船舶高效焊接工艺及装备

4DefenseManufacturingTechnology|2010.06第3期52010.06第3期|DefenseManufacturingTechnologyCOVERSTORY封面故事1概述焊接技术是船舶建造工程的关键工艺技术，是建立现代造船模式的支撑技术。焊接技术的发展带动了造船技术的进步。20世纪初，由于船舶业引进了焊接技术，造船模式由整体拼装发展到分段建造，使大型和巨型船舶得以顺利建造。高效焊接技术对船舶建造具有特别重要的意义。船舶结构复杂，服役条件苛刻，且为全焊接结构。船体建造中焊接工作量约占70%，焊接成本约占船体建造总成本的30%~50%。因此，在船舶建造过程中通过高效焊接手段来满足缩短建造周期、降低建造成本的需求，同时保证良好的焊接质量。实现高效焊接的基本途径有：（1）提高焊接熔敷效率，如采用多丝焊、垂直气电焊、搅拌摩擦焊等。（2）减少坡口断面及熔敷金属量，如采用窄间隙焊、激光复合焊等。（3）自动化焊接，如采用生产线、机器人焊接等。2船舶高效焊接工艺及装备发展现状纵观国内外船舶建造企业的造船模式，主要流程基本相同，为零件→部件→分段→总段→船台（坞）搭载。与此相对应的，所采用的焊接技术及装备也是大同小异。在部件、分段、总段等中间产品的生产制造阶段采用自动化程度很高的大型焊接生产装置（流水线），在船台（坞）搭载时则采用单机自动化焊接设备。所不同的是，国外先进造船企业擅于和敢于将更多先进的高效焊接技术应用到实际生产中，所采用的高效焊接设备自动化、智能化程度更高。2.1国外船舶高效焊接工艺及装备发展情况2.1.1日本日本造船焊接技术的发展历经简易机械化、机械自动化和机器人智能化三个阶段，利用各种先进的焊接设备实现高效的焊接工艺。从1970年代开始发展半自动CO2气保护焊取代手工焊条电弧焊为第一阶段；从1980年代末开始发展独立台车形式的焊接设备为第二阶段，采用MAG焊接工艺，通过跟踪或仿形焊缝自动完成焊接，焊接效率成倍甚至数倍提高，焊接质量优良，有效地控制了焊接变形和提高船体建造精度，焊接工人劳动强度和环境得到很大改善。1995年神户制钢和NKK津船厂合作开发世界上第一套造船焊接机器人系统并用于小合拢生产标志着第三阶段的开始。NKK津船厂配置了26台焊接机器人，其中，小合拢工作站设置了10个机器人，中合拢工作站设置了16个机器人，整个车间全部制造过程由中央电脑控制室控制，几乎达到了无人化的程度，焊接质量、焊接速度、焊接效率均达到了世界上最先进水平。NKK于2000年推出了一种仰焊机器人，能从船体下面焊接船底壳板。机器人焊矩上有激光传感器，它能使机器人监控间隙宽度和焊接方向，并能从数据库中选择最佳焊接方案。川崎重工2003年开发出一套高度自动化的用于潜艇耐压壳体焊接的系统。该系统包括一系列用于各种结构焊接的机器人，具有良好的焊接控制能力。从小合拢到大合拢，从平面到曲面，日本的船厂均实现了高效自动化的焊接。NKK津船厂的小合拢采用各种轻便型自动水平角焊机及门架式多关节机器人焊接低构架肋板框架、平板部件；构架的肋板与纵桁之间以及与纵骨之间的角焊缝，构架与底板的水平角焊缝则采用门架式机器人或多台小型机器人进行“井”字形构件内水平和立向自动角焊；曲面分段外板的拼接，在大型焊接变位机上采用小车或双丝串列摆动单面MAG自动焊进行焊接，以取代传统的FAB法，或采用半门架4轴数控机器人进行焊接，而三维曲板的单面焊和纵横构件在曲形船舶高效焊接工艺及装备中国船舶工业集团公司第十一研究所赵伯楗曹凌源郑惠锦毛信顺6DefenseManufacturingTechnology|2010.06第3期COVErSTOrY封面故事外板上的装焊尚在研究中；大合拢除舷侧旁板平直部分对接缝采用垂直气电焊外，还采用横向自动气电焊。船体内底板和上甲板对接焊采用FAB单面埋弧自动化焊，或采用单丝或双丝单面MAG自动焊和可移动式轨道或无轨道焊接机器人进行单面MAG对接焊。搅拌摩擦焊技术在日本许多船厂也获得应用。三井造船厂于2004年将搅拌摩擦焊技术用于高速货船上层建筑的建造，该船已投入使用多年且性能良好。日本Sumitomo轻金属公司采用搅拌摩擦焊技术生产铝质蜂窝结构板件和耐海水的板材。其中耐海水的板材由5块宽度为250mm的5083铝合金挤压板连接成一块尺寸为1250mm×500mm的铝合金板。由于焊缝根部和背面具有良好的平整性而被用作船舱的壁板。2.1.2韩国韩国造船工业在政府的大力支持和自身的努力下，通过引进国外先进技术和自主研发进行造船装备的自动化改造，从而迅速崛起。大宇重工的玉浦船厂从1995年起通过采用含有机器人的新型平面分段生产线等各种现代化造船装备，大大提高了劳动生产率，走了一条不依靠扩充造船设施就能提高造船能力的捷径。三星和现代两大集团，在船厂的平面分段流水线的拼板、骨材装焊等环节也应用了机器人，以提高生产效率。三星重工采用爬行式机器人自动焊接油轮侧壁。大宇造船厂联合韩国釜山国立大学采用离线编程、虚拟技术将焊接机器人应用于造船工业中。韩国Pukyong国立大学的KamBo等人研制了一种体积小巧、质量轻的轮式智能焊接机器人，已用于船体“井”字形构件的焊接。2.1.3美国美国船厂从20世纪80年代起就将机器人列为船厂的适用技术。托德•太平洋公司的洛杉矶船厂在1983年将弧焊机器人用于小部件的生产。阿冯尔船厂在纵桁和横梁流水线上应用机器人进行作业。美国将造船机器人纳入“再投资技术项目”（TechnologyReinvestmentProject）研究计划，目标是：①开发造船用全机器人焊接系统；②开发模块组装机器人，可按任务要求组装成功能不同的机器人，具有先进的传感和适应能力，可在杂乱的环境中工作；③开发具有用户友好接口的系统，可被不了解机器人和自动化的造船工人所接受；④开发以开放式结构个人计算机操作为基础的模块式网络系统；⑤开发可与船厂各种CAD/CAM系统相连接的自动离线编程系统。最近，美国军船研究办公室联合NewportNews船厂、国家标准和技术研究所提出了一种先进的双壳船建造的技术概念，即遥控升降焊机，包括自动焊机、焊台和自动升降设备。该系统有6个自由度，在船台装配时可代替人工进入指定分段位置，通过激光传感器将工作进程反馈给控制人员，从而在控制人员的操控下精确地完成焊接工作。在新技术开发和应用方面，美国一直走在世界前列。由美国海军资助，美国宾夕法尼亚州立大学联合国家钢铁与造船公司开发的激光-MIG复合焊技术成功地应用于T-AKE级战斗后勤补给舰管系的焊接，为造船厂节省50万美元的成本。美国海军制造技术（ManTech）资助项目——移动式激光电弧复合焊系统（MobileHybridLaserArcWelder）开发时间从2007年11月到2008年12月，开发出一套搭载激光复合焊接系统的移动设备，用于船厂角焊缝的焊接。如图1所示，这套系统可装在现有的平面分段流水线或其他生产线上，通过提高焊接速度减少平面分段制造时间来降低成本，通过减少焊接变形、提高制造精度和焊缝金属特性来提高焊接质量。此外，美国海军ManTech项目对先进两栖攻击艇中2519铝合金采用搅拌摩擦焊也取得了成功。2.1.4欧洲由于人力成本非常高，因此，欧洲造船国家不遗余力地推进自动化、智能化焊接技术。欧洲不少国家的船舶建造中都相继不同程度地采用了焊接机器人。最近几年，奥地利IGM机器人系统公司将机器人焊接系统成功用于船舶制造业中，无论是豪华客轮、油轮、货柜船，还是巡洋舰的建造，IGM焊接机器人都有较多应用，一个系统内可以有10个机器人同时图1移动式激光-电弧复合焊接系统在船舶焊接中的应用6DefenseManufacturingTechnology|2010.06第3期72010.06第3期|DefenseManufacturingTechnology进行工作，图2为IGM机器人在船舶焊接中的应用。丹麦欧登塞船厂采用轻便型数控机器人和大型门架式焊接机器人，每天能焊3Km长的焊缝，已用于集装箱船的制造，该公司还使用带漫游示教手柄的机器人焊接典型钢板和垂直加强筋组成的网格状工件。欧盟的ROW-ER-2工程旨在研制一套焊接机器人系统，以满足双层外壳船舶建造的需要。该工程专门研制了一个铝合金焊接机器人，并设计了灵活的轻便移动平台，使用药芯焊丝气保护焊工艺，采用电弧传感实现对焊缝的三维跟踪。欧洲掌握着激光核心技术，激光焊接技术在欧洲造船厂的应用最多。德国迈尔船厂（Meyer）率先于2002年将配有激光-电弧复合焊装置的自动化生产线应用到大型船体部件的实际生产，对20m×20m的部件进行平板焊接，无须翻转焊件。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20m以内，厚度在12mm以内的甲板或壁板。目前，该船厂已广泛使用激光-电弧复合焊接技术。欧洲进行的“船坞激光”工程加速了激光-电弧复合焊技术在欧洲船厂的应用，为提高造船、修船生产效率和质量、改善工作条件开辟了新途径。2.2国内船舶高效焊接工艺及装备的新发展经过50多年的发展，中国已成为世界造船大国。目前，我国造船焊接工艺已发展到40多种。高效焊接技术除了在散货船、油船、集装箱船等主力船型上应用之外，还在液化天然气船（LNG）、液化石油气船（LPG）、海洋浮式生产储油船（FPSO）、超大型油船（VLCC）、军用船等高技术、高附加值船舶上获得广泛应用。2.2.1高效焊接生产线（1）平面分段流水线从最早的国外引进到自主开发，平面分段流水线已成为我国大中型船厂不可或缺的生产线，包括平板拼接、构件角接等焊接工位，主要采用多丝埋弧自动焊和多电极CO2气保护焊等工艺，生产效率很高，图3为外高桥造船有限公司双丝埋弧焊焊接实况。（2）机器人管子－法兰焊接生产线该生产线的功能是将预先堆放在料架平台上的原料管子经过自动进料、长度测量、自动套料、定长切割、标签标识、管子法兰装配、焊接机器人实时进行焊缝自动识别和跟踪，并依据专家数据库内容自动确定最佳焊接工艺参数和焊接层数自动完成单层或多层焊（1～6层），焊接完成后按生产要求归类下料，加工过程中产生的余料管和废料管也得到适当收集。该生产线实现数字化、自动化作业，替代人工操作，具有加工精度与效率高、场地利用率高，以及生产安全、节能减耗、环保等特点。机器人自动焊接质量远远超过人的手工焊接，机器人焊接后人工表面打磨工作大大减少，工场空气中有害粉尘大幅度降低。图4为机器人管子-法兰焊接生产线在船厂的典型应用。2.2.2快速搭载焊接工艺及设备船厂在内场制造各种分段后，将分段运至外场合拢成总段，总段完成后进入船台（坞）进行搭载，搭载的图3外高桥造船有限公司双丝埋弧焊焊接实况图2奥地利IGM机器人在船舶焊接中的应用a）部件装焊b）曲面板列装焊8DefenseManufacturingTechnology|2010.06第3期COVErSTOrY封面故事快慢就决定了船台周期。快速搭载是先进造船方法中的一个重要环节，其中搭载阶段各种形式接头的焊接施工是搭载阶段的主要工作之一。采用先进焊接工艺、实施自动化焊接施工是实现搭载快速化的重要途径。搭载阶段各种形式的焊接接头主要包括船体结构内部和舷部外侧各个部位的五种焊缝类型（垂直面的立向对接焊、横向对接焊、垂直备在国内30多家大中型船厂获得应用，实现船体平直部建造的自动化焊接率达到70%以上，有力地促进了我国船台（坞）总段大合拢装焊作业的机械自动化技术总体水平的提高。这些焊接工艺及装备包括：（1）垂直面的立向对接焊自动化焊接工艺及设备垂直面的立向对接焊自动化焊接采用CO2气保护单面焊双面成型焊接工艺，正面采用水冷铜滑块，背面贴陶瓷衬垫，一次焊接成形。垂直面的立向对接焊自动化设备（垂直自动焊机）是一种可靠、自动化程度高的专用焊接设备。该设备采用模块式结构，使用灵活方便。小车自动行走进行连续自动焊，从而避免了传统工艺中的焊接断点，提高了焊缝的可靠性。垂直自动焊机分为多种形式，