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船舶焊接技術現狀與展望

發布日期:2018-05-08 作者: 點擊:

船舶焊接技術是船舶工業的主要關鍵工藝技術之一。目前,世界各主要造船企業在20世紀90年代中期已普遍完成了一輪現代化改造。同時,在此基礎上又陸續啟動了新一輪現代化改造計劃。投資目標很顯然集中于高新技術投資力度進一步加大,大量采用全新的造船焊接工藝流程,高度柔性的自動化焊接生產系統和先進的焊接機器人技術,以保證這些造船強國在國際競爭中具有獨特的技術優勢。


  進入21世紀,面對新的挑戰和機遇,對我國船舶焊接技術進行綜合分析研究是極有現實性和針對性的,并以此來激勵我們去做好當前必須做的各項工作,大力推進高效焊接技術,加快焊接技術改造步伐,努力將相對資源優勢轉化為科技競爭優勢,促進船舶產業進步和產業升級。否則,將不但難以實現船舶工業振興的宏偉發展計劃,甚至會出現我國現有的國際市場份額都難以維持的嚴峻局面。


  1 船舶焊接技術現狀


  受20世紀70年代中期和20世紀80年代中期2次嚴重造船危機打擊,世界造船業總局面發生了重要變化。日本、韓國、中國(包括臺灣省)造船業迅速發展起來,使世界造船中心由歐洲轉向東亞,東亞地區的造船量占世界造船總量的78%(以總噸計算),在東亞地區造船諸國中又形成了日本、韓國、中國大連和上海的世界造船“金三角”地區。


  這個狹小的“金三角”地區聚集著眾多的世界一流的造船企業、研究開發中心及其船舶配套設備廠,其造船量占世界造船量的70%以上,有“世界造船基地“之稱。


  中國的造船能力和市場份額有明顯增長,并將成為世界造船格局演變的重要推動力量。我國造船業的規模據國家統計局統計,1999年年銷售額超過500萬元人民幣的修造船企業有461家,職工達29.6萬人銷售總額達345.95億元人民幣.其中海船造修廠有72家,職工有12.4萬人,銷售額達 201.51到億元。


  目前,我國至少有30家船廠在建造出口鋼質海船。其中中國船舶工業集團公司9家,中國船舶重工集團公司4家其他17家。


  自20世紀90年代后半期起,我國造船業發展的一個重要特點是;地方的和中外合資的與外方獨資的造船企業發展迅猛,并形成了與中國船舶工業、中國船舶重工2大集團公司“三分天下”的格局。


  我國的造船能力目前約為500萬載重噸,占世界的5%-6%,預計2005年可達800萬載重噸或更高水平,占世界的12%-15%。


  自改革開放以來我國造船業在技術水平、船舶類型、建造質量以及建造周期等方面都取得了長足的進步,具備了一定的國際競爭力。其中船舶焊接技術的長足進步貢獻突出,并取得了較好的經濟效益。


  1.1 造船生產中應用的高效焊接工藝方法


  這些高效的焊接方法從20世紀70年代末期的3-5種發展到現在的35種,基本滿足了建造出口船舶,海洋石油平臺以及各類非船舶產品的需要。


  1.2 焊接高效化率大幅度提高


  焊接機械化自動化率自20世紀90年代以后有了較大幅度的提高,如1圖所示




  1.3 船廠的焊接設備構成逐漸趨于合理旋轉式直流弧焊機已從1983年的56.45%下降到2001年的65%,最終將全部被淘汰,取而代之的是整流弧焊機、CO2氣保護焊機、交流焊機、埋弧焊機以及船用機械化自動化平角焊機、垂直氣電焊機等。由于采用高效節能焊接電源可每年節約電能見表1。




  1.4 船舶焊接新工藝、新技術、新材料的應用與推廣


  由于船廠的產品特點是多品種、小批量,產品結構和材料變化頻繁。近年來,隨著轉換現代造船模式,大力推進區域造船法,使船舶焊接技術也發生了較大的變化,其中比較突出的是一些重點骨干船廠先后都引進了國外先進的平面分段裝焊流水線,采用了拼板工位多絲埋弧自動焊單面焊雙面成形新工藝、新裝備。其焊接范圍可分別用于5-20mm和10-35mm的船用板材的對接拼板,同時在按區域造船的理論指導下,對船體的平面分段構架的裝焊也采用了半自動或自動氣保護角焊工藝使焊接效率大大提高。


  對于船臺大合攏時的垂直對接縫(長度達15-30m)的焊接,原采用手工電弧立焊工藝,其缺點是生產效率低,勞動強度大,對焊工操作技術要求高,焊接質量不穩定。我國造船行業從20世紀80年代中期開始應用CO2氣電垂直自動焊工藝,焊接時,在焊縫背面安放梯形槽陶質襯墊,焊縫正面采用水冷銅滑塊強制成形,以保持熔池穩定和焊縫成形良好,其焊接生產效率比常規手工焊提高5-7倍,焊接質量穩定,目前已在各主要船廠得到普遍應用。


  1.5 焊接材料應用方面


  近幾年藥芯焊絲的應用異軍突起,由于藥芯焊絲具有熔敷效率高,焊縫質量好、焊接飛濺少、容易實現機械化和自動化焊接。目前船廠已普遍采用藥芯焊絲來焊接船舶結構。同時它又與CO2焊接工藝技術相結合,使船廠在生產中嘗到了甜頭,所以目前一些船廠認為CO2氣保護藥芯焊絲焊接將是作為船廠的主要焊接工藝與焊接材料。它的應用每年都呈明顯的增長趨勢,見表2。




  由于大量推廣應用CO2氣保護藥芯焊絲,從而也大大提高了我國船廠焊工人均日消耗的焊接材料量,如表3所示。這也進一步降低了我國的造船成本,縮短了船舶的建造周期。另外,在一些高附加值船的建造與非船產品(如大型鋼結構高層建筑大型橋梁等)的焊接技術上也開創了許多創新的焊接技術,取得了較大的經濟效益和社會效益。




  2 與日本韓國之間的差距


  我國的造船技術與日本、韓國之間尚存在著較大的差距。我國造船勞動工資低廉優勢正為生產率的巨大差距所抵消,造船的材料、設備費用高于日本、韓國。我國造船企業小而分散,經濟規模效應差,加之科研投入不足,尚未形成合理有效的技術創新體制科技差距非但沒有明顯縮小,有些地方反而擴大中國、日本、韓國3國造船及焊接技術指標對比如表4所示。




 


  我國加入WTO組織對我國的造船工業是一個極大,的挑戰其實質是擴大對外開放,使造船業融入到世界經濟潮流中,更深地投入到國際競爭市場中去,造船業走向世界變成了現實。而給造船業最大、最現實、最嚴酷的挑戰是技術創新,建造高技術、高附加值船舶是未來國際市場的重點,也是造船大國的必爭領域。


  3 十一所在船舶焊接技術領域中的作用與地位


  我所焊接工藝與裝備研究室是船舶工業中從事艦船焊接工藝與裝備的專業研究室。近10年來,隨著改革開放的不斷深入,逐步引入了市場經濟的運營模式,從而更進一步促進了與廣大船廠企業的合作與聯系,增強了我室在船舶行業中的作用與地位。其中比較有顯著成效的地方有如下幾個方面。


  3.1 參與中國船舶工業高效焊接技術指導組工作,并確定為指導組組長單位


  中國船舶工業高效焊接技術指導組是兩大集團共同批準組建的我國船舶焊接技術進步的新生產物,經10多年的實踐證明是非常有效的一種以專家和主管領導所組成的具有行業性和專業性很強的組織形式。對全行業的焊接技術進行了統籌規劃、分類指導、各船廠企業從中已獲得極大的經濟效益和社會效益,他們深有感觸地說:“十一所在高效焊接技術指導組中的作用是卓有成效的。目前在船廠企業的心目中,指導組是船廠企業與上級主管部門的橋梁與紐帶,是上級主管領導和船廠領導決策的好參謀,是船廠企業焊接技術進步中規劃決策、信息交流、監督、協調的中心。”


3.2 在特種船舶及重大非船產品的焊接技術方面的作用


  近10年來,船廠的產品結構有了較大變化,一些船廠為了建造一些高附加值船,如液化石油氣船、成品油船、化學品船、冷藏集裝箱船等急待要解決焊接工藝技術,為此我們曾先后與大連造船廠共同開展了超低碳不銹鋼的焊接工藝試驗與研究。該項目的研究成果為最近大連造船廠承接建造4.6萬噸化學品船奠定了基礎。我們還與江南造船廠共同開展了低溫鋼(5%Ni鋼)的焊接工藝研究,該項目的研究成果解決了4 200 m3液化石油氣船液貨艙罐在-104℃低溫狀態下工作的焊接接頭低溫性能。我們還與廣船國際共同在船舶先進集成制造技術項目的研究中,實行高效焊接新技術,并在計算機上模擬兩個半機艙分段的制造過程,獲得了船廠的好評。尤其在潛艇總段模塊化建造技術中,我們與武昌造船廠共同開展了焊接變形控制、焊接殘余應力檢測、焊縫無損檢測技術專項等研究。上述3項專項的研究成果為潛艇總段模塊化建造提供了關鍵性的技術,該項目在2001年獲得船舶工業集團公司科技進步一等獎和國防科工委科技進步二等獎。同時在高能束流技術方面,主要是可為船舶結構上的新穎陀螺、傳感器、波紋管等精密儀器的精密焊接方面開創新的焊接領域。我們開展了微束等離子弧焊接工藝技術研究,其特點是能量密度高、電流穩定性好、電弧形態易于控制,焊接質量高,該項目成果已能成功地焊接板厚為0.1~0.5 mm不銹鋼薄板。使高能束流加工技術能更好地為我國艦船制造業服務奠定了基礎。在重大非船產品的焊接技術方面,我們曾與渤海船廠一起為石化部門建造的加氫反應器進行焊接技術攻關,解決了加氫反應器在高溫和氫介質的苛刻條件下焊接接頭性能達到設計要求。我們近10年來先后共承接了南浦大橋、楊浦大橋、徐浦大橋、盧浦大橋、延安中路高架外環線高架中的鋼結構制作監理,同時也充分發揮我們的焊接技術人才優勢,在全過程的監理工作中協助和指導施工單位解決一些重大焊接技術問題。


  3.3 在船舶專用高效焊接工藝設備的開發與應用方面的作用


  為提高船舶焊接機械化、自動化水平,我們在引進消化的基礎上開發研制了垂直自動焊機,近年來在滬東船廠、文沖船廠、渤海船廠、求新船廠、中華船廠、愛德華船廠、澄西船廠、青山船廠、蕪湖船廠、舟山船廠、靖江船廠等10多家船廠成功應用。目前已基本結束了依賴進口的局面,其焊接質量基本上能達到100%的合格,這也是我國船舶焊接技術中有顯著特點的技術與裝備。由我們研制開發的WC-1系列自動角焊機在船廠已遍地開花幾乎在國內的各大中型船廠都有我們的產品為船舶焊接角焊縫的機械化自動化焊接發揮了巨大作用其焊接效率比原半自動焊接提高1倍以上而且人可操作2~3臺焊縫外觀美觀質量完全滿足船檢要求。根據中國船舶行業發展規劃,我國船舶工業將進入世界造船強國的行列。在船舶焊接技術方面我們雖然有10多年來的經驗與基礎,但同時也看清了與國際先進造船大國的差距。近年來,我們又集中力量,緊跟國際先進造船焊接技術,跳躍式的自行開發研制適合船廠專用雙絲單面MAG焊接技術與裝備。該項技術目前已在滬東造船廠進行考核和應用階段,其主要特點是可無間隙裝配、坡口內定位焊、添加切斷細焊絲,背面應用陶瓷襯墊,正面雙絲單面活性氣體保護焊,板厚在12~22 mm范圍內可一次成形,焊接速度快、焊接效率高、焊接質量好、應用前景良好。該設備在日本也是1998年才剛推出的新穎單面焊雙面成形船舶專用設備,目前已在各船廠廣泛應用。我們近年來又與滬東造船廠合作研制開發了船舶專用垂直自動立角焊機,該機帶有液面自動跟蹤功能,焊接工藝方法基本和原有的垂直自動焊機相同,即正面用銅滑塊,反面用陶瓷襯墊。經試驗分析,焊接效率為原來方法的 6倍,同時也大大地改善了焊工的勞動環境,目前該設備在進一步完善,不久即可在船舶建造中廣泛使用。


  4 展望21世紀的船舶焊接技術


  進入21世紀以來,隨著國際船舶市場的復蘇,給我國船舶工業帶來了新的發展機遇,尤其是我國加入了WTO以后給我國船舶制造業帶來了更激烈的競爭和機遇,我們必須清醒地認識到我國船舶焊接技術還嚴重地制約著造船的產量、質量、成本、周期。我國的船舶焊接技術與國外同行業先進水平相比,差距不是縮小,而是在繼續拉大,日本已在20世紀末初步完成了造船焊接的機械化與自動化改造計劃,20世紀90年代后期焊接機器人已批量應用。以日本NKK(日本鋼管)津船廠為例,造船車間小合攏工作站,設置了10個機器人,工作站占地8m×16m,1995年投入使用;中合攏焊接工作站設置了16個機器人, 占地8m×32m, 1994年投入使用;橋梁鋼結構車間有3條機器人生產線,各配置6~8臺機器人,1991~1994年投入使用。該船廠已成為一個文明生產的場所,生產效率大大提高,造船周期不斷縮短,從以上例子可以說明,國外船廠采用高新技術的決心和成效同樣也給船舶焊接帶來了新概念。結合我國國情,我們認為船舶焊接技術的發展方向應是努力提高造船焊接機械化、自動化水平,推廣高效、節能型焊接設備,結合新產品的開發,研究應用焊接新工藝、新技術、新材料,進一步提高焊接生產效率。掌握先進技術應當遵循客觀規律,應當循序漸進,但也不能排除跳躍式的發展。造船焊接要實現機器人焊接是我國造船界專業人士夢寐以求的,但要實現這一目的,必須要開展這方面的研究和探索,首先要解決好船用鋼板的切割下料的技術更新,要形成火焰切割、等離子切割和激光切割三足鼎立的局面。其次在焊接電弧跟蹤技術方面要有成熟的實用技術。


要實現船舶焊接技術更新、更快地發展船舶工業要處理好以下幾個關系。


  a.處理好重點與一般的關系要充分考慮實際與可能有所為有所不為以點帶面逐步實現先進焊接技術在船廠的推廣與應用。


  b.處理好發展常規船舶與發展高技術、高附加值船舶的關系。在船舶市場中油船、散貨船和雜貨船屬常規船型,約占整個市場的70%,集裝箱船約占 15%~20%,而其余高新技術、高附加值船舶僅占少數。因此,焊接技術也要大力發展適合不同船型的便攜、簡易的機械化、自動化焊接設備,同時要大力開發國產的適合各種船用材料的系列化高效焊接材料。


  c.處理好自主創新與技術引進的關系,積極開展對外技術交流和技術合作。


  d.處理好發展船舶制造技術和與之相配套之間關鍵技術的關系如部分骨干船廠已引進的平面分段生產流水線和管子裝焊流水線并發揮最佳效益。


  e.加強人員的培訓,全面提高船舶焊接技術人員及焊工的素質,以適應現代化焊接技術的需要。


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