機器人焊接技術(shù)在我國造船行業(yè)中的應(yīng)用與前景

孫志強

摘 要：本文綜述我國造船高效焊接技術(shù)的發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，其自動化水平及焊接機器人的應(yīng)用與先進造船國家水平相比存在較大差距。發(fā)展焊接機器人在造船行業(yè)的應(yīng)用是實現(xiàn)我國從造船大國向造船強國跨越的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞：造船；焊接；自動化；機器人

中圖分類號：U671.83 文獻標(biāo)識碼：A

1 前言

自國際金融危機爆發(fā)以來，全球船市低迷，國內(nèi)船企面臨接單難、交船難、融資難、盈利難、產(chǎn)能過剩的局面。2013年國務(wù)院發(fā)布了《船舶工業(yè)加快結(jié)構(gòu)調(diào)整促進轉(zhuǎn)型升級實施方案（2013～2015年）》，為中國船舶行業(yè)指明了調(diào)整結(jié)構(gòu)、創(chuàng)新轉(zhuǎn)型的發(fā)展方向，許多船企正在努力提高總裝化造船水平，加快建立現(xiàn)代造船模式，大力推廣精度控制和高效自動化焊接等先進制造技術(shù)。大型企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級的形勢下，積極承接海洋工程裝備和高附加值的船舶產(chǎn)品，由此要面對高強度鋼、大厚度、嚴要求的各種焊接技術(shù)難題。

1986年中國船舶工業(yè)總公司成立高效焊接指導(dǎo)組，貫徹“統(tǒng)籌規(guī)劃，分類指導(dǎo)，整體推進”的方針，研究和持續(xù)推廣高效焊接材料、新工藝方法和新設(shè)備，大大提高了船舶建造的效率、建造質(zhì)量，降低了建造成本，取得顯著成效。

當(dāng)前世界船舶工業(yè)已經(jīng)進入了新一輪的深刻調(diào)整期，市場競爭日益激烈。國際航運和造船新規(guī)范、新公約、新標(biāo)準(zhǔn)密集出臺，國內(nèi)船企還面臨招工難、焊工流動大、勞動成本不斷增加的壓力，船舶行業(yè)要在困境中求突破，在逆境中謀發(fā)展。國家“十二五”規(guī)劃要求推進三大主流船型（散貨船、油船、集裝箱船）升級換代，重點發(fā)展大型液化氣船、大型石油氣船、遠洋漁船、豪華郵船等高技術(shù)、高附加值產(chǎn)品，加快海洋工程自主建造的步伐。國際政治形勢風(fēng)云突變，我國國防實力的提升，對海軍裝備的建設(shè)急需增強，各種新型艦船建造任務(wù)十分繁重。

為適應(yīng)船舶行業(yè)未來的發(fā)展需求，船舶焊接技術(shù)將朝著自動化、智能化、機器人化、高效節(jié)能、綠色環(huán)保的方向發(fā)展。應(yīng)最大限度的減少半自動焊接工作，在船舶部件生產(chǎn)、平直分段及雙層底分段格子間焊接、曲面分段的焊接以及總段合攏焊接最大限度的應(yīng)用機器人化。目前，各種焊接新工法（如激光焊，摩擦攪拌焊，等離子弧焊及其混合焊等）也將研究在造船焊接相關(guān)領(lǐng)域與機器人組合應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，機器人在造船焊接領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，它將取得更高的生產(chǎn)效率，更高的焊接質(zhì)量，更低的勞動成本，更大的經(jīng)濟效益和更強的市場競爭力，實現(xiàn)邁向造船強國的跨越。

2 我國造船高效焊接自動化的發(fā)展歷程

我國造船高效焊接自動化的發(fā)展歷程大致分為三個階段：

（1）“六五”期間是推廣起步探索階段。主要是大面積推廣應(yīng)用鐵粉焊條，立向下角焊和重力焊，并開始應(yīng)用實芯焊絲CO2氣體保護焊；

（2）“七五”期間是高效焊接的鞏固發(fā)展階段，主要是推廣應(yīng)用陶質(zhì)襯墊CO2單面焊，并從實芯焊絲向藥芯焊絲過渡；

（3）“八五”至“九五”期間是高效焊接的深化提高階段。開發(fā)研制并全面推廣了全位置CO2藥芯焊絲、垂直氣電焊機、自動角焊機，各大型船廠相繼引進了平面分段生產(chǎn)線，焊接效率快速上升，造船機械化與自動化水平有了飛躍發(fā)展，造船生產(chǎn)能力成倍增長，國際市場競爭力顯著提升。

近十年來國內(nèi)又研究推廣了雙絲埋弧自動焊（包括雙絲單電源的TWIN法和雙絲焊的TANDEM法），應(yīng)用了雙絲加鐵粉的FAB單面埋弧焊，CO2橫向自動焊和機器人管子加工生產(chǎn)線，部分船企通過產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合研究，建立并應(yīng)用了管-管對接和管-法蘭、管-彎頭的機器人焊接系統(tǒng)，大大提高了管系加工的生產(chǎn)效率。此外，部分船企還建立了T型材雙側(cè)雙絲MAG自動焊生產(chǎn)線，推廣了高效的立向上（不擺動）藥芯焊絲，造船焊接的高效化和自動化水平得到進一步的提升。但是，目前我國造船企業(yè)與國外先進造船企業(yè)相比，年人均造船噸位、年人均產(chǎn)值和生產(chǎn)效率三項目標(biāo)約差3～5倍，中國每艘船的建造工時數(shù)、每座船塢的年度造船數(shù)和勞動生產(chǎn)率分別為日本的500%、20%和10%。高效焊接是造船企業(yè)提高造船能力，提高生產(chǎn)效率，縮短生產(chǎn)周期，保證焊接質(zhì)量的有效途徑。發(fā)展造船機器人焊接技術(shù)是實現(xiàn)高效化、自動化與智能化的必然趨勢。我國造船工業(yè)在造船模式演變進展還很緩慢，造船焊接機器人的應(yīng)用尚處起步階段，與先進發(fā)達國家存在很大差距。

從上個世紀九十年代中期，廣州日松工業(yè)自動化有限公司為廣東造船企業(yè)提供了大量的焊接設(shè)備和材料，包括逆變焊接電源、垂直氣電焊機、數(shù)控等離子切割機、自動角焊機、雙絲埋弧焊機和高效焊接材料，為推動廣東地區(qū)造船事業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。

3 先進發(fā)達國家與我國造船焊接機器人的研究和應(yīng)用狀況

目前，國外發(fā)達國家都把機器人技術(shù)放在科技發(fā)展戰(zhàn)略的最優(yōu)先位置?，F(xiàn)列舉日、韓、歐、美各國造船焊接機器人的應(yīng)用情況。

3.1 日本造船焊接機器人的應(yīng)用

20世紀60年代日本機器人技術(shù)剛剛起步，70年代機器人技術(shù)進入實用期，80年代進入普及推廣期，90年代中期以來，日本各大造船企業(yè)開發(fā)和應(yīng)用機器人的重點轉(zhuǎn)向曲面分段和立體分段全位置焊接。1992年日本日立造船公司機器人焊接工作量已經(jīng)占到焊接總量的20%，近年來正朝著50%的目標(biāo)努力，而更為長遠的目標(biāo)是達到80%。

上世紀90年代后期，日本的幾個大型船廠已開始批量應(yīng)用焊接機器人。如1993年日本鋼管（NKK）的津船廠首次將焊接機器人應(yīng)用于裝配線上，全部焊接過程由中央電腦控制，整個車間幾乎達到無人化的程度。日本石川島播磨重工（IHI）研制成功新的造船系統(tǒng)，即“平面分段和開口處理”系統(tǒng)，它適合造船自動化，并成功開發(fā)一套在裝配階段使用的全自動化機器人焊接系統(tǒng)。

據(jù)日本專家介紹，日本船企造船焊接機器人化率達到了16%，其中小合攏達到24.6%，平行舯體合攏達到了14.5%。

3.2 韓國造船焊接機器人的應(yīng)用

韓國造船企業(yè)在20世紀90年代為增強造船企業(yè)在世界造船業(yè)的競爭，大量引進了先進造船技術(shù)，并在政府大力支持下著手自主開發(fā)機器人，利用機器人技術(shù)對現(xiàn)有的造船設(shè)備逐步加以改造，短短幾年，韓國造船工業(yè)得到迅速發(fā)展。

韓國大宇重工玉浦船廠（OKPO）1995年就建成了焊接機器人平面分段生產(chǎn)線，2003年韓國現(xiàn)代重工研發(fā)出五種獲得國際認證的造船焊接機器人?，F(xiàn)代重工還在2013年成功研發(fā)了船用微型六關(guān)節(jié)焊接機器人，該產(chǎn)品設(shè)計緊湊，可在狹窄及人為無法操作的地方作業(yè)。韓國Pukyong國立大學(xué)的Kambo等人研制了一種體積小巧，重量輕便的輪式智能移動焊接機器人，已用于底部分段艙體格子形構(gòu)件的焊接。

3.3 歐洲國家和美國造船焊接機器人的應(yīng)用

上世紀80年代起美國就將機器人列為船廠的適用技術(shù)，美國軍方也大力支持開發(fā)和應(yīng)用造船機器人。美國軍船研究辦公室聯(lián)合紐波特紐斯（NewportNews）船廠、國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所（NIST）等造船專家提出一種先進的雙殼船建造技術(shù)，它具有可升降和搭載6個自由度的焊接系統(tǒng)，通過激光傳感器在控制人員的操控下精確地完成焊接操作。

1983年美國托德太平洋公司的洛杉磯船廠將CM-T3-566型弧焊機器人用于小部件的生產(chǎn)，阿馮爾船廠在縱桁和橫梁流水線應(yīng)用了焊接機器人進行作業(yè)。

歐盟為ROWER-2工程研制了一套焊接機器人系統(tǒng)，以滿足雙殼船舶建造的需要，如超級巡洋艦和巨型油輪。該工程專門研制了一個鋁合金焊接機器人，并專門為其設(shè)計了靈便的移動平臺。

奧地利IGM機器人系統(tǒng)公司已將機器人焊接系統(tǒng)成功用于船舶制造中，無論是豪華郵輪、巡洋艦、貨柜船。意大利的Fincantieri船廠開發(fā)了一種AMP電弧編程系統(tǒng)控制機器人，能對相似船舶剖面進行連續(xù)焊接。

3.4 我國焊接機器人在造船工業(yè)中應(yīng)用的研究

我國在20世紀70年代末開始研究焊接機器人，1958年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功第一臺焊接機器人。1999年863計劃智能型機器人由“一汽”集團、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽自動化研究所聯(lián)合開發(fā)成功點焊機器人，標(biāo)志著我國焊接機器人開始走向?qū)嵱没A段。長興造船公司的大口徑管焊接機器人也投入使用，提高焊接效率4～5倍。

近年，日本川崎重工和小池酸素在南通中遠建立了數(shù)字化車間，通過TRIBON軟件，實現(xiàn)了條鋼、型鋼的套料、噴字、下料以及部件、雙層底格子間焊接等的自動化，在我國造船行業(yè)實現(xiàn)了機器人應(yīng)用的較高水平。

2014年廣州瑞松科技有限公司與廣東省工業(yè)研究院簽訂合作協(xié)議，共同開發(fā)機器人應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合各自的優(yōu)勢，必將大大推動機器人在我國造船行業(yè)的應(yīng)用水平。

雖然我國造船焊接機器人已有了少量的應(yīng)用，但對船體結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)焊接機器人的應(yīng)用基本上還是空白的，更落后于國內(nèi)其它大型制造產(chǎn)業(yè)（汽車、摩托車制造裝備、工程機械、礦產(chǎn)機械、起重運輸機械、建筑機械、電梯設(shè)備等）。隨著國際、國內(nèi)市場競爭的進一步加劇，國內(nèi)船企面臨人力成本增加，人才難求，焊接機器人是高度自動化發(fā)展途徑，如果不能跨越這技術(shù)瓶頸，就很難實現(xiàn)造船強國的夢。

4 中國造船焊接面臨的問題

4.1 熟練焊工缺乏，勞動力成本日臻高漲

在我國船企中，焊工是最具代表性的技術(shù)工種之一。眾多的高水平焊工在我國造船行業(yè)走向世界、做大做強的進程中發(fā)揮著重要的作用。焊接加工既要求焊工有熟練的操作技能，豐富的實踐經(jīng)驗，穩(wěn)定的焊接水平，又要求焊工能在高溫、多粉塵、危險性高等嚴酷的環(huán)境下作業(yè)，因此，給予較高的勞動報酬理所應(yīng)當(dāng)。

隨著勞動用工成本的上升，我國絕大部分船廠都存在較大的高技能人才缺口，日益攀升的勞動力成本已成為制約我國船企進一步做大做強的重要因素之一。船企采用自動化焊接設(shè)備已是大勢所趨，船企要通過先進的工藝裝備來固化船舶建造的先進流程，以減少人為因素的不利影響，提高質(zhì)量，把握進度，穩(wěn)住安全，贏得效益。

近年來我國焊接機器人應(yīng)用發(fā)展迅速，已經(jīng)從汽車制造行業(yè)擴展到工程機械、摩托車、集裝箱、自行車、鈑金、家電、醫(yī)療器械、家具等行業(yè)，它們從造船行業(yè)吸納了不少高技能的焊接人才，加上船企和船東對質(zhì)量、效率、成本日趨苛求，造成船企焊工流動性大，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

4.2 對船舶產(chǎn)品焊接的技術(shù)和質(zhì)量要求越來越高

近十年來國際航運和造船新規(guī)范、新公約、新標(biāo)準(zhǔn)密集出臺，安全環(huán)保要求不斷升級，高技術(shù)船舶（如LPN船、LNG船、豪華郵輪等）以及海洋工程裝備的高強度鋼、大厚度，對焊接接頭低溫韌性要求等，技術(shù)復(fù)雜，難度越來越高，靠一般的通用焊接工藝難以滿足要求。船價低迷，成本上升，融資難，技術(shù)改造投入能力有限。

4.3 造船焊接機器人的投入問題

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，上世紀90年代機器人技術(shù)在飛速發(fā)展的同時，其制造成本和價格卻不斷下降，這為船企應(yīng)用焊接機器人提供了有利條件。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會（UNECE）統(tǒng)計，機器人的價格從1990年到2000年的10年間下降了約80%，而勞動力成本卻上升了約40%。

目前造船市場三大主流產(chǎn)品的船價較低，經(jīng)營風(fēng)險較大，而機器人應(yīng)用和技術(shù)改造的投入資金較大，存在較大的困難。

機器人焊接技術(shù)綜合了計算機技術(shù)、精度控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)及系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)等，設(shè)備和基建改造投資較大，大型船企必須根據(jù)自身產(chǎn)品的特點，長遠規(guī)劃，分步實施，多方協(xié)作，逐步推進，并取得政府的大力支持。

5 推進造船焊接機器人研究和推廣應(yīng)用的思考

5.1 船體焊接機器人的應(yīng)用范圍

船體建造中可應(yīng)用焊接機器人的場合大致可分為下列幾種：

（1）結(jié)構(gòu)零部件的焊接

通常有肋板、平臺板、艙口圍板、吊碼等。小型組件可以在單臺固定式焊接機器人工作站焊接，尺寸較大的組件可建立機器人焊接生產(chǎn)線，在行走門架上配置一臺或兩臺懸掛式機器人，當(dāng)機器人運行到工件上方，由檢測傳感器檢出，自動進行尋位并焊接。

（2）底部分段雙層底格子間的焊接

大型散貨船、油船及集裝箱平行舯體長度大，底部分段格子間縱橫構(gòu)件焊縫數(shù)量多，有平、立、仰角焊縫。焊接機器人安裝在可升降的搭載裝置上，多臺搭載裝置安裝在可縱向行走的橫梁上，多臺機器人同時作業(yè)來完成一個分段構(gòu)件。依據(jù)三維設(shè)計軟件的CAD數(shù)據(jù)，使機器人有了空間概念后使得機器人焊接成為可能。機器人被放入分段內(nèi)后，機器人自動定位于分段指定點，即焊接數(shù)據(jù)的原點，之后機器人即可自動進行平面角焊縫及立面角焊縫的自動焊接。整個區(qū)域焊接可以達到無人化的程度，該區(qū)域機器人系統(tǒng)焊接方式也可應(yīng)用于傍板分段結(jié)構(gòu)焊接，但這一區(qū)域的機器人焊接必須有相應(yīng)的造船模式與其相適應(yīng)，而且造價昂貴。

由于分段形狀的不同樣性，幾乎找不出二條位置信息一樣的焊縫，限制了焊接機器人的使用。

（3）曲面分段焊接

曲面分段在裝配胎架上安裝好內(nèi)部組件后由一臺橫梁搭載的焊接機器人完成各種焊縫的焊接，如圖4所示。曲面分段數(shù)量較少，相對而言性價比不如底部分段。

（4）船塢/船臺總段大合攏焊接

船塢、船臺大合攏可以有內(nèi)外板橫縫對接和艙部以下外板的對接，目前少數(shù)船廠應(yīng)用單絲橫向多層多道MAG自動焊效率低，可以采用輕便的焊接機器人進行焊接，例如MICROBOT，如圖5所示，一人可以管理2臺作業(yè)。表1為MICROBO機器人的技術(shù)規(guī)格。

5.2 造船焊接機器人應(yīng)用應(yīng)考慮的幾個問題和建議

（1）焊接技術(shù)是船舶建造工程的關(guān)鍵和建立現(xiàn)代造船模式的支撐技術(shù)。目前我國造船生產(chǎn)還沒有完全擺脫傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，機械化、自動化焊接設(shè)備的效能難以充分發(fā)揮。

（2）精度控制和計劃管理水平不能適應(yīng)焊接自動化的要求。前道工序的加工裝配質(zhì)量問題或生產(chǎn)計劃失控會直接影響機器人的焊接質(zhì)量與效率。

（3）船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，很難取得批量生產(chǎn)的規(guī)模，因此，設(shè)計部門應(yīng)按相似性原理和按功能分類，建立標(biāo)準(zhǔn)的制造模塊，才能發(fā)揮機器人的優(yōu)勢。

（4）研究開發(fā)船用焊接機器人和可搬式小型機器人與船廠CAD/CAM連接應(yīng)用中的快速離線編程等軟件、硬件和實用化問題。

（5）焊縫跟蹤傳感器的選用。船體結(jié)構(gòu)龐大，精度不佳和焊接變形因素在所難免，因此，有必要研究和選用合適的跟蹤傳感器來適時調(diào)整焊槍的運行路徑來達到自動跟蹤焊縫的目的。

我們堅信，在國家方針政策的指導(dǎo)和支持下，在現(xiàn)代企業(yè)改革的新形勢下，造船行業(yè)著眼未來，務(wù)實當(dāng)前，全面規(guī)劃，先易后難，通過產(chǎn)、學(xué)、研的緊密合作，焊接機器人的應(yīng)用前景絢麗多彩，為實現(xiàn)我國本世紀跨入世界造船強國的宏偉目標(biāo)做出貢獻。

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