孫志強(qiáng)

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(dòng)化水平及焊接機(jī)器人的應(yīng)用與先進(jìn)造船國家水平相比存在較大差距。發(fā)展焊接機(jī)器人在造船行業(yè)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)我國從造船大國向造船強(qiáng)國跨越的必經(jīng)之路。

關(guān)鍵詞：造船；焊接；自動(dòng)化；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：U671.83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 前言

自國際金融危機(jī)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(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)實(shí)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(dòng)化焊接等先進(jìn)制造技術(shù)。大型企業(yè)在轉(zhuǎn)型升級(jí)的形勢(shì)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(duì)高強(qiáng)度鋼、大厚度、嚴(yán)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(jìn)”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(jìn)入了新一輪的深刻調(diào)整期，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。國際航運(yùn)和造船新規(guī)范、新公約、新標(biāo)準(zhǔn)密集出臺(tái)，國內(nèi)船企還面臨招工難、焊工流動(dòng)大、勞動(dòng)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(jìn)三大主流船型（散貨船、油船、集裝箱船）升級(jí)換代，重點(diǎn)發(fā)展大型液化氣船、大型石油氣船、遠(yuǎn)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(shì)風(fēng)云突變，我國國防實(shí)力的提升，對(duì)海軍裝備的建設(shè)急需增強(qiáng)，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(dòng)化、智能化、機(jī)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(dòng)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(jī)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(jī)器人組合應(yīng)用。可以預(yù)見，機(jī)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(dòng)成本，更大的經(jīng)濟(jì)效益和更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)邁向造船強(qiáng)國的跨越。

2 我國造船高效焊接自動(dòng)化的發(fā)展歷程

我國造船高效焊接自動(dòng)化的發(fā)展歷程大致分為三個(gè)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(shí)芯焊絲CO2氣體保護(hù)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(shí)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(jī)、自動(dòng)角焊機(jī)，各大型船廠相繼引進(jìn)了平面分段生產(chǎn)線，焊接效率快速上升，造船機(jī)械化與自動(dòng)化水平有了飛躍發(fā)展，造船生產(chǎn)能力成倍增長(zhǎng)，國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力顯著提升。

近十年來國內(nèi)又研究推廣了雙絲埋弧自動(dòng)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(dòng)焊和機(jī)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(duì)接和管-法蘭、管-彎頭的機(jī)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(dòng)焊生產(chǎn)線，推廣了高效的立向上（不擺動(dòng)）藥芯焊絲，造船焊接的高效化和自動(dòng)化水平得到進(jìn)一步的提升。但是，目前我國造船企業(yè)與國外先進(jìn)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(xiàng)目標(biāo)約差3～5倍，中國每艘船的建造工時(shí)數(shù)、每座船塢的年度造船數(shù)和勞動(dòng)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(jī)器人焊接技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高效化、自動(dòng)化與智能化的必然趨勢(shì)。我國造船工業(yè)在造船模式演變進(jìn)展還很緩慢，造船焊接機(jī)器人的應(yīng)用尚處起步階段，與先進(jìn)發(fā)達(dá)國家存在很大差距。

從上個(gè)世紀(jì)九十年代中期，廣州日松工業(yè)自動(dòng)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(jī)、數(shù)控等離子切割機(jī)、自動(dòng)角焊機(jī)、雙絲埋弧焊機(jī)和高效焊接材料，為推動(dòng)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(jìn)發(fā)達(dá)國家與我國造船焊接機(jī)器人的研究和應(yīng)用狀況

目前，國外發(fā)達(dá)國家都把機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用情況。

3.1 日本造船焊接機(jī)器人的應(yīng)用

20世紀(jì)60年代日本機(jī)器人技術(shù)剛剛起步，70年代機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入實(shí)用期，80年代進(jìn)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(jī)器人的重點(diǎn)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(jī)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(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是達(dá)到80%。

上世紀(jì)90年代后期，日本的幾個(gè)大型船廠已開始批量應(yīng)用焊接機(jī)器人。如1993年日本鋼管（NKK）的津船廠首次將焊接機(jī)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(gè)車間幾乎達(dá)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(dòng)化，并成功開發(fā)一套在裝配階段使用的全自動(dòng)化機(jī)器人焊接系統(tǒng)。

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

3.2 韓國造船焊接機(jī)器人的應(yīng)用

韓國造船企業(yè)在20世紀(jì)90年代為增強(qiáng)造船企業(yè)在世界造船業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)，大量引進(jìn)了先進(jìn)造船技術(shù)，并在政府大力支持下著手自主開發(fā)機(jī)器人，利用機(jī)器人技術(shù)對(duì)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(jī)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(rèn)證的造船焊接機(jī)器人。現(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(jī)器人，該產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(dòng)焊接機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用

上世紀(jì)80年代起美國就將機(jī)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(jī)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(jìn)的雙殼船建造技術(shù)，它具有可升降和搭載6個(gè)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(jī)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(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。

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

奧地利IGM機(jī)器人系統(tǒng)公司已將機(jī)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(jī)器人，能對(duì)相似船舶剖面進(jìn)行連續(xù)焊接。

3.4 我國焊接機(jī)器人在造船工業(yè)中應(yīng)用的研究

我國在20世紀(jì)70年代末開始研究焊接機(jī)器人，1958年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功第一臺(tái)焊接機(jī)器人。1999年863計(jì)劃智能型機(jī)器人由“一汽”集團(tuán)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和沈陽自動(dòng)化研究所聯(lián)合開發(fā)成功點(diǎn)焊機(jī)器人，標(biāo)志著我國焊接機(jī)器人開始走向?qū)嵱没A段。長(zhǎng)興造船公司的大口徑管焊接機(jī)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(yuǎn)建立了數(shù)字化車間，通過TRIBON軟件，實(shí)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(dòng)化，在我國造船行業(yè)實(shí)現(xiàn)了機(jī)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(jī)器人應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合各自的優(yōu)勢(shì)，必將大大推動(dòng)機(jī)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(jī)器人已有了少量的應(yīng)用，但對(duì)船體結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)焊接機(jī)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(jī)械、礦產(chǎn)機(jī)械、起重運(yùn)輸機(jī)械、建筑機(jī)械、電梯設(shè)備等）。隨著國際、國內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的進(jìn)一步加劇，國內(nèi)船企面臨人力成本增加，人才難求，焊接機(jī)器人是高度自動(dòng)化發(fā)展途徑，如果不能跨越這技術(shù)瓶頸，就很難實(shí)現(xiàn)造船強(qiáng)國的夢(mèng)。

4 中國造船焊接面臨的問題

4.1 熟練焊工缺乏，勞動(dòng)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(qiáng)的進(jìn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，穩(wěn)定的焊接水平，又要求焊工能在高溫、多粉塵、危險(xiǎn)性高等嚴(yán)酷的環(huán)境下作業(yè)，因此，給予較高的勞動(dòng)報(bào)酬理所應(yīng)當(dāng)。

隨著勞動(dòng)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(dòng)力成本已成為制約我國船企進(jìn)一步做大做強(qiáng)的重要因素之一。船企采用自動(dòng)化焊接設(shè)備已是大勢(shì)所趨，船企要通過先進(jìn)的工藝裝備來固化船舶建造的先進(jìn)流程，以減少人為因素的不利影響，提高質(zhì)量，把握進(jìn)度，穩(wěn)住安全，贏得效益。

近年來我國焊接機(jī)器人應(yīng)用發(fā)展迅速，已經(jīng)從汽車制造行業(yè)擴(kuò)展到工程機(jī)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(duì)質(zhì)量、效率、成本日趨苛求，造成船企焊工流動(dòng)性大，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

4.2 對(duì)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(yùn)和造船新規(guī)范、新公約、新標(biāo)準(zhǔn)密集出臺(tái)，安全環(huán)保要求不斷升級(jí)，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(qiáng)度鋼、大厚度，對(duì)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(jià)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(jī)器人的投入問題

隨著計(jì)算機(jī)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(jì)90年代機(jī)器人技術(shù)在飛速發(fā)展的同時(shí)，其制造成本和價(jià)格卻不斷下降，這為船企應(yīng)用焊接機(jī)器人提供了有利條件。據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（UNECE）統(tǒng)計(jì)，機(jī)器人的價(jià)格從1990年到2000年的10年間下降了約80%，而勞動(dòng)力成本卻上升了約40%。

目前造船市場(chǎng)三大主流產(chǎn)品的船價(jià)較低，經(jīng)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)較大，而機(jī)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(jī)器人焊接技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)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(diǎn)，長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，分步實(shí)施，多方協(xié)作，逐步推進(jìn)，并取得政府的大力支持。

5 推進(jìn)造船焊接機(jī)器人研究和推廣應(yīng)用的思考

5.1 船體焊接機(jī)器人的應(yīng)用范圍

船體建造中可應(yīng)用焊接機(jī)器人的場(chǎng)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(tái)板、艙口圍板、吊碼等。小型組件可以在單臺(tái)固定式焊接機(jī)器人工作站焊接，尺寸較大的組件可建立機(jī)器人焊接生產(chǎn)線，在行走門架上配置一臺(tái)或兩臺(tái)懸掛式機(jī)器人，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行到工件上方，由檢測(cè)傳感器檢出，自動(dòng)進(jìn)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(zhǎng)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(jī)器人安裝在可升降的搭載裝置上，多臺(tái)搭載裝置安裝在可縱向行走的橫梁上，多臺(tái)機(jī)器人同時(shí)作業(yè)來完成一個(gè)分段構(gòu)件。依據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件的CAD數(shù)據(jù)，使機(jī)器人有了空間概念后使得機(jī)器人焊接成為可能。機(jī)器人被放入分段內(nèi)后，機(jī)器人自動(dòng)定位于分段指定點(diǎn)，即焊接數(shù)據(jù)的原點(diǎn)，之后機(jī)器人即可自動(dòng)進(jìn)行平面角焊縫及立面角焊縫的自動(dòng)焊接。整個(gè)區(qū)域焊接可以達(dá)到無人化的程度，該區(qū)域機(jī)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(jī)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(jià)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(jī)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(tái)橫梁搭載的焊接機(jī)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(duì)而言性價(jià)比不如底部分段。

（4）船塢/船臺(tái)總段大合攏焊接

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

5.2 造船焊接機(jī)器人應(yīng)用應(yīng)考慮的幾個(gè)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(jī)械化、自動(dòng)化焊接設(shè)備的效能難以充分發(fā)揮。

（2）精度控制和計(jì)劃管理水平不能適應(yīng)焊接自動(dòng)化的要求。前道工序的加工裝配質(zhì)量問題或生產(chǎn)計(jì)劃失控會(huì)直接影響機(jī)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(jì)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(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。

（4）研究開發(fā)船用焊接機(jī)器人和可搬式小型機(jī)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(shí)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(shí)調(diào)整焊槍的運(yùn)行路徑來達(dá)到自動(dòng)跟蹤焊縫的目的。

我們堅(jiān)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(shì)下，造船行業(yè)著眼未來，務(wù)實(shí)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(jī)器人的應(yīng)用前景絢麗多彩，為實(shí)現(xiàn)我國本世紀(jì)跨入世界造船強(qiáng)國的宏偉目標(biāo)做出貢獻(xiàn)。

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