顧小燕 黎文航 祁凱 朱杰 楊峰
摘 要
國際先進(jìn)造船技術(shù)正朝著高效化、綠色化、智能化的方向快速發(fā)展,我國的船舶焊接技術(shù)與之相比還有很大的差距,如何減少生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,是當(dāng)前我國船舶行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。本文就我國船舶焊接機(jī)器人技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用,分析了我國船舶焊接技術(shù)面臨的問題及發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞
高效;智能;船舶制造;焊接機(jī)器人;應(yīng)用
中圖分類號: TP242文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.093
0 引言
船舶工業(yè)能夠為國防建設(shè)、能源運(yùn)輸、水上交通和海洋開發(fā)等提供技術(shù)裝備,是關(guān)系國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國防安全的戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè),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(guān)鍵環(huán)節(jié),起著至關(guān)重要的作用。由于船體建造多采用大厚板鋼結(jié)構(gòu),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(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力、變形和焊縫質(zhì)量情況變得十分復(fù)雜[1]。另外,焊接作業(yè)多在密封空間內(nèi)進(jìn)行,工人勞動強(qiáng)度大,工作環(huán)境較差。這些因素都增加了船舶焊接技術(shù)的難度。這就要求船舶焊接技術(shù)不斷向高效化、綠色化、智能化方向發(fā)展。
在過去的幾十年里,機(jī)器人技術(shù)的研究對許多工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生了相當(dāng)大的影響。簡而言之,機(jī)器人在工業(yè)方面的應(yīng)用可以降低勞動力成本,代替人類進(jìn)行臟亂、危險和困難的工作,保證產(chǎn)品質(zhì)量。造船業(yè)是勞動密集型產(chǎn)業(yè)之一,需要大量的技術(shù)工人。由于造船業(yè)的性質(zhì),縮短造船過程可以直接帶來額外的經(jīng)濟(jì)回報。因此,船舶建造公司很自然地通過對機(jī)器人自動化的密集投資和造船工藝的改進(jìn),在質(zhì)量保證要求的范圍內(nèi)提高生產(chǎn)效率。
1 國內(nèi)外焊接機(jī)器人在造船工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
目前,世界各國都在研究開發(fā)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(hù)電弧焊、埋弧自動焊、電渣焊等傳統(tǒng)的船體焊接方法。同時,焊接機(jī)器人技術(shù)也在船舶焊接上得到了廣泛應(yīng)用,且技術(shù)日臻完善。
早在20世紀(jì)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(shù)逐步走上高效化、智能化和自動化。20世紀(jì)90年代,日本的幾個大型造船企業(yè)已經(jīng)大量使用焊接機(jī)器人生產(chǎn)。整個焊接過程由中央電腦控制,車間幾乎實現(xiàn)無人化生產(chǎn)。目前,日本的船舶焊接可以實現(xiàn)船體零件的制造、縱構(gòu)件與平面的組焊、外場焊接、船塢船底的組焊等,現(xiàn)在主要攻關(guān)的方向是三向曲板單面焊和將縱、橫向構(gòu)件焊接到曲形外板上的應(yīng)用研究,從而實現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的全面自動化生產(chǎn)[2]。
韓國在焊接自動化方面做出了積極的努力,大量引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)備和方法,并加強(qiáng)國內(nèi)對于焊接機(jī)器人和自動控制設(shè)備的研發(fā),實現(xiàn)船舶焊接自動化生產(chǎn)。
1995年,韓國的造船企業(yè)從國外購置關(guān)鍵零部件對船廠的鋼材預(yù)處理生產(chǎn)線、鋼板加工生產(chǎn)線、型材加工生產(chǎn)線進(jìn)行改造,同時設(shè)計開發(fā)一系列自動化、機(jī)械化程度較高的機(jī)器人,采用離線編程、虛擬仿真技術(shù)將機(jī)器人應(yīng)用于造船工業(yè)中代替工人進(jìn)行生產(chǎn)[3]。自動化、智能化機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和推廣應(yīng)用,使得韓國造船業(yè)迅速崛起,成為世界第一造船大國。
美國從20世紀(jì)80年代起就對機(jī)器人的發(fā)展給予了極大的關(guān)注,并將其應(yīng)用于軍船的建造上。美國軍船研究機(jī)構(gòu)提出一種“雙殼船”的建造技術(shù)理念。這一焊接設(shè)備包括一個自動焊機(jī)(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(jī)的焊頭有多個自由度,在焊接時可以代替工人進(jìn)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(wù)[4]。此外,美國還研發(fā)了一種根據(jù)船體曲面輪廓,利用焊接機(jī)器人對其進(jìn)行激光成形的加工技術(shù)。
丹麥的Odense Steel Shipyards船舶制造公司研發(fā)的B4焊接機(jī)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(shù)已應(yīng)用在大噸位的集裝箱船焊接[5]。此外,該公司還設(shè)計了REIS RV6 機(jī)器人,主要用來連接平面鋼板和垂直加強(qiáng)筋[6]。
奧地利設(shè)計研發(fā)的IGM系統(tǒng)由十個以上的機(jī)器人組成,可以同時實現(xiàn)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(yīng)用[7]。
圖1 IGM 焊接機(jī)器人船舶制造中的應(yīng)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(jī)器人切割、裝配、焊接和涂裝等方面采用了自動化裝備和機(jī)器人技術(shù)[8-9]。
我國自80年代起開始了焊接機(jī)器人的研究,并逐步走向焊接機(jī)器人實用化。目前,船板下料、船體對接基本可以實現(xiàn)機(jī)器人自動化操作。移動機(jī)器人以其較高的智能化,移動性強(qiáng)等優(yōu)勢,已解決大型結(jié)構(gòu)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(yīng)用。雖然我國機(jī)器人技術(shù)已取得了很大的進(jìn)步,機(jī)器人技術(shù)與市場已初具規(guī)模,發(fā)展速度也呈上升趨勢。然而,無論我國的機(jī)器人技術(shù)還是數(shù)量都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家,尤其是船舶焊接機(jī)器人的開發(fā)與應(yīng)用更是落后于其他大型制造業(yè)。
2 我國船舶焊接面臨的問題及發(fā)展前景
焊接工人惡劣的勞動環(huán)境加上不斷上升的人力成本使得我國絕大多數(shù)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(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,是當(dāng)前我國船舶行業(yè)亟待解決的問題。
近年來造船業(yè)和國際航運(yùn)不斷推出新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范,安全環(huán)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(shù)船舶和海洋工程裝備對焊接接頭在嚴(yán)苛條件下的服役性能提出了更高的要求,依靠傳統(tǒng)的焊接工藝難以滿足使用要求。
隨著計算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)器人技術(shù)也在迅速發(fā)展,其價格也在不斷降低,這也為焊接機(jī)器人在船企中的推廣應(yīng)用提供了有利的條件。
綜上所示,我國船舶企業(yè)采用自動化焊接制造已是大勢所趨。目前,我國船舶工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模逐步跨入世界第一方陣。從發(fā)展趨勢上來看,用機(jī)器人帶動精細(xì)造船,將有力地促進(jìn)我國船舶工業(yè)的跨越式發(fā)展。中國的造船業(yè)不僅要做大,還要做強(qiáng)。我們要縮短與發(fā)達(dá)國家造船業(yè)之間的差距,除了采取有效的技術(shù)和管理方法外,還要盡快推進(jìn)實施我國造船業(yè)的機(jī)器人化。這一舉措將增強(qiáng)我國造船企業(yè)的競爭力,進(jìn)一步推動我國船舶工業(yè)的高效化、智能化發(fā)展。
3 結(jié)束語
國際先進(jìn)造船技術(shù)正朝著高效化、綠色化、智能化的方向快速發(fā)展,我國的船舶焊接技術(shù)與之相比還有很大的差距,如何減少生產(chǎn)成本,提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量,是當(dāng)前我國船舶行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。我們需要從三個方面提升我國船舶焊接技術(shù):(1)國家政策層面上加大對船舶工業(yè)的扶持力度;(2)鼓勵企業(yè)科技創(chuàng)新,鼓勵企業(yè)聯(lián)合高校,開發(fā)攪拌摩擦焊、多絲氣體保護(hù)焊、激光焊等先進(jìn)、綠色焊接技術(shù)在造船領(lǐng)域的應(yīng)用研究,引進(jìn)先進(jìn)的船舶焊接機(jī)器人,加強(qiáng)焊接專家系統(tǒng)、焊縫跟蹤傳感系統(tǒng)等的開發(fā)和應(yīng)用。(3)堅持船舶焊接技術(shù)和管理精細(xì)化,強(qiáng)化焊接成本、效益、質(zhì)量的精確性。
致謝
本論文承江蘇科技大學(xué)高等教育科學(xué)研究課題 “《船舶高效焊接技術(shù)與應(yīng)用》培訓(xùn)體系構(gòu)建研究(GJKTYBZX1-201803)”支持。
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