探析船舶焊接與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

趙 立

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

0 引言

船舶建造是以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的綜合區(qū)域建造方法，船體在中間的產(chǎn)品（部件、管道和模塊）是在工廠或不同的工廠使用鋼板和鋼等基礎(chǔ)材料進(jìn)行加工，制造零件，使用零件焊接，零件的裝配、分段和裝配段的制造均可以在室內(nèi)完成，同時(shí)應(yīng)結(jié)合時(shí)代需求，不斷創(chuàng)新焊接技術(shù)。

1 造船和其他高端應(yīng)用可能成為新的激光焊接增長點(diǎn)

縱觀中國高端制造領(lǐng)域，除船舶制造和動力電池2個(gè)市場外，激光焊接在其他應(yīng)用領(lǐng)域的整體熔透率仍然較小。以造船業(yè)為例，造船業(yè)的總量很大，但由于其材料和行業(yè)的特殊性，目前激光焊接的應(yīng)用率不高[1]。

根據(jù)造船自動化生產(chǎn)線解決方案，造船焊接量取決于船型，中厚板主要位于甲板下方，薄板主要位于上部結(jié)構(gòu)。如豪華游輪4～12 mm厚鋼板焊接占80%，中厚板占20%；散貨船的比例正好相反。然而，在中厚板的焊接過程中，大多數(shù)造船施工仍采用埋弧焊和MIG/MAG焊接，整體效率達(dá)不到預(yù)期。與傳統(tǒng)焊接相比，激光焊接具有更高的效率、更高的精度和更好的效果，更容易實(shí)現(xiàn)自動化智能集成。是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級的利器，尤其適用于造船、航空航天等高端精密制造業(yè)。例如，埋弧焊的焊接速度為550 mm/min，MIG/MAG可以達(dá)到700 mm/min，雙絲MIG/MAG可以達(dá)到1500 mm/min左右，而激光MIG/MAG復(fù)合焊接的焊接速度可以達(dá)到2400 mm/min，這在效率上有很大優(yōu)勢。這是目前造船業(yè)中最快的薄板焊接工藝。

2 不斷突破核心器件的功能限制，進(jìn)一步推動高端應(yīng)用的國產(chǎn)化

從產(chǎn)業(yè)發(fā)展來看，國內(nèi)切割焊接產(chǎn)業(yè)落后于歐美國家，主要原因在于核心光源。從這個(gè)角度來看，傳統(tǒng)焊接工藝的迭代升級、船舶應(yīng)用的高效擴(kuò)展，成為國產(chǎn)切割打破這種局面的關(guān)鍵。早年，進(jìn)口切割設(shè)備在高端制造業(yè)中獨(dú)樹一幟。早期IPG，Concertant和Trumpf等外國公司占據(jù)了主要市場份額。經(jīng)過多年的技術(shù)研究，國內(nèi)涌現(xiàn)出一大批與國外品牌競爭的優(yōu)秀切割企業(yè)，以夏普切割為代表的國內(nèi)切割制造商，不斷打破國外在關(guān)鍵光源領(lǐng)域的壟斷，導(dǎo)致切割整體價(jià)格下降，提高了國產(chǎn)切割焊接設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域的滲透性。在造船業(yè)中，切割焊接仍處于取代傳統(tǒng)焊接的初步探索過程中[2]。此外，國產(chǎn)切割設(shè)備與國外切割設(shè)備的市場規(guī)模相差不大，加工效果沒有本質(zhì)區(qū)別，因此國產(chǎn)切割設(shè)備在造船領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。目前，在造船等高端制造領(lǐng)域，已經(jīng)有一些企業(yè)開始使用切割焊接技術(shù)。切割焊接迫切需要技術(shù)賦權(quán)，國內(nèi)品牌的市場占有率越來越高，這讓看到了國內(nèi)品牌的崛起和希望。以前主要使用國外品牌的切割設(shè)備，但隨著國產(chǎn)切割設(shè)備的興起，逐漸用切割設(shè)備產(chǎn)品來替代，其焊接效果仍然非常理想，船廠用戶相當(dāng)滿意。在大規(guī)模用國產(chǎn)光纖切割設(shè)備取代進(jìn)口光纖切割設(shè)備的背景下，瑞科切割積極開發(fā)切割焊接等高端應(yīng)用領(lǐng)域，不斷開發(fā)和定制適合不同需求的光纖切割設(shè)備產(chǎn)品和解決方案。

切割焊接不同于傳統(tǒng)切割，其最大的特點(diǎn)是定制，每個(gè)客戶的需求都不盡相同，這使得切割焊接仍處于工業(yè)應(yīng)用的初級階段。然而，隨著制造業(yè)的進(jìn)一步升級，船舶的輕量化發(fā)展，以及航空航天、軍工等高端制造領(lǐng)域，加工需求旺盛，切割焊接技術(shù)在高端應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展空間不可估量。對如此巨大的市場，為了進(jìn)一步推動切割焊接技術(shù)在高端應(yīng)用領(lǐng)域的國產(chǎn)化，切割根據(jù)造船行業(yè)厚板的加工特點(diǎn)進(jìn)行如下布局，一種具有功率反饋、總線控制和多通道輸出的超高功率切割設(shè)備。在項(xiàng)目中，建立具有專業(yè)背景的高素質(zhì)團(tuán)隊(duì)，跟蹤項(xiàng)目進(jìn)度；在技術(shù)方面，發(fā)展切割電弧復(fù)合焊接工藝、多通道多層焊接工藝，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化焊接；在市場方面，切割與中國船舶工業(yè)第十一研究院簽署了合作協(xié)議，充分發(fā)揮航天科技和工業(yè)的優(yōu)勢，推動切割焊接在造船行業(yè)的應(yīng)用。切割焊接處于工業(yè)應(yīng)用的初級階段，但效率仍然是造船廠吸引力的核心。從效率和質(zhì)量的角度來看，切割焊接在厚度小于16 mm的鋼板焊接中具有足夠的優(yōu)勢。同時(shí)，以切割設(shè)備為代表的國內(nèi)光纖切割設(shè)備制造商不斷突破核心器件的功能限制，實(shí)踐技術(shù)創(chuàng)新，將進(jìn)一步推動高端應(yīng)用的國產(chǎn)化。

3 滿足多樣化需求，加速3D焊接高端換代

經(jīng)過2020年的洗禮，國內(nèi)3D產(chǎn)業(yè)正加速進(jìn)入高端替代的新階段。3月，中國光纖3D設(shè)備代表制造商3D與中國船舶工業(yè)第十一研究院簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，進(jìn)一步推動3D焊接和清洗在高端制造業(yè)的應(yīng)用，加快中國進(jìn)口產(chǎn)品的替代。高端制造推動3D焊接市場爆炸式增長，相對于3D打標(biāo)和切割技術(shù)的普及，未來高端制造領(lǐng)域?qū)χ悄芑妥詣踊男枨筅厔莞用黠@，新能源、光伏（pv）、5G將推動包括3D焊接、3D表面處理、材料制造、高端定制應(yīng)用，如爆發(fā)期的精密加工。隨著疫情的改善和3D技術(shù)的不斷突破，未來3D焊接市場將迎來爆炸性增長[3]。

在工業(yè)發(fā)展方面，3D焊接技術(shù)在20世紀(jì)70年代被用于生產(chǎn)。20世紀(jì)80年代，美國、日本和歐洲對這門新興科學(xué)進(jìn)行了大量研究。中國也很早就引進(jìn)了整套3D焊接設(shè)備。但從市場規(guī)模和企業(yè)投資來看，3D焊接明顯落后于打標(biāo)和切割應(yīng)用。究其原因，3D焊接質(zhì)量不易用肉眼直接看到，且缺陷對性能的影響千差萬別，導(dǎo)致焊接質(zhì)量評估比切割、標(biāo)記和焊接更困難，加工零件、結(jié)構(gòu)尺寸、連接方式比切割更復(fù)雜，打標(biāo)時(shí)，也增加了3D焊接技術(shù)的難度，另一方面，不同材料、不同深度、不同結(jié)構(gòu)、不同填充材料對操作者的綜合能力要求較高。2020年后，逐步擴(kuò)大國內(nèi)對3D焊接產(chǎn)品的需求，一方面是低端的手持3D焊接設(shè)備取代傳統(tǒng)的焊接設(shè)備，高效而不是低效，高自動化而不是半自動化是一種趨勢。另一方面，高端焊接產(chǎn)品，如造船和行業(yè)對設(shè)備穩(wěn)定性、預(yù)防性維護(hù)和現(xiàn)場維護(hù)等售后服務(wù)有特別高的要求。經(jīng)過多年的技術(shù)積累，以3D設(shè)備為代表的國內(nèi)光纖3D設(shè)備企業(yè)在產(chǎn)品功率和穩(wěn)定性方面實(shí)現(xiàn)了跨越式的提高，很好地滿足了高端焊接領(lǐng)域的需求。在造船領(lǐng)域，3D產(chǎn)品得到了客戶的廣泛驗(yàn)證和認(rèn)可，打破了國外同類產(chǎn)品的市場壟斷。造船焊接技術(shù)突破國內(nèi)3D萌芽，實(shí)際上,3D焊接技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到了造船領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代末,奧迪C5的頂蓋焊接中引入了搭接接頭3D熔焊技術(shù)。此后,3D釬焊技術(shù)和填絲3D熔焊技術(shù)也逐步運(yùn)用到造船領(lǐng)域,逐漸適應(yīng)了現(xiàn)代造船輕量化和可靠性的需要。

3D焊接技術(shù)在船身上的應(yīng)用，2010龍標(biāo)致508轎船船頂為3D焊接奠定了基礎(chǔ)，2013 GM武漢基地南廠汽船船頂朗3D焊接，建立通用船用3D基準(zhǔn)，后續(xù)船載3D應(yīng)用。上汽共有30多個(gè)船廠，160多個(gè)船型，包括PSA、SGM、本田、福特、日產(chǎn)等國內(nèi)外船舶廠頂蓋、尾蓋、門、地板、側(cè)流水箱等應(yīng)用。在這一領(lǐng)域，長期以來在船體白焊應(yīng)用方面展開深入合作，其產(chǎn)品已通過船舶制造商的驗(yàn)證。在上汽乘用船3D焊接中試生產(chǎn)項(xiàng)目中，包括頂蓋和后蓋的3D釬焊、座椅的3D熔焊等加工場景。采用Rayco3D核心光源的焊接設(shè)備可以滿足客戶的高標(biāo)準(zhǔn)要求。該設(shè)備已運(yùn)行1年多。從客戶的表現(xiàn)來看，設(shè)備和工藝的穩(wěn)定性已達(dá)到進(jìn)口設(shè)備的水平，為造船領(lǐng)域提供了優(yōu)秀的國產(chǎn)替代品。除了傳統(tǒng)造船廠的新項(xiàng)目外，新能源船舶、電動船舶、船舶零部件制造、鋰電池制造等將成為3D焊接的機(jī)遇點(diǎn)，對于國內(nèi)3D行業(yè)來說將是難得的機(jī)遇。滿足多樣化需求，加速高端換代，然而，3D焊接并不是任何企業(yè)都能輕易進(jìn)入的，相對于其他技術(shù)門檻更高，尤其是在造船、軌道交通、造船等高端應(yīng)用中，光源對于3D加工效率，焊接過程的檢測精度和不同材料的特性對技術(shù)的研究要求很高，是企業(yè)綜合實(shí)力的體現(xiàn)。為了推動3D焊接技術(shù)的發(fā)展，其中，針對高端市場對拍線體穩(wěn)定性要求高的特點(diǎn)，推出了多光制動設(shè)備，確保設(shè)備連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行；針對高抗材料焊接的應(yīng)用，研制了一種環(huán)形光斑ABP3D設(shè)備，該3D設(shè)備采用自行研制的多芯光纖。關(guān)于焊接應(yīng)用市場除了改善3D鏈路，還需要解決3D焊接材料技術(shù)的常見問題。將從3D穩(wěn)定性方面進(jìn)行跟進(jìn)，增加設(shè)備智能功能，降低設(shè)備成本，增加合作模式，加強(qiáng)終端和集成商的合作，增加市場推廣率，提高產(chǎn)品質(zhì)量。離子等幾個(gè)方面提升了客戶的粘度，促進(jìn)了市場的增長，進(jìn)一步推動了3D焊接技術(shù)在高端領(lǐng)域的應(yīng)用普及。就規(guī)模而言，3D焊接市場看起來“小而美”。隨著高端應(yīng)用的開放，國內(nèi)3D焊接市場必將迎來一波增長。Rayco laser與造船、動力電池、造船等領(lǐng)域的頭部制造商建立了深入合作，并不斷豐富焊接產(chǎn)品系列，以補(bǔ)充過程監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。未來，3D必將在這一領(lǐng)域展現(xiàn)才華。

4 不斷提高焊接材料的需求和要求

2019冠狀病毒疾病的爆發(fā)為全球運(yùn)輸和供應(yīng)鏈帶來了許多不確定性，著集裝箱價(jià)格上漲，運(yùn)價(jià)大幅上漲，從中國到美國西海岸的標(biāo)準(zhǔn)40英尺集裝箱的運(yùn)費(fèi)幾乎是2022年4月的5倍。從更高的運(yùn)費(fèi)和更高的進(jìn)口成本來看，所有國家都在為全球通脹付出代價(jià)，但另一方面，隨著全球貿(mào)易的增長，運(yùn)輸和造船業(yè)正在收到巨大的商業(yè)訂單。在世界集裝箱極度短缺的情況下，各國都在積極努力解決運(yùn)力問題，中國的造船業(yè)也在這個(gè)時(shí)候不斷發(fā)展。韓國造船商已經(jīng)收到了全球56%的新訂單，而超大型集裝箱船的訂單已經(jīng)在2023年后的6個(gè)月內(nèi)排好，顯示出巨大的需求。同時(shí)，對焊接材料的需求和要求也在不斷提高。焊接難度大，一方面，需求不斷增加，交貨時(shí)間緊迫，另一方面，疫情反復(fù)、緊張多變的國際關(guān)系導(dǎo)致生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)闹袛嗪脱诱`；不斷上漲的價(jià)格和延長的交貨期使高端焊接材料的進(jìn)口變得尷尬和頻繁。致力于高端鋁焊接材料和銅焊接材料的本地化制造，具有穩(wěn)定和卓越的德國質(zhì)量。通過高品質(zhì)的本地化產(chǎn)品和服務(wù)，為行業(yè)展示了一批融合中西技術(shù)研發(fā)實(shí)力的產(chǎn)品。不僅為造船、更多航空航天、造船業(yè)、軌道交通、壓力容器、機(jī)械制造等領(lǐng)域帶來卓越的解決方案，運(yùn)輸國內(nèi)重量級高端產(chǎn)品，解決終端應(yīng)用中的穩(wěn)定送絲、氣孔敏感性等產(chǎn)品應(yīng)用問題，以及穩(wěn)定供應(yīng)、協(xié)同應(yīng)用開發(fā)等個(gè)性化需求問題。成為造船業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的先鋒，在智能制造領(lǐng)域提前布局。近年來，一批項(xiàng)目形成，一批智能制造設(shè)備投入使用。然而，操作員比那些操作傳統(tǒng)機(jī)器的人更年輕、受教育程度更高。

但隨著智能時(shí)代的到來，如何將焊接與IT結(jié)合起來，使焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、更高效？江南造船智能焊接質(zhì)量控制系統(tǒng)是一次嘗試。它將焊機(jī)聯(lián)網(wǎng)，全過程監(jiān)控焊接過程中的電流和電壓值，發(fā)現(xiàn)異常情況自動報(bào)警并暫停焊機(jī)，以避免因電流和電壓不規(guī)范引起的焊接質(zhì)量問題。需要很多人來控制這個(gè)系統(tǒng)，不再是傳統(tǒng)意義上的焊工。這是一批具有智能監(jiān)控系統(tǒng)的專用焊機(jī)，設(shè)置額定電流和電壓，安裝打孔卡機(jī)，用于記錄和監(jiān)控焊機(jī)用戶和焊接過程的實(shí)時(shí)電流和電壓。但不同對接的焊接工藝對于給定的不同焊接材料，用不同的電流電壓方式焊接是一個(gè)范圍，但最合適的焊工焊接數(shù)據(jù)是無法給出焊接工藝，需要不斷實(shí)踐摸索最佳電流電壓配置，但項(xiàng)目才剛剛開始，這批24臺原焊機(jī)已經(jīng)處于調(diào)試狀態(tài)，每次設(shè)置電流和電壓時(shí)必須聯(lián)系設(shè)備廠家，通過連接計(jì)算機(jī)現(xiàn)場修改相關(guān)數(shù)據(jù)，特別不方便。截至目前，我國生產(chǎn)的全船鋁合金型材面板產(chǎn)品及配套的攪拌摩擦焊設(shè)備不僅進(jìn)入中國多家造船企業(yè)，還出口到德國、新加坡、澳大利亞、伊朗等國家，為世界造船業(yè)的輕量化和高效發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

5 結(jié)語

雖然造船業(yè)不能采用制造汽車這樣的流線型切割作業(yè)，但因?yàn)椴捎贸山M技術(shù)和并行工程技術(shù)的造船業(yè)可以提高中間產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，而采用外殼、防窺探、技術(shù)集成的造船業(yè)可以在預(yù)舾裝部分，總截面，大大提高成品的總周期度，大大縮短船臺和船塢的舾裝時(shí)間，提高船臺和船塢的周轉(zhuǎn)效率。