先进焊接技术在船舶钢结构建造中的应用研究

摘要：伴随现代船舶往大型化、高性能方向前行，钢结构焊接工艺面临着针对效率与质量的更高要求，激光焊接、搅拌摩擦焊接、等离子弧焊接以及机器人自动焊接等前沿焊接技术，依靠高效、精密、智能化的长处，在船舶制造行业中应用日益普遍，对各类先进焊接技术的工艺特性、适用范畴以及在实际建造过程中的应用状况展开分析，剖析其对提升船舶制造质量及效率的促进功效，还将探讨焊接进程中的质量把控与数字化发展走向，为船舶工业智能升级给予理论借鉴与技术助力。

关键词：钢结构熔接；经搅拌达成摩擦焊接；无人化自动焊接；质量控制

船舶钢结构作为船体的主要承载组件，其制造质量直接牵扯到整船的安全性与使用周期，伴随高强钢、大厚度板材的大量应用，建造过程让焊接工艺面临更高的稳定性、精度与效率方面的标准，传统焊接技术在面对复杂空间结构及高强钢焊接时，局限性渐趋明显，助力先进焊接技术在造船范畴快速进步，为跟上现代化船舶建造节奏，增进自动化及智能化水平，船厂着手把激光焊、搅拌摩擦焊以及智能机器人焊接系统纳入生产流程，达成结构质量及制造效率的同步上扬。

一、船舶钢结构焊接的技术需求与挑战

（一）船舶钢结构构造特点分析

船舶钢结构一般采用分段模块式建造工艺，主要由底板、舱壁、甲板这类构件组成，大多采用AH36、DH36等高强度船用钢材料，一般板厚在10～50mm区间内，局部结构的厚度最高可达80mm，该类钢结构不只是尺寸大，构型也极为复杂，且焊接接头的类型不一，有T形接头、角接接头以及搭接接头等，对焊接的成形效果与力学性能给出严格标准。在建造进行的过程里，分段结构大量纵向和环向焊缝的焊接，常采用卧式或立式装焊方式，因板件的尺寸偏大，热输入管控难度居高不下，容易造成变形、残余应力集聚、焊接裂纹等现象，大量应用厚板和箱型结构，对焊接深熔性及多层多道焊能力发起挑战[1]。

（二）传统焊接方法存在的问题

中小型船厂一般采用CO₂气体保护焊（GMAW）或埋弧焊（SAW）作为主要焊接办法，当中GMAW适合薄板和多位置的焊接，SAW适宜厚板横缝的高效焊接操作，当处于立焊和仰焊工况，GMAW存在飞溅大、熔深较浅、成形一致性差问题，而且焊接效率不能契合高节奏建造的要求；而SAW鉴于焊缝开槽尺寸大、填充金属用量可观，造成热输入量居高不下，较易引起热变形以及应力集中，传统人工焊接的劳动强度极大，高度仰仗焊工的技术水平，焊接质量稳定性欠佳，焊接缺陷率普遍比自动焊接系统偏高，不利于实现大批量重复生产。

二、先进焊接技术在船舶建造中的典型应用

（一）激光焊接技术

高能量激光焊接，LBW）采用高功率密度的激光束当作热源，具备焊接速度迅速、热输入微小、接头热影响区窄小等长处，尤其适合薄板对接与精密结构的拼焊工作，在某大型集装箱船建造项目当中，利用810kW的光纤激光器对48mm厚度甲板钢板实施激光直缝焊接，焊接速度实现3～4m/min，焊缝余高未达1mm，焊后无需开展大量的返修及打磨工作，激光焊接对接头间隙的控制要求较为苛刻，由此在配合激光焊运用时，需引入高精度自动装配系统或激光跟踪系统开展实时对中调整，其缺陷是一开始设备投资成本高昂，对现场的洁净程度以及装配精准度要求颇高。

（二）搅拌摩擦焊技术

摩擦旋转搅拌焊，FSW为一种固态连接的工艺，采用高速旋转的搅拌头在接头处引发摩擦热，把金属加热到软化状态后开展搅拌塑性连接，普遍应用于铝合金与异种金属接头的焊接事项，在某舰艇舱壁的轻量化结构里，实现5052 - H32与5083 - H321铝合金板材的连接，焊缝金属未见明显气孔与热裂纹，抗拉强度达到了母材的85%往上，FSW不会引起母材熔化，减小了传统焊接热影响区出现裂纹几率。

（三）等离子弧焊与窄间隙焊接

等离子弧焊（PAW）在厚板开槽焊接方面，具备电弧高度聚焦、熔深控制精准的长处，当进行1220mm厚度中厚钢板对接焊接操作，借助等离子跟埋弧焊复合工艺，可以减少开槽宽度至30%以上，实现填充金属减少20-40%，狭间隙焊接，NGW跟自动成形控制系统相结合，适用焊接间隙小于8mm、坡口角度把控在6-8°的厚板接头，在纵骨焊接、舱壁拼接作业里效果突出，使变形程度与材料成本降低。

（四）智能机器人与自动化焊接系统

采用轨道或桁架结构的焊接机器人系统，装有视觉识别、激光跟踪及在线监测部件，针对大规模重复焊接工序而言，可大幅提升焊接一致性与作业节拍，在中船某造船基地的舱段自动装焊生产线路上，机器人自动实施底板纵缝与角缝的焊接作业，误差精准维持在±0.5mm以内，焊接效率上扬40%，焊缝初次合格的比率达到96%以上，自动化系统常搭配安装焊接电流实时监测装置、熔深在线检测仪及缺陷预警模块，可在线识别出气孔、夹渣、未熔合等缺陷，极大降低后续返修工作。

三、先进焊接技术应用中的质量控制与发展策略

（一）焊接质量控制与检测技术

焊接技术是船舶制造过程中一项至关重要的工艺，它不仅影响船舶的结构强度、安全性和耐久性，还直接关系到船舶的生产效率和制造成本[1]。然而在焊接过程中往往面临着热影响区大、易变形、焊缝质量难以控制等问题，传统的焊接方法难以完全满足高质量、高效率的焊接需求[2]。PAUT可实现焊缝内部缺陷的三维图形构建，是船体纵骨拼接、加强筋角焊缝等厚板结构质量检测惯用手段，在一处海洋工程平台之上，借助PAUT扫描25mm厚的横向结构对接焊缝，成功察觉深度2.3mm的微裂纹缺陷，且在后续返修工作里规避了结构因应力集中而失效的风险。

（二）工艺适应性与参数优化

不同的焊接技术，其参数匹配要求差异明显，举激光焊这个例子，需依照板厚调整功率及焊速，4mm厚钢板典型工艺所采用的激光功率为68kW，其焊接速度为2.53m/min，采用流量2025L/min的纯氩或氩 - 氦混合气体作为保护气体。在某船厂的甲板自动激光焊接生产线里，采用7kW的激光器配合氦 - 氩混合气进行保护，把边缘热影响区宽度限定在1.2mm以内，极大减少板面翘曲变形量，焊缝返修率下探至3%，FSW要优化诸如搅拌头形状、转速（常为400 - 800rpm）、焊接推进速度（100 - 300mm/min）等要素，以保障接头组织紧密，热输入合理。

（三）智能制造与数字化协同

先进焊接技术须嵌入智能制造系统里，把生产管理平台MES和焊接数据平台WMS结合起来，实现焊接工序的任务规划、参数记录在案、设备状态监督与质量追查溯源[3]。在海运的某智能造船车间内，焊接机器人与嵌入式采集系统及SCADA平台配套，即时采集焊接的电流、电压、送丝速度等参数，还能自动剖析焊缝数据的波形，若出现电弧不稳定、热输入异常现象，及时向操作终端推送告警提示，有力杜绝缺陷扩大，采用AI算法对历史焊接数据进行建模，企业实现了“工艺—质量—预测”的闭环调控。

总结：采用先进焊接技术，成功解决了船舶钢结构建造所存在的热变形大、缺陷率高、效率低等问题，采用激光焊、搅拌摩擦焊、等离子焊及智能焊接系统，有力提升了焊接质量与生产自动化层级，依靠精细化工艺参数把控与质量检测手段搭配运用，不仅维护了接头性能的稳定情形，也助力制造过程实现标准化与精益化。

参考文献

[1]任春江，张建杰.船舶钢结构焊接工艺浅谈[J].船舶标准化与质量，2023，（05）：23-25+29.

[2]李海英，熊淑秋.船用耐蚀材料激光焊接技术分析[J].舰船科学技术，2024，46（21）：67-70.

[3]聂华，雷开元.基于人工智能技术的船舶智能制造系统[J].舰船科学技术，2021，43（10）：205-207.

作者信息：何波  （1986—） 男 、汉族、湖北麻城人、中级工程师、研究方向：船舶与海洋工程