德国船舶制造中的激光复合焊技术

一项旨在扩大激光复合3G和3F立焊（坡口和角焊缝）的应用范围的研究项目正在进行当中。其开发的焊接系统将激光复合焊工艺和气体保护金属极电弧（GMA）混合焊工艺相结合。采用扫描镜来实现激光束的振荡，以避免焊接缺陷的出现，并提高焊缝搭桥能力。光学传感器系统的使用则可以根据焊接间隙的宽度来决定焊缝检测、焊缝跟踪和自动选择的焊接工艺参数。

德国的船舶制造厂正处在日益增加的竞争压力之下。包括中国、韩国和日本在内的亚洲船舶制造大国早在2011年就已经将其在全球供应中所占份额提升至93%，德国仅占1%，跌至第8位。这一竞争压力迫使德国的船舶制造厂在过去几年中停止了制造集装箱运输船，转而集中精力制造游艇、邮轮、海洋船舶和特殊船舶。但是其竞争对手，特别是来自亚洲的对手，也开始进入这些领域。国际竞争压力和德国的工资水平（德国是高工资国家）使得德国的船舶制造厂迫切需求创新和高效的生产技术，以在这个市场中获得成功。

位于德国Papenburg的Meyer Werft 船舶制造厂是始建于1795年的家族式企业。最初由制造捕鱼和引航船到集装箱运输船和渡轮，然后转变成邮轮（图1）的顶尖制造商。他们有今天的成就， 与始终把不断改进生产工艺作为发展的第一要务有必然关系。2000年，Meyer Werft成为第一家引进激光复合焊来制造板材的造船厂（长度高达20米），然后其他的欧洲船厂例如Fincantieri和Aker Finyards也紧随其后采用这种方法。这一技术的使用极大缩短了生产时间（极高的焊接速度和焊缝深度），并降低了后续费用（较小的热变形）。自从开始实施激光复合焊以来，这个行业的趋势是朝着使用固体激光器加工更大幅的板材、更高的板材厚度的方向发展。为此，Meyer Werft船舶制造厂一直精心运营其具有顶尖研究实验室的研发部门，并与研究机构例如德国亚琛工业大学ISF焊接和连接研究所（ISF Welding and Joining Institute）进行密切合作。激光复合焊已经成为Meyer Werft最重要的焊接技术（目前使用三台碟片激光器和五台CO2 激光器），他们最大的游轮（350米长、40米宽）的激光复合焊接接缝大约有450公里长，最大的板材尺寸是30×25米。

在公众资助项目‘带传感器的全机械式立向下焊（FaSek）’中，亚琛ISF研究所、Meyer Werft船厂和Flensburger S c h i f f b a u 船厂（F SG， 位于德国的Flensburg）一起合作研究将激光复合焊接的应用范围扩展到墙体结构的立向焊接任务。他们的目标是开发一种焊接系统，使其具有高焊接速度、高度机械化、热变形低、具有焊接间隙搭桥能力并允许等离子切割工件等优点。这种焊接工艺将能完全取代目前使用的手动立向上焊接，后者采用的是气体保护金属极电弧混合焊（GMAW）工艺，不仅非常耗时，并且成本颇高。

焊接任务（图2）包括最大长度为4米、板厚为5-7毫米（Grade A）和等离子切割边缘的立焊缝（对接和角接焊缝）。装夹、定位点和热变形等因素让焊接间隙在0-3毫米之间变化。焊接过程包括两个双面并行的气体保护焊（Cloos Qineo Pulse 450，脉冲电弧）过程和一个激光焊接（TRUMPF碟片激光器）过程。通过设置GMAW与激光焊接之间的距离，该复合过程可以在工件的正面或背面进行。激光焊接带来的高穿透深度可防止在根部发生不完全熔透现象。另一个关键的缺陷是在侧壁的不完全熔透。根据等离子切割边缘和焊缝的几何形状，可以通过激光光束振荡来防止这些缺陷的产生。启用交流电机驱动的扫描镜（ILV扫描仪）来实现与焊接方向成直角的振荡。焊缝跟踪系统（Precitec LPF）的加入使得能够进行自动焊缝的跟踪，以及焊缝宽度的在线测量。该焊缝跟踪系统由光纤传感器、校正轴和控制单元组成。根据这些数据和焊缝宽度来选择焊接参数。焊接试验的结果表明，FaSek项目中开发的焊接系统能完成上述焊接任务。实施立向下焊时若要获得足够的过程可靠性，关键的因素在于控制熔池的体积和粘度。必须仔细设置焊接及几何参数（特别是GMAW与激光焊接之间的距离），以防止焊缝金属的电弧过程发生燃烧，后者会导致缺陷的产生，例如熔透不完全和高的焊渣飞溅率。

焊接试验表明，可以将激光焊接与背面GMAW进行适当地复合，并在它们之间设置足够的距离。造船用钢的特殊底漆可以防止其免受腐蚀，在焊接部位的边缘要移除它，以防止产生缺陷，例如多孔现象。如果对接焊缝和角焊缝（全厚焊接）的焊接间隙宽度不超过2毫米（图3），那么就可以保证整个过程的安全性。激光焊接的高穿透深度能避免根部熔透不完全，特别是在焊缝宽度为0毫米的情况下。激光光束的振荡会阻止焊缝边缘的熔透不完全，但是不可能提高送丝速度，这是由于溶池体积的限制。如果要实现过量的焊缝金属，那么有必要对第二层进行GMAW气体保护焊。进一步地还可能使用等离子切割边缘，并且因而不需要额外的焊接接头准备。此外，由于板两边的能量输入均一并且同步，因此热变形非常低。

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