分析激光焊接技术在船舶制造中的运用

摘要: 20世纪80年代中期,德国企业首次将激光焊接运用于汽车制造行业。目前,激光焊接技术主要运用于航空航天、船舶制造、机车制造以及机械零件制造等行业。相较于传统焊接方式,激光焊接具备能量密度大、热量低、焊缝深宽比高以及形变较小等诸多优势。基于此,本文就
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  摘要:20世纪80年代中期,德国企业首次将激光焊接运用于汽车制造行业。目前,激光焊接技术主要运用于航空航天、船舶制造、机车制造以及机械零件制造等行业。相较于传统焊接方式,激光焊接具备能量密度大、热量低、焊缝深宽比高以及形变较小等诸多优势。基于此,本文就激光焊接技术在船舶制造中的运用进行深入分析。

  关键词:激光焊接; 船舶制造; 船体结构;

目录

  0引言.......................................................1

  1激光焊接技术.......................................................2

  2激光焊接技术在船舶制造中的应用.......................................................3

  2.1激光-MIG/MAG复合焊在船体结构钢焊接中的应用.......................................................4

  2.2激光-MIG复合焊在船用铝合金焊接中的应用.......................................................5

  2.3激光-电弧复合焊在船用不锈钢焊接中的运用.......................................................6

  3激光焊接技术在船舶制造中运用的趋势.......................................................7

  4结语.......................................................8

  参考文献.......................................................9

船舶制造

  0 引言

  现阶段,船舶行业的市场竞争中心已经转向大型船舶领域。当前,我国依然是全球船舶制造大国,然而想要建设成"造船强国",仍需不断提升船舶制造的效率及质量,积极推动技术创新。焊接技术作为船舶制造技术的重要组成部分,对船舶制造的成本及周期有直接影响。激光技术通过数十年的不断发展,已发展成传统制造业必不可少的技术。激光焊接是21世纪最具发展潜力的焊接方式,其具备焊接速率快、热输入量较小、焊缝深宽比高、形变较小、焊接时无需与工件发生接触等诸多优势,相较于其他焊接技术,激光焊接技术在船舶制造行业中的应用有更为广阔的前景。

  1 激光焊接技术

  所谓"激光焊接",主要是指将高能量密度的激光束当作热源的"精密、高效"焊接技术,激光焊接是激光材料生产常用的技术之一。在20世纪70年代,激光焊接主要应用在低速焊接及薄壁材料焊接环境下,整个焊接环节属于热传导型,也就是用激光辐射加热零部件的外表面,热量经过热传导逐渐渗透内部,通过对激光脉冲的重复频率、峰值功率、能量以及宽度等相关数据进行调整,让工件不断熔化,从而产生相应的熔池。激光焊接凭借其独有的优势,在微、小型工件的精密焊接中有着广泛的应用。

  2 激光焊接技术在船舶制造中的应用

  2.1 激光-MIG/MAG复合焊在船体结构钢焊接中的应用

  船体结构钢有很多不同的种类,主要有:1)普通强度钢,如D级、B级、A级等;2)高强度钢,如DH36级、DH32级、AH36级等。在船身建造环节,使用的钢材有1/2左右是普通强度钢,同时大约有70%使用的是T型接头。当前,在船舶制造环节采用的焊接技术主要有电弧焊、埋弧焊等[1].然而,伴随船舶制造行业的迅猛发展,传统形式的焊接技术已很难有效实现行业不断发展的需求,在此环境下激光-电弧复合焊应势而生,目前此项技术主要应用于T型工件和三明治板的焊接处理过程。相关实践表明,此种焊接技术在加强焊接效率及质量、提高电弧稳定性等众多层面都起着无可取代的作用。除此以外,因为此种焊接技术具备耦合功能,有效弥补了传统焊接技术存在的咬边以及气孔等缺陷。具体而言,激光-MIG/MAG复合焊接技术在船舶制造中的应用在很大程度上提高了焊缝的熔深水平,预测相较于传统焊接技术能够提升0.5~2.5倍。在保证焊缝质量符合标准要求的前提下,在焊接热输入量相同的基础上其效率大约会提高1.5倍以上,同时极少会出现焊接问题或者缺陷。焊接热形变问题出现的概率也有较大幅度地降低,无需支出更多的焊后矫正费用。

  2.2 激光-MIG复合焊在船用铝合金焊接中的应用

  当前,在国外船舶制造行业中,已将铝合金作为船体结构的主要材料。比如,美国目前大约有2000余艘由铝合金材料制造而成的船舶;英、法等国家大约有1000艘由铝合金材料制造而成的科学考察船、游艇等;日本当前有100家左右的企业制造铝合金客轮、游艇等;中国在2005年成功研制了全铝合金架构的"北海救201号"快速救助船。铝合金材料凭借其强度高、性能强、耐腐蚀性强以及密度相对较小等诸多优势,而在船舶制造行业中有着大量的应用;其中,应用最多的当属5086、5083等5xxx系列防腐铝合金。现阶段,我国应用较多的焊接技术是MIG焊、TIG焊等,其存在的缺陷主要有:热影响区及焊接接头有比较严重的软化问题,接头强度大幅降低;热输入量比较大,存在很大的焊接形变;焊接速度比较慢,制造效率偏低;长焊缝焊接环节的平稳性较差[2].为了有效化解以上问题,掌握全球顶尖技术的国家已经创建起全新的焊接加工线,针对船舶铝合金结构实施焊接加工。

  德国美克伦博格焊接技术研究所和Aker Wamow Weft船厂联合对激光-MIG复合焊在船用铝合金的运用开展相应的实验分析,实验选用MIG焊复合焊接系统与4.4 kW的Nd:YAG激光。对于船舶钢铝混合结构中的T型接头与5083铝合金的焊接采取激光-MIG复合焊。根据最后的结果可知,相较于传统的激光焊接技术,在很大程度上降低了焊接应力及焊接形变,大大增强了焊缝强度,强化了对厚板的焊接能力。焊缝不管是在形貌、强度又或是在形变、耐腐蚀焊等层面都远远超过MIG焊;除此以外,其焊接速率能够达到1.0~2.0m/min,相较于传统MIG提升了3.4倍左右。

  2.3 激光-电弧复合焊在船用不锈钢焊接中的运用

  在船舶制造行业中,运用的材料类型日益丰富,同时形成了更多的焊接方式。因为船体结构和部位的差异,所以通常会选用完全不同的材料。比如有些结构需使用耐腐蚀性较强的材料,有些结构需使用韧性比较强的材料等。因此,应当不断加大对异种材料焊接技术的探索力度。在屈服强度满足船用结构钢强度要求的前提下,因为激光复合焊有较高的热源能量,进而提高过渡区的熔合比,与传统焊接技术对比,化学组分转变显得更加平稳。通过激光-电弧复合焊针对304不锈钢、LF6防锈铝等异种材料进行焊接,可以获得机械性更高的接头。

  3 激光焊接技术在船舶制造中运用的趋势

  我国对于激光焊接技术的探索相对较迟,在大型船舶的运用方面仍然还有许多问题。比如成本费用高昂、能量转化效率偏低以及施工周期久等,对激光焊接技术在国内大型船舶制造领域中的运用有巨大的负面影响。所以,未来我国应该将研究重心放在"效率高、成本低"的技术方面,为激光焊接技术在船舶制造中的运用提供更加广阔的空间。

  1)焊接设施的集成化。激光焊接技术所使用的光斑直径在0.2~0.6 mm,有着极其苛刻的对中需求,进而使得激光焊接对于焊件坡口生产及安装精度有十分严格的要求。正常状况下,激光焊接所许可的错边不得超过板材厚度的1/6、坡口间隙不得超过板材厚度的1/10,此要求在具体制造环节通常很难实现。即使激光-电弧复合焊的运用有效加强了对板材错边的适应性,然而与传统焊接方法相比,激光焊接应充分发挥焊件坡口生产及装配设备的高精度需求,促进焊接专用工装、激光焊接设施以及激光加工装置的高度集成化。

  2)焊缝形状的预估及调控。焊缝形状的精准预估在焊接技术参数调整、焊接成本减少、避免焊接问题发生以及加强接头性能等方面发挥着巨大的作用。激光焊接是包含大量因素的系统化过程,通过回归方法推演出的经验公式、创建在简化前提下的数学模型无法精准体现出焊缝形状和焊接参数间存在的关系,亟待创建科学的模型以有效反映二者间的关系[3].例如在BP网络模型的支持下,能够高效达到对A3钢YAG激光深熔焊的熔深进行合理的预估,同时发现相对误差绝对值的平均值小于8%.

  3)激光焊接过程中的焊缝质量把控、及时监测等因素对焊接接头的性能有直接影响。现阶段,在激光焊接环节大都通过机械视觉检测系统针对焊缝外表的形貌加以监测,对于焊缝的熔透情况并未构建起合理、高效的监测与控制体系。激光深熔焊环节必定会随着小孔的产生而形成光致等离子体,其动作行为与焊接效率及质量密切相关,是针对激光焊接质量开展及时监测与调控不可或缺的信息源。相关研究表明,构建以等离子体电荷信号为基础的传感器,能够对焊接缺陷进行有效地检测,主要包含焊接环节的中断、激光偏离现有焊缝以及小孔缺失等。

  4 结语

  激光焊接在船舶制造行业中的运用有较为明显的优势,焊接形变较小同时大大降低了焊后矫形的工作量。当前,激光-MIG/MAG复合焊、激光-MIG复合焊以及激光-电弧复合焊等技术在船舶制造领域有着大量的运用。随着"海洋强国"战略的提出,对船舶制造的效率及质量有着更高的要求,未来激光焊接在船舶制造中必将得到更加广泛地运用。

  参考文献
  [1] 徐传巧。试论激光焊接技术在船舶制造中的实际应用与未来发展[J].科技致富向导,2014,(12):187.
  [2] 金亚娟,李瑞峰,吴铭方。激光焊接技术在国内外船舶制造中的应用[J].中外船舶科技,2013,(04):28-30.
  [3] 陈飞。激光焊接技术在船舶制造中的应用与前景[J].造船技术,2011,(05):34-36,43.

  原文出处:张飙,胡旭东.激光焊接技术在船舶制造中的应用[J].船舶物资与市场,2020(08):42-43. 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/zhlw/20200906/8365107.html   

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