转型升级-现代焊接制造的发展趋势

来源：金属加工2013年第14期

1952 年我国钢产量为135万吨，焊条产量仅几百吨，各类钢结构大都是采用铆接。 六十年来翻天覆地的变化，使焊接技术已成为制造业和工程建设中不可缺少的重要工艺与技术支撑。我国焊接设备、焊接材料和切割机具等直接为焊接加工提供器材的行业总产值至今已达600亿元以上。

　　在2012年全国消费的近7亿吨钢材中，至少有3亿吨钢材在使用中涉及了焊接加工，焊接加工费用占各类焊接钢结构（包括各类机械、船舶、桥梁、建筑等）成本的5%至30%，由此计算焊接加工成本累计的总产值至少在3万亿元以上，因此可以说，我国已是位居世界第一的焊接大国。

　　与国内高端制造业对焊接品质的要求相比；与钢材品质提升相比；与制造业数字化智能化的进展相比，我国的焊接技术 和焊接产业仍有较大的差距，尤其在一些焊接器材和若干高端装备焊接方面，仍落后于发达国家。

　　2012年，中国工程院院长周济在中国工程院院企合作交流会上曾提出“制造业数字化智能化”是新的工业革命的核心技术，并展望其奋斗目标是：到2020年中国机械产品将全面应用数控技术，总体升级为“数控一代”。 到2030年中国机械产品将总体升级为“智能一代”，在制造业主要领域将全面推行智能制造模式，为中国现代化做出基础性、关键性、战略性的贡献。我想这也应该成为我国焊接科学技术和焊接产业的奋斗目标。

　　记得上世纪五十年代末，我们还在上学时，孟广喆教授多次讲到：“焊接是边缘科学，焊接科学是在融合多种学科的基础上发展起来的，今后也要持续融合相关学科的先进技术”。

　　融合，聚力，创新，是焊接科学发展的永恒动力。不仅仅是焊接结构设计和选材、焊接设备、焊接材料、焊接工艺等各自的持续创新； 更要着重关注焊接设备、焊接材料、焊接工艺三位一体的融合创新，为机械制造和工程建设提供焊接作业的整体解决方案。  

焊接与信息技术的协同发展

　　中国制造业至今规模已经很大，在制造业行业分类的30多个大类中，已经半数以上行业生产规模居世界第一，但是制造业总体水平还比较低，产业结构调整的要求十分迫切，提升空间很大。 对于广大科技工作者来说，积极促 进工业化与信息化的紧密结合，着力推 进制造技术机械化与信息化的两化融合 不仅是我们义不容辞的责任，也是提升 机械制造业推动制造技术走向现代化的 有效途径。

　　近年来，国际上一些大公司提出 “智慧地球”的概念，实际上是互联 网与物联网的有机结合；是新一代网 络和信息技术的深度应用；也是信息 化与工业化的深度融合，这一理念受 到全世界的广泛关注。

　　我们已经并不断深刻地认识到信息技术是经济增长“倍增器” ；是发展方式“转化器” ；是产业升级“助推器”。

　　为此，特别要重点推动和 深化信息技术在制造业中的应 用。实现两化深度融合，显著 提高制造技术与生产过程的信 息化程度，进而提高其现代化 的水平。

　　现代工业的发展与制造技术的创新已越来越依靠对事物规律的认识和科学原理的理解。

　　于是，现代制造过程已不仅 仅是一个物质化的增值过程，同 时也表现为一种以知识和信息为 要素的新生产方式，进而体现以 提高质量、节能减排和增强综合 效益为目标的现代化工业特征。 至今，科技与经济的发展已进入了 基于知识信息时代。知识是信息应用的 基础，当信息通过知识的提升成为能解 决实际问题的时候，将会把制造业推向 具有更高生产力水平的新阶段，将会极 大地促进人类社会更好、更快、更和谐 地创新发展。可见，用信息化提升机械制造业是 一个有效的切入点。一是将使信息化从 对制造的宏观管理深入到制造的微观细 节；二是将使信息化从对制造工序与物 流的低成本控制进入到对制造工艺与技 术的高品质优化。从而将逐步替代从事重 复性操作的工人及其传统生 产方式，使社会生产力得到又一次新的解放与发展。

　　具体地说，在积极促进产品设 计数字化、生产装备智能化、制造 过程自动化和经营管理网络化水平 迅速提高的同时还要关注由于电子 信息以及通信技术的发展推动和催 生一批新兴工业领域的蓬勃发展。

　　仅以“增材 制造技术”的发展趋势来说明两化融合的必要 性及现实性。 增材制造最原始的形态就是堆焊，例如用焊条手工电弧堆焊 或用自动化的小电流钨极氩弧填 丝堆焊，只是这类焊接热源不具 有显著的柔性和技术优势，尚不 能满足增材制造的实际需求。 然而高能束流（电子束、激 光束、离子束）是最具柔性的热 源，这正是在过去20年间增材制 造技术得以迅猛发展的技术基础；可聚焦、可扫描、可偏转的长焦距 高能束流与CAD/CAM技术相结合，在 真空室内或惰性气体保护的环境中，向 加热区填送金属丝材或铺送金属粉料， 材料逐层熔化、凝固堆积，构成了无模 具的快速成形或称金属直接成形的增材 制造技术。 特别是在航天航空等诸多领域的 多品种、小批量、复杂结构的制造过 程中，结构设计方案总是在不断修改 完善，增材制造技术的优势在于能顺 应这种变化，并做出快速反应，以无 需模具而实现新结构方案的低成本短 周期快速制造。例如：可用激光铺粉在充 氩室内完成增材制造钛合金结 构件和在真空室内完成电子束 送丝增材制造钛合金结构件等 等。

　　激光铺粉增材制造技术

　　电子束熔丝快速成形增材制造技术

　　可以看出：

　　也就是说，具有柔性可控 的焊接热源与CAD/CAM技术 相结合，都有可能形成新的增 材制造方法。增材制造技术是采用把材料逐 层累加的方法制造实体零件的技术 （做加法），相对于传统的把材料 去除 / 切削加工技术（做减法）来 说，该方法是一种“自下而上” 的 快速制造方法。 近二十年来，增材制造技术 取得了快速的发展，这一技术不 需要传统的刀具、夹具和多道加 工工序，在一台设备上可快速地 直接制造出复杂形状的零件，从 而实现“自由制造”。 可以看出，这一新技术缓 解了难以制造的复杂结构零件 的成形问题，减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越是复 杂结构的产品，其优越性越加 显著。 增材制造原理与不同的材料 和不同的增材制造工艺相结合形成了许多增材制造设备，目前已有设备种类达到二十多种。 并在诸如电子、机械、汽车、 航天航空、医疗、工业设计等诸多 领域得到了应用。其特点是实现单 件或小批量的快速制造，这一技术 特点决定了快速成形在产品创新中 的明显作用。 增材制造技术的发展具有美好 的前景，但也面临着巨大的挑战。 例如：材料的物理与化学性能往往 制约其工艺的实现，其质量、精度、效率与成本等问题也尚需予以关注 和解决。

　　总体来看，增材制造技术在制造工程领域有如下三个主要发展方向：

　　在今后10～20年， 可望实现如下三个主要目标：

　　目前，在工业发达国家增材制 造技术发展较快。例如：在航空航 天领域应用量大约8%，尤其适合于 多品种、小批量、复杂零件的制造。 由此可见，增材制造技术与企业产 品创新紧密结合是推动其发展的根 本动力。

　　为此，当前在以加快产业结构调整 和发展方式转变为主线，着力推进技术 优化和产业升级的同时，要把推进制造 技术与信息技术的深度融合作为促进制 造业在高起点上加快发展的重要环节。 这已成为我们制造科技工作者务必面对 的一个十分艰巨而重要的使命。

 　焊接装备的数字化与智能化

　　在《国家中长期科学和技术发展 规划纲要》确定的16项重大专项中， 如大型先进压水堆及高温气冷堆核电 站、大型油气田及煤层气开发、大型 飞机、载人航天与探月工程、集成电 路制造等均离不开连接技术。 在《国务院关于加快振兴装备制 造业的若干意见》中提出的16个重大 技术装备领域中，如大型清洁高效发 电装备、大型乙烯和煤化工成套设备、海洋石油工程装备及液化天然气（LNG）运输船、高速列车、飞机及航空发动 机等领域也与焊接密切相关。

　　这些重大工程的需求正推动 传统的焊接向自动化、智能化以 及“高精度控形”、“低损伤控性”的先进制造模式的转变，为此， 我们可从以下几个方面对焊接装 备的发展方向做一下分析和探讨：

　　近年来，以高性能、高效率为 目标的各种类型的复合焊技术成为 以改善工艺和产品质量为目标的热 点。一批具有自主知识产权的由新 原理、新装备支持的焊接新工艺正 在迅速形成。

　　1.积极促进焊接热源的创新发展

　　例如，近年来对激光-电弧热 源、激光-搅拌摩擦、等离子-电 弧热源、电弧-电弧热源等多种类 型的复合焊接热源与焊接工艺的 着力关注，其实质是改善单一热 源在能量分布与冶金过程中的局 限性，而使复合后的热源获得原 来不具有的效果和优势。 这一进展已经或将会以焊接工艺与装备集成的特点，使得焊 接“控形、控性”目标的实现走 出了实质性的一步并对当前迅速 发展中的高强、超高强材料的焊 接需求是一个十分重要的新的技 术支撑。

　　大家知道，现代控制理论与数字信号处理技术的结合，已能够通过“源”的能量输出形式的变化赋予“弧”的新的热特性和力特性，由此涌现出一系列“受控”条件下的弧焊新工艺。例如，通过对接头成形与热输入的定量分析来选择金属过渡的形式；多热源复合在提高焊接效率的同时也提升了焊接接头的综合性能。又如，对于船体甲板、舱壁、壳体等结构的T型梁，采用传统GMAW焊时是双面坡口焊接，当采用激光-电弧复合焊时，可以无坡口实现全熔透焊接，焊丝消耗可减少4至7倍，甲板焊接变形程度减小2/3。可见这些新工艺、新装备的深度开发及其推广应用已是我们面对的现实课题。

　　经20多年来的推广，使焊接 与切割等工业机械人得到了前所 未有的广泛应用，我国已成为世 界焊接机器人需求增长率最高的 国家之一，去年的销量达到2.26 万台。

　　2.积极促进焊接自动化智能化技术的持续发展

　　自2004年以来，国内焊接 机器人市场年平均增长率达到 40%以上，2011年增长率达到 51%，焊接机器人新安装量达 到23000台。国际机器人联合 会预测，到2014年中国将成为 全球最大的工业机器人市场。

　　近两年，一方面由于人力成本大幅上升，压缩了加工企业的盈利空间，另一方面对制造效率和产品品质的要求不断提高，从而迫使大量的制造企业向自动化和智能化生产模式转型。 至今，我国工程机械等 行业的“装载机”、“挖掘机”、“起重机”等产品的年 产量已超过万台以上。 徐工、中联、三一等国内工程机械行业大型企业，已经建立了具有特色的中厚板钢结构件机器人自动化生产线（100台以上焊接机器人），打破了国外公司对焊接自动化技术的长期垄断。手工焊的焊接速度难以超过每分钟500毫米，而先进的自动化焊接已达到了每分钟几米甚至十几米。 由此，就会提出金属在高速熔化、物化反应、凝固结晶等新的焊接冶金问题；就会提出对焊接过程组织、缺陷、应力状态等的控制问题； 就会提出焊接过程各参数信息的获取、分析及其与质量的关联问题；就会提出新的高效、高能量焊接热源及其“弧-源”协同问题；就会提出新的装备如何满足新工艺的需求问题。

　　“逆风正是起飞时”上述需要攻克的重点难题也正是我们面对的巨大开拓空间和发展前景。

　　必须认识传统焊接的“经验”制造与现代的先进制造之间的区别。并积极推动焊接工艺、焊接装备和焊接材料之间建立起“精量化”的联系，促使传统焊接制造过程由部分定量 + 经验试凑的模式向基于工艺与质量“数据库”的在线优化与监控模式的转变；

　　3.积极促进焊接装备产业的科学发展

　　实现从传统焊接的“控形”加工向 具有接头性能预测和参数调控能力的 “控性”技术的提升，这就需要我们着 力攻克“弧-源”能量传递形式、焊接热 循环和焊接材料冶金过程控制、焊接结 构应力状态对其服役性能影响等基础技 术研究的难关，进而推动具有机理和规律支 撑的、可定量预测和控制的新一 代焊接数字化和智能化制造体系 的形成，积极促进焊接装备产业 的科学发展。至今，我国虽为“焊接大国”，但仍 缺乏“大国”应有的实力。我们已经看到，现代装备的使役正趋向各类“极限”工作 环境，而且进一步提出了长寿命、高可靠 的要求，这些需求的挑战正颠覆和转变着 “焊缝成形美观”这一传统的焊接质量评 价观念。

 焊接细分产业的有机整合 

　　面对焊接的供需市场整体处于“高端靠国际名牌、中端靠合 资引进、低端靠国内拼抢”的势态，同时 在焊接领域之内，其工艺、装备、材料三 大基本板块（或三大焊接细分产业）之间 仍然十分缺乏有力度的相互融合，影响了 在国内外重大焊接工程中的市场占有率， 也影响了相关企业的发展。 

　　在焊接的基础理论与应用研究方 面也鲜有具有国际影响力的亮点与贡 献，这些现状将会极大地制约焊接技 术自身的进步及其与相关学科的协同 创新和持续发展。 我们期待着具有“中国设计”和 “中国创造”特色的焊接制造业，就 是为了不再以“引进”作为提高起点 的主要措施，不再以“仿制”和“替 代”作为中国制造的主要目标； 不再以“一哄而上”的“主 流式”研发作为“赶超”的主要 方式，不再以“低端”的无序竞 争作为生存的主要手段。 在国家经济建设的各大支柱 产业对焊接的需求中，其关键工 艺、关键装备和关键材料要以依 靠自己的能力和符合国情的创新 去解决。 犹如不同的文化，其特色间 的碰撞与激发成就其灿烂；犹如 生生不息的自然，当优势的互补 与融合方能出类拔萃。焊接同样 遵循着社会与自然发展的这一 “推陈出新”规律。 更如同改革，焊接同样进入 了发展的“深水区”，已不能再 依靠“人口红利和资源红利”， 已不能再依靠引进和依赖进口， 更不能踏入“比较优势”的陷阱 之中。 为此，我们焊接工作者将必须 与各界同仁一起，加强焊接制造业 与自动化、信息化、数字化、智能 化以及绿色化等高新技术的深度结 合，促进多学科的交叉发展，集中 攻克一批长期困扰焊接产业持续进 步的共性技术。 倡导产品与技术发展的多维 与个性化，推动新技术、新工艺、 新设备、新材料的示范应用，着 力打好“焊接强国”的翻身仗， 为中国制造业的进步与崛起做出 更大的贡献。 

　　我希望，通过焊接界广大同仁们 的锐意进取、协同创新，努力实现从 仅仅关注单个产品攻关，向更要关注 焊接产业链整合方向转变；努力实现 从仅仅关注争取订单和项目，向更要 关注人才团队建设与项目间的有机结 合方向转变。 我作为一名焊接工作者，更加衷心的祝愿：业内上下，凝心聚力，主动作为；创新 驱动做强，内生增长健康， 拓展高端市场。