船舶焊接技术发展展望

9.11.3　船舶焊接技术发展展望

1）数字化焊接电源

数字技术和现代通信技术的迅速发展为数字化技术在焊接领域的逐步渗透和提高焊接设备的技术含量提供了广泛的应用前景，其主要核心技术是：

（1）以微机控制为系统核心。

（2）现代控制理论作为控制策略，同时提供精密控制的焊接电源来满足金属材料焊接的越来越高的要求。

目前的焊接电源控制模式大多仍停留在普通集成电路和分立元件，线路复杂、结构不紧凑，各部分之间相互干扰，影响可靠性，很难优化控制，难以适应船舶建造中复杂焊接工艺的要求，而要解决这一问题的关键出路在于数字化。大量的工作现场信息处理和优化的控制规律，对于提高焊接电源运行可靠性，确保焊接质量起着十分重要的作用，这就要求具有控制和运算双功能的处理器来完成。目前数字化焊接电源比较典型的产品是单片机和MCU控制系统，但其弱点是只能进行局部的运算及信息处理，还不能完成系统的信息处理和全面的控制。实现数字化焊接电源的关键包括控制、主电路、控制面板、综合平台四个方面。现代通信广泛采用的DSP（数字信号处理器）芯片具有强大的运算能力和信息处理能力，正好弥补了单片机或MCU控制的焊接电源无法做到的那些不足。因此，焊接电源采用DSP技术，可有效提高其技术含量，从而迅速实现焊接电源的信息化、数字化和集成化。数字化焊接电源系统结构框图如图9.11－1所示。

图9.11－1　数字化焊接电源系统结构框图

目前，在研究数字化焊接电源中仍存在以下几个方面的问题有待解决：

①抗干扰问题——主要是体现在电磁兼容性方面，大功率谐波通过空间电磁波发射形式对外界造成的干扰。

②不确定性造成的误差问题——外界噪声、干扰信号、传递函数的建模误差以及未建模的非线性动态特性。

③多任务焊接电源系统的任务分配和协调问题——电源的外特性实时控制，焊接质量的适时控制，人机交互实时控制等。

2）串列双（多）丝气体保护焊工艺

串列双丝焊接技术原广泛应用于埋弧焊，在20世纪90年代初期扩展到气保护焊工艺中，其结构图如图9.11－2所示。

图9.11－2　串列双丝气体保护焊结构原理图

串列双丝气体保护焊工艺采用两根互相绝缘的焊丝，第一根焊丝称为“前导焊丝”第二根称为“跟踪焊丝”。两根焊丝距离很近，形成一个共熔池，前导焊丝熔化母材形成根池，以保证焊缝成形和边缘浸润性。该工艺最好是配以大直径的前导焊丝和小直径的跟踪焊丝，大直径的前导焊丝可达到大于65%的熔敷率，跟踪焊丝采用小电流可以更好地控制和冷却熔池，其由于彼此靠近，独立的直流电弧易产生电磁干扰，故需要特别设计电源控制软件来精确控制。其中的焊枪结构可设计为特殊排列方式，焊枪要能承受电流600～1 200A的能力，每根焊丝的电流在400～800A。串列双丝气体保护焊工艺在平板焊接中大大增加了焊接速度，在厚板焊接中可增加熔敷率，与单丝的工艺相比可提高30%～80%的熔敷率，还可改善现有自动化焊接的生产率。

3）弧焊机器人

高效焊接技术经过30多年的发展，现在已进入一个更高级阶段，即进入使用焊接机器人的时代。焊接机器人的使用对实现船体结构焊接工作的自动化具有重大意义。日本造船厂从20世纪90年代开始在造船焊接生产中推广应用焊接机器人，而且这些焊接机器人逐步向智能化机器人发展。它们具有视觉、触觉等功能，能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境、识别焊接对象及其状态，从而自动选择程序或制订程序进行操作，完成规定的焊接任务。同时，还具有自动跟踪工作对象的变化、适应工作环境的能力。因而，机器人的焊接质量比普通自动焊机的质量要更高。比如，在某船厂中目前广泛使用的16头自动角焊机装置，虽然这种机器的自动化程度及生产效率很高，但由于其不能根据构件形状的变化自动调整焊枪处于最佳位置，因此，难以保证焊缝的形状全部符合规定的要求，以致焊接完毕，不得不再进行修正，通常，焊完一个平面分段的角焊缝后，要有2名焊工对焊缝进行修补。而采用焊接机器人，就可以消除这个问题。焊接质量优良且稳定，可以24h连续焊接生产，生产效率高。使用焊接机器人，焊工可以远离有害焊接环境，使重体力劳动转变为智力程度较高的轻体力劳动。易于实现不同形状、规格、批量产品的焊接作业自动化和流水线焊接生产。

图9.11－3为一种智能型造船焊接机器人的示意图。它主要可应用于船体平面分段中结构的自动焊。这是一台悬挂在门式台车上的数字控制直角坐标型焊接机器人，采用MAG焊接工艺，其视觉传感装置由一对激光发生器与摄像及图像处理装置构成。数字控制器的数据可以通过计算机屏幕进行人机对话，只要输入有关焊接工件的信息，就可以决定最佳的工作模型。

图9.11－3　焊接机器人示意图

由于船体构件的尺寸比较大，因此，造船焊接机器人的操作范围也比一般的机器人要大得多，其造价也相应要高一些。虽然目前在造船生产中焊接机器人的数量还不多，但随着科学技术的发展，造船焊接机器人也一定会得到迅速的发展和应用。

4）激光焊接

目前的激光焊接主要有CO₂激光装置、YAG固体激光装置和LD激光（二极管阵列激光装置）。上述三种装置中其激光束的能量变换率分别为：

CO₂激光——6%；

YAG激光——1%；

LD激光——25%。

目前主要在汽车制造业应用尤为引人注目，而在造船业的应用还仅仅开始不久，要在造船中应用最有前景的将是采用混合激光即MAG/MIG焊加激光、等离子焊加激光、埋弧焊加激光、TIG焊加激光。这样两种能源的叠加可以大大提高焊接板厚，这种焊接方法已在欧洲的一些船厂在建造护卫舰板架16m×20m的制造中得到实际应用。

5）搅拌摩擦焊（FSW）

该方法是英国焊接研究所在1991年研制成功的一种利用摩擦热引起材料内部塑性流动使工件接合的新颖绿色固相焊接技术，它与电弧焊、激光焊、电子束焊相比无气泡和凝固裂纹等缺陷，而且焊接变形小，对许多铝合金甚至被认为难以用常规熔焊技术进行焊接的金属都可以用搅拌摩擦焊。2001年我国从英国引进了这一项技术，并已在航空、宇宙、汽车、机车等行业进行应用研究，而在船舶领域也有单位开始进行研究和应用。所以这一新技术值得关注。

6）微束等离子焊接

在建造LNG薄膜型液货舱结构中，采用的是薄膜殷瓦（INVAR）镍钢，板厚在0.7mm，其焊接方法主要有电阻焊和TIG焊，最近韩国造船厂已研究成功微束等离子焊接技术，在LNG船液货舱薄板结构的实船焊接中应用，并且获得了该焊接技术的专利。

7）高效焊接材料

目前出现了特种钢、铝合金、复合材料等专用高效焊条；系列化的药芯焊丝如金属粉型药芯焊丝、厚板打底药芯焊丝、自保护药芯焊丝、低氢高韧性药芯焊丝、不锈钢药芯焊丝；烧结型焊剂；活性焊剂；环保绿色焊接材料等。

8）焊接过程数值模拟与专家系统的开发与推广应用

数值模拟技术方面可包括焊接缺陷的预测和防止、焊接接头组织与性能的预测与优化、焊接应力与变形的预测和控制等。专家系统方面包括的内容更广泛，如焊接方法与规范、参数的选择、焊接工时、材料消耗、成本的计算、规程与标准的要求等。