探析船舶焊接与结构设计优化

赵 立

（中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433）

0 引言

船舶建造是以中间产品为导向的综合区域建造方法，船体在中间的产品（部件、管道和模块）是在工厂或不同的工厂使用钢板和钢等基础材料进行加工，制造零件，使用零件焊接，零件的装配、分段和装配段的制造均可以在室内完成，同时应结合时代需求，不断创新焊接技术。

1 造船和其他高端应用可能成为新的激光焊接增长点

纵观中国高端制造领域，除船舶制造和动力电池2个市场外，激光焊接在其他应用领域的整体熔透率仍然较小。以造船业为例，造船业的总量很大，但由于其材料和行业的特殊性，目前激光焊接的应用率不高[1]。

根据造船自动化生产线解决方案，造船焊接量取决于船型，中厚板主要位于甲板下方，薄板主要位于上部结构。如豪华游轮4～12 mm厚钢板焊接占80%，中厚板占20%；散货船的比例正好相反。然而，在中厚板的焊接过程中，大多数造船施工仍采用埋弧焊和MIG/MAG焊接，整体效率达不到预期。与传统焊接相比，激光焊接具有更高的效率、更高的精度和更好的效果，更容易实现自动化智能集成。是实现产业升级的利器，尤其适用于造船、航空航天等高端精密制造业。例如，埋弧焊的焊接速度为550 mm/min，MIG/MAG可以达到700 mm/min，双丝MIG/MAG可以达到1500 mm/min左右，而激光MIG/MAG复合焊接的焊接速度可以达到2400 mm/min，这在效率上有很大优势。这是目前造船业中最快的薄板焊接工艺。

2 不断突破核心器件的功能限制，进一步推动高端应用的国产化

从产业发展来看，国内切割焊接产业落后于欧美国家，主要原因在于核心光源。从这个角度来看，传统焊接工艺的迭代升级、船舶应用的高效扩展，成为国产切割打破这种局面的关键。早年，进口切割设备在高端制造业中独树一帜。早期IPG，Concertant和Trumpf等外国公司占据了主要市场份额。经过多年的技术研究，国内涌现出一大批与国外品牌竞争的优秀切割企业，以夏普切割为代表的国内切割制造商，不断打破国外在关键光源领域的垄断，导致切割整体价格下降，提高了国产切割焊接设备在各个领域的渗透性。在造船业中，切割焊接仍处于取代传统焊接的初步探索过程中[2]。此外，国产切割设备与国外切割设备的市场规模相差不大，加工效果没有本质区别，因此国产切割设备在造船领域有很大的发展空间。目前，在造船等高端制造领域，已经有一些企业开始使用切割焊接技术。切割焊接迫切需要技术赋权，国内品牌的市场占有率越来越高，这让看到了国内品牌的崛起和希望。以前主要使用国外品牌的切割设备，但随着国产切割设备的兴起，逐渐用切割设备产品来替代，其焊接效果仍然非常理想，船厂用户相当满意。在大规模用国产光纤切割设备取代进口光纤切割设备的背景下，瑞科切割积极开发切割焊接等高端应用领域，不断开发和定制适合不同需求的光纤切割设备产品和解决方案。

切割焊接不同于传统切割，其最大的特点是定制，每个客户的需求都不尽相同，这使得切割焊接仍处于工业应用的初级阶段。然而，随着制造业的进一步升级，船舶的轻量化发展，以及航空航天、军工等高端制造领域，加工需求旺盛，切割焊接技术在高端应用领域的发展空间不可估量。对如此巨大的市场，为了进一步推动切割焊接技术在高端应用领域的国产化，切割根据造船行业厚板的加工特点进行如下布局，一种具有功率反馈、总线控制和多通道输出的超高功率切割设备。在项目中，建立具有专业背景的高素质团队，跟踪项目进度；在技术方面，发展切割电弧复合焊接工艺、多通道多层焊接工艺，实现数字化、智能化焊接；在市场方面，切割与中国船舶工业第十一研究院签署了合作协议，充分发挥航天科技和工业的优势，推动切割焊接在造船行业的应用。切割焊接处于工业应用的初级阶段，但效率仍然是造船厂吸引力的核心。从效率和质量的角度来看，切割焊接在厚度小于16 mm的钢板焊接中具有足够的优势。同时，以切割设备为代表的国内光纤切割设备制造商不断突破核心器件的功能限制，实践技术创新，将进一步推动高端应用的国产化。

3 满足多样化需求，加速3D焊接高端换代

经过2020年的洗礼，国内3D产业正加速进入高端替代的新阶段。3月，中国光纤3D设备代表制造商3D与中国船舶工业第十一研究院签署战略合作协议，进一步推动3D焊接和清洗在高端制造业的应用，加快中国进口产品的替代。高端制造推动3D焊接市场爆炸式增长，相对于3D打标和切割技术的普及，未来高端制造领域对智能化和自动化的需求趋势更加明显，新能源、光伏（pv）、5G将推动包括3D焊接、3D表面处理、材料制造、高端定制应用，如爆发期的精密加工。随着疫情的改善和3D技术的不断突破，未来3D焊接市场将迎来爆炸性增长[3]。

在工业发展方面，3D焊接技术在20世纪70年代被用于生产。20世纪80年代，美国、日本和欧洲对这门新兴科学进行了大量研究。中国也很早就引进了整套3D焊接设备。但从市场规模和企业投资来看，3D焊接明显落后于打标和切割应用。究其原因，3D焊接质量不易用肉眼直接看到，且缺陷对性能的影响千差万别，导致焊接质量评估比切割、标记和焊接更困难，加工零件、结构尺寸、连接方式比切割更复杂，打标时，也增加了3D焊接技术的难度，另一方面，不同材料、不同深度、不同结构、不同填充材料对操作者的综合能力要求较高。2020年后，逐步扩大国内对3D焊接产品的需求，一方面是低端的手持3D焊接设备取代传统的焊接设备，高效而不是低效，高自动化而不是半自动化是一种趋势。另一方面，高端焊接产品，如造船和行业对设备稳定性、预防性维护和现场维护等售后服务有特别高的要求。经过多年的技术积累，以3D设备为代表的国内光纤3D设备企业在产品功率和稳定性方面实现了跨越式的提高，很好地满足了高端焊接领域的需求。在造船领域，3D产品得到了客户的广泛验证和认可，打破了国外同类产品的市场垄断。造船焊接技术突破国内3D萌芽，实际上,3D焊接技术已经广泛应用到了造船领域。20世纪90年代末,奥迪C5的顶盖焊接中引入了搭接接头3D熔焊技术。此后,3D钎焊技术和填丝3D熔焊技术也逐步运用到造船领域,逐渐适应了现代造船轻量化和可靠性的需要。

3D焊接技术在船身上的应用，2010龙标致508轿船船顶为3D焊接奠定了基础，2013 GM武汉基地南厂汽船船顶朗3D焊接，建立通用船用3D基准，后续船载3D应用。上汽共有30多个船厂，160多个船型，包括PSA、SGM、本田、福特、日产等国内外船舶厂顶盖、尾盖、门、地板、侧流水箱等应用。在这一领域，长期以来在船体白焊应用方面展开深入合作，其产品已通过船舶制造商的验证。在上汽乘用船3D焊接中试生产项目中，包括顶盖和后盖的3D钎焊、座椅的3D熔焊等加工场景。采用Rayco3D核心光源的焊接设备可以满足客户的高标准要求。该设备已运行1年多。从客户的表现来看，设备和工艺的稳定性已达到进口设备的水平，为造船领域提供了优秀的国产替代品。除了传统造船厂的新项目外，新能源船舶、电动船舶、船舶零部件制造、锂电池制造等将成为3D焊接的机遇点，对于国内3D行业来说将是难得的机遇。满足多样化需求，加速高端换代，然而，3D焊接并不是任何企业都能轻易进入的，相对于其他技术门槛更高，尤其是在造船、轨道交通、造船等高端应用中，光源对于3D加工效率，焊接过程的检测精度和不同材料的特性对技术的研究要求很高，是企业综合实力的体现。为了推动3D焊接技术的发展，其中，针对高端市场对拍线体稳定性要求高的特点，推出了多光制动设备，确保设备连续稳定运行；针对高抗材料焊接的应用，研制了一种环形光斑ABP3D设备，该3D设备采用自行研制的多芯光纤。关于焊接应用市场除了改善3D链路，还需要解决3D焊接材料技术的常见问题。将从3D稳定性方面进行跟进，增加设备智能功能，降低设备成本，增加合作模式，加强终端和集成商的合作，增加市场推广率，提高产品质量。离子等几个方面提升了客户的粘度，促进了市场的增长，进一步推动了3D焊接技术在高端领域的应用普及。就规模而言，3D焊接市场看起来“小而美”。随着高端应用的开放，国内3D焊接市场必将迎来一波增长。Rayco laser与造船、动力电池、造船等领域的头部制造商建立了深入合作，并不断丰富焊接产品系列，以补充过程监控的关键环节。未来，3D必将在这一领域展现才华。

4 不断提高焊接材料的需求和要求

2019冠状病毒疾病的爆发为全球运输和供应链带来了许多不确定性，着集装箱价格上涨，运价大幅上涨，从中国到美国西海岸的标准40英尺集装箱的运费几乎是2022年4月的5倍。从更高的运费和更高的进口成本来看，所有国家都在为全球通胀付出代价，但另一方面，随着全球贸易的增长，运输和造船业正在收到巨大的商业订单。在世界集装箱极度短缺的情况下，各国都在积极努力解决运力问题，中国的造船业也在这个时候不断发展。韩国造船商已经收到了全球56%的新订单，而超大型集装箱船的订单已经在2023年后的6个月内排好，显示出巨大的需求。同时，对焊接材料的需求和要求也在不断提高。焊接难度大，一方面，需求不断增加，交货时间紧迫，另一方面，疫情反复、紧张多变的国际关系导致生产和运输的中断和延误；不断上涨的价格和延长的交货期使高端焊接材料的进口变得尴尬和频繁。致力于高端铝焊接材料和铜焊接材料的本地化制造，具有稳定和卓越的德国质量。通过高品质的本地化产品和服务，为行业展示了一批融合中西技术研发实力的产品。不仅为造船、更多航空航天、造船业、轨道交通、压力容器、机械制造等领域带来卓越的解决方案，运输国内重量级高端产品，解决终端应用中的稳定送丝、气孔敏感性等产品应用问题，以及稳定供应、协同应用开发等个性化需求问题。成为造船业高质量发展的先锋，在智能制造领域提前布局。近年来，一批项目形成，一批智能制造设备投入使用。然而，操作员比那些操作传统机器的人更年轻、受教育程度更高。

但随着智能时代的到来，如何将焊接与IT结合起来，使焊接质量更稳定、更高效？江南造船智能焊接质量控制系统是一次尝试。它将焊机联网，全过程监控焊接过程中的电流和电压值，发现异常情况自动报警并暂停焊机，以避免因电流和电压不规范引起的焊接质量问题。需要很多人来控制这个系统，不再是传统意义上的焊工。这是一批具有智能监控系统的专用焊机，设置额定电流和电压，安装打孔卡机，用于记录和监控焊机用户和焊接过程的实时电流和电压。但不同对接的焊接工艺对于给定的不同焊接材料，用不同的电流电压方式焊接是一个范围，但最合适的焊工焊接数据是无法给出焊接工艺，需要不断实践摸索最佳电流电压配置，但项目才刚刚开始，这批24台原焊机已经处于调试状态，每次设置电流和电压时必须联系设备厂家，通过连接计算机现场修改相关数据，特别不方便。截至目前，我国生产的全船铝合金型材面板产品及配套的搅拌摩擦焊设备不仅进入中国多家造船企业，还出口到德国、新加坡、澳大利亚、伊朗等国家，为世界造船业的轻量化和高效发展做出贡献。

5 结语

虽然造船业不能采用制造汽车这样的流线型切割作业，但因为采用成组技术和并行工程技术的造船业可以提高中间产品的生产效率和质量，而采用外壳、防窥探、技术集成的造船业可以在预舾装部分，总截面，大大提高成品的总周期度，大大缩短船台和船坞的舾装时间，提高船台和船坞的周转效率。