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1、激光焊接在欧洲造船业的现状、应用及前景激光焊接技术是20世纪60年代发展起来的，与传统焊接方法相比，激光焊接具有焊接效率高、焊接变形小、不受电磁干扰、不需真空和不产生X射线等优点。激光焊接技术在船舶制造中应用的研究始于20世纪80年代，1994年CO2激光焊接技术获得了在船舶生产制造中应用的许可证，这标志着激光焊接技术在造船工业中应用的开始。大型舰船制造方法逐渐实现由铆接到焊接的变革，焊接方法、工艺和设备也稳步发展，从早先的气焊、电弧焊，发展到激光焊。造船技术的不断发展，带动了造船材料和船舶设计的重大变化。造船业是激光焊接应用的一个重要领域，造船的主要工艺是焊接，采用激光焊接的优点在于可得到高
2、强度的焊件，从而在设计上可减小所用材料的厚度，达到轻重量、高强度的目标。实际上当前欧洲的一些大型游轮的建造中，激光焊接的应用达到20左右，近期目标达到50。一、欧洲造船业激光焊接技术的应用现状20世纪80年代中期以来，由于遭遇东亚造船业、特别是韩国和日本造船厂激烈竞争的冲击，欧洲造船业在全球市场所占的份额大幅下滑，最近几年来始终徘徊在15%上下。为了扭转不利的局面，欧盟部长理事会从2003年起恢复了对欧盟造船厂的补贴，这在一定程度上改善了欧洲造船企业的竞争为了应对东亚造船业的冲击，振兴欧洲造船业，欧盟在采取调整产业结构、集中力量致力于高技术、高附加值船舶等有力措施的同时，十分注重对船厂新技术、
3、新工艺的扶植。焊接是船体结构建造过程中耗费人工工时最多约占40%、对效率和成本构成重要影响的作业环节，自然格外受到人们重视。90年代中、后期，欧洲船厂纷纷安装了用于焊接和切割的成套设备。在美国，Bender 船厂是第一家使用高功率激光切割设备的船厂。1999年Bender 使用6KW的Tanaka LMX 激光器，在制造成本和质量上取得了巨大进步。2001年，联邦电动船部在其移动实验室安装了4KW的ESAB系统。激光切割设备在Bender的应用，引起了对发展高效激光焊接技术的关注.欧洲各船厂激光焊接应用现状如下：Meyer Werft 公司是在游轮与渡轮市场中表现活跃的一家公司，该公司目前使用
4、激光和激光复合焊接技术，焊接钢夹芯板和常规加筋板。游轮及渡轮制造商Aker Yards公司使用激光气体金属弧焊（MAG）复合焊接技术制造平板。Blohm+Voss造船厂使用激光对常规加筋板进行焊接和切割。最近激光焊接这种独特的焊接技术正在船舶的轻型甲板结构所用的夹层板平面分段结构的生产中得到充分的发挥，尤其是在德国Meyer Werft公司，该公司所生产的平面分段用于游船和其他客船上的非主结构甲板和上层建筑。激光焊接夹层平面分段的优点在于其抗拉强度高，施工方便，成本比常规的平面分段低。在造船工业中，激光- GMAW复合焊已被应用于德国Papenburg 的Meyer 船厂。由于这种工艺方法可高
5、质量地完成20 倍于20 m 的长区段的焊接生产，而不需要将板翻面，故这里甲板预制的全自动化生产就是以这种工艺开发的。在甲板预制区内，有两个对接焊工作站。厚度在15mm以内的板能达到3.0m/min的焊接速度。另外，还有两个角接焊接工作站，用于焊接直线尺寸长度在20 m 以内，厚度在12 mm的甲板或墙板。另外， Meyer Werft船厂是世界上最大、最先进的豪华游艇生产厂，1995年该船厂成功地把CO2激光焊接技术用于钢制船体部件“三明治”结构的生产中，成为船舶制造业的里程碑。“三明治”结构是指在两块面板中间焊有加强腹板的夹心平板构件，采用Stake Welding的激光焊接方法，充分发挥
6、激光穿透性好、熔深大的特点，焊接时让激光束穿过面板，然后再熔化紧贴于面板下方的腹板，从而完成两部分的焊接连接。它不仅标志新的、先进的激光焊接技术代替传统热连接方式在重工业生产中的应用，同时“三明治”结构的使用提高了整船的强度、刚性和安全性，并减轻重量40，也为船体制造带来了结构性的变革。此后，激光焊接技术被越来越多地应用于船舶制造中，“三明治”型式的结构设计不仅在船体也在其他领域得到了广泛的应用。2001年Meyer船厂率先把激光电弧复合焊用于对接焊、T型接头和其他平板零部件（钢铁材料）焊接的船体生产中，完全取代了传统的电弧焊接技术。玛雅船厂又率先把激光电弧复合焊技术用于船用钢板的对接焊以及T
7、型接头的焊接中。由于激光电弧复合焊较强的桥联能力，降低了对接头准备的要求，由此降低了生产成本，另外激光电弧复合焊技术的使用也提高了焊接接头的性能，保证了焊缝质量。玛雅船厂设有两个激光焊接工位，一个用于三明治板平板与下方筋板的连接，一个用于三明治板T型接头连接。在平板与下方筋板连接的工位，激光头固定不动，激光焊接的实现是通过三明治板沿长度方向移动实现的。三明治板不仅可以沿长度方向运动，还能够沿板宽方向移动实现激光头与焊缝之间的精确对位。激光头上使用四个辊轮来确保对接钢板之间的可靠接触以保证焊接质量。玛雅船厂建立了激光焊接生产工位后，欧洲其他主要船厂也相继建立激光工位，但是这些工位基本用于科学研究
8、。三明治结构焊接系统Odense船厂是一家位于丹麦的大型油轮生产厂。1999年它建立了一条柔性生产线，把激光打标、切割、焊接和表面去漆同时用于船舶制造中。使用一台三角形谐振腔的12kW CO2激光器（由Wegmann Baasel公司制造）来满足各种不同加工需求，每天的工作能力可以达到切割或者焊接300m长度的材料，整个系统大约200万美元。这套设备大多数情况下用于研发工作，仅仅有一小部分用于船板生产线上的工作。Odense Steel Shipyard公司也利用激光进行焊接、切割，以及对货运集装箱的钢铁组件进行打标等多种加工。激光电弧复合焊应用于造船业的第一条生产线于2002年在德国Meye
9、r-werft造船厂实现，该生产线采用CO2激光与GMAW复合热源，主要用于船体平板和加强筋焊接。Odense的激光切割和焊接头随着运输工具快速、轻型化的发展趋势，在海洋中服役的钢铝混合结构船只和铝合金船只越来越多。在这种形式下，德国的Aker Warnow Werf船厂与美克伦博格焊接技术培训与实验研究所采用4.4kW的Nd：YAG激光和MIG焊复合焊接系统（下图），进行了钢铝混合结构船只中5083铝合金的对接和T型接头的激光焊接技术研究，并在Aker Warnow Werf船厂建立了示范生产线。Aker Warnow Werf 船厂的激光焊接系统Fincantieri船厂是意大利的大型造船
10、厂之一，与德国Meyer Werft船厂相似，它的主要产品也是豪华游艇。1998年该船厂在船舶生产线上建立了激光对接焊工作站，用于厚度为4.06.0mm船用钢板的对接焊。Fincantieri开发了激光焊接设备用于矩形接头焊缝的焊接。这个设备用在船板生产线上辅助埋弧焊接。整个设备附带隔绝CO2激光的防护窗。外面是控制室包括激光头、加工过程监控设备以及记录关键参数，例如激光功率，激光束由光闸控制。光束传输系统包括变换系统、若干吸收体、转向镜以及聚焦光学元件，达到工件的激光功率未知。所采用的激光器是Rofin Sina公司生产的17kW CO2激光器。Vosper Thornycroft船厂以制造
11、小型高速战舰例如巡洋舰和护卫舰而著称，又建立了全球最大的玻璃钢快艇的工厂。该船厂内设有一多功能车间，车间装有激光切割设备，用于钢铁材料和复合材料的切割。 Blohm-Voss船厂是德国的重要船厂之一，主要生产海军舰艇和巡洋舰，2002年投资安装了两套TRUMPF TFL12000 CO2激光器，采用激光焊接和切割加工钢制板金部件。在德国，有相对少量的激光焊接T型材是在加工车间生产的，在水面舰船上至少已经有两种用途。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；贝丝铁厂将几种不同截面的型材，如角型材、T型材和十字型等用于驱逐舰防空导弹支架。菲坎铁瑞船厂是意
12、大利大型造船厂之一，主要产品是巡洋舰。1998年在生产上建立了激光对接焊接研究工位，主要用于厚度为6mm船用钢板的连接。德国不罗幕沃斯船厂是德国的重要船厂之一，主要生产海军舰艇和巡洋舰。1999 年建立激光焊接和切割工位进行船用钢板的加工，这一工位部分用于生产，部分用于研发。2002年该厂对原有的激光焊接工位进行改进，依照玛雅船厂的模式，把激光焊接技术改为激光电弧复合焊技术，船用钢板也从传统的厚钢板改进为三明治结构。德国的阿卡瓦瑙船与美克伦博格焊接技术培训与实验研究所采用Nb：Yag激光和MIG复合焊接技术进行钢铝混合结构船舶上层建筑中铝合金T型接头的激光焊接技术研究，并在阿卡瓦瑙船厂建立了研
13、究工位。在该工位中，为避免固体激光的辐射，焊接过程在焊接室内进行，焊接室吊装在龙门上。另外大功率光纤激光在船舶制造中的应用研究已经在德国不来梅应用射线技术研究所展开。大型豪华邮轮、高速滚装、客滚渡轮被公认为现今制造难度最大的商用船型，加上当代先进的军用舰艇，单就这类舰船而言，船舱和甲板上层建筑的内部结构布局极其复杂，焊接作业量巨大；建造中又较多地使用薄板及各种合金材料，因而对焊接工艺的要求极为严格，既要满足高性能的焊接质量，又要尽可能地减轻焊缝形成的质量，同时焊接后的钢板表面还要保持光滑和美观，要完全做好实非易事。欧洲造船业为了巩固自己在这些高附加值军民用舰船市场份额上的优势地位，投以巨资，率
14、先将激光焊接和激光混合焊接应用到舰船建造的实践中去，有针对性地发挥其在上述高要求焊接作业环境中良好的适用性能，以期达到提高现有的生产效率、降低制造成本、增强企业竞争力的目的。历经多年持之以恒的不懈努力，积累了丰富的经验，成绩斐然，激光焊接和激光复合焊接在造船业应用的技术及工艺水平处于国际领先地位，得到了全球造船界的推崇。除了有文献记载的极少数造船厂以外，全世界几乎所有用于造船业的激光焊接设备都安装在欧洲大陆。a. 1994年，德国Move：船厂率先用激光焊接来制造sandwich夹心板；2001年底，采用激光电弧复合焊接制造船体平而分段的自动化生产线安装调试完毕，投入生产使用。b.在丹麦Ode
15、nse船厂，有一台5轴控制门架式激光焊接、切割机床，配备12 kW COZ激光装置，加工范围17 000 mmx4 500 mm x 1 000 mm，工作机头可选择激光+送(填)丝机构或激光/MIG复合焊接的焊接方式，如图6所示。c.意大利的Fincantieri造船厂，安装了一条与Meyer船厂类似的、用于平板拼接焊的激光加工生产线。据报道，因为前道焊件边缘加工达不到要求，造成了焊缝间隙超差，因此该生产线未能成功发挥作用。d.德国Blohm+Voss船厂建有先进的船体结构件激光焊接及激光切割生产线。e.德国的Ivaerner Warnow(克瓦尔纳瓦诺) 船厂和位于芬兰境内的Ivaerne
16、r Masa(克瓦尔纳马萨)船厂则分别选用光纤传输激光光束的Nd：YAG激光装置，并将其与电弧组成复合焊接，然后改装在原来的焊接机架上，用于造船生产。二、欧盟近期“应用激光焊接提高造船竞争力”的两项计划介绍20世纪80年代以来，由于遭遇东亚造船业，特别是韩国和日本造船厂激烈竞争的冲击，欧洲造船业在全球市场所占的份额大幅下降。为了应对东亚造船业的冲击和振兴欧洲造船业，欧盟先后启动了两项关于“应用激光焊接提高造船竞争力”的计划。1. SHIPYAG计划SHIPYAG计划：全称为适合于造船业的低成本、多用途及安全的YAG激光焊接，其目的是研究开发适用于造船焊接的固体激光系统，采用光纤传输激光束，简洁、灵活，增加激光能量及效率，使其能够胜任船厂中、厚板材的焊接作业，以期节省68的船体制造成本，制定出船厂使用YAG激光焊接安全问题的解决方案。计划目的：研究开发适用于造船焊接的固体激光系统(YAG)，从技术上克服现有CO2激光焊接
