船舶焊接機器人技術的研究現狀及應用

顧小燕　黎文航　祁凱　朱杰　楊峰

摘 要

國際先進造船技術正朝著高效化、綠色化、智能化的方向快速發展，我國的船舶焊接技術與之相比還有很大的差距，如何減少生產成本，提高生產效率和產品質量，是當前我國船舶行業發展的關鍵。本文就我國船舶焊接機器人技術的研究現狀及應用，分析了我國船舶焊接技術面臨的問題及發展前景。

關鍵詞

高效;智能;船舶制造;焊接機器人;應用

中圖分類號： TP242文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.093

0 引言

船舶工業能夠為國防建設、能源運輸、水上交通和海洋開發等提供技術裝備，是關系國民經濟發展和國防安全的戰略型產業，是提升綜合國力的重要裝備。船舶制造過程中，各個部件的連接約占船體建造總成本的三到五成。焊接作為船舶制造過程中的關鍵環節，起著至關重要的作用。由于船體建造多采用大厚板鋼結構，焊接過程本身的局部受熱不均勻和焊接熱過程的瞬時性導致焊接結構中的應力、變形和焊縫質量情況變得十分復雜[1]。另外，焊接作業多在密封空間內進行，工人勞動強度大，工作環境較差。這些因素都增加了船舶焊接技術的難度。這就要求船舶焊接技術不斷向高效化、綠色化、智能化方向發展。

在過去的幾十年里，機器人技術的研究對許多工業領域產生了相當大的影響。簡而言之，機器人在工業方面的應用可以降低勞動力成本，代替人類進行臟亂、危險和困難的工作，保證產品質量。造船業是勞動密集型產業之一，需要大量的技術工人。由于造船業的性質，縮短造船過程可以直接帶來額外的經濟回報。因此，船舶建造公司很自然地通過對機器人自動化的密集投資和造船工藝的改進，在質量保證要求的范圍內提高生產效率。

1 國內外焊接機器人在造船工業中的應用現狀與發展趨勢

目前，世界各國都在研究開發各種高效焊接工藝和焊接方法，如高能束焊、攪拌摩擦焊、多絲焊、窄間隙焊等來代替手工焊、CO2氣體保護電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊等傳統的船體焊接方法。同時，焊接機器人技術也在船舶焊接上得到了廣泛應用，且技術日臻完善。

早在20世紀70年代，日本就提出了“無人船廠”的理念。80年代末，日本造船焊接技術逐步走上高效化、智能化和自動化。20世紀90年代，日本的幾個大型造船企業已經大量使用焊接機器人生產。整個焊接過程由中央電腦控制，車間幾乎實現無人化生產。目前，日本的船舶焊接可以實現船體零件的制造、縱構件與平面的組焊、外場焊接、船塢船底的組焊等，現在主要攻關的方向是三向曲板單面焊和將縱、橫向構件焊接到曲形外板上的應用研究，從而實現船體結構的全面自動化生產[2]。

韓國在焊接自動化方面做出了積極的努力，大量引進國外先進設備和方法，并加強國內對于焊接機器人和自動控制設備的研發，實現船舶焊接自動化生產。

1995年，韓國的造船企業從國外購置關鍵零部件對船廠的鋼材預處理生產線、鋼板加工生產線、型材加工生產線進行改造，同時設計開發一系列自動化、機械化程度較高的機器人，采用離線編程、虛擬仿真技術將機器人應用于造船工業中代替工人進行生產[3]。自動化、智能化機器人技術的發展和推廣應用，使得韓國造船業迅速崛起，成為世界第一造船大國。

美國從20世紀80年代起就對機器人的發展給予了極大的關注，并將其應用于軍船的建造上。美國軍船研究機構提出一種“雙殼船”的建造技術理念。這一焊接設備包括一個自動焊機（主要用來模擬三個主要部分焊工的操作）、焊臺和一個自動升降裝置。焊機的焊頭有多個自由度，在焊接時可以代替工人進入船體指定分段位置，激光傳感器將工作情況反饋給控制人員，并在控制人員的操控下完成焊接任務[4]。此外，美國還研發了一種根據船體曲面輪廓，利用焊接機器人對其進行激光成形的加工技術。

丹麥的Odense Steel Shipyards船舶制造公司研發的B4焊接機器人可以大幅提高焊接效率，每天可焊接3km的焊縫，目前該項技術已應用在大噸位的集裝箱船焊接[5]。此外，該公司還設計了REIS RV6 機器人，主要用來連接平面鋼板和垂直加強筋[6]。

奧地利設計研發的IGM系統由十個以上的機器人組成，可以同時實現多個位置的焊接工作，目前在豪華郵輪，巡洋艦等裝備上都有應用[7]。

圖1 IGM 焊接機器人船舶制造中的應用

此外，英國、法國、德國、意大利、荷蘭、等國在船舶制造中都相繼在機器人切割、裝配、焊接和涂裝等方面采用了自動化裝備和機器人技術[8-9]。

我國自80年代起開始了焊接機器人的研究，并逐步走向焊接機器人實用化。目前，船板下料、船體對接基本可以實現機器人自動化操作。移動機器人以其較高的智能化，移動性強等優勢，已解決大型結構件的自動化焊接問題，在船舶艙體、甲板、管道的焊接中均有應用。雖然我國機器人技術已取得了很大的進步，機器人技術與市場已初具規模，發展速度也呈上升趨勢。然而，無論我國的機器人技術還是數量都是遠遠低于發達國家，尤其是船舶焊接機器人的開發與應用更是落后于其他大型制造業。

2 我國船舶焊接面臨的問題及發展前景

焊接工人惡劣的勞動環境加上不斷上升的人力成本使得我國絕大多數船企存在焊接高技能人才缺乏的問題，如何減少人為因素的不利影響，減少生產成本，提高生產效率和產品質量，是當前我國船舶行業亟待解決的問題。

近年來造船業和國際航運不斷推出新標準、新規范，安全環保要求也在不斷升級，以豪華郵輪、LNG船、LPN船等為代表的高技術船舶和海洋工程裝備對焊接接頭在嚴苛條件下的服役性能提出了更高的要求，依靠傳統的焊接工藝難以滿足使用要求。

隨著計算機技術、微電子技術、網絡技術的不斷進步，機器人技術也在迅速發展，其價格也在不斷降低，這也為焊接機器人在船企中的推廣應用提供了有利的條件。

綜上所示，我國船舶企業采用自動化焊接制造已是大勢所趨。目前，我國船舶工業生產規模逐步跨入世界第一方陣。從發展趨勢上來看，用機器人帶動精細造船，將有力地促進我國船舶工業的跨越式發展。中國的造船業不僅要做大，還要做強。我們要縮短與發達國家造船業之間的差距，除了采取有效的技術和管理方法外，還要盡快推進實施我國造船業的機器人化。這一舉措將增強我國造船企業的競爭力，進一步推動我國船舶工業的高效化、智能化發展。

3 結束語

國際先進造船技術正朝著高效化、綠色化、智能化的方向快速發展，我國的船舶焊接技術與之相比還有很大的差距，如何減少生產成本，提高生產效率和產品質量，是當前我國船舶行業發展的關鍵。我們需要從三個方面提升我國船舶焊接技術：（1）國家政策層面上加大對船舶工業的扶持力度;（2）鼓勵企業科技創新，鼓勵企業聯合高校，開發攪拌摩擦焊、多絲氣體保護焊、激光焊等先進、綠色焊接技術在造船領域的應用研究，引進先進的船舶焊接機器人，加強焊接專家系統、焊縫跟蹤傳感系統等的開發和應用。（3）堅持船舶焊接技術和管理精細化，強化焊接成本、效益、質量的精確性。

致謝

本論文承江蘇科技大學高等教育科學研究課題 “《船舶高效焊接技術與應用》培訓體系構建研究（GJKTYBZX1-201803）”支持。

參考文獻

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[2]許燕玲，林濤，陳善本.焊接機器人應用現狀與研究發展趨勢[J].金屬加工（熱加工），2010，08：32-36.

[3]唐新華.焊接機器人的現狀及發展趨勢（一）[J].電焊機，2006，03：1-5.

[4]譚一炯，周方明，王江超，黃志杰.焊接機器人技術現狀與發展趨勢[J].電焊機，2006，03：6-10.

[5]唐新華.焊接機器人的現狀及發展趨勢（二）[J].電焊機，2006，04：43-46.

[6]宋金虎.我國焊接機器人的應用與研究現狀[J].電焊機，2009，04：18-20.

[7]毛鵬軍，黃石生，李陽，薛家祥，王秀媛，陸沛濤.焊接機器人技術發展的回顧與展望[J].焊接，2001，08：6-10.

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[9]張軻，呂學勤，吳毅雄，王常建.移動焊接機器人的研究現狀及發展趨勢[J].焊接，2004，08：5-9.