船舶高效焊接工艺及装备.pdf

4Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期52010 06 第3期 Defense Manufacturing Technology COVER STORY 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 6Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期 COVEr STOrY 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 开 发造船用全机器人焊接系统 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 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 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 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Newport News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 6Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期72010 06 第3期 Defense Manufacturing Technology 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3 Km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20 m 20 m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15 mm以内的板能达 到3 0 m 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20 m以内 厚度 在12 mm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 8Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期 COVEr STOrY 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 单电极通 用型适用于板厚9mm 32mm的 焊接 单电极厚板型适用于板厚 9mm 45mm的焊接 双电极适用 于板厚30mm 70mm的焊接 无 论采用单电极还是双电极焊接 均 为一次焊接双面成形 可大幅度提 立角焊 水平面对接焊 水平角焊 自 九五 以来 我国专业从事船 舶焊接工艺研究的单位针对这五种 类型焊缝开展了相应的机械自动化 焊接工艺和设备的开发和应用研究 已可实现搭载阶段五种类型焊缝焊 接接头的自动 快速焊接 各种自 动化焊接工艺及装备在搭载阶段的 应用位置如图5所示 至今 已有 一千多台套车型机械自动化焊接设 图5 自动化焊接工艺及装备在搭载阶段的应用位置 图4 机器人管子 法兰焊接生产线 a 江南管业应用的机器人管子 法兰焊接生产线b 新时代船厂应用的机器人管子 法兰焊接生产线 8Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期92010 06 第3期 Defense Manufacturing Technology 高焊接效率和质量 图6所示为沪 东中华造船有限公司的垂直自动焊 接工艺 2 横向对接焊自动焊接工艺及 装备 针对船体建造中舷侧板横向对接 焊缝的焊接而专门设计的焊枪摆动机 构 解决了垂直位置横向焊接工艺复 杂以至难以实现自动化焊接的难题 焊速与焊枪摆动参数可无级调整控制 以满足各种板厚的焊接要求 车体小 型轻巧 良好的搬运性适合船台 船 坞焊接作业 图7所示为沪东中华造 船有限公司LNG船横向对接自动焊 接工艺 3 垂直立角焊自动焊工艺及 装备 垂直自动角焊机是具有自动行走 功能 带有焊枪摆动机构的轻便型自 动焊接小车 如图8所示 工作时 该小车骑在专用磁性轨道上 由小车 上的动力齿轮与轨道上的齿口啮合而 平稳行走 针对船体建造中T形接头 立角焊位置的焊接而专门设计的焊枪 摆动机构特别适合船体垂直位置角焊 缝的自动化焊接 为垂直位置角焊缝 的焊接施工提供了一种高效 高质量 的自动化焊接手段和方法 4 水平面对接焊自动焊接工艺 及装备 双丝单面MAG焊机采用摆动双 电极CO2气保护单面焊双面成型焊接 工艺 适用于船底外板 双层底分段 顶板 上甲板等大合拢分段的平对接 焊 板厚22 mm以下的焊缝可一次 焊接完成 焊接一条12 m长 厚度 为22 mm的焊缝仅需要48 54min 采用CO2气保护双丝单面MAG焊工 艺与传统的半自动CO2气保护焊打底 埋弧焊盖面工艺方法相比 焊接效 率提高了8倍以上 焊丝的消耗量则 图7 沪东中华造船有限公司LNG船横向对接自动焊接实况 图8 垂直立角自动焊设备 图6 沪东中华造船有限公司垂直自动焊接实况 10Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期 COVEr STOrY 封 面 故 事 减少了35 以上 焊后几乎不变形 图9所示为沪东中华造船有限公司双 丝MAG焊焊接工艺 与双丝单面MAG焊机相比 单 丝单面MAG 焊机具有小型轻便 便 于携带的特点 适合作业空间较小 需经常搬移的施工环境如船体舱室内 结构 底板等的焊接 这类平对接焊 在造船的焊接工作中占有较大的比 重 图10为沪东中华造船有限公司 单丝单面MAG焊焊接工艺 5 水平角焊自动焊接工艺及 装备 自动平角焊机体积小 重量轻 搬移方便 无需轨道自动双向行走 操作性能极佳 只需按下按钮 不用 监视即可自动稳定地焊接 到达终点 时通过限位开关自动停止 一人可操 作多台 且操作人员无需具备专门技 能 图11所示为水平角焊自动焊接 设备 双电极平角焊机主要适用于90 120 的倾斜横角焊缝 在船体结构 中主要用于8 mm 12 mm大焊脚的 直角焊缝和槽型隔舱拼板接缝的角焊 缝 采用一次两道焊接的焊接方法 根据不同的板厚和焊脚尺寸进行多层 多道焊 水平角焊自动焊接工艺的推广应 用对于提高我国造船业平角时缝的焊 接工艺水平具有特别重要的意义 它 使平角焊缝的焊接由手工半自动CO2 气保护焊接的 方法转变为全 自动焊接 提 高了焊接效率 和 焊 接 质 量 为缩短船舶建 造周期提供了 技术支持和设 备保障 3 我国船舶高 效焊接工艺及 设备发展方向 焊接机械 化 自 动 化 智能化是造船 行业技术发展 的方向 对照 国外先进造船 国家焊接技术 从手工焊 半 自动焊 机械 自动化焊 智 能化焊接的发 展轨迹看 我 国船舶建造的焊接技术水平正处于半 自动化到机械自动化焊接阶段 达到 智能化焊接阶段还有一定距离 同时 焊接技术水平在不同的建造阶段发展 也不平衡 从内场焊接生产看 平面 分段制造较多采用大型装置化自动生 产线 曲面分段的焊接生产基本还是 以人工焊接为主 自主研发的船舶管 系的法兰直管自动化焊接生产线已完 全能适应生产需要 具有较高的智能 化水平 外场船台 坞 的搭载生产 自主研发的台车型机械自动化焊接工 艺技术已在部分船厂船体平直部焊接 生产全面应用 还需要进一步开展推 广应用 我国造船吨位总量现已达到世界 图9 沪东中华造船有限公司双丝MAG焊焊接实况 图11 水平角焊自动焊接 图10 沪东中华造船有限公司单丝单面MAG焊焊接实况 10Defense Manufacturing Technology 2010 06 第3期112010 06 第3期 Defense Manufacturing Technology 第三 按照国家制订的发展规划 正 在向世界第一造船大国的目标奋进 要在2020年实现这一宏伟目标 船 体高效焊接技术方面必须结合我国船 舶建造焊接生产的实际情况 对落后 的生产环节要大力发展先进技术 整 体上要迅速提升我国船舶焊接工艺技 术和装备技术 具体可以分以下几个 方面 1 重点开展船体曲面分段的自 动化焊接技术 首先解决曲面外板的 拼接和骨架装焊技术 再实现曲面上 板架的装焊 运用数字化造船技术 智能化机器人焊接技术和大型焊接装 备化技术 破解曲面分段中空间三维 曲线焊缝轨迹的变位 跟踪 焊接成 形和变形控制等复杂难题 研发曲面 分段自动焊接生产线 有些船型船身 几乎都是由曲形外板构成 曲面分段 比例很大 实现曲面分段的自动化焊 接技术 将提高这类船型的建造能力 和水平 2 在船台 坞 快速搭载已采 用先进焊接工艺技术基础上 开展自 动化和智能化研究 重点解决焊缝自 动跟踪 熔池检测和图像分析以及焊 接成形控制技术 发展各种智能化焊 接技术装备 提高焊接效率和焊接质 量 进一步提升自动化焊接水平 3 提高内场装置化焊接生产线 的技术水平 目前各船厂平面分段自 动生产线 拼板工位和纵骨装焊工位 的自动化水平很高 而板架装焊工位 则大多还是依赖人工半自动焊施工 因此有必要研发门架布置焊接机器人 阵列智能化焊接系统 对平面分段上 由肋板和纵桁构架分割成的多个 井 字型结构的水平和垂直角焊缝由机器 人阵列同时进行自动焊接 改变生产 线上这个瓶颈工位的面貌 从而大幅 度提升平面分段的焊接生产效率 此外 还应加大力度研究激光焊 激光复合焊 搅拌摩擦焊等新型焊接 技术以满足一些特种船舶和高附加值 船舶建造的需要 随着我国造船模式向 精益造 船 方向的发展 造船精度的提高 为焊接自动化 智能化提供了发展 所必要的基础 后者的实现也将为 精益造船做出最好保障 目前 在 全球经济低迷和船舶行业不景气的 大背景下 我们只有练好内功 蓄 精养锐 深入开展船舶高效焊接工 艺及装备技术的研究和应用 快速 提升我国船舶焊接装备技术水平 为世界船舶行业的下一个大发展做 好蓄势待发的准备 链接 中国船舶工业集团公司第十一研究所 船舶工业611所 是我国船舶行业内唯一的一家以船舶和海洋工程 建造工艺技术现代化为目标的科研机构 主要业