船舶焊接技术现状与展望

 
　　摘要：讲述了我国船舶焊接技术的现状，以及我国船舶焊接技术与发达国家之间的差距，展望了21世纪的船舶焊接技术。

　　关键词：船舶焊接技术；高效焊接；差距

　　前　言

　　船舶焊接技术是船舶工业的主要关键工艺技术之一。目前，世界各主要造船企业在20世纪90年代中期已普遍完成了一轮现代化改造。同时，在此基础上又陆续启动了新一轮现代化改造计划。投资目标很显然集中于高新技术投资力度进一步加大，大量采用全新的造船焊接工艺流程，高度柔性的自动化焊接生产系统和先进的焊接机器人技术，以保证这些造船强国在国际竞争中具有独特的技术优势。

　　进入21世纪，面对新的挑战和机遇，对我国船舶焊接技术进行综合分析研究是极有现实性和针对性的，并以此来激励我们去做好当前必须做的各项工作，大力推进高效焊接技术，加快焊接技术改造步伐，努力将相对资源优势转化为科技竞争优势，促进船舶产业进步和产业升级。否则，将不但难以实现船舶工业振兴的宏伟发展计划，甚至会出现我国现有的国际市场份额都难以维持的严峻局面。

　　1 船舶焊接技术现状

　　受20世纪70年代中期和20世纪80年代中期2次严重造船危机打击,世界造船业总局面发生了重要变化。日本、韩国、中国（包括台湾省）造船业迅速发展起来，使世界造船中心由欧洲转向东亚，东亚地区的造船量占世界造船总量的78%（以总吨计算），在东亚地区造船诸国中又形成了日本、韩国、中国大连和上海的世界造船“金三角”地区。

　　这个狭小的“金三角”地区聚集着众多的世界一流的造船企业、研究开发中心及其船舶配套设备厂，其造船量占世界造船量的70%以上，有“世界造船基地“之称。

　　中国的造船能力和市场份额有明显增长，并将成为世界造船格局演变的重要推动力量。我国造船业的规模据国家统计局统计，1999年年销售额超过500万元人民币的修造船企业有461家，职工达29.6万人销售总额达345.95亿元人民币.其中海船造修厂有72家,职工有12.4万人，销售额达 201.51到亿元。

　　目前，我国至少有30家船厂在建造出口钢质海船。其中中国船舶工业集团公司9家，中国船舶重工集团公司4家其他17家。

　　自20世纪90年代后半期起，我国造船业发展的一个重要特点是；地方的和中外合资的与外方独资的造船企业发展迅猛，并形成了与中国船舶工业、中国船舶重工2大集团公司“三分天下”的格局。

　　我国的造船能力目前约为500万载重吨，占世界的5%-6%，预计2005年可达800万载重吨或更高水平，占世界的12%-15%。

　　自改革开放以来我国造船业在技术水平、船舶类型、建造质量以及建造周期等方面都取得了长足的进步，具备了一定的国际竞争力。其中船舶焊接技术的长足进步贡献突出，并取得了较好的经济效益。

　　1.1 造船生产中应用的高效焊接工艺方法

　　这些高效的焊接方法从20世纪70年代末期的3-5种发展到现在的35种，基本满足了建造出口船舶，海洋石油平台以及各类非船舶产品的需要。

　　1.2 焊接高效化率大幅度提高

　　焊接机械化自动化率自20世纪90年代以后有了较大幅度的提高，如1图所示

　　1.3 船厂的焊接设备构成逐渐趋于合理旋转式直流弧焊机已从1983年的56.45%下降到2001年的65%，最终将全部被淘汰，取而代之的是整流弧焊机、CO2气保护焊机、交流焊机、埋弧焊机以及船用机械化自动化平角焊机、垂直气电焊机等。由于采用高效节能焊接电源可每年节约电能见表1。

　　1.4 船舶焊接新工艺、新技术、新材料的应用与推广

　　由于船厂的产品特点是多品种、小批量，产品结构和材料变化频繁。近年来，随着转换现代造船模式，大力推进区域造船法，使船舶焊接技术也发生了较大的变化，其中比较突出的是一些重点骨干船厂先后都引进了国外先进的平面分段装焊流水线，采用了拼板工位多丝埋弧自动焊单面焊双面成形新工艺、新装备。其焊接范围可分别用于5-20mm和10-35mm的船用板材的对接拼板，同时在按区域造船的理论指导下，对船体的平面分段构架的装焊也采用了半自动或自动气保护角焊工艺使焊接效率大大提高。

　　对于船台大合拢时的垂直对接缝（长度达15-30m）的焊接，原采用手工电弧立焊工艺，其缺点是生产效率低，劳动强度大，对焊工操作技术要求高，焊接质量不稳定。我国造船行业从20世纪80年代中期开始应用CO2气电垂直自动焊工艺，焊接时，在焊缝背面安放梯形槽陶质衬垫，焊缝正面采用水冷铜滑块强制成形，以保持熔池稳定和焊缝成形良好，其焊接生产效率比常规手工焊提高5-7倍，焊接质量稳定，目前已在各主要船厂得到普遍应用。

　　1.5 焊接材料应用方面

　　近几年药芯焊丝的应用异军突起，由于药芯焊丝具有熔敷效率高，焊缝质量好、焊接飞溅少、容易实现机械化和自动化焊接。目前船厂已普遍采用药芯焊丝来焊接船舶结构。同时它又与CO2焊接工艺技术相结合，使船厂在生产中尝到了甜头，所以目前一些船厂认为CO2气保护药芯焊丝焊接将是作为船厂的主要焊接工艺与焊接材料。它的应用每年都呈明显的增长趋势，见表2。

　　由于大量推广应用CO2气保护药芯焊丝，从而也大大提高了我国船厂焊工人均日消耗的焊接材料量，如表3所示。这也进一步降低了我国的造船成本，缩短了船舶的建造周期。另外，在一些高附加值船的建造与非船产品（如大型钢结构高层建筑大型桥梁等）的焊接技术上也开创了许多创新的焊接技术，取得了较大的经济效益和社会效益。

　　2 与日本韩国之间的差距

　　我国的造船技术与日本、韩国之间尚存在着较大的差距。我国造船劳动工资低廉优势正为生产率的巨大差距所抵消，造船的材料、设备费用高于日本、韩国。我国造船企业小而分散，经济规模效应差，加之科研投入不足，尚未形成合理有效的技术创新体制科技差距非但没有明显缩小，有些地方反而扩大中国、日本、韩国3国造船及焊接技术指标对比如表4所示。

　　我国加入WTO组织对我国的造船工业是一个极大，的挑战其实质是扩大对外开放，使造船业融入到世界经济潮流中，更深地投入到国际竞争市场中去，造船业走向世界变成了现实。而给造船业最大、最现实、最严酷的挑战是技术创新，建造高技术、高附加值船舶是未来国际市场的重点，也是造船大国的必争领域。

　　3 十一所在船舶焊接技术领域中的作用与地位

　　我所焊接工艺与装备研究室是船舶工业中从事舰船焊接工艺与装备的专业研究室。近10年来，随着改革开放的不断深入，逐步引入了市场经济的运营模式，从而更进一步促进了与广大船厂企业的合作与联系，增强了我室在船舶行业中的作用与地位。其中比较有显著成效的地方有如下几个方面。

　　3．1 参与中国船舶工业高效焊接技术指导组工作，并确定为指导组组长单位

　　中国船舶工业高效焊接技术指导组是两大集团共同批准组建的我国船舶焊接技术进步的新生产物，经10多年的实践证明是非常有效的一种以专家和主管领导所组成的具有行业性和专业性很强的组织形式。对全行业的焊接技术进行了统筹规划、分类指导、各船厂企业从中已获得极大的经济效益和社会效益，他们深有感触地说：“十一所在高效焊接技术指导组中的作用是卓有成效的。目前在船厂企业的心目中，指导组是船厂企业与上级主管部门的桥梁与纽带，是上级主管领导和船厂领导决策的好参谋，是船厂企业焊接技术进步中规划决策、信息交流、监督、协调的中心。”

    3．2 在特种船舶及重大非船产品的焊接技术方面的作用

　　近10年来，船厂的产品结构有了较大变化，一些船厂为了建造一些高附加值船，如液化石油气船、成品油船、化学品船、冷藏集装箱船等急待要解决焊接工艺技术，为此我们曾先后与大连造船厂共同开展了超低碳不锈钢的焊接工艺试验与研究。该项目的研究成果为最近大连造船厂承接建造4.6万吨化学品船奠定了基础。我们还与江南造船厂共同开展了低温钢（5%Ni钢）的焊接工艺研究，该项目的研究成果解决了4 200 m3液化石油气船液货舱罐在-104℃低温状态下工作的焊接接头低温性能。我们还与广船国际共同在船舶先进集成制造技术项目的研究中，实行高效焊接新技术，并在计算机上模拟两个半机舱分段的制造过程，获得了船厂的好评。尤其在潜艇总段模块化建造技术中，我们与武昌造船厂共同开展了焊接变形控制、焊接残余应力检测、焊缝无损检测技术专项等研究。上述3项专项的研究成果为潜艇总段模块化建造提供了关键性的技术，该项目在2001年获得船舶工业集团公司科技进步一等奖和国防科工委科技进步二等奖。同时在高能束流技术方面，主要是可为船舶结构上的新颖陀螺、传感器、波纹管等精密仪器的精密焊接方面开创新的焊接领域。我们开展了微束等离子弧焊接工艺技术研究，其特点是能量密度高、电流稳定性好、电弧形态易于控制，焊接质量高，该项目成果已能成功地焊接板厚为0.1~0.5 mm不锈钢薄板。使高能束流加工技术能更好地为我国舰船制造业服务奠定了基础。在重大非船产品的焊接技术方面，我们曾与渤海船厂一起为石化部门建造的加氢反应器进行焊接技术攻关，解决了加氢反应器在高温和氢介质的苛刻条件下焊接接头性能达到设计要求。我们近10年来先后共承接了南浦大桥、杨浦大桥、徐浦大桥、卢浦大桥、延安中路高架外环线高架中的钢结构制作监理，同时也充分发挥我们的焊接技术人才优势，在全过程的监理工作中协助和指导施工单位解决一些重大焊接技术问题。

　　3．3 在船舶专用高效焊接工艺设备的开发与应用方面的作用

　　为提高船舶焊接机械化、自动化水平，我们在引进消化的基础上开发研制了垂直自动焊机，近年来在沪东船厂、文冲船厂、渤海船厂、求新船厂、中华船厂、爱德华船厂、澄西船厂、青山船厂、芜湖船厂、舟山船厂、靖江船厂等10多家船厂成功应用。目前已基本结束了依赖进口的局面，其焊接质量基本上能达到100%的合格，这也是我国船舶焊接技术中有显著特点的技术与装备。由我们研制开发的WC-1系列自动角焊机在船厂已遍地开花几乎在国内的各大中型船厂都有我们的产品为船舶焊接角焊缝的机械化自动化焊接发挥了巨大作用其焊接效率比原半自动焊接提高1倍以上而且人可操作2~3台焊缝外观美观质量完全满足船检要求。根据中国船舶行业发展规划，我国船舶工业将进入世界造船强国的行列。在船舶焊接技术方面我们虽然有10多年来的经验与基础，但同时也看清了与国际先进造船大国的差距。近年来，我们又集中力量，紧跟国际先进造船焊接技术，跳跃式的自行开发研制适合船厂专用双丝单面MAG焊接技术与装备。该项技术目前已在沪东造船厂进行考核和应用阶段，其主要特点是可无间隙装配、坡口内定位焊、添加切断细焊丝，背面应用陶瓷衬垫，正面双丝单面活性气体保护焊，板厚在12~22 mm范围内可一次成形，焊接速度快、焊接效率高、焊接质量好、应用前景良好。该设备在日本也是1998年才刚推出的新颖单面焊双面成形船舶专用设备，目前已在各船厂广泛应用。我们近年来又与沪东造船厂合作研制开发了船舶专用垂直自动立角焊机，该机带有液面自动跟踪功能，焊接工艺方法基本和原有的垂直自动焊机相同，即正面用铜滑块，反面用陶瓷衬垫。经试验分析，焊接效率为原来方法的 6倍，同时也大大地改善了焊工的劳动环境，目前该设备在进一步完善，不久即可在船舶建造中广泛使用。

　　4 展望21世纪的船舶焊接技术

　　进入21世纪以来，随着国际船舶市场的复苏，给我国船舶工业带来了新的发展机遇，尤其是我国加入了WTO以后给我国船舶制造业带来了更激烈的竞争和机遇，我们必须清醒地认识到我国船舶焊接技术还严重地制约着造船的产量、质量、成本、周期。我国的船舶焊接技术与国外同行业先进水平相比，差距不是缩小，而是在继续拉大，日本已在20世纪末初步完成了造船焊接的机械化与自动化改造计划，20世纪90年代后期焊接机器人已批量应用。以日本NKK（日本钢管）津船厂为例，造船车间小合拢工作站，设置了10个机器人，工作站占地8m×16m，1995年投入使用；中合拢焊接工作站设置了16个机器人, 占地8m×32m, 1994年投入使用；桥梁钢结构车间有3条机器人生产线，各配置6~8台机器人，1991~1994年投入使用。该船厂已成为一个文明生产的场所，生产效率大大提高，造船周期不断缩短，从以上例子可以说明，国外船厂采用高新技术的决心和成效同样也给船舶焊接带来了新概念。结合我国国情，我们认为船舶焊接技术的发展方向应是努力提高造船焊接机械化、自动化水平，推广高效、节能型焊接设备，结合新产品的开发，研究应用焊接新工艺、新技术、新材料，进一步提高焊接生产效率。掌握先进技术应当遵循客观规律，应当循序渐进，但也不能排除跳跃式的发展。造船焊接要实现机器人焊接是我国造船界专业人士梦寐以求的，但要实现这一目的，必须要开展这方面的研究和探索，首先要解决好船用钢板的切割下料的技术更新，要形成火焰切割、等离子切割和激光切割三足鼎立的局面。其次在焊接电弧跟踪技术方面要有成熟的实用技术。

    要实现船舶焊接技术更新、更快地发展船舶工业要处理好以下几个关系。

　　a．处理好重点与一般的关系要充分考虑实际与可能有所为有所不为以点带面逐步实现先进焊接技术在船厂的推广与应用。

　　b．处理好发展常规船舶与发展高技术、高附加值船舶的关系。在船舶市场中油船、散货船和杂货船属常规船型，约占整个市场的70%，集装箱船约占 15%~20%，而其余高新技术、高附加值船舶仅占少数。因此，焊接技术也要大力发展适合不同船型的便携、简易的机械化、自动化焊接设备，同时要大力开发国产的适合各种船用材料的系列化高效焊接材料。

　　c．处理好自主创新与技术引进的关系，积极开展对外技术交流和技术合作。

　　d．处理好发展船舶制造技术和与之相配套之间关键技术的关系如部分骨干船厂已引进的平面分段生产流水线和管子装焊流水线并发挥最佳效益。

　　e．加强人员的培训，全面提高船舶焊接技术人员及焊工的素质，以适应现代化焊接技术的需要。

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