激光焊接是以高能量密度的激光束為熱源，瞬時(shí)熔化局部材料形成焊接接頭的高精度、高效率、新型的熔化焊接方法。與一般弧焊技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)能量密度高，可以一次穿透較厚的工件而無(wú)需預(yù)制坡口，不僅大幅提高了焊接生產(chǎn)速度，還可以得到高強(qiáng)度、小變形的高質(zhì)量焊接接頭，從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，這些板材焊接件由于焊接過(guò)程中較大熱輸入而發(fā)生翹曲和變形是傳統(tǒng)造船方法中所面臨的主要問(wèn)題。在建造船體時(shí)，約有25%的工作量是對(duì)船板整形和錘平，以達(dá)到要求的平整度和曲率，使船板能固定在一起。激光焊接技術(shù)用于造船的主要優(yōu)勢(shì)就是低畸變。目前，激光焊接結(jié)構(gòu)用夾層板、角型材、T型材、十字型材和對(duì)接焊接船板等已經(jīng)為世界造船界所接受。
 

一、船板的激光焊接

激光焊接船板能大大縮短生產(chǎn)時(shí)間。在傳統(tǒng)造船方法中，形狀和位置的公差必須用手工方式進(jìn)行消除，采用激光焊接船板，船體構(gòu)件配合好，能夠迅速形成型材，12m船板的長(zhǎng)度公差在0.5mm以?xún)?nèi)，幾乎不需要重復(fù)加工，節(jié)省了大量人工。

美國(guó)對(duì)潛艇耐壓殼體用HY-130合金鋼的激光焊接試驗(yàn)表明，接頭的力學(xué)性能，如斷裂強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率等，比其他常規(guī)方法所焊接頭的性能優(yōu)越。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，激光焊接接頭的動(dòng)態(tài)撕裂能接近母材，沖擊韌性?xún)?yōu)于母材。

目前，對(duì)接焊接的激光焊機(jī)在船板焊接方面已得到應(yīng)用，有數(shù)家船廠采用了這種焊機(jī)。激光焊接大型船板生產(chǎn)線(xiàn)，一般需要配備：型材機(jī)加工和精整設(shè)備，包括倒角滾壓機(jī)、連續(xù)噴砂機(jī)、噴墨標(biāo)識(shí)器、等離子體切割設(shè)備、傳送系統(tǒng)、滾臺(tái)、庫(kù)房等；激光操作系統(tǒng)，包括激光源、鏡面光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)控臺(tái)、系統(tǒng)控制和檢測(cè)系統(tǒng)；托架系統(tǒng)，包括切割臺(tái)架、焊接臺(tái)架、起吊器、夾具等。

美國(guó)弗克特里船廠采用集切割與焊接為一體的集成解決方案，建成了一條焊接船板生產(chǎn)線(xiàn)，可實(shí)現(xiàn)12m×12m大板的對(duì)接切割與焊接，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了建造成本。采用這種集成方案的好處是：激光加工比火焰切割和電弧焊接省時(shí)；激光加工間隙小，具有大的深寬比；熱輸入很小，因此激光加工基本無(wú)變形；激光束能實(shí)現(xiàn)切割與焊接一體化。
 

二、船用型材的激光焊接

美國(guó)最早采用大規(guī)模焊接型材的是CG-47級(jí)驅(qū)逐艦。為了降低這一級(jí)別艦艇的重量，采用了長(zhǎng)度超過(guò)7km的HSLA-80焊接型材，取代主殼體上用的熱軋型材。美國(guó)在水面艦船上至少已經(jīng)使用了兩種激光焊接T型材，它們都是在加工車(chē)間生產(chǎn)的：英格爾斯造船分部用HSLA-80鋼生產(chǎn)的激光焊接T型材，作為反潛輕型巡洋艦的加強(qiáng)肋板；巴斯鋼鐵公司將幾種不同截面的型材，如角型材、T型材和十字型材等用于驅(qū)逐艦防空導(dǎo)彈支架。

采用激光焊接型材將對(duì)船舶設(shè)計(jì)、建造和服役壽命產(chǎn)生以下幾方面的重大影響：因?yàn)椴辉偈芟抻谛筒姆N類(lèi)，以性能為主要考慮因素，圍繞目標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)；建造者可將復(fù)雜的三維構(gòu)件依其外形變?yōu)檩^為簡(jiǎn)單的二維構(gòu)件，用高功率激光更快更精確地焊接為一體，從而降低建造費(fèi)用，減少精整工作量，并減輕型才重量；對(duì)使用者而言，采用焊接型材能大幅度地降低操作費(fèi)用；構(gòu)件疲勞壽命因加工精度提高，焊接縫減少而得到延長(zhǎng)，艦船內(nèi)部空間易于依據(jù)武器裝備的需要重新調(diào)配，燃料消耗降低等。
 

三、輕質(zhì)瓦棱板激光焊接

鋼材用于造船以來(lái)，為了提高鋼板的結(jié)構(gòu)效率，人們一直采用弧焊骨架加強(qiáng)板，作為甲板和艙室隔板。這些隔板厚度相對(duì)較薄，約6~8mm，除非進(jìn)行嚴(yán)格的建造質(zhì)量控制，二次矯正加工浪費(fèi)約25%的建造工時(shí)。大型構(gòu)件的扭曲和安裝誤差雖可以借助先進(jìn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造技術(shù)和精確的切割技術(shù)進(jìn)行克服，但即使這樣，采用弧焊工藝將單個(gè)部件焊在一起時(shí)，要使用大量的焊縫金屬，焊縫金屬凝固收縮時(shí)產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致變形。而采用激光焊接工藝，焊縫窄，焊接速度較快，可少量填充或不填充焊縫金屬，殘余應(yīng)力與變形也小。

美國(guó)海軍從1987年開(kāi)始激光焊接波紋夾芯板（LASCOR）的應(yīng)用研究，主要采用0.6～1.6 mm厚度的不銹鋼板材。以美國(guó)海軍金屬加工中心為首的項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)為減輕船體重量提供的解決方案中包括使用激光焊接波紋夾芯金屬板。早在2003年，金屬加工中心就成功地制造了78×240英寸大型耐蝕鋼激光焊接波紋夾芯金屬板，并對(duì)激光焊接波紋夾心金屬板用于艦船的性能進(jìn)行了全面研究，包括小比例模型試驗(yàn)，防火、噪聲及腐蝕試驗(yàn)，彎曲性能、耐壓強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和疲勞性能測(cè)試，實(shí)艇應(yīng)用試驗(yàn)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用這種夾層板可大幅度降低結(jié)構(gòu)重量、提高甲板或艙室隔板的耐火、絕緣性能和平整度，易于施涂油漆和涂層；且能減少壽命期保養(yǎng)成本，增加船艙可用空間。

針對(duì)激光焊接波紋夾芯板的制造與應(yīng)用，2004年美國(guó)海軍啟動(dòng)的美國(guó)海軍制造技術(shù)的激光焊接波紋夾芯板的研究計(jì)劃共獲得1180萬(wàn)美元的資助，對(duì)激光焊接波紋夾芯板的材料、加工、激光焊接、結(jié)構(gòu)域防護(hù)性能以及成本進(jìn)行優(yōu)化研究，目的是為美國(guó)海軍在新型核動(dòng)力航母CVN21和導(dǎo)彈驅(qū)逐艦DDG1000中利用激光焊接波紋夾芯板進(jìn)行基礎(chǔ)研究和提供技術(shù)支持。通過(guò)此項(xiàng)目的基礎(chǔ)應(yīng)用研究，激光焊接波紋夾芯板結(jié)構(gòu)已用于DDG1000艦的93個(gè)甲板邊緣保安平臺(tái)和人員保護(hù)屏障，其中，近一半已通過(guò)了測(cè)試，并正由Applied Thermal Sciences公司制造。同時(shí)激光焊接波紋夾芯板技術(shù)將用在新型核動(dòng)力航母CVN21的升降機(jī)門(mén)、艙室隔板、內(nèi)夾板等部位，可減少重量200噸并降低制造成本。此外，美國(guó)海軍還計(jì)劃將LASCOR板用于CVN-78級(jí)航空母艦。LASCOR板將被用于水密門(mén)、甲板、艦島、艙壁等。

 美國(guó)海軍金屬加工中心激光焊接波紋莢心金屬板
 

四、激光焊接的其他應(yīng)用

美國(guó)每艘航母有4個(gè)彈射器，每個(gè)彈射器大約有100多塊導(dǎo)架蓋板，蓋板的槽型區(qū)有一個(gè)發(fā)射梭滾動(dòng)支承面，發(fā)射梭使飛機(jī)在3秒之內(nèi)，加速到256km/h時(shí)，支承面會(huì)發(fā)生滾動(dòng)。用HY-100鋼制導(dǎo)槽，在鹽霧和高溫氣流的苛刻環(huán)境中工作，磨損表面有腐蝕產(chǎn)物生成，這些腐蝕產(chǎn)物在輪子和軌道之間起磨料作用，會(huì)加劇軌道表面的磨損。

當(dāng)導(dǎo)架蓋板表面磨損量超過(guò)1.23mm時(shí)，就要用新的導(dǎo)架蓋板進(jìn)行更換。磨損的導(dǎo)架蓋板是不能用現(xiàn)有的焊接方法修復(fù)的，采用激光熔敷則可是可行的，其費(fèi)用為新導(dǎo)架蓋板的50%~60%。目前，美國(guó)海軍已將CO2激光焊接技術(shù)用于導(dǎo)架蓋板的修復(fù)。

（藍(lán)海星：王維 方楠）