激光-电弧复合焊接及其标准在邮轮中的应用

施佳慧，周瀚森

（中国船级社 上海规范研究所，上海 200135）

0 引言

豪华邮轮设计复杂、建造难度大、造价昂贵。邮轮作为造船业“皇冠上的一颗明珠”，具有较高的附加值。随着中国邮轮消费市场的增加，把握时机进入邮轮的建造领域是船厂转型升级的必由之路。邮轮与传统货运船舶在建造方面最大的区别在于庞大的上层建筑工作量。邮轮上层建筑舱室繁多，其钢板较薄，厚度多为4～6 mm，在焊接过程中如何有效控制薄板焊接变形、提高焊接效率与质量是邮轮制造的关键问题。

目前上层建筑分段片体的制作大都采用埋弧焊拼板，之后采用气体保护焊对扶强材进行焊接。埋弧焊热输入量大，薄板拼板的焊后变形较大，焊后需要花大量的时间去校平。虽然也有制造厂对此提出了一些反变形措施，但同时也增加了额外的时间和成本。相对于普通埋弧焊，单电源双丝埋弧焊具有热输入量低和焊接变形小的特点。有船企采用单电源双细丝埋弧焊对8 mm板进行焊接，可一定程度减少焊接变形，但是对于邮轮上更薄的板未做相关研究。此外，也有船企采用双丝熔化极活性气体保护焊对邮轮5 mm薄板进行焊接试验及优化，焊缝力学性能满足船级社规范要求，该方法可提高焊接效率，但对焊接变形未给出相关的分析。扶强材的角焊缝目前仍采用气体保护焊，部分制造厂采用自动焊接设备，可一次性焊接多条扶强材，有效提高了焊接效率，但焊接变形问题依然存在。

1 激光-电弧复合焊接技术在邮轮制造中的应用

1.1 激光-电弧复合焊接特点

随着激光技术的发展，激光焊接也开始走出实验室，用于现场焊接制造中。激光能量密度高，可实现大熔深焊接，其高效且焊接变形量小的特点是其他焊接方法望尘莫及的。采用激光进行焊接的方式有多种，主要包括激光自熔焊、激光填丝焊和激光-电弧复合焊。由于没有填充材料，激光自熔焊的焊缝会存在咬边、下凹、焊缝高低不平和气孔等缺欠。激光填丝焊通过填充焊丝可有效解决上述问题，同时可调整焊缝化学成分以获得优良的力学性能。然而，在进行激光填丝焊时，激光的部分能量作用于焊丝，降低了激光的使用效率，会对深熔焊的熔深产生不利影响。此外，在采用单纯激光作为热源时，由于光斑的照射半径非常小，对于工件的装配精度要求非常高，若装配间隙较大则不能获得优质焊缝。船舶拼板焊缝较长，装配间隙难以控制，激光自熔焊与激光填丝焊对于装配间隙要求高，用于船舶结构板拼焊也有很大局限。相对来说，激光-电弧复合焊接更适用于船舶结构的薄板焊接。激光-电弧复合焊结合了激光与电弧的特点，在减小焊接变形的同时具有更好的装配间隙容忍度。激光-电弧复合焊接12 m长的船板，焊接速度可达3 m/min，焊后公差可控制在0.5 mm以内。

激光-电弧复合焊接主要有激光-熔化极惰性气体保护（Melt Inert Gas，MIG）焊接、激光-熔化极活性气体保护（Metal Active Gas，MAG）焊接、激光-钨极惰性气体保护（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接等组合方法。与单纯激光焊接相比具有众多优点：

1）减小装配要求。电弧焊的加入提高了装配接头间隙的搭桥能力。

2）提高焊缝性能。电弧焊熔化的焊丝可以调整焊缝的化学成分，改善焊缝形貌，还可以减缓焊缝冷却，提高焊缝力学性能。

3）提高效率。加入电弧，不再需要激光的能量来熔化焊丝，提高了激光的深熔效果。

4）减少气孔产生。电弧的热作用减缓了焊缝的冷却速度，减少气孔的产生。

5）焊接质量稳定。机械化的作业方式以及激光束可稳定焊接电弧，减少焊接飞溅，使焊接质量更加稳定。

1.2 激光-电弧复合焊接在邮轮制造中的实际应用

激光-电弧复合焊接最早在德国迈尔船厂大规模使用。迈尔船厂有4套激光-MIG复合焊设备，采用Trumpf CO激光器，每台设备的最大输出功率可达12 kW。迈尔船厂已在拼板对接缝和型材角焊缝上大量使用激光-电弧复合焊。此外，知名邮轮建造商意大利芬坎蒂尼船厂和挪威阿克尔船厂都建有激光焊接生产线。在我国，激光焊接技术在汽车与航空领域有相对较多的应用，而在船舶行业鲜有应用。近年来，随着客滚船、邮轮项目的增加，国内烟台中集来福士海洋工程有限公司、招商局重工（江苏）有限公司、广州广船国际股份有限公司以及上海外高桥造船有限公司也相继建立激光切割、焊接生产线，研究激光-电弧复合焊接技术。

激光-电弧复合焊接在邮轮上层建筑分段建造中的应用主要包括拼板对接焊和扶强材的板角接焊。

1）拼板对接激光-电弧复合焊接见图1所示，常采用“激光前置，焊枪在后”的方式，同时在激光前沿添加保护气体。通常情况下，光丝间距在2～4 mm，负离焦。坡口面一般经机械加工，可满足接头1 mm的装配间隙。拼板对接焊是激光-电弧复合焊接最主要的应用，可实现单面焊双面成型。

图1 拼板对接激光-电弧复合焊接示意图

2）板角接激光-电弧复合焊接见图 2，激光与底板夹角通常为 10°，电弧焊枪与腹板夹角通常为45°，激光与电弧在焊接方向的夹角为30°～45°。可根据需要，通过调整工艺参数来实现部分熔透及全熔透焊接。全熔透焊接时，采用单面焊接的难度较大，容易造成未熔合以及难以控制反面成型等问题，而采用双面焊接则较易实现。

图2 板角接激光-电弧复合焊接示意图

2 激光-电弧复合焊接标准分析

2.1 工艺标准分析

目前，国际上已经建立了激光-电弧复合焊接工艺评定的相关标准ISO 15614-14:2013(E)；我国于2017年发布GB/T 33645—2017《钢、镍及镍合金激光-电弧复合焊接工艺评定试验》。在焊接工艺规程方面，国际上遵循ISO 15609-6:2013标准要求；我国于2016年发布GB/T 19867.6—2016《激光-电弧复合焊接工艺规程》，我国在国际标准的基础上作了技术差异的调整，以适应我国技术条件。此外，2019年发布的GB/T 37893—2019《激光-电弧复合焊接推荐工艺方法》给出了激光-电弧复合焊接通用的技术要求，主要包括人员资质、焊接设备、焊接参数及质量验收等内容，促进了激光-电弧复合焊接的应用。

GB/T 33645—2017《钢、镍及镍合金激光-电弧复合焊接工艺评定试验》和GB/T 19867.6—2016《激光-电弧复合焊接工艺规程》与中国船级社（China Classification Society，CCS）《材料与焊接规范》（2021版）在焊接工艺认可方面有一些差异，主要体现在以下4个方面：

1）试验项目及数量。GB/T 33645—2017标准对焊接热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）的冲击试验数量要求为1组，对于熔覆金属及焊接热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）的冲击试验数量少于《材料与焊接规范》（2021版）；GB/T 33645—2017标准未要求部分熔透角焊接头进行破断试验。

2）验收要求。无损检测技术要求与验收要求不同，对于一般强度的船体结构钢，GB/T 33645—2017标准要求的硬度试验验收值不大于380(HV10)，该值要高于《材料与焊接规范》（2021版）要求的350(HV10)。

3）认可工艺的适用范围。GB/T 33645—2017标准要求的板厚适用范围和热输入范围要小于《材料与焊接规范》（2021版）。

4）焊接工艺规程参数。与《材料与焊接规范》（2021版）相比，GB/T 19867.6—2016标准不仅对常规的电弧焊参数提出要求，还对激光参数（激光器类型、激光功率、离焦量、光斑直径等）和复合参数（光束与电极和工件的相对位置、光丝间距等）提出相应要求。

相关研究表明，激光-电弧复合焊接的接头硬度偏高，与普通熔化焊相比，激光-电弧复合焊的焊接速度更快，根部焊缝散热更快，这使得热影响区硬度偏高。因此，激光-电弧复合焊的硬度合格范围较为宽松。此外，激光-电弧复合焊接熔深较大，工艺参数对于不同板厚适用范围较窄。

2.2 无损检测验收标准对比分析

弧焊常用的焊缝质量验收标准ISO 5817:2014不适用于高能束焊接，激光-电弧复合焊接验收标准应采用ISO 12932:2013或GB/T 33214—2016《钢、镍及镍合金的激光-电弧复合焊接接头缺欠质量分级指南》。通过对比分析，ISO 12932:2013标准与ISO 5817:2014标准大部分要求相同，主要有以下9点不同：

1）弧坑裂纹。ISO 12932:2013标准的D级要求可允许弧坑裂纹。

2）表面气孔。ISO 12932:2013标准的B级要求对单个气孔最大尺寸（角接焊）的规定要小于ISO 5817:2014。

3）根部未焊透。ISO 12932:2013标准的D级要求高于ISO 5817:2014标准。

4）根部缩沟。ISO 12932:2013标准的B级和C级要求高于ISO 5817:2014标准。

5）根部凹陷。ISO 12932:2013标准要求低于ISO 5817:2014标准。

6）ISO 12932:2013标准对内部球形均布气孔、局部密集气孔及链状气孔的单个气孔最大尺寸要求比ISO 5817:2014标准要求低。

7）ISO 12932:2013标准增加未焊透（包括完全焊透、部分焊透及完全焊透-单面焊）的要求。

8）ISO 12932:2013标准增加对接焊角变形的要求。

9）ISO 12932:2013标准增加T型双面焊角焊缝根部间隙不良的要求。

总体来看，激光-电弧复合焊接过程中比较难以解决的缺陷是表面及内部的气孔，无损检测验收标准对此做了相应的调整。此外，激光-电弧复合焊接的成型形状与常规熔化焊不同，无损检测验收标准也进行了相应的调整。在标准应用过程中，应重点关注这些方面。

3 激光-电弧复合焊接应用展望

3.1 焊缝性能与检验

激光作用时间短，冷却速度快，与传统电弧焊相比，激光-电弧复合焊缝硬度偏高，热影响区有时会出现硬度超过400 HV的情况，应注意通过合适的工艺方法防止局部硬度偏高。

虽然激光-电弧复合焊比单独激光焊抗气孔性能好，但是仍然高于传统电弧焊。激光-电弧复合焊接形成的指状熔身不利于气孔的溢出。此外，激光-电弧复合焊的焊接速度相对较快，这使得气孔更不易溢出，需要通过焊接工艺、坡口清洁及保护气体等多种措施减少焊缝的气孔率。射线检测可有效检测焊缝气孔，实际生产中应考虑采用射线检测方法。此外，激光-电弧复合焊接为全机械化作业，焊缝一致性优于人工焊接。在工艺质量成熟的条件下，可考虑适当减少焊缝的无损检测数量以提高生产率。

3.2 焊接设备与材料

目前国内的激光-电弧复合焊接核心设备均为国外供应，价格高昂，拥有设备的均为国有大型船企。要想降低成本，大量推广应用，设备国产化势在必行。焊接材料目前仍然采用常规电弧焊焊材。未来可针对激光-电弧复合焊接特点开发高熔覆效率、抗气孔且能提高焊缝性能的焊材。

3.3 标准

CCS对于船体结构角焊缝有最小焊脚高度3 mm的要求，对于薄板角焊缝，激光-电弧复合焊接可实现不开坡口部分熔透或全熔透焊接，这种情况下可考虑相应减小焊脚尺寸以实现节约焊材和减重的目的。

激光焊接常与普通焊接方法组合使用，需要重视不同焊接方法的适用标准，同时需要根据船舶结构的材质及板厚等特点建立相应的激光-电弧复合焊接工艺标准和技术规范，以便这一技术在船舶行业更好地得以应用。

4 结论

1）与传统埋弧焊与气体保护焊相比，激光-电弧复合焊接具有生产效率高、焊接变形小等优点，我国已在船舶及邮轮建造产业开始应用，是邮轮建造技术的发展趋势。

2）对比国内外激光-电弧复合焊接工艺评定、工艺规程及无损检测相关标准与目前造船采用的标准，得出了标准在试验方法及验收条件方面的差异，为标准使用及新标准的制定提供参考。

3）需要加强激光-电弧复合焊接在焊缝硬度的控制、气孔的检测与预防、焊接设备及焊材等方面的研究。此外，应制定适合于邮轮及船舶结构的激光-电弧复合焊接相关技术标准，提高产品质量及效率。