德國的船舶制造廠正處在日益增加的競爭壓力之下。包括中國、韓國和日本在內(nèi)的亞洲船舶制造大國早在2011年就已經(jīng)將其在全球供應(yīng)中所占份額提升至93%，德國僅占1%，跌至第8位。這一競爭壓力迫使德國的船舶制造廠在過去幾年中停止了制造集裝箱運(yùn)輸船，轉(zhuǎn)而集中精力制造游艇、郵輪、海洋船舶和特殊船舶。但是其競爭對(duì)手，特別是來自亞洲的對(duì)手，也開始進(jìn)入這些領(lǐng)域。國際競爭壓力和德國的工資水平（德國是高工資國家）使得德國的船舶制造廠迫切需求創(chuàng)新和高效的生產(chǎn)技術(shù)，以在這個(gè)市場中獲得成功。

       位于德國Papenburg的Meyer Werft 船舶制造廠是始建于1795年的家族式企業(yè)。最初由制造捕魚和引航船到集裝箱運(yùn)輸船和渡輪，然后轉(zhuǎn)變成郵輪（圖1）的頂尖制造商。他們有今天的成就， 與始終把不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝作為發(fā)展的第一要?jiǎng)?wù)有必然關(guān)系。2000年，Meyer Werft成為第一家引進(jìn)激光復(fù)合焊來制造板材的造船廠（長度高達(dá)20米），然后其他的歐洲船廠例如Fincantieri和Aker Finyards也緊隨其后采用這種方法。這一技術(shù)的使用極大縮短了生產(chǎn)時(shí)間（極高的焊接速度和焊縫深度），并降低了后續(xù)費(fèi)用（較小的熱變形）。自從開始實(shí)施激光復(fù)合焊以來，這個(gè)行業(yè)的趨勢(shì)是朝著使用固體激光器加工更大幅的板材、更高的板材厚度的方向發(fā)展。為此，Meyer Werft船舶制造廠一直精心運(yùn)營其具有頂尖研究實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)部門，并與研究機(jī)構(gòu)例如德國亞琛工業(yè)大學(xué)ISF焊接和連接研究所（ISF Welding and Joining Institute）進(jìn)行密切合作。激光復(fù)合焊已經(jīng)成為Meyer Werft最重要的焊接技術(shù)（目前使用三臺(tái)碟片激光器和五臺(tái)CO2 激光器），他們最大的游輪（350米長、40米寬）的激光復(fù)合焊接接縫大約有450公里長，最大的板材尺寸是30×25米。

        在公眾資助項(xiàng)目“帶傳感器的全機(jī)械式立向下焊（FaSek）”中，亞琛ISF研究所、Meyer Werft船廠和Flensburger S c h i f f b a u 船廠（F SG， 位于德國的Flensburg）一起合作研究將激光復(fù)合焊接的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到墻體結(jié)構(gòu)的立向焊接任務(wù)。他們的目標(biāo)是開發(fā)一種焊接系統(tǒng)，使其具有高焊接速度、高度機(jī)械化、熱變形低、具有焊接間隙搭橋能力并允許等離子切割工件等優(yōu)點(diǎn)。這種焊接工藝將能完全取代目前使用的手動(dòng)立向上焊接，后者采用的是氣體保護(hù)金屬極電弧混合焊（GMAW）工藝，不僅非常耗時(shí)，并且成本頗高。

      焊接任務(wù)（圖2）包括最大長度為4米、板厚為5-7毫米（Grade A）和等離子切割邊緣的立焊縫（對(duì)接和角接焊縫）。裝夾、定位點(diǎn)和熱變形等因素讓焊接間隙在0-3毫米之間變化。焊接過程包括兩個(gè)雙面并行的氣體保護(hù)焊（Cloos Qineo Pulse 450，脈沖電?。┻^程和一個(gè)激光焊接（TRUMPF碟片激光器）過程。通過設(shè)置GMAW與激光焊接之間的距離，該復(fù)合過程可以在工件的正面或背面進(jìn)行。激光焊接帶來的高穿透深度可防止在根部發(fā)生不完全熔透現(xiàn)象。另一個(gè)關(guān)鍵的缺陷是在側(cè)壁的不完全熔透。根據(jù)等離子切割邊緣和焊縫的幾何形狀，可以通過激光光束振蕩來防止這些缺陷的產(chǎn)生。啟用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的掃描鏡（ILV掃描儀）來實(shí)現(xiàn)與焊接方向成直角的振蕩。焊縫跟蹤系統(tǒng)（Precitec LPF）的加入使得能夠進(jìn)行自動(dòng)焊縫的跟蹤，以及焊縫寬度的在線測量。該焊縫跟蹤系統(tǒng)由光纖傳感器、校正軸和控制單元組成。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和焊縫寬度來選擇焊接參數(shù)。焊接試驗(yàn)的結(jié)果表明，F(xiàn)aSek項(xiàng)目中開發(fā)的焊接系統(tǒng)能完成上述焊接任務(wù)。實(shí)施立向下焊時(shí)若要獲得足夠的過程可靠性，關(guān)鍵的因素在于控制熔池的體積和粘度。必須仔細(xì)設(shè)置焊接及幾何參數(shù)（特別是GMAW與激光焊接之間的距離），以防止焊縫金屬的電弧過程發(fā)生燃燒，后者會(huì)導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，例如熔透不完全和高的焊渣飛濺率。

         焊接試驗(yàn)表明，可以將激光焊接與背面GMAW進(jìn)行適當(dāng)?shù)貜?fù)合，并在它們之間設(shè)置足夠的距離。造船用鋼的特殊底漆可以防止其免受腐蝕，在焊接部位的邊緣要移除它，以防止產(chǎn)生缺陷，例如多孔現(xiàn)象。如果對(duì)接焊縫和角焊縫（全厚焊接）的焊接間隙寬度不超過2毫米（圖3），那么就可以保證整個(gè)過程的安全性。激光焊接的高穿透深度能避免根部熔透不完全，特別是在焊縫寬度為0毫米的情況下。激光光束的振蕩會(huì)阻止焊縫邊緣的熔透不完全，但是不可能提高送絲速度，這是由于溶池體積的限制。如果要實(shí)現(xiàn)過量的焊縫金屬，那么有必要對(duì)第二層進(jìn)行GMAW氣體保護(hù)焊。進(jìn)一步地還可能使用等離子切割邊緣，并且因而不需要額外的焊接接頭準(zhǔn)備。此外，由于板兩邊的能量輸入均一并且同步，因此熱變形非常低。