德國(guó)的船舶制造廠正處在日益增加的競(jìng)爭(zhēng)壓力之下。包括中國(guó)、韓國(guó)和日本在內(nèi)的亞洲船舶制造大國(guó)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(guó)僅占1%，跌至第8位。這一競(jìng)爭(zhēng)壓力迫使德國(guó)的船舶制造廠在過(guò)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(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，特別是來(lái)自亞洲的對(duì)手，也開(kāi)始進(jìn)入這些領(lǐng)域。國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)壓力和德國(guó)的工資水平（德國(guó)是高工資國(guó)家）使得德國(guó)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(chǎng)中獲得成功。

       位于德國(guó)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(yú)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(lái)制造板材的造船廠（長(zhǎng)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(kāi)始實(shí)施激光復(fù)合焊以來(lái)，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(yíng)其具有頂尖研究實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)部門(mén)，并與研究機(jī)構(gòu)例如德國(guó)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(zhǎng)、40米寬）的激光復(fù)合焊接接縫大約有450公里長(zhǎng)，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(guó)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(kāi)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(zhǎng)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(guò)程包括兩個(gè)雙面并行的氣體保護(hù)焊（Cloos Qineo Pulse 450，脈沖電弧）過(guò)程和一個(gè)激光焊接（TRUMPF碟片激光器）過(guò)程。通過(guò)設(shè)置GMAW與激光焊接之間的距離，該復(fù)合過(guò)程可以在工件的正面或背面進(jìn)行。激光焊接帶來(lái)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(guò)激光光束振蕩來(lái)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(lái)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(cè)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)2毫米（圖3），那么就可以保證整個(gè)過(guò)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(guò)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。