机器人焊接技术在我国造船行业中的应用与前景

2014-05-30孙志强

广东造船 2014年4期

关键词：焊接造船自动化

孙志强

摘要：本文综述我国造船高效焊接技术的发展历程及现状，其自动化水平及焊接机器人的应用与先进造船国家水平相比存在较大差距。发展焊接机器人在造船行业的应用是实现我国从造船大国向造船强国跨越的必经之路。

关键词：造船；焊接；自动化；机器人

中图分类号：U671.83 文献标识码：A

1 前言

自国际金融危机爆发以来，全球船市低迷，国内船企面临接单难、交船难、融资难、盈利难、产能过剩的局面。2013年国务院发布了《船舶工业加快结构调整促进转型升级实施方案（2013～2015年）》，为中国船舶行业指明了调整结构、创新转型的发展方向，许多船企正在努力提高总装化造船水平，加快建立现代造船模式，大力推广精度控制和高效自动化焊接等先进制造技术。大型企业在转型升级的形势下，积极承接海洋工程装备和高附加值的船舶产品，由此要面对高强度钢、大厚度、严要求的各种焊接技术难题。

1986年中国船舶工业总公司成立高效焊接指导组，贯彻“统筹规划，分类指导，整体推进”的方针，研究和持续推广高效焊接材料、新工艺方法和新设备，大大提高了船舶建造的效率、建造质量，降低了建造成本，取得显著成效。

当前世界船舶工业已经进入了新一轮的深刻调整期，市场竞争日益激烈。国际航运和造船新规范、新公约、新标准密集出台，国内船企还面临招工难、焊工流动大、劳动成本不断增加的压力，船舶行业要在困境中求突破，在逆境中谋发展。国家“十二五”规划要求推进三大主流船型（散货船、油船、集装箱船）升级换代，重点发展大型液化气船、大型石油气船、远洋渔船、豪华邮船等高技术、高附加值产品，加快海洋工程自主建造的步伐。国际政治形势风云突变，我国国防实力的提升，对海军装备的建设急需增强，各种新型舰船建造任务十分繁重。

为适应船舶行业未来的发展需求，船舶焊接技术将朝着自动化、智能化、机器人化、高效节能、绿色环保的方向发展。应最大限度的减少半自动焊接工作，在船舶部件生产、平直分段及双层底分段格子间焊接、曲面分段的焊接以及总段合拢焊接最大限度的应用机器人化。目前，各种焊接新工法（如激光焊，摩擦搅拌焊，等离子弧焊及其混合焊等）也将研究在造船焊接相关领域与机器人组合应用。可以预见，机器人在造船焊接领域的应用前景广阔，它将取得更高的生产效率，更高的焊接质量，更低的劳动成本，更大的经济效益和更强的市场竞争力，实现迈向造船强国的跨越。

2 我国造船高效焊接自动化的发展历程

我国造船高效焊接自动化的发展历程大致分为三个阶段：

（1）“六五”期间是推广起步探索阶段。主要是大面积推广应用铁粉焊条，立向下角焊和重力焊，并开始应用实芯焊丝CO2气体保护焊；

（2）“七五”期间是高效焊接的巩固发展阶段，主要是推广应用陶质衬垫CO2单面焊，并从实芯焊丝向药芯焊丝过渡；

（3）“八五”至“九五”期间是高效焊接的深化提高阶段。开发研制并全面推广了全位置CO2药芯焊丝、垂直气电焊机、自动角焊机，各大型船厂相继引进了平面分段生产线，焊接效率快速上升，造船机械化与自动化水平有了飞跃发展，造船生产能力成倍增长，国际市场竞争力显著提升。

近十年来国内又研究推广了双丝埋弧自动焊（包括双丝单电源的TWIN法和双丝焊的TANDEM法），应用了双丝加铁粉的FAB单面埋弧焊，CO2横向自动焊和机器人管子加工生产线，部分船企通过产学研联合研究，建立并应用了管-管对接和管-法蘭、管-弯头的机器人焊接系统，大大提高了管系加工的生产效率。此外，部分船企还建立了T型材双侧双丝MAG自动焊生产线，推广了高效的立向上（不摆动）药芯焊丝，造船焊接的高效化和自动化水平得到进一步的提升。但是，目前我国造船企业与国外先进造船企业相比，年人均造船吨位、年人均产值和生产效率三项目标约差3～5倍，中国每艘船的建造工时数、每座船坞的年度造船数和劳动生产率分别为日本的500%、20%和10%。高效焊接是造船企业提高造船能力，提高生产效率，缩短生产周期，保证焊接质量的有效途径。发展造船机器人焊接技术是实现高效化、自动化与智能化的必然趋势。我国造船工业在造船模式演变进展还很缓慢，造船焊接机器人的应用尚处起步阶段，与先进发达国家存在很大差距。

从上个世纪九十年代中期，广州日松工业自动化有限公司为广东造船企业提供了大量的焊接设备和材料，包括逆变焊接电源、垂直气电焊机、数控等离子切割机、自动角焊机、双丝埋弧焊机和高效焊接材料，为推动广东地区造船事业的发展起到了重要的作用。

3 先进发达国家与我国造船焊接机器人的研究和应用状况

目前，国外发达国家都把机器人技术放在科技发展战略的最优先位置。现列举日、韩、欧、美各国造船焊接机器人的应用情况。

3.1 日本造船焊接机器人的应用

20世纪60年代日本机器人技术刚刚起步，70年代机器人技术进入实用期，80年代进入普及推广期，90年代中期以来，日本各大造船企业开发和应用机器人的重点转向曲面分段和立体分段全位置焊接。1992年日本日立造船公司机器人焊接工作量已经占到焊接总量的20%，近年来正朝着50%的目标努力，而更为长远的目标是达到80%。

上世纪90年代后期，日本的几个大型船厂已开始批量应用焊接机器人。如1993年日本钢管（NKK）的津船厂首次将焊接机器人应用于装配线上，全部焊接过程由中央电脑控制，整个车间几乎达到无人化的程度。日本石川岛播磨重工（IHI）研制成功新的造船系统，即“平面分段和开口处理”系统，它适合造船自动化，并成功开发一套在装配阶段使用的全自动化机器人焊接系统。

据日本专家介绍，日本船企造船焊接机器人化率达到了16%，其中小合拢达到24.6%，平行舯体合拢达到了14.5%。

3.2 韩国造船焊接机器人的应用

韩国造船企业在20世纪90年代为增强造船企业在世界造船业的竞争，大量引进了先进造船技术，并在政府大力支持下着手自主开发机器人，利用机器人技术对现有的造船设备逐步加以改造，短短几年，韩国造船工业得到迅速发展。

韩国大宇重工玉浦船厂（OKPO）1995年就建成了焊接机器人平面分段生产线，2003年韩国现代重工研发出五种获得国际认证的造船焊接机器人。现代重工还在2013年成功研发了船用微型六关节焊接机器人，该产品设计紧凑，可在狭窄及人为无法操作的地方作业。韩国Pukyong国立大学的Kambo等人研制了一种体积小巧，重量轻便的轮式智能移动焊接机器人，已用于底部分段舱体格子形构件的焊接。

3.3 欧洲国家和美国造船焊接机器人的应用

上世纪80年代起美国就将机器人列为船厂的适用技术，美国军方也大力支持开发和应用造船机器人。美国军船研究办公室联合纽波特纽斯（NewportNews）船厂、国家标准和技术研究所（NIST）等造船专家提出一种先进的双壳船建造技术，它具有可升降和搭载6个自由度的焊接系统，通过激光传感器在控制人员的操控下精确地完成焊接操作。

1983年美国托德太平洋公司的洛杉矶船厂将CM-T3-566型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应用了焊接机器人进行作业。

欧盟为ROWER-2工程研制了一套焊接机器人系统，以满足雙壳船舶建造的需要，如超级巡洋舰和巨型油轮。该工程专门研制了一个铝合金焊接机器人，并专门为其设计了灵便的移动平台。

奥地利IGM机器人系统公司已将机器人焊接系统成功用于船舶制造中，无论是豪华邮轮、巡洋舰、货柜船。意大利的Fincantieri船厂开发了一种AMP电弧编程系统控制机器人，能对相似船舶剖面进行连续焊接。

3.4 我国焊接机器人在造船工业中应用的研究

我国在20世纪70年代末开始研究焊接机器人，1958年哈尔滨工业大学研制成功第一台焊接机器人。1999年863计划智能型机器人由“一汽”集团、哈尔滨工业大学和沈阳自动化研究所联合开发成功点焊机器人，标志着我国焊接机器人开始走向实用化阶段。长兴造船公司的大口径管焊接机器人也投入使用，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远建立了数字化车间，通过TRIBON软件，实现了条钢、型钢的套料、喷字、下料以及部件、双层底格子间焊接等的自动化，在我国造船行业实现了机器人应用的较高水平。

2014年广州瑞松科技有限公司与广东省工业研究院签订合作协议，共同开发机器人应用技术，结合各自的优势，必将大大推动机器人在我国造船行业的应用水平。

虽然我国造船焊接机器人已有了少量的应用，但对船体结构焊接生产焊接机器人的应用基本上还是空白的，更落后于国内其它大型制造产业（汽车、摩托车制造装备、工程机械、矿产机械、起重运输机械、建筑机械、电梯设备等）。随着国际、国内市场竞争的进一步加剧，国内船企面临人力成本增加，人才难求，焊接机器人是高度自动化发展途径，如果不能跨越这技术瓶颈，就很难实现造船强国的梦。

4 中国造船焊接面临的问题

4.1 熟练焊工缺乏，劳动力成本日臻高涨

在我国船企中，焊工是最具代表性的技术工种之一。众多的高水平焊工在我国造船行业走向世界、做大做强的进程中发挥着重要的作用。焊接加工既要求焊工有熟练的操作技能，丰富的实践经验，稳定的焊接水平，又要求焊工能在高温、多粉尘、危险性高等严酷的环境下作业，因此，给予较高的劳动报酬理所应当。

随着劳动用工成本的上升，我国绝大部分船厂都存在较大的高技能人才缺口，日益攀升的劳动力成本已成为制约我国船企进一步做大做强的重要因素之一。船企采用自动化焊接设备已是大势所趋，船企要通过先进的工艺装备来固化船舶建造的先进流程，以减少人为因素的不利影响，提高质量，把握进度，稳住安全，赢得效益。

近年来我国焊接机器人应用发展迅速，已经从汽车制造行业扩展到工程机械、摩托车、集装箱、自行车、钣金、家电、医疗器械、家具等行业，它们从造船行业吸纳了不少高技能的焊接人才，加上船企和船东对质量、效率、成本日趋苛求，造成船企焊工流动性大，焊接质量不稳定。

4.2 对船舶产品焊接的技术和质量要求越来越高

近十年来国际航运和造船新规范、新公约、新标准密集出台，安全环保要求不断升级，高技术船舶（如LPN船、LNG船、豪华邮轮等）以及海洋工程装备的高强度钢、大厚度，对焊接接头低温韧性要求等，技术复杂，难度越来越高，靠一般的通用焊接工艺难以满足要求。船价低迷，成本上升，融资难，技术改造投入能力有限。

4.3 造船焊接机器人的投入问题

随着计算机技术、微电子技术、网络技术的快速发展，上世纪90年代机器人技术在飞速发展的同时，其制造成本和价格却不断下降，这为船企应用焊接机器人提供了有利条件。据联合国欧洲经济委员会（UNECE）统计，机器人的价格从1990年到2000年的10年间下降了约80%，而劳动力成本却上升了约40%。

目前造船市场三大主流产品的船价较低，经营风险较大，而机器人应用和技术改造的投入资金较大，存在较大的困难。

机器人焊接技术综合了计算机技术、精度控制技术、传感器技术、信息技术及系统应用技术等，设备和基建改造投资较大，大型船企必须根据自身产品的特点，长远规划，分步实施，多方协作，逐步推进，并取得政府的大力支持。

5 推进造船焊接机器人研究和推广应用的思考

5.1 船体焊接机器人的应用范围

船体建造中可应用焊接机器人的场合大致可分为下列几种：

（1）结构零部件的焊接

通常有肋板、平台板、舱口围板、吊码等。小型组件可以在单台固定式焊接机器人工作站焊接，尺寸较大的组件可建立机器人焊接生产线，在行走门架上配置一台或两台悬挂式机器人，当机器人运行到工件上方，由检测传感器检出，自动进行寻位并焊接。

（2）底部分段双层底格子间的焊接

大型散货船、油船及集装箱平行舯体长度大，底部分段格子间纵横构件焊缝数量多，有平、立、仰角焊缝。焊接机器人安装在可升降的搭载装置上，多台搭载装置安装在可纵向行走的横梁上，多台机器人同时作业来完成一个分段构件。依据三维设计软件的CAD数据，使机器人有了空间概念后使得机器人焊接成为可能。机器人被放入分段内后，机器人自动定位于分段指定点，即焊接数据的原点，之后机器人即可自动进行平面角焊缝及立面角焊缝的自动焊接。整个区域焊接可以达到无人化的程度，该区域机器人系统焊接方式也可应用于傍板分段结构焊接，但这一区域的机器人焊接必须有相应的造船模式与其相适应，而且造价昂贵。

由于分段形状的不同样性，几乎找不出二条位置信息一样的焊缝，限制了焊接机器人的使用。

（3）曲面分段焊接

曲面分段在装配胎架上安装好内部组件后由一台横梁搭载的焊接机器人完成各种焊缝的焊接，如图4所示。曲面分段数量较少，相对而言性价比不如底部分段。

（4）船坞/船台总段大合拢焊接

船坞、船台大合拢可以有内外板横缝对接和舱部以下外板的对接，目前少数船厂应用单丝横向多层多道MAG自动焊效率低，可以采用轻便的焊接机器人进行焊接，例如MICROBOT，如图5所示，一人可以管理2台作业。表1为MICROBO机器人的技术规格。

5.2 造船焊接机器人应用应考虑的几个问题和建议

（1）焊接技术是船舶建造工程的关键和建立现代造船模式的支撑技术。目前我国造船生产还没有完全摆脱传统的生产模式，机械化、自动化焊接设备的效能难以充分发挥。

（2）精度控制和计划管理水平不能适应焊接自动化的要求。前道工序的加工装配质量问题或生产计划失控会直接影响机器人的焊接质量与效率。

（3）船体结构复杂多变，很难取得批量生产的規模，因此，设计部门应按相似性原理和按功能分类，建立标准的制造模块，才能发挥机器人的优势。

（4）研究开发船用焊接机器人和可搬式小型机器人与船厂CAD/CAM连接应用中的快速离线编程等软件、硬件和实用化问题。

（5）焊缝跟踪传感器的选用。船体结构庞大，精度不佳和焊接变形因素在所难免，因此，有必要研究和选用合适的跟踪传感器来适时调整焊枪的运行路径来达到自动跟踪焊缝的目的。

我们坚信，在国家方针政策的指导和支持下，在现代企业改革的新形势下，造船行业着眼未来，务实当前，全面规划，先易后难，通过产、学、研的紧密合作，焊接机器人的应用前景绚丽多彩，为实现我国本世纪跨入世界造船强国的宏伟目标做出贡献。