激光焊接是以高能量密度的激光束為熱源，瞬時熔化局部材料形成焊接接頭的高精度、高效率、新型的熔化焊接方法。與一般弧焊技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)能量密度高，可以一次穿透較厚的工件而無需預制坡口，不僅大幅提高了焊接生產(chǎn)速度，還可以得到高強度、小變形的高質(zhì)量焊接接頭，從而大幅降低造船成本。
在造船中，加工的材料多是3~12mm厚的板材，這些板材焊接件由于焊接過程中較大熱輸入而發(fā)生翹曲和變形是傳統(tǒng)造船方法中所面臨的主要問題。在建造船體時，約有25%的工作量是對船板整形和錘平，以達到要求的平整度和曲率，使船板能固定在一起。激光焊接技術(shù)用于造船的主要優(yōu)勢就是低畸變。目前，激光焊接結(jié)構(gòu)用夾層板、角型材、T型材、十字型材和對接焊接船板等已經(jīng)為世界造船界所接受。
一、船板的激光焊接
激光焊接船板能大大縮短生產(chǎn)時間。在傳統(tǒng)造船方法中，形狀和位置的公差必須用手工方式進行消除，采用激光焊接船板，船體構(gòu)件配合好，能夠迅速形成型材，12m船板的長度公差在0.5mm以內(nèi)，幾乎不需要重復加工，節(jié)省了大量人工。
美國對潛艇耐壓殼體用HY-130合金鋼的激光焊接試驗表明，接頭的力學性能，如斷裂強度、伸長率等，比其他常規(guī)方法所焊接頭的性能優(yōu)越。沖擊試驗結(jié)果表明，激光焊接接頭的動態(tài)撕裂能接近母材，沖擊韌性優(yōu)于母材。
目前，對接焊接的激光焊機在船板焊接方面已得到應用，有數(shù)家船廠采用了這種焊機。激光焊接大型船板生產(chǎn)線，一般需要配備：型材機加工和精整設(shè)備，包括倒角滾壓機、連續(xù)噴砂機、噴墨標識器、等離子體切割設(shè)備、傳送系統(tǒng)、滾臺、庫房等；激光操作系統(tǒng)，包括激光源、鏡面光學系統(tǒng)、數(shù)控臺、系統(tǒng)控制和檢測系統(tǒng)；托架系統(tǒng)，包括切割臺架、焊接臺架、起吊器、夾具等。
美國弗克特里船廠采用集切割與焊接為一體的集成解決方案，建成了一條焊接船板生產(chǎn)線，可實現(xiàn)12m×12m大板的對接切割與焊接，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了建造成本。采用這種集成方案的好處是：激光加工比火焰切割和電弧焊接省時；激光加工間隙小，具有大的深寬比；熱輸入很小，因此激光加工基本無變形；激光束能實現(xiàn)切割與焊接一體化。
二、船用型材的激光焊接
美國最早采用大規(guī)模焊接型材的是CG-47級驅(qū)逐艦。為了降低這一級別艦艇的重量，采用了長度超過7km的HSLA-80焊接型材，取代主殼體上用的熱軋型材。美國在水面艦船上至少已經(jīng)使用了兩種激光焊接T型材，它們都是在加工車間生產(chǎn)的：英格爾斯造船分部用HSLA-80鋼生產(chǎn)的激光焊接T型材，作為反潛輕型巡洋艦的加強肋板；巴斯鋼鐵公司將幾種不同截面的型材，如角型材、T型材和十字型材等用于驅(qū)逐艦防空導彈支架。
采用激光焊接型材將對船舶設(shè)計、建造和服役壽命產(chǎn)生以下幾方面的重大影響：因為不再受限于型材種類，以性能為主要考慮因素，圍繞目標進行結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計；建造者可將復雜的三維構(gòu)件依其外形變?yōu)檩^為簡單的二維構(gòu)件，用高功率激光更快更精確地焊接為一體，從而降低建造費用，減少精整工作量，并減輕型才重量；對使用者而言，采用焊接型材能大幅度地降低操作費用；構(gòu)件疲勞壽命因加工精度提高，焊接縫減少而得到延長，艦船內(nèi)部空間易于依據(jù)武器裝備的需要重新調(diào)配，燃料消耗降低等。
三、輕質(zhì)瓦棱板激光焊接
鋼材用于造船以來，為了提高鋼板的結(jié)構(gòu)效率，人們一直采用弧焊骨架加強板，作為甲板和艙室隔板。這些隔板厚度相對較薄，約6~8mm，除非進行嚴格的建造質(zhì)量控制，二次矯正加工浪費約25%的建造工時。大型構(gòu)件的扭曲和安裝誤差雖可以借助先進計算機輔助設(shè)計、制造技術(shù)和精確的切割技術(shù)進行克服，但即使這樣，采用弧焊工藝將單個部件焊在一起時，要使用大量的焊縫金屬，焊縫金屬凝固收縮時產(chǎn)生很大的殘余應力，會導致變形。而采用激光焊接工藝，焊縫窄，焊接速度較快，可少量填充或不填充焊縫金屬，殘余應力與變形也小。
美國海軍從1987年開始激光焊接波紋夾芯板（LASCOR）的應用研究，主要采用0.6～1.6 mm厚度的不銹鋼板材。以美國海軍金屬加工中心為首的項目團隊為減輕船體重量提供的解決方案中包括使用激光焊接波紋夾芯金屬板。早在2003年，金屬加工中心就成功地制造了78×240英寸大型耐蝕鋼激光焊接波紋夾芯金屬板，并對激光焊接波紋夾心金屬板用于艦船的性能進行了全面研究，包括小比例模型試驗，防火、噪聲及腐蝕試驗，彎曲性能、耐壓強度、剪切強度和疲勞性能測試，實艇應用試驗等。試驗結(jié)果表明，采用這種夾層板可大幅度降低結(jié)構(gòu)重量、提高甲板或艙室隔板的耐火、絕緣性能和平整度，易于施涂油漆和涂層；且能減少壽命期保養(yǎng)成本，增加船艙可用空間。
針對激光焊接波紋夾芯板的制造與應用，2004年美國海軍啟動的美國海軍制造技術(shù)的激光焊接波紋夾芯板的研究計劃共獲得1180萬美元的資助，對激光焊接波紋夾芯板的材料、加工、激光焊接、結(jié)構(gòu)域防護性能以及成本進行優(yōu)化研究，目的是為美國海軍在新型核動力航母CVN21和導彈驅(qū)逐艦DDG1000中利用激光焊接波紋夾芯板進行基礎(chǔ)研究和提供技術(shù)支持。通過此項目的基礎(chǔ)應用研究，激光焊接波紋夾芯板結(jié)構(gòu)已用于DDG1000艦的93個甲板邊緣保安平臺和人員保護屏障，其中，近一半已通過了測試，并正由Applied Thermal Sciences公司制造。同時激光焊接波紋夾芯板技術(shù)將用在新型核動力航母CVN21的升降機門、艙室隔板、內(nèi)夾板等部位，可減少重量200噸并降低制造成本。此外，美國海軍還計劃將LASCOR板用于CVN-78級航空母艦。LASCOR板將被用于水密門、甲板、艦島、艙壁等。
在造船中，加工的材料多是3~12mm厚的板材，這些板材焊接件由于焊接過程中較大熱輸入而發(fā)生翹曲和變形是傳統(tǒng)造船方法中所面臨的主要問題。在建造船體時，約有25%的工作量是對船板整形和錘平，以達到要求的平整度和曲率，使船板能固定在一起。激光焊接技術(shù)用于造船的主要優(yōu)勢就是低畸變。目前，激光焊接結(jié)構(gòu)用夾層板、角型材、T型材、十字型材和對接焊接船板等已經(jīng)為世界造船界所接受。
一、船板的激光焊接
激光焊接船板能大大縮短生產(chǎn)時間。在傳統(tǒng)造船方法中，形狀和位置的公差必須用手工方式進行消除，采用激光焊接船板，船體構(gòu)件配合好，能夠迅速形成型材，12m船板的長度公差在0.5mm以內(nèi)，幾乎不需要重復加工，節(jié)省了大量人工。
美國對潛艇耐壓殼體用HY-130合金鋼的激光焊接試驗表明，接頭的力學性能，如斷裂強度、伸長率等，比其他常規(guī)方法所焊接頭的性能優(yōu)越。沖擊試驗結(jié)果表明，激光焊接接頭的動態(tài)撕裂能接近母材，沖擊韌性優(yōu)于母材。
目前，對接焊接的激光焊機在船板焊接方面已得到應用，有數(shù)家船廠采用了這種焊機。激光焊接大型船板生產(chǎn)線，一般需要配備：型材機加工和精整設(shè)備，包括倒角滾壓機、連續(xù)噴砂機、噴墨標識器、等離子體切割設(shè)備、傳送系統(tǒng)、滾臺、庫房等；激光操作系統(tǒng)，包括激光源、鏡面光學系統(tǒng)、數(shù)控臺、系統(tǒng)控制和檢測系統(tǒng)；托架系統(tǒng)，包括切割臺架、焊接臺架、起吊器、夾具等。
美國弗克特里船廠采用集切割與焊接為一體的集成解決方案，建成了一條焊接船板生產(chǎn)線，可實現(xiàn)12m×12m大板的對接切割與焊接，從而提高了生產(chǎn)效率，降低了建造成本。采用這種集成方案的好處是：激光加工比火焰切割和電弧焊接省時；激光加工間隙小，具有大的深寬比；熱輸入很小，因此激光加工基本無變形；激光束能實現(xiàn)切割與焊接一體化。
二、船用型材的激光焊接
美國最早采用大規(guī)模焊接型材的是CG-47級驅(qū)逐艦。為了降低這一級別艦艇的重量，采用了長度超過7km的HSLA-80焊接型材，取代主殼體上用的熱軋型材。美國在水面艦船上至少已經(jīng)使用了兩種激光焊接T型材，它們都是在加工車間生產(chǎn)的：英格爾斯造船分部用HSLA-80鋼生產(chǎn)的激光焊接T型材，作為反潛輕型巡洋艦的加強肋板；巴斯鋼鐵公司將幾種不同截面的型材，如角型材、T型材和十字型材等用于驅(qū)逐艦防空導彈支架。
采用激光焊接型材將對船舶設(shè)計、建造和服役壽命產(chǎn)生以下幾方面的重大影響：因為不再受限于型材種類，以性能為主要考慮因素，圍繞目標進行結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計；建造者可將復雜的三維構(gòu)件依其外形變?yōu)檩^為簡單的二維構(gòu)件，用高功率激光更快更精確地焊接為一體，從而降低建造費用，減少精整工作量，并減輕型才重量；對使用者而言，采用焊接型材能大幅度地降低操作費用；構(gòu)件疲勞壽命因加工精度提高，焊接縫減少而得到延長，艦船內(nèi)部空間易于依據(jù)武器裝備的需要重新調(diào)配，燃料消耗降低等。
三、輕質(zhì)瓦棱板激光焊接
鋼材用于造船以來，為了提高鋼板的結(jié)構(gòu)效率，人們一直采用弧焊骨架加強板，作為甲板和艙室隔板。這些隔板厚度相對較薄，約6~8mm，除非進行嚴格的建造質(zhì)量控制，二次矯正加工浪費約25%的建造工時。大型構(gòu)件的扭曲和安裝誤差雖可以借助先進計算機輔助設(shè)計、制造技術(shù)和精確的切割技術(shù)進行克服，但即使這樣，采用弧焊工藝將單個部件焊在一起時，要使用大量的焊縫金屬，焊縫金屬凝固收縮時產(chǎn)生很大的殘余應力，會導致變形。而采用激光焊接工藝，焊縫窄，焊接速度較快，可少量填充或不填充焊縫金屬，殘余應力與變形也小。
美國海軍從1987年開始激光焊接波紋夾芯板（LASCOR）的應用研究，主要采用0.6～1.6 mm厚度的不銹鋼板材。以美國海軍金屬加工中心為首的項目團隊為減輕船體重量提供的解決方案中包括使用激光焊接波紋夾芯金屬板。早在2003年，金屬加工中心就成功地制造了78×240英寸大型耐蝕鋼激光焊接波紋夾芯金屬板，并對激光焊接波紋夾心金屬板用于艦船的性能進行了全面研究，包括小比例模型試驗，防火、噪聲及腐蝕試驗，彎曲性能、耐壓強度、剪切強度和疲勞性能測試，實艇應用試驗等。試驗結(jié)果表明，采用這種夾層板可大幅度降低結(jié)構(gòu)重量、提高甲板或艙室隔板的耐火、絕緣性能和平整度，易于施涂油漆和涂層；且能減少壽命期保養(yǎng)成本，增加船艙可用空間。
針對激光焊接波紋夾芯板的制造與應用，2004年美國海軍啟動的美國海軍制造技術(shù)的激光焊接波紋夾芯板的研究計劃共獲得1180萬美元的資助，對激光焊接波紋夾芯板的材料、加工、激光焊接、結(jié)構(gòu)域防護性能以及成本進行優(yōu)化研究，目的是為美國海軍在新型核動力航母CVN21和導彈驅(qū)逐艦DDG1000中利用激光焊接波紋夾芯板進行基礎(chǔ)研究和提供技術(shù)支持。通過此項目的基礎(chǔ)應用研究，激光焊接波紋夾芯板結(jié)構(gòu)已用于DDG1000艦的93個甲板邊緣保安平臺和人員保護屏障，其中，近一半已通過了測試，并正由Applied Thermal Sciences公司制造。同時激光焊接波紋夾芯板技術(shù)將用在新型核動力航母CVN21的升降機門、艙室隔板、內(nèi)夾板等部位，可減少重量200噸并降低制造成本。此外，美國海軍還計劃將LASCOR板用于CVN-78級航空母艦。LASCOR板將被用于水密門、甲板、艦島、艙壁等。
美國海軍金屬加工中心激光焊接波紋莢心金屬板
四、激光焊接的其他應用
美國每艘航母有4個彈射器，每個彈射器大約有100多塊導架蓋板，蓋板的槽型區(qū)有一個發(fā)射梭滾動支承面，發(fā)射梭使飛機在3秒之內(nèi)，加速到256km/h時，支承面會發(fā)生滾動。用HY-100鋼制導槽，在鹽霧和高溫氣流的苛刻環(huán)境中工作，磨損表面有腐蝕產(chǎn)物生成，這些腐蝕產(chǎn)物在輪子和軌道之間起磨料作用，會加劇軌道表面的磨損。
當導架蓋板表面磨損量超過1.23mm時，就要用新的導架蓋板進行更換。磨損的導架蓋板是不能用現(xiàn)有的焊接方法修復的，采用激光熔敷則可是可行的，其費用為新導架蓋板的50%~60%。目前，美國海軍已將CO2激光焊接技術(shù)用于導架蓋板的修復。
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