了激光-MIG复合焊接实验，结果表明：相比单纯激光焊，MIG焊接热源的加入稳定了焊接过程，大大减少了焊接变形和焊接应力，提高了焊缝强度，增强了对厚板的焊接能力。焊缝不论在强度、形貌、腐蚀性、焊接热变形各方面均远远高于MIG焊，并且焊接速度达到1.0～2.0 m/min，与传统MIG焊相比，速度提高了3～4倍。Aker Warnow Werf船厂建立的激光焊接系统及生产线如图3所示[3]。

图3 Aker Warnow Werf船厂激光焊接生产线

华中科技大学的王军、余圣甫等人对铝合金薄板的激光-MIG复合焊工艺进行了相关实验研究，实验设备为美国IPG公司YLR-4000型光纤激光器和奥地利Fronius TPS4000型MIG焊机，实验内容包括采用高速摄像和光谱分析的方法对焊接过程的金属等离子形态进行分析，考察激光功率、焊接速度、光丝间距、离焦量等工艺参数对焊缝质量和外观形貌的影响，利用扫描电镜、X射线探伤等实验方法对焊缝微观组织及机械性能进行了系统的实验研究。实验结果表明：光致等离子体和金属蒸汽受激光功率、焊接速度等参数的影响，从一定程度上可以反映熔深大小，对焊接飞溅和气孔率有间接影响；证实了采用激光-MIG复合焊接5754高镁铝合金时，焊缝表面成形美观，无气孔、裂纹等焊接缺陷，焊后变形和应力都很小；焊缝机械性能优良，细化了微观组织，甚至无明显的热影响区，抗拉强度达到220 MPa，几乎与母材强度相同。激光-MIG复合焊接工艺相比于单一MIG焊能够大幅提高焊接效率和焊缝质量，提高焊接过程稳定性，对船用铝合金的工业应用推广具有重要的意义[4]。

3 激光-MIG/MAG复合焊在船体结构钢上的焊接应用

常用的船体结构钢有一般强度钢（A、B、D、E级），高强度钢（AH32、DH32、EH32、AH36、DH36、EH36级）等，其中以T型结构、三明治型结构船用结构件的焊接居多，并且在船身建造过程中，一般强度船体结构钢使用量所占比例约为50%，其中70%的焊接接头是T型接头[5]。船体结构钢在船身大型船板结构，船体龙骨等应用如图4所示。

图4 船用高强钢T型结构件

目前，国内造船企业采用的焊接方式主要有焊条电弧焊、埋弧焊和CO2气体保护焊等传统焊接方法。随着船舶轻量化，制造工业的绿色化、高效化发展，传统焊接方法在焊接速度、焊缝质量及生产成本等方面均不能满足现代船舶制造自动化的发展趋势。激光电弧复合焊在T型结构件、三明治板的焊接应用中，不仅提高了焊接效率，降低了单纯激光焊对工件装配精度要求，而且使高速焊接过程中的电弧更加稳定，焊缝更深、焊接速度及焊缝质量均得到了提高[6]。此外，激光电弧的耦合作用有效改善了单一热源焊接中如烧穿、咬边以及气孔等缺陷[7]。

英国焊接研究所TWI专门为船身结构件开发了激光-MAG复合焊工艺，并对5mm厚度的AH355碳锰钢板进行焊接实验。研究结果表明，激光电弧复合焊的焊接速度大于1.5 m/min，角焊缝尺寸大于3.5 mm，焊缝强度、硬度高于母材强度，且没有裂纹、气孔等焊接缺陷[7]。

英国曼彻斯特大学机械学院的WeiGuo等人在激光加工研究中心（英国）针对超窄间隙激光焊接高强钢工艺进行了相关研究，并选取英国Tata钢铁厂提供的S960和S700两种新型高强钢作为实验材料，这两种钢材在英国广泛应用于海洋装备（海上风力发电、石油勘探、管线铺设）和船舶制造行业中。与传统焊接工艺相比，激光窄间隙焊接高强钢具有速度快、熔透率高和较低的热扭曲等优点，尤其在焊接X80、X100管线钢时优势更为明显[9-10]。在6 mm和8 mm厚S960和13 mm厚S700高强度钢板的多次焊接实验中，成功实现超窄间隙焊接1.2～1.4 mm平行槽焊接，并解决了厚板材料熔化下垂的问题，焊接质量和焊接效率可以通过增加激光功率和送丝速度得到提高，同时接头保持了较好的拉伸强度[10]。

荷兰Lappeenranta科技大学图尔库科学技术研究中心的Anna Unt等人对AH36船用钢T型结构的激光-MAG复合焊接工艺进行了实验研究，实验过程中采用美国IPG公司YLS-10000型光纤激光器，研究光纤直径及焊接速度、送丝速度等工艺参数对焊缝微观组织和机械性能的影响[11]，激光-MAG复合焊接工艺结构如图5所示。实验结果表明，采用600 μm光纤直径的激光束对8 mm厚AH36钢T型接头可实现全熔透焊接，且单面焊双面成型的效果最好。考虑到焊缝根部质量与顶部同样重要，故不同焊接速度需要匹配不同的激光功率和送丝速度，但焊接速度不宜过大，否则接头脆化现象严重，无法满足使用要求。当焊接速度为1.25m/min时，送丝速度不宜超过10.2 m/min，否则即使采用10 kW的激光功率也不能实现全熔透焊。

图5 激光-MAG复合焊接工艺结构

芬兰阿尔托大学的Heikki REMES和 Petri VARSTA教授对激光复合焊高强钢接头焊缝几何形貌对接头机械性能的影响进行了实验研究。实验材料采用芬兰造船常用的RAEX S275高强耐磨CO2激光-MAG复合焊接接头，以焊缝高度、宽度、缺口压力和切口深度为主要实验参数进行研究，结果表明接头几何形貌受焊枪角度影响较大，几何形貌的微小变化引起应力集中系数的变化很大，从而影响了接头的疲劳强度性能；与激光焊相比，激光电弧复合焊减小了应力集中系数受接头形貌尺寸影响的变化范围，容易获得性能良好的焊接接头[12]。

日本的造船业在全球范围居于领先地位。日本中央冶金研究所M.Wahba、大阪大学M.Mizutani、S.Katayama等人对14 mm和17 mm的K36D船用钢板进行了激光电弧复合焊接实验，实验设备采用IPG公司20 kW级光纤激光器和Fronius TPS5000全数字化焊机，采用不同比例的He、Ar和CO2保护气体在不同焊接工艺参数下，分析接头的微观组织和力学性能。焊接接头在冲击试验后高倍扫描电镜下的断口形貌如图6所示，虽然接头的平均冲击韧性148 J小于母材的193 J，但仍高出造船行业标准27 J的最小值要求。焊接接头的金相组织结构如图7所示，可以看出1区母材主要为等轴铁素体和珠光体，2～4区为热影响区（分别为部分重结晶区，重结晶区和粗晶区），5是熔合区。分析焊缝微观组织可知，激光电弧复合焊能够得到较好的船用结构钢接头；除接头顶部和过热区存在少量柱状晶，其他区域均由针状铁素体和马氏体/奥氏体/碳化物成分组成，提高了接头的冲击韧性[13]。

图6 高倍扫描电镜下接头断裂

图7 光学显微镜下接头显微组织

我国在2010年超越韩国成为世界第一造船大国，国内相关研究学者为此付出了不懈努力。在船舶激光焊接技术领域，国内胡连海等人采用CO2激光-MAG复合焊接工艺对14mm厚10Ni3CrMoV钢T型接头进行了连续全熔透焊接实验，如图8所示，激光束与底板成角度8°～10°倾斜入射，MAG焊枪与腹板的角度为45°，焊接时将装置向左旋转45°，模拟船形位置焊接。激光功率12kW，焊接速度1.2 m/min[14]。实验结果表明，角焊缝无未焊透、裂纹等缺陷。显微硬度值在粗晶区最大为355 HV，焊缝质量满足船用要求。

图8 T型结构件焊接示意

上海交通大学的庄凯等人采用德国TRUMPF生产的TLF15000 turbo快速轴流激光器和Kemppi Pro焊机在船用E级钢的焊接实验研究中发现，采用激光-MIG复合焊在焊缝粗晶区产生了大量粒状贝氏体组织，有利于改善接头的低温韧性，其强度和硬度相比于传统焊接工艺也大大增加[15]。

大连理工大学宋秋平等人对船用普碳钢Q235B的激光-MAG复合焊接工艺进行了相关研究，焊接系统采用美国IPG公司的YLS-2000型光纤激光器和德国LORCH公司生产的SpeedPuls焊机进行复合高速焊接实验。实验结果表明，相比于单独MAG焊，激光复合焊接头组织得到明显细化，显微硬度、拉伸强度均有提高，冲击韧性得到明显强化的同时减少了咬边等焊接缺陷，抗疲劳性能明显加强，但断裂韧性方面差异很小[16]。

综合国内外相关学者的研究成果可以看出，激光-MIG/MAG复合焊接技术与传统焊接工艺相比，焊缝熔深增加了0.5～2.5倍，在满足焊缝质量要求前提下，采用相同焊接热输入时，焊接速度至少提高1.5倍，并且无明显焊接缺陷，同时焊接热应力、热变形大幅降低，因而大幅减少焊后矫正变形的时间，节省了建造成本。

4 激光-电弧复合焊在船用不锈钢的焊接应用

随着全球海洋运输船舶，特别是海洋油气钻探和采集平台等海洋工程装备需求的日益增多，不锈钢管在海洋船舶中的应用不断扩大。目前海洋钢结构中，不锈钢管使用较多的是304L、316L、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢等，主要采用TIG焊。这种焊接方法缺点很多，如焊接接头热影响区宽，易出现粗晶区，导致接头的力学性能降低，耐蚀性能下降；其次，TIG焊接效率低，接头热输入量大，热变形、热应力都很大，且容易产生气孔、咬边等缺陷。采用激光-电弧复合焊对304L和316L不锈钢进行焊接，选择合理的焊接参数，可以获得良好的焊缝表面，减小焊接变形，提高焊缝质量和焊接效率。

K.Stelling，H.Schobbert等人采用激光-等离子弧复合焊（LPPAW）对4 mm厚不锈钢板进行了立焊实验，实验材料采用高氮奥氏体不锈钢。实验证明复合焊接过程稳定，采用粉末填充的等离子弧焊能够有效补偿垂直方向焊缝受重力影响引起的不均匀性。在焊接冶金学方面，复合热源改变了奥氏体钢的凝固倾向，有效避免了焊缝的热裂纹敏感性[17]。

北京航空航天大学的李晓辉、汪苏等人发明了旋转双焦点激光-TIG复合焊接工艺，采用美国PRC公司的PRC1500型CO2激光器和TC-300WX4交直流脉冲TIG焊机对304不锈钢板进行焊接实验，实验设备结构如图9所示。该实验分析了激光和电弧参数变化对焊缝质量的影响，结果表明，双焦点激光的旋转可以有效增强激光电弧的耦合作用，稳定焊接过程。与TIG焊相比，双光束旋转激光电弧复合焊明显提高了304不锈钢的焊缝质量和焊接效率；与单光束激光复合焊相比，旋转激光的加入有效增加了激光电弧的耦合效果，使焊接过程更稳定，提高了焊缝质量和焊接效率，对不锈钢的应用推广具有重要意义[18]。

5 激光-电弧复合焊在异种材料的焊接应用

在现代船舶制造中，异种材料的焊接应用越来越广泛，在船体不同部位、不同结构对材料要求不同，如防腐耐蚀、强度韧性、抗疲劳性能等。故研究异种材料焊接技术对船体特殊零部件的连接，船身特殊结构的加工制造具有重要意义。

图9 旋转双焦点激光-TIG复合焊结构

韩国工业技术科学研究所（RIST）的Sung-Min Joo等人采用CO2激光-GMA复合焊接对13 mm厚高强船用钢（AH32）和不锈钢（304L）钢板在不同工艺参数下（焊接速度、焊接电流、电压和光丝间距）进行了相关研究，实验结果表明，屈服强度满足船用结构钢强度要求，因为激光复合焊热源能量集中，深宽比大，可以提高过渡区熔合比，且相比于传统焊接工艺，化学成分过渡较为平缓；在显微组织硬度方面与母材几乎相同；焊接接头的断裂均发生在不锈钢一侧，且抗疲劳强度几乎与不锈钢同种材料焊接强度相同[19]。

大连理工大学的孙彬、赵东升等人采用激光-TIG复合焊对LF6防锈铝和304L不锈钢板焊接工艺特性进行研究，分析焊缝形貌、微观组织、力学性能和断口形貌，得到了铝合金不锈钢薄板异种材料激光复合焊接较为理想的工艺参数，发现不锈钢接头的抗拉强度达到母材的74%，为422 MPa，而铝合金接头抗拉强度约为213 MPa，为母材的83%，断裂方式为韧性断裂，满足造船行业最低强度要求。激光-TIG复合焊接不锈钢和防锈铝得到的焊缝形貌如图10所示，可以看出正面焊缝外观均匀一致，成形美观，同时背面成形也比较好，焊缝完全熔透，未见气孔、裂纹、咬边等明显缺陷，故得出结论：采用激光电弧复合焊对LF6防锈铝和304不锈钢异种材料焊接，得到的接头机械性能更加优良[20]。

6 结论

综合国内外船舶制造业焊接技术的发展现状可以看出，激光焊接技术在欧美发达国家船舶制造行业的应用已经成熟，像德国Meyer Werft造船厂、Fincantieri船厂和Aker Finyards船厂均建立了激光焊接生产线生产大型油轮、海洋船舶。据有关资料显示，Meyer船厂的激光复合焊厚板直焊缝生产线采用4套12 kW级CO2激光-MAG复合焊设备，年均焊缝长度高达400 km，大约比传统焊接建造总成本节约了30%，虽然我国已经跃居世界第一造船大国，但在焊接工艺技术方面还落后于发达国家，要实现从造船大国到造船强国的转变，还需引进和推广使用欧美发达国家的先进激光焊接技术，激光焊接技术在船体的不同部位、不同结构材料应用方面都拥有相当大的发展潜力，未来必将被广泛应用于船舶制造领域。

图10 304L不锈钢激光-TIG复合焊对接焊缝形貌

[1]郭泽亮.激光焊接技术在舰船建造中的应用[J].舰船科学技术，2005，27（4）：81-84.

[2]刘晓莉.船舶制造中铝合金焊接工艺研究[D].上海：上海交通大学，2008.

[3]Ulf Jasnau，Jan Hoffmann，Peter Seyffarth.Nd：YAG-Laser -GMA-Hybrid Welding in Ship-building and Steel Construction[J].Robotic Welding，Intelligence and Automation，2004（299）：14-24.

[4]王军.铝合金光纤激光及其复合焊接的等离子体行为与工艺研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[5]肖炯，胡连海，黄坚.船用钢板T型接头CO2激光-电弧复合焊接工艺与组织分析[J].热加工工艺，2010，39（19）：159-162.

[6]高明，曾晓雁，胡乾午，等.激光-电弧复合焊接咬边缺陷分析及抑制方法[J].焊接学报，2008，29（6）：85-88.

[7]石功奇，David Howse.船用钢结构的激光焊接以及激光-MAG复合焊接[J].电焊机，2007，37（6）：32-39.

[8]Wei Guo，Qiang Liu，Francis Jone A，et al.Comparison of laser welds in thick section S700 high-strength steel manufactured in flat(1G)and horizontal(2G)positions[J].CIRPAnnals-Manufacturing Technology，2015，64（1）：197-200.

[9]Hui-Chi Chena，Andrew J.Pinkertona，Lin Lia，et al.Gapfree fibre laser welding of Zn-coated steel on Al alloy for light-weight automotive applications[J].Materials&Design，2011，32（2）：495-504.

[10]Wei Guo，Dave Crowther，John A.Francis，et al.Processparameter interactions in ultra-narrow gap laser welding of high strength steels[J].Int J Adv Manuf Technol，2016，84（9）：2547-2566.

[11]Anna Unta，Ilkka Poutiainen，Antti Salminen.Influence of Filler Wire Feed Rate in Laser-Arc Hybrid Welding of T-butt Joint in Shipbuilding Steel with differentoptical setups [J].Physics Procedia，2015（78）：45-52.

[12]Heikki Remes，Petri Varsta.Statistics of Weld Geometry for Laser-Hybrid Welded Joints and its Application within Notch Stress Approach[J].Welding in the World，2010，54（7）：189-207.

[13]M Wahba，M Mizutani，S Katayama.Microstructure and Mechanical Properties of Hybrid Welded Joints with Laser and CO2-Shielded Arc[J].Journal of Materials Engineering and Performance，2016，25（7）：2889-2894.

[14]胡连海，黄坚，倪慧峰.10Ni3CrMoV钢T型接头CO2激光焊接工艺与组织[J].中国激光，2011，38（3）：1-6.

[15]庄凯.船用E级钢高功率激光焊接接头组织与韧性的研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[16]宋秋平.船用Q235钢T型结构件的激光-电弧复合高效焊接技术研究[D].辽宁：大连理工大学，2015.

[17]K Stelling，H Schobbert，Kannengiesser Boellinghaus.Vertical-up and-down Laser Plasma Powder Hybrid Welding of a High Nitrogen Austenitic Stainless Steel[J].Welding in the World，2005，49（5）：45-49.

[18]李晓辉，汪苏.304不锈钢旋转双焦点激光-TIG复合焊接[J].北京航空航天大学学报，2008，34（4）：431-433.

[19]Sung-Min Joo，Han-Sur Bang，Si-Young Kwak.Optimization of hybrid CO2laser-GMA welding parameters on dissimilarmaterialsAH32/STS304LusingGrey-basedTaguchi analysis[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2014，15（3）：447-454.

[20]孙彬.船用不锈钢和防锈铝的激光-钨极氩弧复合热源焊接工艺特性研究[D].辽宁：大连理工大学，2013.

Development and application status of laser welding technology in shipbuilding

WANG Kai，ZHU Jialei，JIAO Xiangdong，WANG Jibing，CAI Yuanchao
（School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China）

As one of the highlights in research of the laser processing technology，laser welding technology and its application in the field of shipbuilding caused extensive concern of all countries in recent years.As the requirements of energy saving and high efficiency，low carbon environmental protection and the development of production automation increase gradually in shipbuilding industry，the new welding technology as laser welding and laser-hybrid welding are rapid development.This article introduces the laser welding technology in the application status and development prospects in the field of shipbuilding，mainly introduces the laser welding in marine aluminium alloy，anti-rust aluminum composite，marine high-strength steel of T structure and stainless steel welding，put forward the necessity of further study in laser welding technology and marine alloy composite materials in welding application.

laser welding technology；energy saving and high efficiency；laser-hybrid welding technology

TG456.7

C

1001－2303（2017）02－0058-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.11

2016-08-04；

2016-09-27

国家自然科学基金（51205026）；北京石油化工学院研究生创新活动计划和实践能力训练项目

王 凯（1992—），男，天津人，在读硕士，主要从事激光电弧复合焊接方面的研究。

献

王凯，朱加雷，焦向东，等.激光焊接技术在船舶制造中的发展及应用现状[J].电焊机，2017，47（02）：58-64.