船体分段焊接机器人设计依据

船舶构件是船舶的主要支撑构件，有成千上万个零件构成。构件的装配与焊接是造船的主要任务之一，船体装配和焊接的工作量，占船体建造总工作量的75％以上，其中焊接又占一半以上。故焊接是造船的关键性工作，它不但直接关系船舶的建造质量，而且关系造船效率。近代造船技术的发展过程是由手工操作向机械化、自动化迈进的过程。自50年代起，船体建造用焊接取代了铆接，使船体建造由过去长期使用的零星散装方式改进为分段装配方式，大大提高了造船效率。焊接方法从全手工焊接发展为埋弧自动焊(见埋弧焊)、半自动焊、电渣焊、气体保护电弧焊。自60年代中期起，又有单面焊双面成形、重力焊、自动角焊以及垂直焊和横向自动焊等新技术。焊接设备和焊接材料也有相应发展。由于船体结构比较复杂，在难以施行自动焊和半自动焊的位置仍需要采用手工焊。结合焊接技术的发展,自60年代起,在船体部件和分段装配中开始分别采用 T型材装焊流水线和平面分段装焊流水线。T 型材是构成平面分段骨架的基本构件。平面分段在船体结构中占有相当的比重，例如在大型散装货船和油船上，平面分段可占船体总重的50％以上。平面分段装焊流水线包括各种专用装配焊接设备，它利用输送装置连续进行进料、拼板焊接以及装焊骨架等作业，能显著地提高分段装配的机械化程度，成为现代造船厂技术改造的主要内容之一。

充分认识船舶构件在船舶建造中的作用，合理选择船舶结构用的材料，利用合理的焊接方法，制定焊接工艺，同时指导生产实践，作为船舶建造的生产指导书。

“产品的质量是企业的生命”,良好的船舶建造质量是保证船舶安全航行与作

业的重要条件,船体的结构强度要求焊缝保证一定的强度,能承受强风浪的冲击,如果焊接接头存在严重的焊接缺陷,在恶劣的环境下,就有可能造成部分结构断裂;甚至引起断船沉没的重大事故.据对船舶脆断事故调查表明,40%的脆断事故是从焊缝缺陷处开始的"笔者所接触的船厂,在造船质量方面存在的主要问题就是焊缝质量的缺陷.因此,焊接质量检验尤为重要,做到及早发现焊接缺陷,对焊接接头的质量做出客观的评价;把焊接缺陷限制在一定的范围内,以确保船舶航行安全和水上人命财产安全"

焊接缺陷的种类较多,按其在焊缝中的位置不同,可分为外部缺陷和内部缺陷。常见的焊接外部缺陷有:焊缝外形尺寸和形状不符合要求!咬边!焊瘤!弧坑!表面气孔!表面夹渣及焊接裂纹等;内部缺陷有:气孔!夹渣!焊接裂纹!未焊透等"在船舶建造过程中,影响焊接质量的因素很多,如钢材和焊条质量,坡口加工和装配精度,坡口表面清理状况及焊接设备!任何一个环节处理不当，都会产生焊接缺陷,影响焊缝质量。但是最主要原因也是最可以人为控制的焊接工艺参数，应当合理选择焊接工艺，不断开展焊接工艺评定工作，提升船舶构架以及船体的连接强度。

船舶焊接技术是船舶工业的主要关键工艺之一，船舶焊接技术的进步推动了造船技术的发展，同时造船技术的发展也促进了焊接技术的发展。

进入新世纪以来，世界经济稳定增长，航运业持续发展，世界造船市场呈现兴旺势头；科学技术也在飞速发展，许多先进制造技术在造船领域得到应用，现代造船技术正朝着高度机械化、自动化、集成化、模块化、计算机化方向发展。在计算机技术快速发展的今天，CAD/CAM技术得到广泛的应用，目前世界上许多重要的造船企业都在加快CIMS技术的开发和应用，世界上几乎所有重要的企业都在不同程度地推进本企业内部的网络化建设。在日本、韩国的先进造船企业中，对现代生产管理模式探索和创新的效果非常明显，造船模式正在由集成制造

模式向敏捷制造模式迅速演变，形成“空间分道、时间有序”的顺畅工艺流程。现代造船已使用部分自动化设备来代替人操纵各种机械，广泛运用了数控切割技术，美国、英国、芬兰等许多国家在船舶建造中都相继不同程度的采用了自动化装备和机器人。此外，自动焊接技术、成组制造技术和柔性制造技术等都在广泛应用。

焊接技术也随着造船技术不断进步，焊接技术的实力决定了一个地区的造船能力。世界船舶焊接技术沿着高效、自动、智能化发展。纵观国内外造船企业的造船模式，主要流程基本相同，为零件→部件→分段→总段→船台（坞）搭载。于此相对应，所采用的焊接技术也大同小异。在部件、分段、总段等中间产品的生产制造阶段采用自动化程度很高的大型生产焊接装置，在船台搭载时采用单机自动化装置。

从小合拢到大合拢，从平面到曲面，日本的船厂均实现了高效自动化焊接。NKK津船厂的小合拢采用各种轻便型自动水平角焊机及门架式多关节机器人焊接低构架肋板框架、平板部件；构架的肋板与纵桁之间以及与纵骨之间的角焊缝；构架与底板的水平角焊缝则采用门架式机器人或多台小型机器人进行"井"字形构件内水平和立向自动角焊；曲面分段外板的拼接，在大型焊接变位机上采用小车或双丝串列摆动单面MAG自动焊进行焊接，以取代传统的FAB法，或采用半门架 4 轴数控机器人进行焊接，而三维曲板的单面焊和纵横构件在曲形外板上的装焊尚在研究中；大合拢除舷侧旁板平直部分对接缝采用垂直气电焊外，还采用横向自动气电焊。船体内底板和上甲板对接焊采用 FAB 单面埋弧自动化焊，或采用移动式轨道或无轨道焊接机器人进行单面 MAG 对接焊。搅拌摩擦焊技术在日本许多船厂也获得应用。三井造船厂于 2004年将搅拌摩擦焊技术用于高速货船上层建筑的建造，该船已投入使用多年且性能良好。日本 Sumitomo轻金属公司采用搅拌摩擦焊技术生产铝质蜂窝结构板件和耐海水的板材。其中耐海水的板材由5块宽度为250mm 的 5083 铝合金挤压板连接成一块尺寸为 1250 mm ×500 mm 的铝合金板。由于焊缝根部和背面具有良好的平整性而被用作船舱的壁板。

韩国造船工业在政府的大力支持和自身的努力下，通过引进国外先进技术和自主研发进行造船装备的自动化改造，从而迅速崛起。大宇重工的玉浦船厂从新1995 年起通过采用含有机器人的型平面分段生产线等各种现代化造船装备，大大提高了劳动生产率，走了一条不依靠扩充造船设施就能提高造船能力的捷径。三星和现代两大集团，在船厂的平面分段流水线的拼板、骨材装焊等环节也应用了机器人，以提高生产效率。三星重工采用爬行式机器人自动焊接油轮侧壁。大宇造船厂联合韩国釜山国立大学采用离线编程、虚拟技术将焊接机器人应用于造船工业中。韩国Pukyong 国立大学的 Kam Bo 等人研制了一种体积小巧、质量轻的轮式智能焊接机器人，已用于船体"井字形构件的焊接。

美国船厂从 20 世纪 80 年代起就将机器人列为船厂的适用技术。在新技术开发和应用方面，美国一直走在世界前列。由美国海军资助，美国宾夕法尼亚州立大学联合国家钢铁与造船公司开发的激光 -MIG 复合焊技术成功地应用于T-AKE 级战斗后勤补给舰管系的焊接，为造船厂节省50万美元的成本。美国海军制造技术（ManTech）资助项目——移动式激光电弧复合焊系统（Mobile Hybrid Laser Arc Welder）开发时间从 2007 年 11 月到 2008 年 12 月，开发出一套搭载激光复合焊接系统的移动设备，用船厂角焊缝的焊接。

此外，美国海军 ManTech项目对先进两栖攻击艇中 2519 铝合金采用搅拌摩擦焊也取得了成功。

经过 50 多年的发展，中国已成为世界造船大国。目前，我国造船焊接工艺已发展到 40 多种典型焊接技术除了在散货船、油船、集装箱船等主力船型上应用之外，还在液化天然气船（LNG）、液化石油气船（LPG）、海洋浮式生产储油船（FPSO）、超大型油船（VLCC）、军用船等高技术、高附加值船舶上获得广泛应用。

从最早的国外引进到自主开发，平面分段流水线已成为我国大中型船厂不可或缺的生产线，包括平板拼接、构件角接等焊接工位，主要采用多丝埋自动焊和多电极 CO2气保护焊等工艺，生产效率很高，图 3 为外高桥造船有限公司双丝埋弧焊焊接实况.

各种形式的焊接接头主要包括船体结构内部和舷部外侧各个部位的五种焊缝类型（垂直面的立向对接焊、横向对接焊、垂直立角焊、水平面对接焊、水平角焊）。自"九五"以来，我国专业从事船舶焊接工艺研究的单位针对这五种类型焊缝开展了相应的机械自动化焊接工艺和设备的开发和应用研究。