施佳慧，周瀚森

（中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范研究所，上海 200135）

0 引言

豪華郵輪設(shè)計(jì)復(fù)雜、建造難度大、造價(jià)昂貴。郵輪作為造船業(yè)“皇冠上的一顆明珠”，具有較高的附加值。隨著中國(guó)郵輪消費(fèi)市場(chǎng)的增加，把握時(shí)機(jī)進(jìn)入郵輪的建造領(lǐng)域是船廠轉(zhuǎn)型升級(jí)的必由之路。郵輪與傳統(tǒng)貨運(yùn)船舶在建造方面最大的區(qū)別在于龐大的上層建筑工作量。郵輪上層建筑艙室繁多，其鋼板較薄，厚度多為4～6 mm，在焊接過(guò)程中如何有效控制薄板焊接變形、提高焊接效率與質(zhì)量是郵輪制造的關(guān)鍵問(wèn)題。

目前上層建筑分段片體的制作大都采用埋弧焊拼板，之后采用氣體保護(hù)焊對(duì)扶強(qiáng)材進(jìn)行焊接。埋弧焊熱輸入量大，薄板拼板的焊后變形較大，焊后需要花大量的時(shí)間去校平。雖然也有制造廠對(duì)此提出了一些反變形措施，但同時(shí)也增加了額外的時(shí)間和成本。相對(duì)于普通埋弧焊，單電源雙絲埋弧焊具有熱輸入量低和焊接變形小的特點(diǎn)。有船企采用單電源雙細(xì)絲埋弧焊對(duì)8 mm板進(jìn)行焊接，可一定程度減少焊接變形，但是對(duì)于郵輪上更薄的板未做相關(guān)研究。此外，也有船企采用雙絲熔化極活性氣體保護(hù)焊對(duì)郵輪5 mm薄板進(jìn)行焊接試驗(yàn)及優(yōu)化，焊縫力學(xué)性能滿足船級(jí)社規(guī)范要求，該方法可提高焊接效率，但對(duì)焊接變形未給出相關(guān)的分析。扶強(qiáng)材的角焊縫目前仍采用氣體保護(hù)焊，部分制造廠采用自動(dòng)焊接設(shè)備，可一次性焊接多條扶強(qiáng)材，有效提高了焊接效率，但焊接變形問(wèn)題依然存在。

1 激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在郵輪制造中的應(yīng)用

1.1 激光-電弧復(fù)合焊接特點(diǎn)

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光焊接也開始走出實(shí)驗(yàn)室，用于現(xiàn)場(chǎng)焊接制造中。激光能量密度高，可實(shí)現(xiàn)大熔深焊接，其高效且焊接變形量小的特點(diǎn)是其他焊接方法望塵莫及的。采用激光進(jìn)行焊接的方式有多種，主要包括激光自熔焊、激光填絲焊和激光-電弧復(fù)合焊。由于沒(méi)有填充材料，激光自熔焊的焊縫會(huì)存在咬邊、下凹、焊縫高低不平和氣孔等缺欠。激光填絲焊通過(guò)填充焊絲可有效解決上述問(wèn)題，同時(shí)可調(diào)整焊縫化學(xué)成分以獲得優(yōu)良的力學(xué)性能。然而，在進(jìn)行激光填絲焊時(shí)，激光的部分能量作用于焊絲，降低了激光的使用效率，會(huì)對(duì)深熔焊的熔深產(chǎn)生不利影響。此外，在采用單純激光作為熱源時(shí)，由于光斑的照射半徑非常小，對(duì)于工件的裝配精度要求非常高，若裝配間隙較大則不能獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。船舶拼板焊縫較長(zhǎng)，裝配間隙難以控制，激光自熔焊與激光填絲焊對(duì)于裝配間隙要求高，用于船舶結(jié)構(gòu)板拼焊也有很大局限。相對(duì)來(lái)說(shuō)，激光-電弧復(fù)合焊接更適用于船舶結(jié)構(gòu)的薄板焊接。激光-電弧復(fù)合焊結(jié)合了激光與電弧的特點(diǎn)，在減小焊接變形的同時(shí)具有更好的裝配間隙容忍度。激光-電弧復(fù)合焊接12 m長(zhǎng)的船板，焊接速度可達(dá)3 m/min，焊后公差可控制在0.5 mm以內(nèi)。

激光-電弧復(fù)合焊接主要有激光-熔化極惰性氣體保護(hù)（Melt Inert Gas，MIG）焊接、激光-熔化極活性氣體保護(hù)（Metal Active Gas，MAG）焊接、激光-鎢極惰性氣體保護(hù)（Tungsten Inert Gas，TIG）焊接等組合方法。與單純激光焊接相比具有眾多優(yōu)點(diǎn)：

1）減小裝配要求。電弧焊的加入提高了裝配接頭間隙的搭橋能力。

2）提高焊縫性能。電弧焊熔化的焊絲可以調(diào)整焊縫的化學(xué)成分，改善焊縫形貌，還可以減緩焊縫冷卻，提高焊縫力學(xué)性能。

3）提高效率。加入電弧，不再需要激光的能量來(lái)熔化焊絲，提高了激光的深熔效果。

4）減少氣孔產(chǎn)生。電弧的熱作用減緩了焊縫的冷卻速度，減少氣孔的產(chǎn)生。

5）焊接質(zhì)量穩(wěn)定。機(jī)械化的作業(yè)方式以及激光束可穩(wěn)定焊接電弧，減少焊接飛濺，使焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定。

1.2 激光-電弧復(fù)合焊接在郵輪制造中的實(shí)際應(yīng)用

激光-電弧復(fù)合焊接最早在德國(guó)邁爾船廠大規(guī)模使用。邁爾船廠有4套激光-MIG復(fù)合焊設(shè)備，采用Trumpf CO激光器，每臺(tái)設(shè)備的最大輸出功率可達(dá)12 kW。邁爾船廠已在拼板對(duì)接縫和型材角焊縫上大量使用激光-電弧復(fù)合焊。此外，知名郵輪建造商意大利芬坎蒂尼船廠和挪威阿克爾船廠都建有激光焊接生產(chǎn)線。在我國(guó)，激光焊接技術(shù)在汽車與航空領(lǐng)域有相對(duì)較多的應(yīng)用，而在船舶行業(yè)鮮有應(yīng)用。近年來(lái)，隨著客滾船、郵輪項(xiàng)目的增加，國(guó)內(nèi)煙臺(tái)中集來(lái)福士海洋工程有限公司、招商局重工（江蘇）有限公司、廣州廣船國(guó)際股份有限公司以及上海外高橋造船有限公司也相繼建立激光切割、焊接生產(chǎn)線，研究激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)。

激光-電弧復(fù)合焊接在郵輪上層建筑分段建造中的應(yīng)用主要包括拼板對(duì)接焊和扶強(qiáng)材的板角接焊。

1）拼板對(duì)接激光-電弧復(fù)合焊接見(jiàn)圖1所示，常采用“激光前置，焊槍在后”的方式，同時(shí)在激光前沿添加保護(hù)氣體。通常情況下，光絲間距在2～4 mm，負(fù)離焦。坡口面一般經(jīng)機(jī)械加工，可滿足接頭1 mm的裝配間隙。拼板對(duì)接焊是激光-電弧復(fù)合焊接最主要的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成型。

圖1 拼板對(duì)接激光-電弧復(fù)合焊接示意圖

2）板角接激光-電弧復(fù)合焊接見(jiàn)圖 2，激光與底板夾角通常為 10°，電弧焊槍與腹板夾角通常為45°，激光與電弧在焊接方向的夾角為30°～45°?？筛鶕?jù)需要，通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)部分熔透及全熔透焊接。全熔透焊接時(shí)，采用單面焊接的難度較大，容易造成未熔合以及難以控制反面成型等問(wèn)題，而采用雙面焊接則較易實(shí)現(xiàn)。

圖2 板角接激光-電弧復(fù)合焊接示意圖

2 激光-電弧復(fù)合焊接標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 工藝標(biāo)準(zhǔn)分析

目前，國(guó)際上已經(jīng)建立了激光-電弧復(fù)合焊接工藝評(píng)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)ISO 15614-14:2013(E)；我國(guó)于2017年發(fā)布GB/T 33645—2017《鋼、鎳及鎳合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》。在焊接工藝規(guī)程方面，國(guó)際上遵循ISO 15609-6:2013標(biāo)準(zhǔn)要求；我國(guó)于2016年發(fā)布GB/T 19867.6—2016《激光-電弧復(fù)合焊接工藝規(guī)程》，我國(guó)在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上作了技術(shù)差異的調(diào)整，以適應(yīng)我國(guó)技術(shù)條件。此外，2019年發(fā)布的GB/T 37893—2019《激光-電弧復(fù)合焊接推薦工藝方法》給出了激光-電弧復(fù)合焊接通用的技術(shù)要求，主要包括人員資質(zhì)、焊接設(shè)備、焊接參數(shù)及質(zhì)量驗(yàn)收等內(nèi)容，促進(jìn)了激光-電弧復(fù)合焊接的應(yīng)用。

GB/T 33645—2017《鋼、鎳及鎳合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)》和GB/T 19867.6—2016《激光-電弧復(fù)合焊接工藝規(guī)程》與中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）《材料與焊接規(guī)范》（2021版）在焊接工藝認(rèn)可方面有一些差異，主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：

1）試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)量。GB/T 33645—2017標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）的沖擊試驗(yàn)數(shù)量要求為1組，對(duì)于熔覆金屬及焊接熱影響區(qū)（Heat Affected Zone，HAZ）的沖擊試驗(yàn)數(shù)量少于《材料與焊接規(guī)范》（2021版）；GB/T 33645—2017標(biāo)準(zhǔn)未要求部分熔透角焊接頭進(jìn)行破斷試驗(yàn)。

2）驗(yàn)收要求。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)要求與驗(yàn)收要求不同，對(duì)于一般強(qiáng)度的船體結(jié)構(gòu)鋼，GB/T 33645—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的硬度試驗(yàn)驗(yàn)收值不大于380(HV10)，該值要高于《材料與焊接規(guī)范》（2021版）要求的350(HV10)。

3）認(rèn)可工藝的適用范圍。GB/T 33645—2017標(biāo)準(zhǔn)要求的板厚適用范圍和熱輸入范圍要小于《材料與焊接規(guī)范》（2021版）。

4）焊接工藝規(guī)程參數(shù)。與《材料與焊接規(guī)范》（2021版）相比，GB/T 19867.6—2016標(biāo)準(zhǔn)不僅對(duì)常規(guī)的電弧焊參數(shù)提出要求，還對(duì)激光參數(shù)（激光器類型、激光功率、離焦量、光斑直徑等）和復(fù)合參數(shù)（光束與電極和工件的相對(duì)位置、光絲間距等）提出相應(yīng)要求。

相關(guān)研究表明，激光-電弧復(fù)合焊接的接頭硬度偏高，與普通熔化焊相比，激光-電弧復(fù)合焊的焊接速度更快，根部焊縫散熱更快，這使得熱影響區(qū)硬度偏高。因此，激光-電弧復(fù)合焊的硬度合格范圍較為寬松。此外，激光-電弧復(fù)合焊接熔深較大，工藝參數(shù)對(duì)于不同板厚適用范圍較窄。

2.2 無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析

弧焊常用的焊縫質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)ISO 5817:2014不適用于高能束焊接，激光-電弧復(fù)合焊接驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用ISO 12932:2013或GB/T 33214—2016《鋼、鎳及鎳合金的激光-電弧復(fù)合焊接接頭缺欠質(zhì)量分級(jí)指南》。通過(guò)對(duì)比分析，ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)與ISO 5817:2014標(biāo)準(zhǔn)大部分要求相同，主要有以下9點(diǎn)不同：

1）弧坑裂紋。ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)的D級(jí)要求可允許弧坑裂紋。

2）表面氣孔。ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)的B級(jí)要求對(duì)單個(gè)氣孔最大尺寸（角接焊）的規(guī)定要小于ISO 5817:2014。

3）根部未焊透。ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)的D級(jí)要求高于ISO 5817:2014標(biāo)準(zhǔn)。

4）根部縮溝。ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)的B級(jí)和C級(jí)要求高于ISO 5817:2014標(biāo)準(zhǔn)。

5）根部凹陷。ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)要求低于ISO 5817:2014標(biāo)準(zhǔn)。

6）ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)內(nèi)部球形均布?xì)饪?、局部密集氣孔及鏈狀氣孔的單個(gè)氣孔最大尺寸要求比ISO 5817:2014標(biāo)準(zhǔn)要求低。

7）ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)增加未焊透（包括完全焊透、部分焊透及完全焊透-單面焊）的要求。

8）ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)增加對(duì)接焊角變形的要求。

9）ISO 12932:2013標(biāo)準(zhǔn)增加T型雙面焊角焊縫根部間隙不良的要求。

總體來(lái)看，激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中比較難以解決的缺陷是表面及內(nèi)部的氣孔，無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此做了相應(yīng)的調(diào)整。此外，激光-電弧復(fù)合焊接的成型形狀與常規(guī)熔化焊不同，無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整。在標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注這些方面。

3 激光-電弧復(fù)合焊接應(yīng)用展望

3.1 焊縫性能與檢驗(yàn)

激光作用時(shí)間短，冷卻速度快，與傳統(tǒng)電弧焊相比，激光-電弧復(fù)合焊縫硬度偏高，熱影響區(qū)有時(shí)會(huì)出現(xiàn)硬度超過(guò)400 HV的情況，應(yīng)注意通過(guò)合適的工藝方法防止局部硬度偏高。

雖然激光-電弧復(fù)合焊比單獨(dú)激光焊抗氣孔性能好，但是仍然高于傳統(tǒng)電弧焊。激光-電弧復(fù)合焊接形成的指狀熔身不利于氣孔的溢出。此外，激光-電弧復(fù)合焊的焊接速度相對(duì)較快，這使得氣孔更不易溢出，需要通過(guò)焊接工藝、坡口清潔及保護(hù)氣體等多種措施減少焊縫的氣孔率。射線檢測(cè)可有效檢測(cè)焊縫氣孔，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮采用射線檢測(cè)方法。此外，激光-電弧復(fù)合焊接為全機(jī)械化作業(yè)，焊縫一致性優(yōu)于人工焊接。在工藝質(zhì)量成熟的條件下，可考慮適當(dāng)減少焊縫的無(wú)損檢測(cè)數(shù)量以提高生產(chǎn)率。

3.2 焊接設(shè)備與材料

目前國(guó)內(nèi)的激光-電弧復(fù)合焊接核心設(shè)備均為國(guó)外供應(yīng)，價(jià)格高昂，擁有設(shè)備的均為國(guó)有大型船企。要想降低成本，大量推廣應(yīng)用，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化勢(shì)在必行。焊接材料目前仍然采用常規(guī)電弧焊焊材。未來(lái)可針對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接特點(diǎn)開發(fā)高熔覆效率、抗氣孔且能提高焊縫性能的焊材。

3.3 標(biāo)準(zhǔn)

CCS對(duì)于船體結(jié)構(gòu)角焊縫有最小焊腳高度3 mm的要求，對(duì)于薄板角焊縫，激光-電弧復(fù)合焊接可實(shí)現(xiàn)不開坡口部分熔透或全熔透焊接，這種情況下可考慮相應(yīng)減小焊腳尺寸以實(shí)現(xiàn)節(jié)約焊材和減重的目的。

激光焊接常與普通焊接方法組合使用，需要重視不同焊接方法的適用標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要根據(jù)船舶結(jié)構(gòu)的材質(zhì)及板厚等特點(diǎn)建立相應(yīng)的激光-電弧復(fù)合焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，以便這一技術(shù)在船舶行業(yè)更好地得以應(yīng)用。

4 結(jié)論

1）與傳統(tǒng)埋弧焊與氣體保護(hù)焊相比，激光-電弧復(fù)合焊接具有生產(chǎn)效率高、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已在船舶及郵輪建造產(chǎn)業(yè)開始應(yīng)用，是郵輪建造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2）對(duì)比國(guó)內(nèi)外激光-電弧復(fù)合焊接工藝評(píng)定、工藝規(guī)程及無(wú)損檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與目前造船采用的標(biāo)準(zhǔn)，得出了標(biāo)準(zhǔn)在試驗(yàn)方法及驗(yàn)收條件方面的差異，為標(biāo)準(zhǔn)使用及新標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考。

3）需要加強(qiáng)激光-電弧復(fù)合焊接在焊縫硬度的控制、氣孔的檢測(cè)與預(yù)防、焊接設(shè)備及焊材等方面的研究。此外，應(yīng)制定適合于郵輪及船舶結(jié)構(gòu)的激光-電弧復(fù)合焊接相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量及效率。