船舶焊接机器人技术的研究现状及应用
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摘 要
国际先进造船技术正朝着高效化、绿色化、智能化的方向快速发展，我国的船舶焊接技术与之相比还有很大的差距，如何减少生产成本，提高生产效率和产品质量，是当前我国船舶行业发展的关键。本文就我国船舶焊接机器人技术的研究现状及应用，分析了我国船舶焊接技术面临的问题及发展前景。
关键词
高效;智能;船舶制造;焊接机器人;应用
中图分类号： TP242 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.093
0 引言
船舶工业能够为国防建设、能源运输、水上交通和海洋开发等提供技术装备，是关系国民经济发展和国防安全的战略型产业，是提升综合国力的重要装备。船舶制造过程中，各个部件的连接约占船体建造总成本的三到五成。焊接作为船舶制造过程中的关键环节，起着至关重要的作用。由于船体建造多采用大厚板钢结构，焊接过程本身的局部受热不均匀和焊接热过程的瞬时性导致焊接结构中的应力、变形和焊缝质量情况变得十分复杂[1]。另外，焊接作业多在密封空间内进行，工人劳动强度大，工作环境较差。这些因素都增加了船舶焊接技术的难度。这就要求船舶焊接技术不断向高效化、绿色化、智能化方向发展。
在过去的几十年里，机器人技术的研究对许多工业领域产生了相当大的影响。简而言之，机器人在工业方面的应用可以降低劳动力成本，代替人类进行脏乱、危险和困难的工作，保证产品质量。造船业是劳动密集型产业之一，需要大量的技术工人。由于造船业的性质，缩短造船过程可以直接带来额外的经济回报。因此，船舶建造公司很自然地通过对机器人自动化的密集投资和造船工艺的改进，在质量保证要求的范围内提高生产效率。
1 国内外焊接机器人在造船工业中的应用现状与发展趋势
目前，世界各国都在研究开发各种高效焊接工艺和焊接方法，如高能束焊、搅拌摩擦焊、多丝焊、窄间隙焊等来代替手工焊、CO2气体保护电弧焊、埋弧自动焊、电渣焊等传统的船体焊接方法。同时，焊接机器人技术也在船舶焊接上得到了广泛应用，且技术日臻完善。
早在20世纪70年代，日本就提出了“无人船厂”的理念。80年代末，日本造船焊接技术逐步走上高效化、智能化和自动化。20世纪90年代，日本的几个大型造船企业已经大量使用焊接机器人生产。整个焊接过程由中央电脑控制，车间几乎实现无人化生产。目前，日本的船舶焊接可以实现船体零件的制造、纵构件与平面的组焊、外场焊接、船坞船底的组焊等，现在主要攻关的方向是三向曲板单面焊和将纵、横向构件焊接到曲形外板上的应用研究，从而实现船体结构的全面自动化生产[2]。
韩国在焊接自动化方面做出了积极的努力，大量引进国外先进设备和方法，并加强国内对于焊接机器人和自动控制设备的研发，实现船舶焊接自动化生产。
1995年，韩国的造船企业从国外购置关键零部件对船厂的钢材预处理生产线、钢板加工生产线、型材加工生产线进行改造，同时设计开发一系列自动化、机械化程度较高的机器人，采用离线编程、虚拟仿真技术将机器人应用于造船工业中代替工人进行生产[3]。自动化、智能化机器人技术的发展和推广应用，使得韩国造船业迅速崛起，成为世界第一造船大国。
美国从20世纪80年代起就对机器人的发展给予了极大的关注，并将其应用于军船的建造上。美国军船研究机构提出一种“双壳船”的建造技术理念。这一焊接设备包括一个自动焊机（主要用来模拟三个主要部分焊工的操作）、焊台和一个自动升降装置。焊机的焊头有多个自由度，在焊接时可以代替工人进入船体指定分段位置，激光传感器将工作情况反馈给控制人员，并在控制人员的操控下完成焊接任务[4]。此外，美国还研发了一种根据船体曲面轮廓，利用焊接机器人對其进行激光成形的加工技术。
丹麦的Odense Steel Shipyards船舶制造公司研发的B4焊接机器人可以大幅提高焊接效率，每天可焊接3km的焊缝，目前该项技术已应用在大吨位的集装箱船焊接[5]。此外，该公司还设计了REIS RV6 机器人，主要用来连接平面钢板和垂直加强筋[6]。
奥地利设计研发的IGM系统由十个以上的机器人组成，可以同时实现多个位置的焊接工作，目前在豪华邮轮，巡洋舰等装备上都有应用[7]。
图1 IGM 焊接机器人船舶制造中的应用
此外，英国、法国、德国、意大利、荷兰、等国在船舶制造中都相继在机器人切割、装配、焊接和涂装等方面采用了自动化装备和机器人技术[8-9]。
我国自80年代起开始了焊接机器人的研究，并逐步走向焊接机器人实用化。目前，船板下料、船体对接基本可以实现机器人自动化操作。移动机器人以其较高的智能化，移动性强等优势，已解决大型结构件的自动化焊接问题，在船舶舱体、甲板、管道的焊接中均有应用。虽然我国机器人技术已取得了很大的进步，机器人技术与市场已初具规模，发展速度也呈上升趋势。然而，无论我国的机器人技术还是数量都是远远低于发达国家，尤其是船舶焊接机器人的开发与应用更是落后于其他大型制造业。
2 我国船舶焊接面临的问题及发展前景
焊接工人恶劣的劳动环境加上不断上升的人力成本使得我国绝大多数船企存在焊接高技能人才缺乏的问题，如何减少人为因素的不利影响，减少生产成本，提高生产效率和产品质量，是当前我国船舶行业亟待解决的问题。
近年来造船业和国际航运不断推出新标准、新规范，安全环保要求也在不断升级，以豪华邮轮、LNG船、LPN船等为代表的高技术船舶和海洋工程装备对焊接接头在严苛条件下的服役性能提出了更高的要求，依靠传统的焊接工艺难以满足使用要求。
随着计算机技术、微电子技术、网络技术的不断进步，机器人技术也在迅速发展，其价格也在不断降低，这也为焊接机器人在船企中的推广应用提供了有利的条件。 綜上所示，我国船舶企业采用自动化焊接制造已是大势所趋。目前，我国船舶工业生产规模逐步跨入世界第一方阵。从发展趋势上来看，用机器人带动精细造船，将有力地促进我国船舶工业的跨越式发展。中国的造船业不仅要做大，还要做强。我们要缩短与发达国家造船业之间的差距，除了采取有效的技术和管理方法外，还要尽快推进实施我国造船业的机器人化。这一举措将增强我国造船企业的竞争力，进一步推动我国船舶工业的高效化、智能化发展。
3 结束语
国际先进造船技术正朝着高效化、绿色化、智能化的方向快速发展，我国的船舶焊接技术与之相比还有很大的差距，如何减少生产成本，提高生产效率和产品质量，是当前我国船舶行业发展的关键。我们需要从三个方面提升我国船舶焊接技术：（1）国家政策层面上加大对船舶工业的扶持力度;（2）鼓励企业科技创新，鼓励企业联合高校，开发搅拌摩擦焊、多丝气体保护焊、激光焊等先进、绿色焊接技术在造船领域的应用研究，引进先进的船舶焊接机器人，加强焊接专家系统、焊缝跟踪传感系统等的开发和应用。（3）坚持船舶焊接技术和管理精细化，强化焊接成本、效益、质量的精确性。
致谢
本论文承江苏科技大学高等教育科学研究课题 “《船舶高效焊接技术与应用》培训体系构建研究（GJKTYBZX1-201803）”支持。
参考文献
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[3]唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势（一）[J].电焊机，2006，03：1-5.
[4]谭一炯，周方明，王江超，黄志杰.焊接机器人技术现状与发展趋势[J].电焊机，2006，03：6-10.
[5]唐新华.焊接机器人的现状及发展趋势（二）[J].电焊机，2006，04：43-46.
[6]宋金虎.我国焊接机器人的应用与研究现状[J].电焊机，2009，04：18-20.
[7]毛鹏军，黄石生，李阳，薛家祥，王秀媛，陆沛涛.焊接机器人技术发展的回顾与展望[J].焊接，2001，08：6-10.
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[9]张轲，吕学勤，吴毅雄，王常建.移动焊接机器人的研究现状及发展趋势[J].焊接，2004，08：5-9.
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