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焊接行业现状与自主创新战略
发布时间:2007/3/14  来源:  浏览次数:8302

作者:中国工程院院士 林尚扬

机械科学研究院哈尔滨焊接研究所副所长兼总工程师 杜兵

1.在装备制造业中的地位与作用

焊接是一种将材料永久连接,并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品,从几十万吨巨轮到不足1的微电子元件,在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域,直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。

中国2005年钢产量达到3.49亿吨,成为世界最大的钢材生产与消费国,而焊接结构的用钢量也突破1.3亿吨,相当于美国一年的钢产量,成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。

2005年中国完成的一些标志性工程来看,焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统,包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等,其中马氏体不锈钢转轮直径10.7m5.4m440t,为世界最大的铸-焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和1315个叶片焊接而成,每个转轮的焊接需要用12t焊丝,耗时4个多月。神舟6号飞船的成功发射与回收,标志着中国航天事业的巨大进步,其中两名航天员活动的返回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构,而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。2005年底由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器,直径5.5m长62m厚337mm重2 060t,为当今世界最大、最重的锻-焊结构加氢反应器,采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术,每条环焊缝需连续焊接5天。西气东输的管线长4 000 m,是中国第一条高强钢(X70)大直径长输管线,所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板-焊形式的焊接管。2005年我国造船的总吨位达到1 212万吨,占世界造船总量的17%,居于日、韩之后,稳居世界第三位,正向年产2 500万吨的世界水平迈进。国内制造的30万吨超级油轮、新型5668标箱集装箱船、15万吨散装货船,以及为世界瞩目的,被称为“中华第一盾”的170舰,都是中国造船界的骄傲,船体是典型的板-焊结构。另外,上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥;国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶;正在修建的奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重4万多吨,也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见,焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。

从“十一五”规划的二十项国家重大技术装备的研制项目可以看出,在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、30 60万瓦级循环硫化床(CFB)锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中,焊接制造都是关键制造工艺之一。

2.行业自主创新能力分析

21行业技术现状

新中国建立以来,特别是改革开放25年来,中国先后自行研制、开发和引进了一些先进的焊接设备、技术和材料。目前国际上在生产中已经采用的成熟焊接方法与装备,在国内也都有所应用,只是应用的深度和广度有所不同而已。中国的制造企业已经在采用诸如电子束焊接、激光焊接、激光钎焊和激光切割、激光与电弧复合热源焊接、单丝或双丝窄间隙埋弧焊、4丝高速埋弧焊、双丝脉冲气体保护焊、等离子弧焊接、精细等离子弧切割、水射流切割、数控切割系统、机器人焊接系统、焊接柔性生产线(W-FMS)、变极性焊接电源、表面张力过渡焊接电源(STT)和全数字化焊接电源等。甚至目前在国际上比较热门的搅拌摩擦焊技术,也已经应用到产品的生产上。中国的焊接生产技术水平有了很大的提高,但是存在问题的严重性也不容忽视。

总体来看,中国2004年的焊接材料生产总量达到210万吨,比美国、日本、德国三国焊接材料产量的总和还多,但是其中手工焊接用的焊条产量占75%,各种机械化、自动化焊接用焊丝占25%,焊接的机械化/自动化率为35%,达到历年来的最高比例。然而,这仅相当于日本20世纪70年代末焊接机械化/自动化率的水平,日本1979年焊接材料的总产量为40万吨,手工焊条占58%,各种焊丝占42%,焊接的机械化/自动化率为44%。

中国制造业中以焊接为主要工艺技术的企业约有 7 000家,其中特大型、大型和中型企业约占13,它们的焊接机械化/自动化情况明显要好于众多的小型企业。焊接机器人是实现焊接自动化、柔性化的重要途径。根据2001年的统计,全国焊接机器人有1 040台,到2005年底预计增加到2 700台左右,主要在汽车、工程机械、摩托车、轨道车辆、锅炉、金属家具及军工等行业。近几年来,汽车行业(包括汽车制造厂和零部件厂)大量安装和应用焊接机器人,全国焊接机器人的70%集中在汽车行业。但是目前全国焊接用的关节式工业机器人90%以上是进口的,基本上囊括了世界各国工业机器人的品种。全国只有一家中日合资的机器人生产厂家,但主要是将日本母公司生产的零部件组装成机器人,缺乏国内外自主品牌。一些高等院校和研究所也制造少量的工业机器人,但数量有限,在价格、性能、可靠性等方面难以和进口机器人竞争,在焊接领域已经逐步被边缘化。可喜的是,中国已经出现十多家具有一定经验的焊接机器人应用工程开发公司,他们采用进口的焊接机器人,根据用户的需求,自行设计制造外围设备,并集成为焊接机器人工作站或单元,完成交钥匙工程。目前约有20%的焊接机器人是由国内的工程师组成工作站的。但是比较复杂的机器人焊接生产线、柔性生产线,如汽车、工程机械的装焊生产线,基本上从国外公司成套进口。

制造超临界和超超临界火力电站锅炉、核电站成套装备以及石油化工装备的加氢反应器是国内能源发展的需要。焊接在这些重大装备的制造中起着重要的作用,但所需要的关键焊接材料,如超级耐热钢、超级不锈钢的焊接材料和耐蚀的镍基合金焊材、不锈钢堆焊用的带极材料基本依靠进口。工程机械用的高强度钢(9001100mPa)的气体保护焊焊丝也主要依靠进口。国内焊接材料厂有近千家,列入统计名单的大中型企业120家,并已形成以天津、自贡、上海、昆山、锦州等几个较大的企业集团。但总的说来,产品品种较少、研发能力弱、研究开发速度慢,大多数为中低端产品,难以抵挡国外中高端焊接材料产品的不断涌入。对国内重大技术装备与国防高新工程的研制具有严重影响。

电弧焊仍是当今焊接的主要方法,焊接电源的性能直接影响到焊接过程的稳定性和效率以及材料和能源的消耗,最终体现在焊接接头的质量一致性。近25年来国外电焊机技术水平随着电力、电子元器件和计算机技术的发展迅速提高,从原先的旋转式直流焊机发展到二极管整流焊机、晶闸管(可控硅)整流焊机、晶体管整流焊机、逆变式焊机,一直到现在的全数字化逆变式焊机。国内电焊机行业在计划经济时期主要由上海电焊机厂、天津电焊机厂、成都电焊机厂等国营大企业唱主角,现在它们都退下来了,全国电焊机行业形成近千家的众多小型企业的局面。当前引领中国电焊机产业的是两家合资企业,产品主要是外国母公司的品牌,占有国内电焊机市场的近半壁江山。具有中国自主知识产权的电焊机主要是晶闸管整流焊机和简单功能的逆变焊机。目前国内骨干装备制造企业使用的高档焊机,如前面提到的STT焊机、全数字化逆变式焊机、双丝脉冲气体保护焊机等基本上依靠进口。这些先进的焊机附加值极高,一台全数字化逆变焊机价格高达人民币1215万元,而一般同等功率的普通晶闸管整流焊机价格仅为24万元。中国每年进口的焊接电源和设备的费用约占全国市场的一半,而国内生产的焊接电源产值中有近一半是合资企业的。近千家中小企业的产值占不到13的国内市场份额,而且这些市场份额也主要依靠廉价的劳动力和一些商业运作手段维持,这样的竞争能力能维持多久值得思考。

综上所述,焊接工艺已经不是一种辅助工艺,它在最近几年已经成为制造业中的关键加工手段,完成了许多关系国计民生与国防建设的重大战略性产品的生产,中国已经毫无悬念地成为世界首屈一指的焊接大国。但是国内焊接生产中应用的关键焊接材料、焊接设备严重依赖国外进口,具有中国自主知识产权的关键技术与产品不多,而且总体研发、创新水平和速度都不高,与焊接大国的形象形成了巨大的反差。如果继续下去,将会逐步成为中国经济战略安全的薄弱环节。

22国外技术创新状况

世界各工业发达国家都非常重视焊接技术的发展与创新。美国和德国专家在讨论21世纪焊接的作用和发展方向。一致认为:

1)焊接(到2020年)仍将是制造业的重要加工技术,它是一种精确、可靠、低成本,并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接,并对所焊产品增加更大的附加值。

2)焊接技术(包括连接、切割、涂敷)现在以及将来,都有最大可能成功地将各种材料加工成可投入市场的产品的首选加工方法。

3)焊接不再是一种“应召工艺”,它将逐步集成到产品的全寿命过程,从设计、开发、制造到维修、再循环的各个阶段。

4)焊接将被认为对改善产品全寿命的成本、质量和可靠性是至关重要的手段,而且对提高产品的市场竞争力有重要贡献。

世界各主要工业发达国家都非常重视发挥焊接研究机构的作用,基本上都形成大学研究所企业的三级研究开发体系。各主要工业发达国家都成立了焊接研究所,如英国的焊接研究所(TWI)、美国的爱迪生焊接研究所(EWI)、法国焊接研究所(FWI)、日本的连接与溶接研究所(JWRI)、乌克兰的巴顿电焊研究所(PEWI)、德国亚琛大学的焊接研究所(ISF)和德国焊接学会(DVS)下属的分布在全国各地的焊接研究与培训中心(SLV)等,而韩国的焊接研究中心是设在韩国现代科学技术研究院(KAIST)的韩国工业生产技术研究院KITCH之内。它们都属于国家级的焊接研究机构。

国外近年来焊接技术的发展可以用下列有关工业机器人、焊接新电源和激光焊接技术等发展过程的几个例子来简要说明产学研结合的重要性。日本在1972年第一次国际全球石油危机之后,为了提高其汽车产业在国际上的竞争地位,开始引进、吸收美国的机器人技术,政府资助产学研结合大力发展本国的工业机器人产业,政府对应用本国机器人的制造企业给予税收的优惠,很快几家技术较强的电子/电器公司转型成为日本的工业机器人骨干企业,如安川(电机)、松下(电器)、FANAC(数控)等。从20世纪70年代至80年代末的15年间,日本的工业机器人迅速发展并超过美国成为世界工业机器人的生产与应用“王国”,2004年已拥有35.6万台各类机器人,占世界总量的42%。日本汽车产业也是应用机器人最多的行业,造就其价格竞争优势。韩国于20世纪80年代末开始大力发展工业机器人技术,在政府的资助和引导下,由现代重工集团牵头,到20世纪90年代末用了10年的时间形成自己的工业机器人体系,目前韩国的汽车工业大量应用本国的机器人,并已经有韩国的整套汽车焊接机器人生产线进入中国。中国从20世纪80年代开始,国家连续投入几亿元的资金,花了近20年的时间,但是由于工作过于学术化,至今连一个能批量生产具有中国自主知识产权的工业机器人的企业都没有建立,形成巨大的反差。

激光被认为是21世纪的新能源,激光技术反映一个国家的工业水平。激光在焊接中的应用正引起各国的重视。德国、俄罗斯、美国、日本、法国、意大利等国都很重视发展激光技术。德国已经将激光焊接、激光切割、激光+电弧复合热源焊接技术应用于汽车的生产,特别是铝合金轿车的生产,引领了汽车焊接技术的发展。德国政府很重视激光技术的发展,在政府的教育与研究部中设立了专门管理部门,负责协调激光技术的发展。在德国已经形成大学激光技术研究所激光应用工程开发公司的联合,以及激光主机生产厂激光配件生产厂激光应用企业的联合,形成一个立体覆盖网。由亚琛大学和Fraunhofer激光研究所(ILT)以及IPG公司联合,主要开发光纤激光器FL和半导体激光器(DDL)而斯图加特大学及其光学加工工具研究所(IFSW)和Trumpf公司联合,主要研究开发碟型激光器。德国的Rofin-Sina公司和Trumpf公司主要生产CO2激光器,HAAS公司则主要生产固体(Nd YAG)激光器,而IPG公司生产新型的光纤激光器,Laserline司生产半导体激光器,形成相互竞争又互相补充的激光技术研发与生产链。大众汽车、宝马汽车、奔驰汽车和美雅(Meyer)船厂是德国应用激光焊接技术的示范企业。德国的大众汽车已经将激光焊接技术引入中国,并在上海大众和一汽-大众的轿车批量生产线上应用,推动了中国激光焊接技术的应用。德国这种由政府牵头形成一条由研究开发主机生产配件制造应用技术开发示范企业有机结合的激光技术产学研结合链条,很值得中国学习。这种链条和日本发展机器人技术有异曲同工之处。

电弧焊至今仍是焊接的主要方法,而电弧焊技术的进步主要是由电源的发展带动的。国外企业非常重视焊接电源的开发,而且将电源的开发与电弧物理和焊接工艺技术相结合。每当出现一种新型焊接电源都同时推出新的控制方法。例如当出现晶闸管整流焊接电源就推出波形控制减少飞溅的CO2焊接电源和方波交流焊接电源;当逆变电源出现后就推出变极性电源、STT短路过渡焊接电源等;而当全数字化电源出现后又出现焊接电流和电压与送丝速度同步协调控制的双脉冲铝合金焊接电源和CMT“冷金属过渡”焊接电源等等。这说明焊接电源的发展并不只是电路的设计,它关系到电气技术、微电子技术、控制技术、计算机技术、电弧物理、工艺技术等工程技术人员的联合与合作,需要一个多学科的团队。国内电焊机行业缺乏龙头企业,缺乏这样的团队,是造成国内电焊机发展速度慢、小企业只能在低端产品的生产中挣扎生存的主要原因。

搅拌摩擦焊是20世纪90年代初由英国焊接研究所发明的固态焊接新技术,这是一项带有革命性的创新,由于焊接时金属不熔化、无弧光和热辐射、耗能小、效率高、工件变形小等诸多的优点,而迅速得到推广应用。目前已经在飞机、火箭、快艇、邮轮、火车车厢等铝合金结构制造领域得到应用。国内一些研究所和高校已经购买了英国的专利技术使用许可证,开始自己的创新活动,并部分应用于生产。

综上所述,国外主要工业发达国家的政府很重视焊接技术的发展,他们希望用先进的焊接技术来提高产品的生产质量、提高效率、降低成本,以此来与劳力成本相对低廉的国家进行市场竞争,这是一种战略手段。

23国内自主创新能力的问题和差距

231问题

与国外相比,从总体上看国内焊接生产的机械化、自动化水平较低,众多企业需要的、中国自有的、“使用量大面广”的焊接技术、焊接设备、焊接材料的水平甚至比尖端焊接技术更落后于国外。然而,对于汽车、造船、轨道车辆、电站锅炉、发电设备、重型机械、工程机械、集装箱等行业的中等以上骨干企业,在改革开放以来的多次技术改造中,引进了一些国外的先进焊接设备、材料和工艺,焊接生产的技术水平有了很大的提高,基本上能达到接近国外同类企业的水平,能够生产出国家经济和国防建设需要的装备和产品,只是先进技术的应用面、使用的数量和技术的先进程度有别于国外的企业。但是必须看到国内还缺少更多的具有自主品牌的先进焊接设备、高端焊接材料和高效焊接工艺技术,目前企业使用的这些先进焊接设备与材料大多依赖外国进口。国内焊接生产的这种表面辉煌,技术空心化的局面是一个严重的战略软肋。

国内焊接创新能力不高的原因是多方面的:

1)从国家层面来说,政府有关部门缺乏对焊接技术在国民经济发展和国防建设中的地位和重要性的全面准确认识;缺乏针对经济发展和市场竞争需求而提出焊接技术发展的战略性指导规划;过分追求高新精尖,而忽视基本焊接技术的创新。

2)从高等学校层面来说,1998年以前,中国共有50多所高等院校设立焊接专业,每年给国家培养上千名焊接毕业生。实行通才教育后,国家教育部仅批准哈尔滨工业大学一家仍保留独立的焊接专业,每年培养70 80名焊接专业学士、70名左右的焊接硕士博士。其他高校的焊接教研室大多改称焊接研究所,在通才教育的前提下,部分材料系或机械系的学生偏重于焊接学科,但是有关焊接的专业课程比原先减少了一半以上的学时。由于国内缺乏继续教育和专业培训的制度,这些大学毕业生要从事焊接技术的创新与开发需要比较长的在职锻炼时间。

目前,国内的高等院校,特别是著名的大学,创新能力都比较强从事焊接技术研究的领域,比较多偏向于自动控制、机器人、数值模拟、新型材料的焊(连)接,以及电子束焊接、激光焊接等高新技术方面。研究这些高新精尖技术很有必要,可以解决特殊领域的需求,也比较容易得到政府部门的资助。但是这些技术应用面相对比较窄,对国民经济发展的影响较小;而坚持从事“常规”焊接材料、焊接工艺和焊接电源创新研究的高校却屈指可数。例如中国手工焊条的年产量超过150万吨,是世界上最大的焊条生产国,这应该是中国的长项,但是由于长期缺乏深入的基础理论研究,中国焊条的质量和工艺水平长期落后于国外,而且进展缓慢。对于电焊机、电弧物理方面的研究已快后继乏人了。

3)从焊接研究机构层面来说,中国在20世纪50年代由机械工业部建立了专门的焊接研究机构——哈尔滨焊接研究所和成都电焊机研究所。其它产业部门也相继建立了相应的焊接研究机构,但是大多是以处、室的形式设在研究院所内,如钢铁研究总院的焊接室、冶金建筑研究院的焊接室、船舶工艺研究所的焊接室、航空制造工程研究所的焊接室等等。哈尔滨焊接研究所是国内唯一一所焊接技术综合性研究所,研究领域包括焊接材料、材料焊接性、焊接工艺、焊接设备、无损探伤等;行业服务中介领域包括全国焊接学会秘书处、全国焊接协会秘书处、全国焊接标准化技术委员会秘书处、国家焊接材料质量监督检验中心、焊接杂志社等。50年来,这些研究机构为中国的经济发展和国防建设做出了重要的贡献,同时也建立了具有比较先进的研究测试仪器和设备的实验研究基地,培养了一支具有多种学科、经验丰富、熟悉生产的科技队伍,树立了良好的科研气氛。随着改革的发展,一些工业部被撤消,有两百多个研究院所转制成为科技型企业,但是国家如何战略定位这些研究院所,对这些转制研究院所在科研、创新中要起什么作用,比较模糊。

4)从企业层面来说,2006年全国科技大会明确指出企业在科技创新中应起主体作用。“主体”并不是意味独干,或企业自己从头干起。政府应促进企业积极牵头,超前提出需要研究解决的课题,坚持产学研的有机联合开展预先研究;“主体”也要有所为有所不为,企业不能包打天下,什么都要自己来干。国家提出企业发挥主体作用是一项比较长远的目标要求,不是每个企业都能马上做到的。目前企业的研发力量大都比较薄弱,不可能、也不应该面面俱到。装备制造企业最主要的是从事产品的创新和管理的创新,而共性的工艺技术的开发,应该更多地依靠社会的研发力量——高等院校、科研院所和有关的专业企业。在2002 2003年期间,工程院的一个咨询项目曾对115家中型到特大型企业进行调查,在2 012名焊接技术人员中具有博士学位的仅1人,而具有硕士学位的不足2%。企业中其他工艺的技术人员可能也好不了多少。这个结果比较真实地反映当前制造企业中工艺创新能力的不足。

目前国家要在装备制造企业中投资建立工程技术中心,如果制造企业按已被转制的原先研究院所的模式来建立技术中心,将会造成研究资源的更大浪费。

改革开放以来,许多企业从国外引进先进的焊接设备和生产线,的确提高了工艺技术水平,改变了过去焊接生产的脏、慢、差的局面,但是在企业中也形成一种潜规则:凡是外国的设备就是先进的、好的、可以炫耀的,甚至出现“外国的再贵也要买、国产的再好也不要”的情况。企业的主体作用也应该包括给本国的创新产品提供舞台。

制造企业在引进国外的生产设备或新设计的产品过程,从引进到消化吸收比较多的是封闭在企业内自行解决,很少组织产学研的联合消化、创新的攻关,造成不断引进。其实产学研的结合对企业来说能够获得更多的信息和更全面的分析意见,帮助企业更快地掌握和吸收;而对高校和院所来说,也能获得更多、更具体、更详尽的国外先进技术资料,有助于进一步改进、创新。企业应提供更多的平台,更充分发挥和体现主体的作用。

韩国是刚从中国身边超越而跑到中国前面的国家,他们的科技发展很重视实效和对经济的促进作用。韩国政府对于一些需求量大而又依赖进口的设备(产品)会举行科技项目竞标,由政府资助、企业配套一定资金,实行产学研结合攻关,一旦出成果,国家将逐步减少对该产品的进口,鼓励装备制造企业用国产的产品。例如最近韩国进口一整套的轨道交通铝合金车厢焊接生产线,他们说:“我们就进口这一套,不会再进口第二套,第二套必然是国产的。”这种自豪是建立在国家的政策支持上。韩国并不追求获得“诺贝尔奖金”,但是他们的造船技术、钢铁技术、汽车技术、IT技术都超过了中国。因此不宜过度追求高新精尖,要适当注意基础共性技术的牢固。高新精尖技术是建立在牢固的基础共性技术之上的。

3.自主创新模式与创新道路分析

31创新与创新道路分析

技术创新模式原则上可以分为原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新。技术创新应与国民经济发展的需求相结合;重视在新时期新挑战面前的战略性创新规划;重视高端技术和常规共性技术的均衡发展;重视关键技术与相关配套技术的成套化发展;重视创新成果推广应用的环境建设。

关于创新的道路应该首先从战略角度来分析,日本、韩国和德国的做法很值得借鉴。例如日本在面对第一次石油危机的冲击,提出发展CO2气体保护焊和工业机器人技术以保持汽车和造船业的竞争力的战略性创新;韩国解决依赖外国关键技术由政府引导和部分资助企业为主导的产学研结合的创新;德国和欧盟发展新工艺、新技术来弥补劳力成本高以提高造船和汽车行业的国际竞争实力的系统成套创新等。

对于中国的技术创新,从共性技术发展的角度来看,应根据装备制造业的发展需求开展预研,由政府和装备制造企业共同资助,组成产学研联合攻关。企业应重视支持中国自己的创新成果,提供应用的舞台,促进国内自己的创新队伍的成长。企业应更多地提前提出需求,尽量通过对发展趋势的分析和预测,更多的是采取预先“订货”,而不是现时买“现货”的方式,才能推动有目标的自主创新。中国对于共性工艺技术的发展宜采取大学研究院所企业的三级创新体系

32创新案例

自改革开放以来,在国家设立发明奖的26年内,仅有十多项焊接成果获得过国家发明奖,可见国内在焊接方面的创新成果并不很多(主要指焊接材料、焊接工艺技术、焊接设备的直接成果)。从这十多个发明奖项目的推广面、应用效果、经济效益和社会效益角度来分析,可以认为哈尔滨焊接研究所的“双丝窄间隙埋弧焊技术”成果最为突出。该科研成果于1985年鉴定,同年申报发明专利,并于1987年授权;于1989年获机械部科技进步一等奖,1990年获国家发明三等奖,1994年获全国优秀专利项目奖。全自动窄间隙埋弧焊设备自从1987年开始在太原重型机器厂和哈尔滨锅炉厂推广应用以来,经过十多年的不断完善,现在已经有60台套在国内的骨干重点企业中应用,例如第一重型机械厂、第二重型机械厂、太原重型机械厂、哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、武汉锅炉厂、上海电站辅机厂、上海金山化工机械厂、兰州石油化工机械厂等,最多的一家有4套,先后焊接了如60万千瓦电站锅炉汽包、石化的大型加氢反应器、大型水压机的主工作缸和柱塞等产品,焊接的最大厚度达400mm,并已经成为中国重型装备制造企业的重要焊接生产设备。现在该设备已经稳稳地占领了国内市场,不仅价格比国外的类似产品低而且性能比外国的好,焊接效率高,焊接质量稳定,经多年的实际应用证明,接头一次探伤合格率达到99.5%以上。2005年由第一重型机械厂为神华集团生产的中国第一套煤直接液化装置的加氢反应器,通过国际招标,最终决定全部采用中国自己的专利产品——全自动双丝窄间隙埋弧焊设备(共两套)。该加氢反应器直径5.5m,全长62m,壁厚337mm,总重2060t,是当今世界最重最大的反应器。每个反应器由十多个大型整体锻造筒节焊接而成,每条环焊缝需要连续焊接5天,所有焊缝均一次探伤合格。

该项目是1980年第六个五年计划初期由国家科委下达的科技攻关课题,原计划是要求对常规埋弧焊设备进行现代化改造,以适应大型装备焊接的需求。课题组深入哈尔滨锅炉厂、第一重型机械厂、太原重型机械厂等大厂调研,并广泛阅读和仔细分析国外的文献资料。课题组发现美国和日本在19601970年代对不同形式的窄间隙气体保护焊进行过多年的研究,有成功的经验也有失败的教训。主要的问题是坡口过小难以实现自动化跟踪,而且一旦出现缺陷又难以清除和修复。课题组也发现欧洲在开发一种窄间隙埋弧焊方法,但不了解详细情况。1981年在埃森国际焊接与切割展览会中,发现两家国际著名的焊接设备公司展出一种单丝窄间隙埋弧焊设备,在与设备的开发工程技术人员的交谈中,尽可能详细了解设备的特点和设计思想。课题组认真分析了他们设备的优、缺点,并结合以往的科研和生产实践经验,认为该设备具备一定特色,但也存在重大问题,即当提高焊接电流以增大熔敷率时,电弧对母材的热输入量也将增加,母材热影响区中的过热区会加宽、组织粗化,接头性能将明显降低。另外他们采用单侧横向跟踪和环焊缝焊接每圈的搭焊方式容易出缺陷,也有必要改进。为了解决重型装备焊接效率和质量的矛盾,课题组采用了双丝的方案,并巧妙地布置和排列了两根焊丝,使之既能保证坡口侧壁熔透,又不增加对母材的热输入;既能保证高熔敷率,又能形成薄而宽的焊道,充分利用后一道焊道焊接时的热量对前一道焊道的热影响区进行正火处理,细化其过热区的晶粒。最终找到解决焊接质量和效率矛盾的两全方法。经实际焊接检验,效率比普通埋弧焊提高效率一倍以上,比单丝窄间隙埋弧焊提高60%,而焊接接头热影响区中过热区的冲击韧性达到接近正火+回火的母材水平。同时改进了跟踪的方式,采用横向双侧跟踪,并且还改进了搭焊的程序。实践证明这些措施是很有必要且相当有效的,也特别适合国内企业的生产实际需要。在无需提高接头装配精度的条件下,可以保证高效率焊接和稳定的焊接质量。这项成果是中国第一个研究成功并广泛推广的窄间隙焊接方法,该方法使国内的窄间隙焊接技术达到国际先进水平。

4.提高自主创新能力的战略目标及关键核心技术

41今后十年内自主创新战略目标

1焊接机械化、 自动化率从目前的35%提高到50%,提高焊接机械化、自动化成套装备的设计与制造能力,满足70%以上国内市场需求;

2从夯实国内焊接材料和弧焊电源的技术基础着手,提高研发能力,大力推进新型弧焊电源和高性能焊接材料的自主创新,使中国不仅是世界最大的焊接材料生产国,而且使焊接材料的质量和性能达到世界先进水平,使高端焊材的自给率达60%以上,焊材出口量超过25%;

3)围绕国家重大技术装备,重点解决重、大、厚、长及复杂焊接结构的优质、高效、智能化焊接技术的自主创新(包括船体高效焊接、大型水轮机的高效焊接、长输管线现场高效焊接、铝合金车体优质焊接、厚壁压力容器优质焊接、大面积容器(管)的耐蚀堆焊、厚大马鞍形焊缝的高效焊接等),使重大装备产品的关键焊接技术均有国内自主知识产权;

4发展焊接新技术(包括激光、激光与其它热源复合焊接技术、搅拌摩擦焊技术等),并在重点装备制造企业中推广应用。

42关键核心技术

焊接技术的总体发展趋势是高效、优质、低成本、环境友好、适应新材料、新结构、新功能要求,需要开展的关键核心技术有以下几个领域:

1)重大厚长及复杂焊接结构的优质、高效、智能化、自动化成套焊接技术关键技术主要是视觉传感技术、焊接过程的智能化和协调控制技术、工业机器人产业化与配套技术。必须重视国内工业机器人的产业化生产,缺乏自主的工业机器人系统,很难集成上述技术,并且在高端装备上受制于人。

2)激光焊接、激光与其它热源复合焊接以及搅拌摩擦焊等新型焊接技术。关键焊接技术主要有激光与材料的作用机理、激光与其它能源的复合机理、搅拌摩擦焊的成形机理的深层次认识,以及新工艺技术在新型材料(包括铝、镁、钛合金及超高强钢等)焊接中的冶金特性。

3)多功能全数字化逆变弧焊电源技术。关键技术主要有针对不同电弧过渡形式中的电弧物理与工艺特征的优化控制模式,数字化逆变焊接电源的研究开发不仅仅是电路的开发与创新,必须将逆变电源的开发与工艺,特别是电弧物理相结合,开发新型的、更高性能的、更多功能的弧焊电源,推动使用量大面广的弧焊技术的发展。