船舶用钢的激光-电弧复合焊接技术

焊接生产效率和焊接质量直接影响到船舶加工制造的生产周期、成本费用以及船体质量，所以焊接技术成为船舶加工制造以及船舶工业发展中的一项关键技术。与传统的焊接方法相比，激光焊接具有高效、清洁、热影响区窄、接头变形小等诸多优势。这是因为：激光束能量密度极高，功率密度达106~108W/cm2，深宽比大，对高熔点金属等难焊材料有较好的焊接效果；同时，激光焊接速度快，热输入小，从而热影响区很小，材料变形及残余应力小。 但是，激光焊接应用也存在一定的局限性，主要表现在焊接成本较高，能量转换效率低等方面。这一情况促进了激光-电弧复合焊接技术的发展。

激光-电弧复合焊结合了激光和电弧两个独立热源各自的优点：激光热源具有高的能量密度，而电弧等离子体具有高的热-电转化效率、低廉的设备成本的运行成本；又在很大程度上避免了二者的缺点，如金属材料对激光的高反射率造成的激光能量损失、电弧热源较低的能量密度、高速移动时放电稳定性差等。二者的有机结合形成了其突出的优势：高的能量密度、高的能量利用率、高的电弧稳定性等，使之成为具有极大应用前景的新型焊接技术。

激光-电弧复合焊的基本原理是：焊接过程中激光束与电弧同时作用于金属表面同一位置，因激光作用而产生光致等离子体云会降低激光能量利用率，外加电弧后，电弧等离子体会使激光致等离子体稀释，使激光能量传输效率得以提高；同时电弧使母材温度升高，母材对激光的吸收率也得以提高。同时，激光熔化金属为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，使得电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高。激光束对电弧还有聚焦引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。

大量试验结果表明，在同样焊接规范下，相对于传统单一热源焊接，激光-电弧复合焊可以明显增大熔深，由于可在较小的激光功率下获得同样的效果，故在一定程度上降低了成本。激光-电弧复合焊还能够减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷的产生，改善熔化金属与固态母材的润湿性、消除焊缝咬边现象，减少对焊缝的加工、装配劳动量，提高了生产效率。

特别值得指出的是，焊接变形是船舶制造业中需要解决的主要问题之一。在船体制造过程中，焊接工时和焊接成本占船体建造总工时和总成本的很大一部分，其中焊接变形导致的成本增长占有相当比例。激光-电弧复合焊接变形量非常小，焊后的修整工作量大为减少，进一步降低的船舶制造的成本，节约了时间，提高了效率。目前欧美及日本的一些造船厂已经采用激光-电弧复合焊技术，例如德国的Meyer造船厂已经全部采用激光-电弧复合焊接方法进行轮船的焊接。研究证实，厚度≤15毫米、长度≤20米钢板的焊接速度能够达到每分钟3米。

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