在船舶制造領(lǐng)域，焊接技術(shù)是決定船舶建造周期、成本及質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)電弧焊雖廣泛應(yīng)用，但其帶來的焊接缺陷、變形及大量矯形工作，一直是行業(yè)內(nèi)的痛點。隨著科技的發(fā)展，激光焊接技術(shù)以其高效、精準(zhǔn)的優(yōu)勢逐漸嶄露頭角。本文旨在研究船用鋼板焊接工藝開發(fā)，主要采用優(yōu)化選型激光器針對4mm-20mm厚度船用碳鋼展開系統(tǒng)研究，為船舶行業(yè)提供高效、高質(zhì)、低成本的焊接解決方案。

01 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)背景與優(yōu)勢

船舶焊接工時約占船體建造總工時的30%-40%，成本占比同樣高昂。傳統(tǒng)電弧焊雖成熟，但在應(yīng)對中大厚度碳鋼板材時，效率低下且易產(chǎn)生變形。激光焊接技術(shù)，特別是激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)，憑借其高能量密度、低熱輸入的特點，有效解決了這些問題。該技術(shù)不僅提高了焊接效率，還顯著降低了焊接變形，減少了后期矯形工作，為船舶制造業(yè)帶來了革命性的變化。

02 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)核心與突破

本研究通過優(yōu)化激光-電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)（功率、速度、光絲間距、焊絲類型、弧長修正、引導(dǎo)方式等），解決了4-20mm碳鋼船板焊接變形與缺陷問題，實現(xiàn)了單面焊雙面成型，為船舶高效焊接提供了可靠技術(shù)方案。

1. 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)結(jié)合了激光焊接和電弧焊接的優(yōu)勢，通過激光與電弧的相互作用，實現(xiàn)了更高的橋接能力和更穩(wěn)定的焊接過程。相較于單一焊接方式，該技術(shù)具有顯著優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為4個方面：（1）高橋接能力：熔化區(qū)寬，橋接能力好，適用于中大厚度板材的焊接；（2）低殘余應(yīng)力與變形：線能量低，有效減少了焊接殘余應(yīng)力和變形；（3）高效率：焊接速度快，生產(chǎn)效率顯著提升；（4）工藝適應(yīng)性強(qiáng)：對工件裝配間隙不敏感，適應(yīng)性強(qiáng)。

2.激光工藝參數(shù)對船板焊接的影響

圖1激光-電弧復(fù)合焊接工藝平臺

圖1所示為激光-電弧復(fù)合焊接工藝試驗平臺，主要由激光器、機(jī)器人、激光加工頭、焊機(jī)及工作臺等部分組成，光源選用RFL-C12000（200μm）激光器；通過對該項目的深入研究，針對4mm-20mm厚度船板，優(yōu)化了激光功率、焊接速度、送絲速度、電弧電流等關(guān)鍵工藝參數(shù)。實驗表明，當(dāng)激光功率為7-9kW，焊接速度為20-30mm/s時，12mm厚Q345B船板可實現(xiàn)焊縫成型，無咬邊、焊瘤等缺陷。

圖2 焊縫表面形貌（v=20mm/s）

圖3 焊縫表面形貌（v=25mm/s）

3. 不同焊絲類型對船板焊接的影響

在焊接過程中，焊絲的選擇對焊縫質(zhì)量有著重要影響。本研究發(fā)現(xiàn)，藥芯焊絲相較于實芯焊絲，在流動性、填充性及焊縫力學(xué)性能上表現(xiàn)更優(yōu)。特別是在高焊接速度下，藥芯焊絲能更好地填充焊縫，減少未熔合等缺陷的發(fā)生。然而，在缺乏良好保存條件時，實芯焊絲也是一個可靠的選擇，只需適當(dāng)調(diào)整弧長修正參數(shù)即可。

表1 兩種焊絲焊接焊縫成型尺寸結(jié)果

圖4 焊縫表面形貌

圖5 焊縫截面形貌

03 引導(dǎo)方式與光絲間距對船板焊接的影響

激光與電弧的引導(dǎo)方式及光絲間距對焊接質(zhì)量同樣至關(guān)重要。下圖6、7分別為不同引導(dǎo)方式的焊縫截面形貌和X射線檢測結(jié)果，實驗表明，激光引導(dǎo)電弧方式在焊縫熔寬上表現(xiàn)更佳，而電弧引導(dǎo)激光方式則在焊接穩(wěn)定性上更勝一籌。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體需求選擇合適的引導(dǎo)方式。同時，光絲間距的最佳范圍為1mm-4mm，這一范圍內(nèi)激光與電弧的耦合作用最強(qiáng)，焊接效果最佳。下表2和下圖8為不同光絲間距對4mm船板焊接影響的焊接工藝參數(shù)和焊縫表面形貌。

圖6焊縫截面形貌

圖7 X射線檢測結(jié)果

表2 焊接工藝參數(shù)

圖8 焊縫表面形貌

04 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究總結(jié)

船板激光-電弧復(fù)合焊接速度最佳范圍為20mm/s-60mm/s。為了獲得更好的焊接接頭性能，生產(chǎn)優(yōu)先選擇藥芯焊絲，弧長修正最佳為0-20；如果沒有較好保存條件，優(yōu)先選擇實芯焊絲，弧長修正最佳參數(shù)范圍為0-+10。光絲間距最佳范圍1mm-4mm，焊槍角度與工件夾角最佳范圍為45°- 60°。

激光非穿透焊優(yōu)先采用激光-電弧復(fù)合焊接方式，激光穿透焊優(yōu)先選擇電弧-激光復(fù)合焊接方式。當(dāng)船板穿透焊過程無自適應(yīng)調(diào)節(jié)參數(shù)功能時，焊板間隙應(yīng)控制在0.5mm以內(nèi)；間隙＞0.5mm時，可探索激光擺動-電弧復(fù)合焊、雙絲復(fù)合焊接方法或者增加焊接過程中自適應(yīng)參數(shù)功能。

船板厚度在4mm-14mm范圍內(nèi)，采用激光-電弧復(fù)合焊接可以實現(xiàn)單面焊雙面成型，僅一道就可以實現(xiàn)成型較好的焊縫；當(dāng)船板厚度超過14mm時，需采用多道焊接，既可以單側(cè)多道焊也可以雙側(cè)焊接實現(xiàn)成型較好的焊縫。4mm-20mm船板焊接焊縫宏觀和微觀、X射線、拉伸、硬度檢測均符合《CCS中國船級社材料與焊接規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

轉(zhuǎn)自：銳科激光

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