國(guó)外船舶焊接技術(shù)發(fā)展近況_圖文

1、第31卷第5期2009年5月艦船科學(xué)技術(shù)SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .5May,2009國(guó)外船舶焊接技術(shù)發(fā)展近況王冰,李勇(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所艦船數(shù)字制造技術(shù)研究中心,北京100192摘要:焊接技術(shù)是船舶工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文從焊接工藝、焊接設(shè)備和焊接質(zhì)量控制等3方面介紹了近期國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在焊接技術(shù)上的發(fā)展。在焊接工藝方面介紹了激光-電弧混合焊接工藝和攪拌摩擦焊接工藝;在焊接設(shè)備方面介紹了目前美國(guó)使用的便攜式脈沖氣體保護(hù)焊系統(tǒng)和移動(dòng)式激光電弧混合焊系統(tǒng)以及日本機(jī)器人技術(shù)在焊接設(shè)備上的應(yīng)用;在焊接質(zhì)量控制方面介紹了數(shù)字

2、化檢測(cè)技術(shù)和焊接變形預(yù)測(cè)和控制技術(shù)。關(guān)鍵詞:焊接技術(shù);工藝;設(shè)備中圖分類(lèi)號(hào):U671.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ARecen t developem en ts i n weld i n g technology of fore i gn mar i n e i n dustryWANG B ing,L I Yong(Shi p D igitalManufacturing Technol ogy Research Center,The 714Research I nstitute of CSI C,Beijing 100192,China Abstract:W elding is one of the k

3、ey technol ogies in marine industry .The paper intr oduces the latestdevel opments in welding technol ogy of advanced foreign shi pbuilding countries via three vie w points,such as p r ocesses,devices and quality contr ol technol ogies .Hybrid laser arc welding technol ogy and fricti on stir welding

4、 technol ogy are intr oduced in welding p r ocess sect or .A portable pulsed gas metal arc welding syste m and a mobile hybrid laser arc welding syste m used in US A and welding r obots technol ogy used in Japan are intr oduced in welding devices sect or .D igital ins pecti on methodol ogy and p red

5、icti on and contr ol technol ogy of welding dist orti on are intr oduced in weld quality contr ol technol ogies sect or .Key words:welding technol ogy;p r ocess;equi pment收稿日期:2008-09-24;修回日期:2009-03-12作者簡(jiǎn)介:王冰(1981-,男,碩士,助理工程師,從事船舶建造工藝技術(shù)研究。0引言焊接技術(shù)是船舶工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前,焊接工時(shí)和成本各占船體建造工時(shí)和成本的30%50%,同時(shí)焊接質(zhì)量是反映造船

6、建造質(zhì)量的重要指標(biāo)。因此,開(kāi)發(fā)和推廣新型高效焊接技術(shù)是船舶工業(yè)提高造船質(zhì)量和效率,降低生產(chǎn)成本,縮短造船周期的有效途徑,對(duì)各國(guó)造船業(yè)具有重要的意義。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),新型船舶和海洋工程的大量建造以及新型材料的廣泛使用給船舶焊接技術(shù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。目前,國(guó)外發(fā)達(dá)造船國(guó)家對(duì)焊接技術(shù)給予了高度重視,焊接技術(shù)研究主要集中在新型焊接工藝、焊接設(shè)備和焊接質(zhì)量控制3個(gè)方面。1新型焊接工藝的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用111激光-電弧混合焊接工藝激光-電弧混合焊接工藝具有焊接速度快、自動(dòng)化程度高、焊接熱變形小等優(yōu)點(diǎn),是焊接技術(shù)發(fā)展中一項(xiàng)重要的新技術(shù)。這項(xiàng)工藝已經(jīng)在日本、韓國(guó)和歐美一些國(guó)家的造船領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。歐洲進(jìn)行的

7、“船塢激光”工程加速了激光-電弧混合焊接工藝在歐洲船廠的應(yīng)用,為提高造船、修船的生產(chǎn)效率和質(zhì)量,改善工作條件開(kāi)辟了新途徑。德國(guó)邁爾船廠用12k W CO 2激光器和數(shù)字電源設(shè)備對(duì)5mm ,8mm ,12mm 和15mm 厚度的鋼板進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明,激光-電弧焊接工藝的綜合焊接能第5期王冰,等:國(guó)外船舶焊接技術(shù)發(fā)展近況力明顯優(yōu)于其他焊接工藝。2002年,該廠率先將配有激光-電弧混合焊接裝置的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)應(yīng)用到大型船體部件的實(shí)際生產(chǎn),對(duì)20m20m的部件進(jìn)行平板焊接,無(wú)須翻轉(zhuǎn)焊件。目前,該船廠已廣泛使用CO2激光-電弧焊接工藝。美國(guó)海軍一直努力尋找一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的激光混合焊接工藝,他們已經(jīng)資助

8、多個(gè)研究項(xiàng)目。其中美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合國(guó)家鋼鐵與造船公司開(kāi)展的激光-M I G焊接技術(shù)(laser2 G MAW焊接船舶管路的研究經(jīng)過(guò)3年的研發(fā)測(cè)試,已經(jīng)獲得成功。該項(xiàng)目于2004年11月啟動(dòng),開(kāi)始是將TRUMPF HLD4506二級(jí)泵撲式415k W Nd:Y AG 激光與林肯Power W ave455STT GT AW焊機(jī)在持續(xù)電壓下進(jìn)行工作。2006年初,ARL已對(duì)激光混合焊進(jìn)行了應(yīng)用測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,激光混合焊可單道焊接1217mm厚的S AT MA236/ABC A級(jí)鋼(化學(xué)性能與A253管路材料相似。焊縫測(cè)試按照AS ME壓力容器規(guī)范采用非破壞性的X光照相技

9、術(shù)(RT、拉力測(cè)試和彎曲測(cè)試。由于焊縫首末端存在“針孔”現(xiàn)象,有部分焊縫未通過(guò)RT測(cè)試,但通過(guò)優(yōu)化可以消除這種“針孔”現(xiàn)象;所有的焊縫都通過(guò)了拉力和彎曲測(cè)試。2007年,項(xiàng)目組利用這項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)的焊接系統(tǒng)通過(guò)了美國(guó)船級(jí)社測(cè)試,正式進(jìn)入美國(guó)造船界。經(jīng)過(guò)為期3個(gè)月的驗(yàn)證,國(guó)家鋼鐵與造船公司已使用該系統(tǒng)焊接管子,系統(tǒng)焊接的管子直接用于T2AKE 級(jí)戰(zhàn)斗后勤補(bǔ)給艦的建造。在經(jīng)濟(jì)性方面,激光-電弧混合焊接管路可為船廠節(jié)省50萬(wàn)美元的成本。112攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊(Fricti on StirW elding是英國(guó)焊接研究所(T W I1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)連接技術(shù)。與傳統(tǒng)的熔化焊相比,攪拌摩擦焊在

10、焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射、煙塵和飛濺,噪聲低,而且所需能量?jī)H為傳統(tǒng)焊接方法的20%左右。船舶工業(yè)使用攪拌摩擦焊技術(shù)相對(duì)較晚,但前景廣闊。目前,FS W焊接工藝主要用于輕金屬焊接?，F(xiàn)已有許多關(guān)于鋁合金焊接的論文發(fā)表。美國(guó)海軍希望將攪拌摩擦焊用于海軍艦船用材料的焊接,如碳鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳鋁青銅等。主要研究對(duì)象為碳鋼和奧氏體不銹鋼的攪拌摩擦焊。研究?jī)?nèi)容包括:技術(shù)及先進(jìn)設(shè)備研發(fā)、工具設(shè)計(jì)、工具材料研發(fā)、焊接過(guò)程參數(shù)優(yōu)化、焊接過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的變化及預(yù)測(cè)。目前,美國(guó)海軍用攪拌摩擦焊工藝對(duì)HS LA-65鋼板焊接研究較多,首先對(duì)6135mm(0125英寸厚鋼板采用不同焊接工藝,以比較鋼板的焊接變

11、形,再用攪拌摩擦焊焊過(guò)的1217mm(015英寸 厚鋼板在水下進(jìn)行抗沖圖1激光混合焊接工藝Fig11Hybrid laser arc welding technol ogy擊試驗(yàn)?？傮w上,相對(duì)于傳統(tǒng)焊接工藝,攪拌摩擦焊對(duì)材料焊接后引起的變形較小,水下抗沖擊性能較強(qiáng)。美國(guó)海軍制造技術(shù)項(xiàng)目對(duì)先進(jìn)兩棲攻擊戰(zhàn)車(chē)中2519鋁采用攪拌摩擦焊取得了成功。日本許多船廠對(duì)FS W技術(shù)表示極大興趣,已在船舶建造中使用,其中玉野船廠在2003年12月正式使用攪拌摩擦焊機(jī)。日本三井造船于2004年將攪拌摩擦焊用于高速貨船(TS L上層建筑的建造,采用兩面雙攪拌頭焊接方式。在攪拌摩擦焊應(yīng)用時(shí)川崎重工、日本海事協(xié)會(huì)和昭和

12、電工為三井造船提供技術(shù)指導(dǎo)。TS L也是日本正式應(yīng)用攪拌摩擦焊的第1艘船。該船已投入使用多年且性能良好。日立公司獨(dú)立開(kāi)發(fā)的攪拌摩擦焊焊接裝置在鋁、鎂合金及銅合金的生產(chǎn)中取得了良好的效果。日本Su m it omo輕金屬公司采用攪拌摩擦焊生產(chǎn)鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)板件和耐海水的板材。其中耐海水的板材由5塊寬度為250mm的5083鋁合金擠壓板連接成1塊尺寸為1250mm5000mm的鋁合金板。由于焊縫根部和背面具有良好的平整性而被用作船艙的壁板。2新型焊接設(shè)備的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用211新型焊接設(shè)備的進(jìn)展為提高船體建造效率,世界各大船廠都在加速焊接自動(dòng)化,開(kāi)發(fā)了許多自動(dòng)化、便攜式焊接設(shè)備。美國(guó)通用動(dòng)力電船公司最新開(kāi)

13、發(fā)出一種便攜式脈沖氣體保護(hù)焊系統(tǒng)。這種系統(tǒng)移動(dòng)方便,主要用于小型焊接工作,如支架、掛鉤等部件焊接。該系統(tǒng)節(jié)省大量搬運(yùn)安裝笨重焊接設(shè)備的時(shí)間和人力,從而降低了焊接成本。該套便攜式焊接系統(tǒng)集成1套重量輕而輸出功率致密的新型電源。與大型焊接設(shè)備相比,這種電源不需要焊接之前的準(zhǔn)備工作并且在焊接清理過(guò)程中產(chǎn)生的碎片和煙氣更少。這套焊接系統(tǒng)采用751艦船科學(xué)技術(shù)第31卷220V 電壓工作,與船廠目前使用的440V 電壓的焊接設(shè)備相比,工人受到電擊傷害的可能性大大降低。海軍ManTech 辦公室資助一項(xiàng)研究和開(kāi)發(fā)移動(dòng)式激光電弧混合焊系統(tǒng)(MHLAW 的項(xiàng)目。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)間從2007年11月到2008年12月。

14、巴斯鋼鐵公司領(lǐng)導(dǎo)這個(gè)項(xiàng)目,成員包括NGSS,ES AB 北美公司和P L 系統(tǒng)公司。項(xiàng)目小組設(shè)想開(kāi)發(fā)出1臺(tái)搭載MHLAW 系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備,用混合激光電弧焊接工藝可以安全高效地為船廠生產(chǎn)角焊件。這套系統(tǒng)由于使用通用的且技術(shù)成熟的零部件,僅需要適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,所以不會(huì)因安裝昂貴的臺(tái)架或操作設(shè)備而提高制造成本。該系統(tǒng)采用更快、更低輸入熱源和低變形的焊接方法生產(chǎn)高質(zhì)量角焊件。MHLAW 技術(shù)具有如下優(yōu)勢(shì):通過(guò)提高焊接速度降低焊接成本;通過(guò)減少變形,提高尺寸精度和改進(jìn)金屬性質(zhì)提高焊件質(zhì)量。以往一些在板線(xiàn)加工使用的機(jī)械工藝在該系統(tǒng)中均可使用,這極大地?cái)U(kuò)展了該系統(tǒng)焊接焊件的數(shù)量和品種。 圖2船廠使用移動(dòng)混合激光

15、電弧焊機(jī)系統(tǒng)的焊接場(chǎng)景Fig 12Mobile hybrid laser arc welding syste m in a shi pyard212焊接機(jī)器人機(jī)器人技術(shù)在焊接自動(dòng)化方面起到了積極作用。川崎重工業(yè)公司2003年開(kāi)發(fā)出1套高度自動(dòng)化的用于水下潛器殼體焊接的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一系列用于各種結(jié)構(gòu)焊接的機(jī)器人,針對(duì)水下潛器的耐壓殼體采用強(qiáng)度重量比高、韌性良好的鋼材,具有良好的焊接控制能力。日本鋼管公司在2000年推出了1種仰焊機(jī)器人,能在干船塢時(shí)從船體下面焊接船底殼板。此機(jī)器人是將2個(gè)焊炬水平地插入2塊被焊鋼板之間的間隙內(nèi),一個(gè)在上,一個(gè)在下,并使其做橫擺運(yùn)動(dòng)來(lái)充填該間隙。焊炬裝有激光傳感

16、器,它能使機(jī)器人監(jiān)控間隙寬度和焊接方向,并能從數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇最佳焊接方案。焊炬與電源、控制設(shè)備裝在一個(gè)4輪車(chē)架上,焊接機(jī)器人裝在可伸展吊桿的頂端,升起吊桿便可使機(jī)器人緊靠殼板。焊縫坡口間隙由電弧高速旋轉(zhuǎn)傳感器檢測(cè),據(jù)此進(jìn)行焊接條件自適應(yīng)控制,能提高焊接質(zhì)量。該系統(tǒng)采用了焊接、傳感器和機(jī)器人等各方面的新技術(shù),具有良好的實(shí)用性和先進(jìn)性。此外,丹麥歐登塞船廠采用日本的日立造船公司開(kāi)發(fā)的輕便型數(shù)控機(jī)器人和自行開(kāi)發(fā)的大型門(mén)式焊接機(jī)器人,計(jì)劃使該廠造船生產(chǎn)中20%25%的焊縫由焊接機(jī)器人來(lái)完成。3焊接質(zhì)量控制近年來(lái),隨著新材料和新技術(shù)在船舶建造中使用,各種無(wú)法預(yù)期的焊接缺陷和焊接變形變得越來(lái)越多,給船舶建造

17、成本和質(zhì)量帶來(lái)嚴(yán)重影響。為此,國(guó)外先進(jìn)造船國(guó)家加大對(duì)材料焊接的研究,一方面研究開(kāi)發(fā)變形量小,適于焊接的新材料,一方面研究應(yīng)對(duì)焊接缺陷和焊接變形的方法。在應(yīng)對(duì)焊接缺陷和焊接變形方面,又著重研究數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等無(wú)損檢測(cè)技術(shù)、焊接變形預(yù)測(cè)和控制。311數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)1999年,美國(guó)海軍研究辦公室為ST RAT AF ORM計(jì)劃開(kāi)發(fā)了一套數(shù)字照相系統(tǒng)。這套系統(tǒng)是S AX99儀器的一部分,它包括LPX160型高性能X -射線(xiàn)發(fā)生器、D i pX 30瞬時(shí)掃描成像儀、戴爾W indows NT 工作站、X -射線(xiàn)照相室和射線(xiàn)成形裝置。LPX -160型高性能X -射線(xiàn)發(fā)生器為恒電壓式,具有獨(dú)特的激光導(dǎo)向系

18、統(tǒng),可精確地指示儀器正在檢測(cè)的部位,該發(fā)生器為美國(guó)空軍所指定的X -射線(xiàn)發(fā)生器,可連續(xù)照射100m in 。D i pX 30瞬時(shí)掃描成像儀是非晶硅數(shù)字X -射線(xiàn)探測(cè)儀,這個(gè)探測(cè)器的結(jié)構(gòu)包括27003200(2840c m 像素陣列的探測(cè)器和一個(gè)讀取設(shè)備。該探測(cè)器單個(gè)象素大小為125m ,信號(hào)一次讀取時(shí)間為314s 。該探測(cè)設(shè)備軟件支持實(shí)時(shí)圖像均值和修正,可去除系統(tǒng)和象素間靈敏度差異產(chǎn)生的量子噪點(diǎn)。這套系統(tǒng)最初是為ST RAT AF OR M 計(jì)劃作海洋沉淀物的定量分析,但到2000年7月已經(jīng)為海軍研究辦公室的另外2個(gè)項(xiàng)目作定量分析工作。該系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)使用,將為焊接檢測(cè)用數(shù)字照相系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)提供參

19、考依據(jù)。2004年11月,美國(guó)海軍造船技術(shù)中心研究開(kāi)發(fā)了1套數(shù)字照相檢測(cè)系統(tǒng),目的是代替目前船舶建造中使用薄膜射線(xiàn)照相檢查工藝。薄膜射線(xiàn)照相檢查工藝檢查成本高昂,薄膜材料不可重復(fù)使用而且薄膜材料中的化學(xué)成分銀對(duì)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅,每年還要浪費(fèi)數(shù)千加侖的水。目前,紐波特紐斯船廠利用商851第5期王冰,等:國(guó)外船舶焊接技術(shù)發(fā)展近況用計(jì)算機(jī)射線(xiàn)照相設(shè)備開(kāi)發(fā)焊接檢測(cè)工藝和標(biāo)準(zhǔn),以取代在CVN21航母和“弗吉尼亞”級(jí)潛艇建造中使用的薄膜射線(xiàn)照相檢查工藝。這個(gè)項(xiàng)目首先在造船環(huán)境中確定數(shù)字照相系統(tǒng)的可行性,并制定合適的使用標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字照相系統(tǒng)將分為3個(gè)階段的測(cè)試使用:第一階段在紐波特紐斯船廠的焊接學(xué)校中使用;第

20、二階段在紐波特紐斯船廠的鑄造車(chē)間內(nèi)用于重型金屬鑄件缺陷檢查;第三階段將用于重型焊接結(jié)構(gòu)件的缺陷檢測(cè)。 圖3數(shù)字照相檢測(cè)系統(tǒng)工作站Fig 13D igital radi ography workstati on美國(guó)巴斯鋼鐵公司聯(lián)合Servo 2Robot 公司和美國(guó)海軍連接中心開(kāi)發(fā)了一種適合船廠的簡(jiǎn)易焊縫檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)由商用的便攜式檢測(cè)工具改進(jìn)而來(lái),可減少艦船建造中不必要的焊接和多余的檢測(cè)工作,以降低艦船建造成本。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)焊縫性能,獲取檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù),并對(duì)其進(jìn)行分析?？梢暬瘷z測(cè)是在艦船建造中最常用的焊縫檢測(cè)方法。由于目前檢測(cè)使用機(jī)械標(biāo)準(zhǔn),在1條焊縫中對(duì)離散的部位測(cè)量焊縫尺寸,從船體

21、結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配到最后組裝成整船,同一條焊縫要被檢測(cè)數(shù)遍。在此之前被檢測(cè)合格的焊縫,在重新檢測(cè)中可能是不合格的,從而導(dǎo)致了不必要的修復(fù)過(guò)程。因此,美國(guó)海軍正在開(kāi)發(fā)的便攜式焊縫檢測(cè)系統(tǒng)將能對(duì)整條焊縫進(jìn)行連續(xù)性的質(zhì)量檢測(cè),并以簡(jiǎn)單的格式對(duì)結(jié)果進(jìn)行記錄。該系統(tǒng)消除了多余的檢測(cè)次數(shù),每年可節(jié)省超過(guò)2500個(gè)工時(shí);避免了不必要修復(fù)過(guò)程,每年可節(jié)省2000個(gè)工時(shí)。312焊接變形預(yù)測(cè)和控制美國(guó)海軍在薄板焊接變形預(yù)測(cè)和控制方面開(kāi)展了大量的研究工作。海軍ManTech 計(jì)劃辦公室為了減小薄板焊接變形,聯(lián)合美國(guó)多家船廠和研究機(jī)構(gòu)共同研究薄板制造中焊接殘余應(yīng)力和變形控制,以取代火焰校正方法。該研究項(xiàng)目取得了許多重要的技

22、術(shù)成果,包括初始板材的扁平度控制、滿(mǎn)足彎曲變形的焊接過(guò)程修正、彎曲變形的瞬時(shí)加熱拉伸控制、焊接過(guò)程的角變形控制、設(shè)計(jì)過(guò)程的彎曲變形控制等。這些技術(shù)已經(jīng)得到許多應(yīng)用,加熱拉伸技術(shù)已經(jīng)成功地在Pascag oula 船廠和新奧爾良船廠用于薄板生產(chǎn);變形分析和控制工具幫助海軍陸戰(zhàn)隊(duì)在遠(yuǎn)征戰(zhàn)車(chē)計(jì)劃中減少加工和返工的成本。這些技術(shù)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益:美國(guó)海軍減少了20%40%與焊接變形有關(guān)的制造成本;每艘DDG -51級(jí)驅(qū)逐艦的建造成本減少超過(guò)100萬(wàn)美元,而且大大減少了安裝時(shí)間、二次焊接時(shí)間、返工次數(shù)和火焰校正次數(shù);預(yù)計(jì)5年內(nèi)制造成本將節(jié)約2100萬(wàn)美元,產(chǎn)生的投資收益率達(dá)到101。此外,其他國(guó)家也正致力于船舶用薄板焊接變形控制的研究。2005年,英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)和BAE 系統(tǒng)船舶部對(duì)影響船板焊接,產(chǎn)生焊接變形的因素進(jìn)行研究。他們建立了多層學(xué)習(xí)機(jī)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(MLP ,用6mm 和8mm