激光焊接是以高能量密度的激光束为热源,瞬时熔化局部材料形成焊接接头的高精度、高效率、新型的熔化焊接方法。与一般弧焊技术相比,激光焊接技术能量密度高,可以一次穿透较厚的工件而无需预制坡口,不仅大幅提高了焊接生产速度,还可以得到高强度、小变形的高质量焊接接头,从而大幅降低造船成本。

在造船中,加工的材料多是3~12mm厚的板材,这些板材焊接件由于焊接过程中较大热输入而发生翘曲和变形是传统造船方法中所面临的主要问题。在建造船体时,约有25%的工作量是对船板整形和锤平,以达到要求的平整度和曲率,使船板能固定在一起。激光焊接技术用于造船的主要优势就是低畸变。目前,激光焊接结构用夹层板、角型材、T型材、十字型材和对接焊接船板等已经为世界造船界所接受。

一、船板的激光焊接

激光焊接船板能大大缩短生产时间。在传统造船方法中,形状和位置的公差必须用手工方式进行消除,采用激光焊接船板,船体构件配合好,能够迅速形成型材,12m船板的长度公差在0.5mm以内,几乎不需要重复加工,节省了大量人工。

美国对潜艇耐压壳体用HY-130合金钢的激光焊接试验表明,接头的力学性能,如断裂强度、伸长率等,比其他常规方法所焊接头的性能优越。冲击试验结果表明,激光焊接接头的动态撕裂能接近母材,冲击韧性优于母材。

目前,对接焊接的激光焊机在船板焊接方面已得到应用,有数家船厂采用了这种焊机。激光焊接大型船板生产线,一般需要配备:型材机加工和精整设备,包括倒角滚压机、连续喷砂机、喷墨标识器、等离子体切割设备、传送系统、滚台、库房等;激光操作系统,包括激光源、镜面光学系统、数控台、系统控制和检测系统;托架系统,包括切割台架、焊接台架、起吊器、夹具等。

美国弗克特里船厂采用集切割与焊接为一体的集成解决方案,建成了一条焊接船板生产线,可实现12m×12m大板的对接切割与焊接,从而提高了生产效率,降低了建造成本。采用这种集成方案的好处是:激光加工比火焰切割和电弧焊接省时;激光加工间隙小,具有大的深宽比;热输入很小,因此激光加工基本无变形;激光束能实现切割与焊接一体化。

二、船用型材的激光焊接

美国最早采用大规模焊接型材的是CG-47级驱逐舰。为了降低这一级别舰艇的重量,采用了长度超过7km的HSLA-80焊接型材,取代主壳体上用的热轧型材。美国在水面舰船上至少已经使用了两种激光焊接T型材,它们都是在加工车间生产的:英格尔斯造船分部用HSLA-80钢生产的激光焊接T型材,作为反潜轻型巡洋舰的加强肋板;巴斯钢铁公司将几种不同截面的型材,如角型材、T型材和十字型材等用于驱逐舰防空导弹支架。

采用激光焊接型材将对船舶设计、建造和服役寿命产生以下几方面的重大影响:因为不再受限于型材种类,以性能为主要考虑因素,围绕目标进行结构件的优化设计;建造者可将复杂的三维构件依其外形变为较为简单的二维构件,用高功率激光更快更精确地焊接为一体,从而降低建造费用,减少精整工作量,并减轻型才重量;对使用者而言,采用焊接型材能大幅度地降低操作费用;构件疲劳寿命因加工精度提高,焊接缝减少而得到延长,舰船内部空间易于依据武器装备的需要重新调配,燃料消耗降低等。

三、轻质瓦棱板激光焊接

钢材用于造船以来,为了提高钢板的结构效率,人们一直采用弧焊骨架加强板,作为甲板和舱室隔板。这些隔板厚度相对较薄,约6~8mm,除非进行严格的建造质量控制,二次矫正加工浪费约25%的建造工时。大型构件的扭曲和安装误差虽可以借助先进计算机辅助设计、制造技术和精确的切割技术进行克服,但即使这样,采用弧焊工艺将单个部件焊在一起时,要使用大量的焊缝金属,焊缝金属凝固收缩时产生很大的残余应力,会导致变形。而采用激光焊接工艺,焊缝窄,焊接速度较快,可少量填充或不填充焊缝金属,残余应力与变形也小。

美国海军从1987年开始激光焊接波纹夹芯板(LASCOR)的应用研究,主要采用0.6~1.6 mm厚度的不锈钢板材。以美国海军金属加工中心为首的项目团队为减轻船体重量提供的解决方案中包括使用激光焊接波纹夹芯金属板。早在2003年,金属加工中心就成功地制造了78×240英寸大型耐蚀钢激光焊接波纹夹芯金属板,并对激光焊接波纹夹心金属板用于舰船的性能进行了全面研究,包括小比例模型试验,防火、噪声及腐蚀试验,弯曲性能、耐压强度、剪切强度和疲劳性能测试,实艇应用试验等。试验结果表明,采用这种夹层板可大幅度降低结构重量、提高甲板或舱室隔板的耐火、绝缘性能和平整度,易于施涂油漆和涂层;且能减少寿命期保养成本,增加船舱可用空间。

针对激光焊接波纹夹芯板的制造与应用,2004年美国海军启动的美国海军制造技术的激光焊接波纹夹芯板的研究计划共获得1180万美元的资助,对激光焊接波纹夹芯板的材料、加工、激光焊接、结构域防护性能以及成本进行优化研究,目的是为美国海军在新型核动力航母CVN21和导弹驱逐舰DDG1000中利用激光焊接波纹夹芯板进行基础研究和提供技术支持。通过此项目的基础应用研究,激光焊接波纹夹芯板结构已用于DDG1000舰的93个甲板边缘保安平台和人员保护屏障,其中,近一半已通过了测试,并正由Applied Thermal Sciences公司制造。同时激光焊接波纹夹芯板技术将用在新型核动力航母CVN21的升降机门、舱室隔板、内夹板等部位,可减少重量200吨并降低制造成本。此外,美国海军还计划将LASCOR板用于CVN-78级航空母舰。LASCOR板将被用于水密门、甲板、舰岛、舱壁等。

美国海军金属加工中心激光焊接波纹荚心金属板

四、激光焊接的其他应用

美国每艘航母有4个弹射器,每个弹射器大约有100多块导架盖板,盖板的槽型区有一个发射梭滚动支承面,发射梭使飞机在3秒之内,加速到256km/h时,支承面会发生滚动。用HY-100钢制导槽,在盐雾和高温气流的苛刻环境中工作,磨损表面有腐蚀产物生成,这些腐蚀产物在轮子和轨道之间起磨料作用,会加剧轨道表面的磨损。

当导架盖板表面磨损量超过1.23mm时,就要用新的导架盖板进行更换。磨损的导架盖板是不能用现有的焊接方法修复的,采用激光熔敷则可是可行的,其费用为新导架盖板的50%~60%。目前,美国海军已将CO 2激光焊接技术用于导架盖板的修复。

(蓝海星:王维 方楠)