国外船舶焊接技术发展近况_图文

1、第31卷第5期2009年5月舰船科学技术SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .5May,2009国外船舶焊接技术发展近况王冰,李勇(中国船舶重工集团公司第七一四研究所舰船数字制造技术研究中心,北京100192摘要:焊接技术是船舶工业的关键技术之一。本文从焊接工艺、焊接设备和焊接质量控制等3方面介绍了近期国外发达国家在焊接技术上的发展。在焊接工艺方面介绍了激光-电弧混合焊接工艺和搅拌摩擦焊接工艺;在焊接设备方面介绍了目前美国使用的便携式脉冲气体保护焊系统和移动式激光电弧混合焊系统以及日本机器人技术在焊接设备上的应用;在焊接质量控制方面介绍了数字

2、化检测技术和焊接变形预测和控制技术。关键词:焊接技术;工艺;设备中图分类号:U671.8文献标识码: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作者简介:王冰(1981-,男,硕士,助理工程师,从事船舶建造工艺技术研究。0引言焊接技术是船舶工业的关键技术之一。目前,焊接工时和成本各占船体建造工时和成本的30%50%,同时焊接质量是反映造船

6、建造质量的重要指标。因此,开发和推广新型高效焊接技术是船舶工业提高造船质量和效率,降低生产成本,缩短造船周期的有效途径,对各国造船业具有重要的意义。进入21世纪以来,新型船舶和海洋工程的大量建造以及新型材料的广泛使用给船舶焊接技术带来了巨大挑战。目前,国外发达造船国家对焊接技术给予了高度重视,焊接技术研究主要集中在新型焊接工艺、焊接设备和焊接质量控制3个方面。1新型焊接工艺的开发与应用111激光-电弧混合焊接工艺激光-电弧混合焊接工艺具有焊接速度快、自动化程度高、焊接热变形小等优点,是焊接技术发展中一项重要的新技术。这项工艺已经在日本、韩国和欧美一些国家的造船领域得到广泛研究与应用。欧洲进行的

7、“船坞激光”工程加速了激光-电弧混合焊接工艺在欧洲船厂的应用,为提高造船、修船的生产效率和质量,改善工作条件开辟了新途径。德国迈尔船厂用12k W CO 2激光器和数字电源设备对5mm ,8mm ,12mm 和15mm 厚度的钢板进行焊接实验。实验表明,激光-电弧焊接工艺的综合焊接能第5期王冰,等:国外船舶焊接技术发展近况力明显优于其他焊接工艺。2002年,该厂率先将配有激光-电弧混合焊接装置的自动化生产线应用到大型船体部件的实际生产,对20m20m的部件进行平板焊接,无须翻转焊件。目前,该船厂已广泛使用CO2激光-电弧焊接工艺。美国海军一直努力寻找一种经济实用的激光混合焊接工艺,他们已经资助

8、多个研究项目。其中美国宾夕法尼亚州立大学应用研究实验室联合国家钢铁与造船公司开展的激光-M I G焊接技术(laser2 G MAW焊接船舶管路的研究经过3年的研发测试,已经获得成功。该项目于2004年11月启动,开始是将TRUMPF HLD4506二级泵扑式415k W Nd:Y AG 激光与林肯Power W ave455STT GT AW焊机在持续电压下进行工作。2006年初,ARL已对激光混合焊进行了应用测试。测试结果表明,激光混合焊可单道焊接1217mm厚的S AT MA236/ABC A级钢(化学性能与A253管路材料相似。焊缝测试按照AS ME压力容器规范采用非破坏性的X光照相技

9、术(RT、拉力测试和弯曲测试。由于焊缝首末端存在“针孔”现象,有部分焊缝未通过RT测试,但通过优化可以消除这种“针孔”现象;所有的焊缝都通过了拉力和弯曲测试。2007年,项目组利用这项技术开发的焊接系统通过了美国船级社测试,正式进入美国造船界。经过为期3个月的验证,国家钢铁与造船公司已使用该系统焊接管子,系统焊接的管子直接用于T2AKE 级战斗后勤补给舰的建造。在经济性方面,激光-电弧混合焊接管路可为船厂节省50万美元的成本。112搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(Fricti on StirW elding是英国焊接研究所(T W I1991年发明的一种新型固态连接技术。与传统的熔化焊相比,搅拌摩擦焊在

10、焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅,噪声低,而且所需能量仅为传统焊接方法的20%左右。船舶工业使用搅拌摩擦焊技术相对较晚,但前景广阔。目前,FS W焊接工艺主要用于轻金属焊接。现已有许多关于铝合金焊接的论文发表。美国海军希望将搅拌摩擦焊用于海军舰船用材料的焊接,如碳钢、不锈钢、钛合金、镍铝青铜等。主要研究对象为碳钢和奥氏体不锈钢的搅拌摩擦焊。研究内容包括:技术及先进设备研发、工具设计、工具材料研发、焊接过程参数优化、焊接过程中微观结构和机械性能的变化及预测。目前,美国海军用搅拌摩擦焊工艺对HS LA-65钢板焊接研究较多,首先对6135mm(0125英寸厚钢板采用不同焊接工艺,以比较钢板的焊接变

11、形,再用搅拌摩擦焊焊过的1217mm(015英寸 厚钢板在水下进行抗冲图1激光混合焊接工艺Fig11Hybrid laser arc welding technol ogy击试验。总体上,相对于传统焊接工艺,搅拌摩擦焊对材料焊接后引起的变形较小,水下抗冲击性能较强。美国海军制造技术项目对先进两栖攻击战车中2519铝采用搅拌摩擦焊取得了成功。日本许多船厂对FS W技术表示极大兴趣,已在船舶建造中使用,其中玉野船厂在2003年12月正式使用搅拌摩擦焊机。日本三井造船于2004年将搅拌摩擦焊用于高速货船(TS L上层建筑的建造,采用两面双搅拌头焊接方式。在搅拌摩擦焊应用时川崎重工、日本海事协会和昭和

12、电工为三井造船提供技术指导。TS L也是日本正式应用搅拌摩擦焊的第1艘船。该船已投入使用多年且性能良好。日立公司独立开发的搅拌摩擦焊焊接装置在铝、镁合金及铜合金的生产中取得了良好的效果。日本Su m it omo轻金属公司采用搅拌摩擦焊生产铝质蜂窝结构板件和耐海水的板材。其中耐海水的板材由5块宽度为250mm的5083铝合金挤压板连接成1块尺寸为1250mm5000mm的铝合金板。由于焊缝根部和背面具有良好的平整性而被用作船舱的壁板。2新型焊接设备的开发与应用211新型焊接设备的进展为提高船体建造效率,世界各大船厂都在加速焊接自动化,开发了许多自动化、便携式焊接设备。美国通用动力电船公司最新开

13、发出一种便携式脉冲气体保护焊系统。这种系统移动方便,主要用于小型焊接工作,如支架、挂钩等部件焊接。该系统节省大量搬运安装笨重焊接设备的时间和人力,从而降低了焊接成本。该套便携式焊接系统集成1套重量轻而输出功率致密的新型电源。与大型焊接设备相比,这种电源不需要焊接之前的准备工作并且在焊接清理过程中产生的碎片和烟气更少。这套焊接系统采用751舰船科学技术第31卷220V 电压工作,与船厂目前使用的440V 电压的焊接设备相比,工人受到电击伤害的可能性大大降低。海军ManTech 办公室资助一项研究和开发移动式激光电弧混合焊系统(MHLAW 的项目。项目开发时间从2007年11月到2008年12月。

14、巴斯钢铁公司领导这个项目,成员包括NGSS,ES AB 北美公司和P L 系统公司。项目小组设想开发出1台搭载MHLAW 系统的移动设备,用混合激光电弧焊接工艺可以安全高效地为船厂生产角焊件。这套系统由于使用通用的且技术成熟的零部件,仅需要适当的调整,所以不会因安装昂贵的台架或操作设备而提高制造成本。该系统采用更快、更低输入热源和低变形的焊接方法生产高质量角焊件。MHLAW 技术具有如下优势:通过提高焊接速度降低焊接成本;通过减少变形,提高尺寸精度和改进金属性质提高焊件质量。以往一些在板线加工使用的机械工艺在该系统中均可使用,这极大地扩展了该系统焊接焊件的数量和品种。 图2船厂使用移动混合激光

15、电弧焊机系统的焊接场景Fig 12Mobile hybrid laser arc welding syste m in a shi pyard212焊接机器人机器人技术在焊接自动化方面起到了积极作用。川崎重工业公司2003年开发出1套高度自动化的用于水下潜器壳体焊接的系统。该系统包括一系列用于各种结构焊接的机器人,针对水下潜器的耐压壳体采用强度重量比高、韧性良好的钢材,具有良好的焊接控制能力。日本钢管公司在2000年推出了1种仰焊机器人,能在干船坞时从船体下面焊接船底壳板。此机器人是将2个焊炬水平地插入2块被焊钢板之间的间隙内,一个在上,一个在下,并使其做横摆运动来充填该间隙。焊炬装有激光传感

16、器,它能使机器人监控间隙宽度和焊接方向,并能从数据库中选择最佳焊接方案。焊炬与电源、控制设备装在一个4轮车架上,焊接机器人装在可伸展吊杆的顶端,升起吊杆便可使机器人紧靠壳板。焊缝坡口间隙由电弧高速旋转传感器检测,据此进行焊接条件自适应控制,能提高焊接质量。该系统采用了焊接、传感器和机器人等各方面的新技术,具有良好的实用性和先进性。此外,丹麦欧登塞船厂采用日本的日立造船公司开发的轻便型数控机器人和自行开发的大型门式焊接机器人,计划使该厂造船生产中20%25%的焊缝由焊接机器人来完成。3焊接质量控制近年来,随着新材料和新技术在船舶建造中使用,各种无法预期的焊接缺陷和焊接变形变得越来越多,给船舶建造

17、成本和质量带来严重影响。为此,国外先进造船国家加大对材料焊接的研究,一方面研究开发变形量小,适于焊接的新材料,一方面研究应对焊接缺陷和焊接变形的方法。在应对焊接缺陷和焊接变形方面,又着重研究数字化检测技术等无损检测技术、焊接变形预测和控制。311数字化检测技术1999年,美国海军研究办公室为ST RAT AF ORM计划开发了一套数字照相系统。这套系统是S AX99仪器的一部分,它包括LPX160型高性能X -射线发生器、D i pX 30瞬时扫描成像仪、戴尔W indows NT 工作站、X -射线照相室和射线成形装置。LPX -160型高性能X -射线发生器为恒电压式,具有独特的激光导向系

18、统,可精确地指示仪器正在检测的部位,该发生器为美国空军所指定的X -射线发生器,可连续照射100m in 。D i pX 30瞬时扫描成像仪是非晶硅数字X -射线探测仪,这个探测器的结构包括27003200(2840c m 像素阵列的探测器和一个读取设备。该探测器单个象素大小为125m ,信号一次读取时间为314s 。该探测设备软件支持实时图像均值和修正,可去除系统和象素间灵敏度差异产生的量子噪点。这套系统最初是为ST RAT AF OR M 计划作海洋沉淀物的定量分析,但到2000年7月已经为海军研究办公室的另外2个项目作定量分析工作。该系统的开发使用,将为焊接检测用数字照相系统的开发提供参

19、考依据。2004年11月,美国海军造船技术中心研究开发了1套数字照相检测系统,目的是代替目前船舶建造中使用薄膜射线照相检查工艺。薄膜射线照相检查工艺检查成本高昂,薄膜材料不可重复使用而且薄膜材料中的化学成分银对环境构成潜在威胁,每年还要浪费数千加仑的水。目前,纽波特纽斯船厂利用商851第5期王冰,等:国外船舶焊接技术发展近况用计算机射线照相设备开发焊接检测工艺和标准,以取代在CVN21航母和“弗吉尼亚”级潜艇建造中使用的薄膜射线照相检查工艺。这个项目首先在造船环境中确定数字照相系统的可行性,并制定合适的使用标准。数字照相系统将分为3个阶段的测试使用:第一阶段在纽波特纽斯船厂的焊接学校中使用;第

20、二阶段在纽波特纽斯船厂的铸造车间内用于重型金属铸件缺陷检查;第三阶段将用于重型焊接结构件的缺陷检测。 图3数字照相检测系统工作站Fig 13D igital radi ography workstati on美国巴斯钢铁公司联合Servo 2Robot 公司和美国海军连接中心开发了一种适合船厂的简易焊缝检测系统。该检测系统由商用的便携式检测工具改进而来,可减少舰船建造中不必要的焊接和多余的检测工作,以降低舰船建造成本。该系统能够自动检测焊缝性能,获取检测结果数据,并对其进行分析。可视化检测是在舰船建造中最常用的焊缝检测方法。由于目前检测使用机械标准,在1条焊缝中对离散的部位测量焊缝尺寸,从船体

21、结构进行装配到最后组装成整船,同一条焊缝要被检测数遍。在此之前被检测合格的焊缝,在重新检测中可能是不合格的,从而导致了不必要的修复过程。因此,美国海军正在开发的便携式焊缝检测系统将能对整条焊缝进行连续性的质量检测,并以简单的格式对结果进行记录。该系统消除了多余的检测次数,每年可节省超过2500个工时;避免了不必要修复过程,每年可节省2000个工时。312焊接变形预测和控制美国海军在薄板焊接变形预测和控制方面开展了大量的研究工作。海军ManTech 计划办公室为了减小薄板焊接变形,联合美国多家船厂和研究机构共同研究薄板制造中焊接残余应力和变形控制,以取代火焰校正方法。该研究项目取得了许多重要的技

22、术成果,包括初始板材的扁平度控制、满足弯曲变形的焊接过程修正、弯曲变形的瞬时加热拉伸控制、焊接过程的角变形控制、设计过程的弯曲变形控制等。这些技术已经得到许多应用,加热拉伸技术已经成功地在Pascag oula 船厂和新奥尔良船厂用于薄板生产;变形分析和控制工具帮助海军陆战队在远征战车计划中减少加工和返工的成本。这些技术创造了巨大的经济效益:美国海军减少了20%40%与焊接变形有关的制造成本;每艘DDG -51级驱逐舰的建造成本减少超过100万美元,而且大大减少了安装时间、二次焊接时间、返工次数和火焰校正次数;预计5年内制造成本将节约2100万美元,产生的投资收益率达到101。此外,其他国家也正致力于船舶用薄板焊接变形控制的研究。2005年,英国纽卡斯尔大学和BAE 系统船舶部对影响船板焊接,产生焊接变形的因素进行研究。他们建立了多层学习机的人工神经网络模型(MLP ,用6mm 和8mm