1 我國(guó)焊接生產(chǎn)的現(xiàn)狀

焊接是一種將材料永久連接，成為具有給定功能的結(jié)構(gòu)的制造技術(shù)。幾乎所有的產(chǎn)品，從幾十萬載重噸的巨輪到不足 1 克的微電子元件，在生產(chǎn)中都不同程度地依賴焊接技術(shù)。焊接已經(jīng)滲透到制造業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性和壽命，以及生產(chǎn)的成本、效率和市場(chǎng)反應(yīng)速度。我國(guó) 2004 年的鋼產(chǎn)量達(dá)到 2.6 億多噸， 如果再加上進(jìn)口的鋼材， 國(guó)內(nèi)市場(chǎng)流通的鋼材總量接近 2.8 億噸，成為世界最大的鋼材生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。目前，鋼材是我國(guó)最主要的結(jié)構(gòu)材料， 在今后 20 年內(nèi)，鋼材仍將占有重要的地位。然而，鋼材必須經(jīng)過加工才能成為有給定功能的產(chǎn)品。 由于焊接結(jié)構(gòu)具有重量輕、成本低、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)周期短、效率高、市場(chǎng)反應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將日益增多。 2004年我國(guó)用焊接方法加工的鋼材總量已經(jīng)突破 1 億噸，成為世界上最大的焊接大國(guó)。焊接在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮著無可替代的重要作用，因此，發(fā)展我國(guó)制造業(yè)， 尤其是裝備制造業(yè)和造船業(yè)，必須高度重視焊接技術(shù)的同步提高。

為了完成諸多重要產(chǎn)品的焊接任務(wù)，在近 25年來我國(guó)已經(jīng)先后自行研制、開發(fā)和引進(jìn)了一些先進(jìn)的焊接設(shè)備、技術(shù)和材料。目前國(guó)外在生產(chǎn)中已經(jīng)采用的成熟焊接方法、材料與裝備在我國(guó)也都有應(yīng)用，只是應(yīng)用規(guī)模和廣度不同。我國(guó)的制造企業(yè)已經(jīng)在采用諸如電子束焊接、 激光焊接、 激光釬焊、激光切割、激光與電弧復(fù)合熱源焊接、 水射流切割、雙絲或單絲窄間隙埋弧焊、 4 絲高速埋弧焊、雙絲脈沖氣體保護(hù)焊、等離子焊接、精細(xì)等離子切割、數(shù)控切割系統(tǒng)、 機(jī)器人焊接系統(tǒng)、 焊接柔性生產(chǎn)線、STT 焊接電源、變極性焊接電源和全數(shù)字化焊接電源等等技術(shù)或設(shè)備。甚至目前在國(guó)際上比較熱門的攪拌摩擦焊技術(shù)，也正準(zhǔn)備應(yīng)用到產(chǎn)品的生產(chǎn)。我國(guó)的焊接工作者一直在積極努力追趕國(guó)際先進(jìn)水平，但是要趕上世界先進(jìn)水平還有一段很長(zhǎng)的路要走，需要政、產(chǎn)、學(xué)、研的合作與共同的努力。

1.1 我國(guó)焊接材料生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

一個(gè)國(guó)家焊接消耗材料的生產(chǎn)情況可以反映該國(guó)焊接技術(shù)的總體水平。從圖 1 可以清楚地看出我國(guó)焊材的生產(chǎn)，總體上是與鋼材同步增長(zhǎng)的。近 8年來產(chǎn)量增加了兩倍多。僅統(tǒng)計(jì)焊條與焊絲， 1996年的產(chǎn)量為 62.96 萬噸，發(fā)展到 2003 年已達(dá) 192.9萬噸，如果加上進(jìn)口的焊材， 總耗量超過 200 萬噸，成為世界最大的焊材生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)家。但是，從不同焊材的產(chǎn)量構(gòu)成看，當(dāng)前存在的問題也就明顯地顯現(xiàn)出來了。表 1 為近 8 年焊材產(chǎn)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。在我國(guó)生產(chǎn)的焊材中，手工焊的焊條產(chǎn)量一直占75%以上，而機(jī)械化、自動(dòng)化焊接需要的各種焊絲的總量不足 25%。按熔敷金屬計(jì)算，我國(guó)焊接機(jī)械化、自動(dòng)化率僅能達(dá)到 35%左右，而世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家一般都在 60%以上?？梢娢覈?guó)焊接生產(chǎn)的總體自動(dòng)化率仍比較低。這足以說明我國(guó)只是一個(gè)焊接的大國(guó)，還遠(yuǎn)不是一個(gè)焊接的強(qiáng)國(guó)。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還可以看出，近幾年來我國(guó)焊絲產(chǎn)量正在迅猛發(fā)展。例如氣體保護(hù)焊（ MAG ）用的實(shí)心焊絲從 1996 年到 2003 年增加近 5 倍，質(zhì)量也有明顯提高，目前已經(jīng)能夠滿足 90%以上的國(guó)內(nèi)需求。而先進(jìn)的藥芯焊絲，由于具有獨(dú)特的工藝性能， 8年來產(chǎn)量增長(zhǎng)了近 62 倍，成為我國(guó)發(fā)展最快的焊材。從過去主要依靠進(jìn)口，到現(xiàn)在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的藥芯焊絲 50%以上是自己生產(chǎn)的，并且有少量出口。

埋弧焊多在船舶、壓力容器、管道和鋼結(jié)構(gòu)件的制造中使用。我國(guó)埋弧焊絲的產(chǎn)量近年來也有較大增長(zhǎng)，但是只占焊材總量的 5%左右。而工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家埋弧焊絲的比例一般在 8%～10%。我國(guó)焊材生產(chǎn)中手工焊條的比重居高不下，使得我國(guó)焊材生產(chǎn)總量與鋼產(chǎn)量之比偏高。以 2002年為例，焊材生產(chǎn)總量（僅計(jì)算焊條和焊絲） 為 144.9萬噸，而鋼產(chǎn)量為 18500 萬噸，兩者之比為 0.78%，而 2003 年為 0.77%。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的比例一般在0.3%～0.5%，而發(fā)展中國(guó)家在 0.5%～0.8%。由于工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的手工焊條比重低，平均每 1 億噸鋼需要不到 40 萬噸焊材，而我國(guó)由于手工焊條比重過高，每?jī)|噸鋼需 77 萬噸焊材， 比工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高出近一倍。

按照節(jié)約資源和可持續(xù)發(fā)展的要求，我國(guó)必須盡快增加各種焊絲的產(chǎn)量和用量，逐步減少手工焊條產(chǎn)量，使焊材與鋼產(chǎn)量比例降到 0.5%以下。根據(jù)最近的全國(guó)調(diào)查結(jié)果，主要企業(yè)中交流焊機(jī)、直流焊機(jī)和 CO 2 焊機(jī)的比例分別為 26%、36%和 38%。非常巧合，主要造船廠的比例也大致相同。這些數(shù)字表明，近年來企業(yè)開始重視用機(jī)械化的CO 2 焊取代焊條手工焊，以提高生產(chǎn)效率，但這種取代的進(jìn)度還應(yīng)再加快。企業(yè)所用的直流焊機(jī)和CO 2 焊機(jī)大多數(shù)仍是晶閘管（可控硅）型的整流電源，逆變式焊機(jī)較少，全數(shù)字式焊機(jī)更少。因此，從改善焊接工藝性，提高質(zhì)量與生產(chǎn)效率，以及減少飛濺的角度出發(fā)，企業(yè)的電焊機(jī)有進(jìn)一步升級(jí)的必要。從企業(yè)消耗氣體保護(hù)焊焊絲（實(shí)心與藥芯焊絲）和手工焊條的情況看，以汽車零部件、集裝箱和工程機(jī)械等制造行業(yè)為最好，焊絲的用量占 90%以上，而造船業(yè)為 60%左右，鍋爐行業(yè)則低于 50%。這兩個(gè)行業(yè)埋弧焊的用量比較大，然而，氣體保護(hù)焊取代焊條手工焊的發(fā)展空間還較大。

1.2 我國(guó)焊接機(jī)器人的應(yīng)用情況

我國(guó)制造業(yè)中焊接機(jī)器人的應(yīng)用主要是在 20世紀(jì) 90 年代以后（個(gè)別企業(yè)在 80 年代中期），經(jīng)歷了一段摸索階段，近 8 年來焊接機(jī)器人的數(shù)量增加很快，特別是在汽車制造業(yè)。根據(jù) 2001 年的統(tǒng)計(jì)，全國(guó)共有各類焊接機(jī)器人 1040 臺(tái)，其中弧焊機(jī)器人多于點(diǎn)焊機(jī)器人，如圖 2 所示。汽車制造和汽車零部件生產(chǎn)企業(yè)中的焊接機(jī)器人占全部焊接機(jī)器人的76%，是我國(guó)焊接機(jī)器人最主要的用戶。汽車制造廠的點(diǎn)焊機(jī)器人（圖中帶陰影部分）多，弧焊機(jī)器人較少；而汽車零部件廠的弧焊機(jī)器人多，點(diǎn)焊機(jī)器人較少（陰影部分）。整個(gè)行業(yè)中點(diǎn)焊與弧焊機(jī)器人的比例約為 3:2。其他行業(yè)大都以弧焊機(jī)器人為主，主要分布在工程機(jī)械（ 10%）、摩托車（ 6%）、鐵路車輛（ 4%）、鍋爐（ 1%）等行業(yè)。近年來在金屬家具行業(yè)中采用焊接機(jī)器人的數(shù)量明顯增多。焊接機(jī)器人已經(jīng)分布在全國(guó)各個(gè)大經(jīng)濟(jì)區(qū)，但主要集中在東部沿海和東北地區(qū)。東部的上海和東北的長(zhǎng)春兩個(gè)汽車城是我國(guó)擁有焊接機(jī)器人最多的城市。

我國(guó)造船業(yè)應(yīng)用焊接機(jī)器人基本上還是空白，機(jī)器人數(shù)量最多的日本目前也不足 2%。由于造船可以認(rèn)為是單件生產(chǎn)，或者是多品種少批量生產(chǎn)，加上工件尺寸大，難以達(dá)到很高的裝配精度，這點(diǎn)和汽車工業(yè)完全不同，使得推廣應(yīng)用難度較大。所以，造船用的焊接機(jī)器人系統(tǒng)除了必要的外圍設(shè)備外，還必須配備離線編程軟件、 視覺跟蹤傳感裝置、自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以及高效率的焊接方法等。在當(dāng)前國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的情況下，為了提高造船質(zhì)量和效率，降低生產(chǎn)周期和成本，各國(guó)都在加緊研究在造船中使用高度自動(dòng)化的焊接機(jī)器人系統(tǒng)的最佳途徑。我國(guó)也必須重視這個(gè)發(fā)展動(dòng)向，當(dāng)前就應(yīng)集中力量進(jìn)行必要的準(zhǔn)備和開展預(yù)研工作， 避免落后。由于造船的焊接機(jī)器人系統(tǒng)涉及的技術(shù)多，也比較復(fù)雜，應(yīng)該采取以企業(yè)為主導(dǎo)的廣泛政產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)的方式，從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，全面解決造船焊接機(jī)器人系統(tǒng)的合理、正確應(yīng)用問題。

1.3 企業(yè)焊接技術(shù)人員和焊接工人概況

人是企業(yè)最具活力的生產(chǎn)力，企業(yè)是高新技術(shù)的載體。企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)說到底是人才的競(jìng)爭(zhēng)，包括技術(shù)人員的創(chuàng)新能力和工人的素質(zhì)。因此我們?cè)鴮?duì)企業(yè)技術(shù)人員和焊接工人的情況進(jìn)行抽樣調(diào)查。從115 家不同行業(yè)的中型到特大型企業(yè)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，共有 2,012 名焊接工程技術(shù)人員和 21,965名焊接工人（包括技師） 。他們的職稱比例如圖 3所示。企業(yè)焊接技術(shù)人員隊(duì)伍中 66%由工程師和助工組成，而具有研究員級(jí)高工職稱的人數(shù)僅占 1%。

這些焊接工程技術(shù)人員的學(xué)歷如下：

博士學(xué)位（僅有 1 人）— 0.05%

碩士學(xué)位— 1.7%

大學(xué)本科— 52.6%

大?！?22.9%

中專— 12.4%

電大/職大— 8.3%

其它— 2.05%

可見，目前企業(yè)中高學(xué)歷和高職稱的焊接技術(shù)人員太少。在 2,012 名焊接技術(shù)人員中僅有 1 名具有博士學(xué)位，而具有碩士學(xué)位的也不足 2%。我國(guó)每年培養(yǎng)的焊接專業(yè)博士近百名，碩士數(shù)百名。但是我國(guó)大多數(shù)企業(yè)缺少高學(xué)歷的、熟悉生產(chǎn)的焊接工程師和有經(jīng)驗(yàn)的焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，這已是一個(gè)不容忽視的嚴(yán)峻問題。現(xiàn)在已經(jīng)到了要大聲疾呼讓全社會(huì)重視引導(dǎo)高學(xué)歷、高素質(zhì)的優(yōu)秀人才到生產(chǎn)第一線去鍛煉、去工作的時(shí)候了。另外，中專畢業(yè)生在工廠的焊接技術(shù)人員中所占的比例也偏少（ 12.4%），其實(shí)，工廠有一些工作完全可以由中專學(xué)歷的技術(shù)人員來完成，不一定都讓大學(xué)畢業(yè)的技術(shù)人員去做。 實(shí)際上，這也是一種人力資源的浪費(fèi)，是一種不正常的社會(huì)現(xiàn)象。

應(yīng)該注意到， 我國(guó)從 1998年開始，高等院校取消各單獨(dú)的熱加工專業(yè)，合并成材料加工工程，實(shí)行了通才教育。然而，對(duì)企業(yè)來說需要的是能盡快獨(dú)立工作的人才。能夠盡快從“通才”過渡到“專才”，要求我國(guó)的教育培訓(xùn)體系有一個(gè)合理的總體安排。其中，高等教育應(yīng)能適應(yīng)不同層次的社會(huì)需求，特別是廣大基層企業(yè)對(duì)技術(shù)人才的需求。工科的高等教育應(yīng)特別注意，并重點(diǎn)培養(yǎng)能適合在現(xiàn)代企業(yè)工作的工程師。這是人數(shù)最多，對(duì)發(fā)展我國(guó)制造業(yè)有深遠(yuǎn)影響的群體。在四年的工科教育中不僅要使學(xué)生掌握基本的科學(xué)知識(shí)，更重要的是能真正了解現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)和管理特點(diǎn)， 樹立良好的職業(yè)道德，培養(yǎng)牢固的敬業(yè)精神和認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，確立深入生產(chǎn)一線的思想。只要有一支強(qiáng)大的、高素質(zhì)的工程師隊(duì)伍為后盾，我國(guó)的工業(yè)基礎(chǔ)才能牢固，科技成果才能有眾多的承接主體，制造業(yè)才能有所創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展。

從調(diào)查的 21,965 名焊工來看， 90%以上都取得焊工證書， 85%的焊工年齡在 45 歲以下， 說明我國(guó)的焊工是一支比較年輕的、技術(shù)合格的隊(duì)伍。目前焊工的主要來源有如下幾個(gè)方面：

技校 — 58%

企業(yè)培訓(xùn) — 30%

臨時(shí)工 — 8%

其它 — 4%

可見，技校畢業(yè)的學(xué)生是我國(guó)焊工的主要來源。然而，不同行業(yè)焊工的來源也不盡相同，如圖 4 所示。一些企業(yè)集團(tuán)公司和大型企業(yè)都有自己的技校，為本企業(yè)培養(yǎng)焊工的后備人員。但是，當(dāng)前還有相當(dāng)一部分企業(yè)興辦的技校由于經(jīng)費(fèi)困難和不能招收到足夠數(shù)量愿意學(xué)習(xí)焊接的學(xué)生，已經(jīng)難以為繼。如果這個(gè)問題不能得到解決，技校不能輸送足夠的焊工后備軍，企業(yè)自行培訓(xùn)焊工的比例將繼續(xù)升高，企業(yè)的負(fù)擔(dān)也將加重。 這樣，企業(yè)不僅要將 “通才”的大學(xué)畢業(yè)生培養(yǎng)成焊接的專才，還要把“新手”培養(yǎng)成熟練焊工，這會(huì)拖累企業(yè)發(fā)展的步伐，也是不盡合理的社會(huì)分工。政府有關(guān)部門應(yīng)重視并盡快解決這個(gè)工人預(yù)備隊(duì)的來源問題。

當(dāng)前一些造船廠和金屬結(jié)構(gòu)廠采用較多的焊接外包施工隊(duì)或協(xié)力工，解決焊接工作量不均勻的問題。這是一種新的形式，需要規(guī)范化管理，加強(qiáng)考核與培訓(xùn)力度，才能保證施工質(zhì)量。

焊接技師是具有熟練技能和專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)焊工，但是目前企業(yè)中焊接技師與焊工的比例僅為 4%。這說明企業(yè)過去對(duì)培養(yǎng)高水平焊工的力度不夠，應(yīng)引起企業(yè)和全社會(huì)對(duì)高技能人才的培養(yǎng)和晉升的重視。

我國(guó)的焊接生產(chǎn)技術(shù)在改革開放以來，取得了巨大的進(jìn)步，成功地焊接了許多具有標(biāo)志性意義的重大產(chǎn)品，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮了重要的作用。我國(guó)已經(jīng)成為世界最大的焊接大國(guó)，但還遠(yuǎn)不是焊接強(qiáng)國(guó)。今后 10 年內(nèi)應(yīng)重視解決如下三方面的戰(zhàn)略性問題：

— 全面提高我國(guó)的總體焊接生產(chǎn)技術(shù)水平， 與國(guó)際接軌；

— 培養(yǎng)與吸引一批優(yōu)秀的焊接專業(yè)技術(shù)人才，提高自主創(chuàng)新能力；

— 在一些國(guó)際焊接相關(guān)尖端前沿科技領(lǐng)域占有一席之地。

這需要制定長(zhǎng)遠(yuǎn)和近期的發(fā)展規(guī)劃， 需要政府、企業(yè)、高校、研究院所的通力合作，需要有一批優(yōu)秀的管理、設(shè)計(jì)、制造、組織人才，需要充分依靠科技，在吸收國(guó)外先進(jìn)科學(xué)、 技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化自主創(chuàng)新的能力， 爭(zhēng)取在 15 年內(nèi)使我國(guó)成為世界焊接強(qiáng)國(guó)。

2 造船行業(yè)焊接技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)問題

我國(guó)造船產(chǎn)量 2004 年已經(jīng)突破 850 萬載重噸，超過歐洲造船總量，穩(wěn)穩(wěn)坐牢世界第三造船大國(guó)的位置。預(yù)計(jì)今年產(chǎn)量將達(dá)到 1000 萬噸，逐步向韓國(guó)和日本看齊。中國(guó)造船業(yè)的迅速崛起，引起了國(guó)際的高度重視，正在掀起新一輪的造船科技發(fā)展大競(jìng)賽。競(jìng)賽的焦點(diǎn)還是優(yōu)質(zhì)、高效、低成本。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)（International Institute of Welding, IIW ）應(yīng)歐洲造船界的要求，于 1997 年成立“造船工作組”（WGShipbuilding），目的是綜合各國(guó)焊接界的智慧，采用先進(jìn)制造技術(shù)和質(zhì)量管理模式，提高造船業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 2004 年討論研究的主要問題有：

— 造船的質(zhì)量管理體系

— 造船中應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行焊接與切割的現(xiàn)狀與經(jīng)驗(yàn)

— 造船中應(yīng)用激光技術(shù)的現(xiàn)狀與經(jīng)驗(yàn)

— 焊接鋁結(jié)構(gòu)船體的現(xiàn)狀與經(jīng)驗(yàn)

— 焊工的戰(zhàn)略資源問題

美、歐、日、韓等國(guó)家的主要船廠和有關(guān)組織都派人參加該工作組的活動(dòng)。歐洲的船廠希望通過該組織的活動(dòng)，有助于振興歐洲的造船業(yè)，因此曾經(jīng)組織多次歐洲船廠之間的經(jīng)驗(yàn)交流。而日、韓則希望繼續(xù)保持領(lǐng)先地位。我國(guó)應(yīng)關(guān)注這個(gè)組織的動(dòng)向，在可能的情況下應(yīng)爭(zhēng)取派人參加，更好地吸收外國(guó)的經(jīng)驗(yàn)，加快我國(guó)造船焊接技術(shù)的發(fā)展。

從工作組 2004 年的討論內(nèi)容，可以看出他們當(dāng)前所關(guān)注的重點(diǎn)，即 21 世紀(jì)造船的質(zhì)量管理新模式、焊接自動(dòng)化和高效率化、 大型鋁合金船的制造、高技能焊工資源緊缺等問題。眾所用知，焊接是造船中工作量最大的工序，圖 5 為超級(jí)油輪（ VLCC ）制造的工時(shí)分配情況。提高焊接過程的自動(dòng)化率，不僅能改善焊接質(zhì)量和降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且能減輕歐洲高技能焊工資源緊缺的壓力。焊接過程自動(dòng)化的主要發(fā)展方向是如何正確應(yīng)用焊接機(jī)器人系統(tǒng)和需要發(fā)展什么樣的機(jī)器人系統(tǒng)。造船中長(zhǎng)期使用埋弧自動(dòng)焊和氣體保護(hù)半自動(dòng)焊方法，當(dāng)前如何利用最新的技術(shù)，進(jìn)一步提高焊接效率與質(zhì)量，成為新一輪競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)。從節(jié)省能源和環(huán)保角度出發(fā)，減輕船體重量，提高載重量和航行速度，是主要發(fā)展方向，這使造船材料發(fā)生新的變化，高強(qiáng)度鋼和鋁合金的用量將會(huì)迅速增加，給焊接帶來新的問題。這些新的發(fā)展動(dòng)向所提出的問題，將在下面進(jìn)行簡(jiǎn)要的討論。

2.1 造船焊接機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用

造船中的平面分段和曲面分段組件尺寸都很大，而一般的工業(yè)機(jī)器人的活動(dòng)半徑只有 1.5m 左右，因此機(jī)器人必須有輔助移動(dòng)裝置，而焊件多擺放在平臺(tái)上，不需要附加工件變換位置的變位機(jī)。

目前大致有三種不同形式的輔助移動(dòng)裝置：龍門架式、小車-軌道式和遙控小車式。 龍門架式是把焊接機(jī)器人固定在龍門架的臂上，一般可較大范圍地增加機(jī)器人在 X、 Y、Z 三個(gè)方向的移動(dòng)距離，并與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè) 9 軸以上的復(fù)雜機(jī)器人系統(tǒng)，使機(jī)器人能從大型工件的上方進(jìn)入焊接位置，多用于有空間焊縫的箱型隔框結(jié)構(gòu) （ Egg Box）或曲面組件的焊接，如圖 6 所示。龍門架式機(jī)器人系統(tǒng)在造船中已有較長(zhǎng)的使用歷史。 小車 -軌道式是把機(jī)器人固定在一個(gè)可沿軌道移動(dòng)的小車上，因此只能增加機(jī)器人一個(gè)方向的移動(dòng)距離， 如圖 7 所示，用于從下面進(jìn)入箱型隔框結(jié)構(gòu)，進(jìn)行立縫與橫縫的焊接。這種方式成本較低，可方便轉(zhuǎn)換位置，比較靈活。近期提出的遙控小車方案，是將機(jī)器人固定在一輛帶有多種傳感器的小車上，具有自己行走與搜索、自行定位和自動(dòng)任務(wù)規(guī)劃等功能的高度自動(dòng)化焊接機(jī)器人系統(tǒng)。這是今后的一個(gè)發(fā)展方向，正處于試驗(yàn)階段，技術(shù)難度較大。

一般平板拼板的對(duì)接焊和筋板角縫的焊接，都采用機(jī)械化的焊接系統(tǒng)，而有復(fù)雜焊縫的組件難以用機(jī)械化焊接方法，手工焊效率又太低，目前開始選用焊接機(jī)器人系統(tǒng)。然而，船廠要選用焊接機(jī)器人系統(tǒng)焊接復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)開發(fā)針對(duì)本廠特點(diǎn)的焊接機(jī)器人系統(tǒng)離線編程軟件。目前還沒有通用的離線編程軟件版本，需要解決和船體設(shè)計(jì)軟件以及所選用的機(jī)器人的制造廠商提供的機(jī)器人離線編程軟件的接口問題，以便能直接從數(shù)字化的設(shè)計(jì)圖紙?zhí)崛『附酉嚓P(guān)的信息，并能為機(jī)器人離線編程系統(tǒng)所接受。同時(shí)，還需要針對(duì)本廠所造船型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，例如開孔補(bǔ)強(qiáng)的形式，編制各種不同的焊接子程序庫(kù)，以便隨時(shí)調(diào)用。造船機(jī)器人的離線編程軟件的開發(fā)，不是機(jī)器人制造廠商或軟件開發(fā)商單獨(dú)所能完成的，必須由船廠的設(shè)計(jì)人員和焊接人員和他們共同完成，而且應(yīng)早于設(shè)備的安裝，有一定的提前量，以免影響投產(chǎn)的進(jìn)度。

此外，由于船體的組件尺寸很大，可達(dá) 20m×20m，被焊件的位置和接縫的間隙很難精確控制，因此，機(jī)器人需要帶有視覺傳感器，目前比較成熟的有激光視覺傳感器，它不但能夠自動(dòng)跟蹤直線和曲線的接縫，而且還能對(duì)不同的間隙和坡口寬度進(jìn)行檢測(cè)和自適應(yīng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，以保證焊縫尺寸的均勻一致和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。

2.2 新型焊接電源和焊接方法的發(fā)展與應(yīng)用

近年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，焊接電源也有明顯的進(jìn)步。焊接電源已經(jīng)從旋轉(zhuǎn)直流焊機(jī)發(fā)展到晶閘管整流焊機(jī)，到逆變焊機(jī)，到最近的全數(shù)字化焊機(jī)，經(jīng)歷了好幾代的發(fā)展階段。數(shù)字電源是相對(duì)于模擬電源而言。全數(shù)字化電源是最新的一代，它的結(jié)構(gòu)框圖如圖 8 所示。全數(shù)字化是指焊接參數(shù)數(shù)字信號(hào)處理器、主控系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和送絲系統(tǒng)全部都是數(shù)字式。所以電壓和電流的反饋模擬信號(hào)必須經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換，與主控系統(tǒng)輸出的要求值進(jìn)行對(duì)比，然后控制逆變電源的輸出。這種焊接電源的最大特點(diǎn)是焊接參數(shù)穩(wěn)定，受網(wǎng)路電壓波動(dòng)、溫升、元器件老化等因素的影響很小，具有很高的重復(fù)性，焊接質(zhì)量穩(wěn)定、成型良好。同時(shí)，由于 DSP 的響應(yīng)速度很快， 可以根據(jù)主控制系統(tǒng)的指令（給定值）精確控制逆變電源的輸出，使之具有輸出多種電流波形和弧壓高速穩(wěn)定調(diào)節(jié)的功能，適應(yīng)多種焊接方法對(duì)電源的要求。一臺(tái)電焊機(jī)可以頂多種電焊機(jī)用，只需要改變或輸入相應(yīng)的控制程序。全數(shù)字化電源和非全數(shù)字化電源的主要區(qū)別就在于有沒有焊接參數(shù) DSP 和數(shù)字化送絲控制器。 必須指出，全數(shù)字化電源應(yīng)該配用數(shù)字化的送絲機(jī)，才能獲得最佳的效果，不僅能穩(wěn)定送絲速度，而且能在焊接過程精確控制和調(diào)節(jié)送絲速度的變化，如快-慢脈動(dòng)、送 -停脈動(dòng)、送 -抽脈動(dòng)等。下面簡(jiǎn)要介紹幾種利用全數(shù)字化電源的新焊接方法。

2.2.1 雙脈沖焊接方法

雙脈沖焊接方法是全數(shù)字化電源的一種應(yīng)用范例，雙脈沖是指送絲速度的快 -慢脈沖和焊接電流的高-低脈沖。 雙脈沖焊和一般的脈沖焊不同， 脈沖焊的送絲速度不變，而焊接電流在峰值與基值電流之間作較大幅度的變動(dòng)；雙脈沖焊的送絲速度是在平均速度基礎(chǔ)上作小幅度的變動(dòng)， 如±（1~2）m/min，而焊接電流也在平均電流下作一定幅值的同步變動(dòng)，脈沖頻率一般在 1Hz~5Hz 之間。 雙脈沖焊接方法有效地控制熱輸入量，很適合薄鋁板的焊接。而且，由于雙脈沖對(duì)熔池的振動(dòng)攪拌作用，有利于氣體的逸出，可減少氣孔的產(chǎn)生；焊縫的成型均勻美觀，類似于 TIG 焊的焊縫。

2.2.2 CMT 焊接方法

CMT 是 Cold Metal Transfer 的縮寫，是一種精確控制熱輸入的短路過渡焊接方法，很適合于薄鋁板、鋼板和異種材料的焊接或釬接。它的焊接過程是引弧時(shí)焊絲送進(jìn)并與鋼板接觸，電源輸出一個(gè)很小的基值電流，焊絲回抽，電源逐漸增大電流并引弧。這種的引弧方法基本上沒有飛濺，被認(rèn)為是無飛濺引弧。引弧后，在達(dá)到規(guī)定的弧長(zhǎng)時(shí)，開始向前送絲，電源輸出一個(gè)確定寬度和幅值的脈沖電流，使焊絲端頭形成一定體積的熔滴金屬，電流回到基值，等待熔滴與熔池的短路。一旦短路，焊絲開始回抽，重新引弧。由于整個(gè)短路過程從開始到斷開都處于低電流階段， 飛濺極少。 CMT 焊接的特點(diǎn)是每一個(gè)周期的能量輸入是一定的，不僅能較準(zhǔn)確控制每個(gè)熔滴的尺寸，而且能調(diào)節(jié)對(duì)母材的熱輸入。焊接過程送絲作送 -抽脈動(dòng)，而焊接電流作峰值 -基值脈動(dòng)，脈沖頻率可達(dá) 70Hz。這種方法可以焊接薄鋁板或薄鋼板，也可以用 CuSi 焊絲對(duì)鋼板進(jìn)行電弧釺焊。更有特色的是，這種方法可以連接鋼板和鋁板。鋁和鋼是不能直接進(jìn)行熔化焊的，因?yàn)闀?huì)形成很脆的金屬間化合物。 CMT 焊接方法能夠精確控制熱輸入，使鍍鋅鋼板側(cè)不熔化， 與 AlSi 焊絲形成釬接縫，而與鋁側(cè)形成熔化焊縫。

2.2.3 雙絲氣體保護(hù)焊

雙絲氣體保護(hù)焊是一種高效率的氣體保護(hù)焊方法。這種方法是一把焊槍在同一個(gè)大噴嘴里，同時(shí)送出兩根焊絲，而兩根焊絲之間是相互電絕緣的，由兩臺(tái)送絲機(jī)送絲和兩臺(tái)焊接電源分別供電。由于兩根焊絲的距離比較近，約 8mm，為了避免兩電弧間的相互干擾，采用輪流脈沖的方式，即前絲處于峰值電流時(shí)，后絲處于基值電流；后絲峰值，前絲基值。一般每小時(shí)最高約能熔化直徑 1.2mm 的焊絲10kg，而雙絲氣保護(hù)焊則可熔化 25kg。如果要焊接一條焊腳為 6mm 的角焊縫，一般 MAG 焊的焊接速度 為 300mm/min ， 而 雙 絲 氣 體 保 護(hù) 焊 可 達(dá)1000mm/min 。這種方法不僅能焊接厚鋼板也可以焊接薄鋼板，也可以用于鋁合金板的焊接，提高焊接效率。

全數(shù)字化焊接電源的出現(xiàn)，為新型焊接方法提供一個(gè)很好的平臺(tái)，我們要關(guān)注這種電源的發(fā)展，并在條件允許時(shí)，在生產(chǎn)中采用，以提高我們的焊接水平。

2.3 激光焊接技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

由于激光焊接能量密度高，可精確控制，穿透能力強(qiáng)，焊縫的深寬比大，熱輸入量低，焊接變形小，可在大氣中焊接等優(yōu)點(diǎn)， 被認(rèn)為是 21 世紀(jì)的焊接新熱源。但是由于激光聚焦后的光斑直徑小，約0.2mm~0.6mm，對(duì)被焊工件的裝配間隙要求很嚴(yán)。根 據(jù) 不 同 板 厚 ， 對(duì) 接 的 最 大 允 許 間 隙 一 般 在0.25mm~0.4mm 之間，這對(duì)較大型的工件，如船體結(jié)構(gòu)，很難達(dá)到。另外，激光焊大多是不填絲的，由于光斑小填絲比較困難，還會(huì)影響效率。然而，不填絲的激光焊，對(duì)于某些材料，如鋁合金，不能改變焊縫金屬的成份，不利于消除裂縫、氣孔和改善接頭性能。 為了解決這個(gè)問題， 近年來興起激光 -電弧復(fù)合熱源焊接。電弧焊是一種便宜的能源，可以填充金屬，搭橋能力好，對(duì)間隙不敏感等優(yōu)點(diǎn)，剛好和激光焊互補(bǔ)。發(fā)展激光 -電弧復(fù)合熱源焊接，可以充分發(fā)揮激光和電弧的優(yōu)點(diǎn)，相互彌補(bǔ)對(duì)方的不足，使 1+1 大于 2。圖 9 為不同焊接方法在相同焊接速度和相同熔深條件下，焊接參數(shù)和焊縫成型的對(duì)比。哈爾濱焊接研究所對(duì)激光 -電弧復(fù)合熱源焊接進(jìn)行了研究， 采用 2000W CW 的 Nd:YAG 激光器和全數(shù)字化的直流脈沖焊接電源，對(duì) 8mm 的 LF6鋁合金進(jìn)行熔深對(duì)比試驗(yàn)。 發(fā)現(xiàn)單獨(dú) MIG 焊的熔深小于相同速度的 2kW 激光焊的熔深，在這些較小焊接電流范圍內(nèi)，電弧與激光復(fù)合進(jìn)行焊接，無論電弧功率的大小， 復(fù)合焊的熔深都大于單獨(dú) MIG 焊的熔深，而且焊接速度都比 MIG 快。在這范圍內(nèi)（ 2000W 激光電弧電流小于 180A）激光對(duì)熔深起主導(dǎo)作用，如圖 10 所示。例如 2000W 的激光與 80A的電弧復(fù)合，其熔深和 160A 的 MIG 焊相當(dāng)，而焊接速度快，線能量低；當(dāng)復(fù)合焊的電弧電流與 MIG焊相同， 如均為 120A，在熔深相同條件下， 復(fù)合焊的速度為 MIG 焊的 3 倍多，線能量只有 MIG 焊的49%，變形小。當(dāng)單獨(dú) MIG 焊的熔深大于同等速度的激光焊縫的熔深，在這些電流范圍內(nèi)，激光與電弧復(fù)合焊，其電弧的電流必須與單獨(dú) MIG 焊的電流相等或更大， 才能使熔深大于單獨(dú) MIG 焊，但是焊接速度要比單獨(dú) MIG 焊快得多，焊接線能量低很多，可明顯降低焊接變形量。在這范圍內(nèi)（ 2000W激光電弧電流大于 180A）電弧對(duì)熔深起主導(dǎo)作用，但是激光能量的加入可提高焊接速度、 降低線能量，如圖 11 所示?？梢?,當(dāng)兩個(gè)電弧都是 240A 時(shí)，復(fù)合焊與 MIG 焊的熔深一樣，但復(fù)合焊的焊接速度為MIG 焊的 3 倍，而線能量減少 50%以上。還必須指出，在這個(gè)范圍內(nèi)，由于激光對(duì)熔深并不起主導(dǎo)作用，激光光斑的直徑大小對(duì)熔深沒有決定性的影響，只是加入相應(yīng)的熱量，因此可以選用體積小的半導(dǎo)體激光器，如圖 12 所示。這種激光器的光斑直徑較大，一般在 2mm 左右，但是設(shè)備的體積小，有利于和電弧的復(fù)合， 方便與焊接機(jī)械化 /自動(dòng)化設(shè)備的連接。

科技在進(jìn)步，焊接技術(shù)在發(fā)展，將不斷促進(jìn)制造能力和水平的提高。 我國(guó)造船業(yè)要在 10 年內(nèi)趕超韓國(guó)和日本，必須充分依靠科技，必須有一批優(yōu)秀的管理人員、焊接技術(shù)人員和技術(shù)工人，必須發(fā)揮企業(yè)的主導(dǎo)作用，實(shí)行廣泛的政產(chǎn)學(xué)研的大結(jié)合，必須迅速提高自主創(chuàng)新能力。希望焊接技術(shù)的發(fā)展對(duì)我國(guó)成為世界第一造船大國(guó)發(fā)揮更加積極的作用。