船舶高效焊接工艺及装备

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

COVEr STOrY

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250 mm的5083铝合金挤压板连接成一块尺寸为1250 mm ×500 mm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Kam Bo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”（Technology Reinvestment

Project）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C A D/C A M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N e w p o r t N e w s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（Mobile Hybrid Laser Arc

Welder）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