关于焊接技术与产业发展的粗浅思考
中国机械工程学会宋天虎
1关于焊接技术的发展
1.1焊接装备的数字化
“数字化革命”从表象上看，促使焊接装备从结构到控制方式进入了一个新技术的时代；而本质上，则是新型材料、高性能焊接结构以及优质高效焊接生产等现代制造技术强劲需求驱动的结果。从而在高新技术与焊接技术交叉融合的深层次上，为焊接装备的发展与创新提供了新的理念、新的模式和新的发展空间。
1.1.1数字化引发的启示
数字化概念进入焊接界的视野可以从上世纪90年代初的焊接电源“数字化革命”作为起步，随之开展的“半数字化”、“全数字化”等学术论坛、技术开发及其产业化的过程，使新一代焊接电源的“硬件模块化”与“功能软件化”理念得到了极大的推动。尤为瞩目的是，将焊接工艺和材料的信息资源集成在焊接电源之中，展现出焊接工艺、装备和材料之间的相关要求与定量联系，体现了传统焊接制造从经验向科学的转变中具有工程应用意义的进步。与此同时，借助于网络通讯功能，已显示出其对焊接制造泛在信息的传递、分析、监控与服务等功能上的明显优势和发展前景。由此可见，数字化技术以其对物理场与信息场之间的强大转换和处理能力。对焊接科学与技术的发展正产生着深刻的影响，从柔性结构、多功能集成、精量调控直至所伴随的多向辐射效应，正在改变着传统焊接制造的本质特征。为此，没有理由不对这一“更新换代”的技术给予高度的重视并开展一次较深层次的讨论。
1.1.2焊接装备数字化的变革
计算机与信息技术、电子电力技术的迅速发展，为20年前兴起的焊接电源“数字化革命”提供了繁衍环境，并从其一开始就已蕴含着强大的工业需求背景。现代控制理论与数字信号处理技术的结合，成功地突破了传统弧焊装备对模拟信号调控及其电路结构复杂的制约。在输出电流的幅值、极性、频率等方面获得了优良的动态特性，从而摆脱了熔覆金属“自然”过渡模式的束缚，并能够通过“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：表面张力过渡(STT)至今仍在长距离的管线焊接施工中“大行其道”；冷电弧(或金属)过渡(Coldarc，CMT)适合了汽车薄板对焊接品质的要求而“独具优势”：超威电弧(Forcearc)针对重载结构中厚板焊接熔深的特殊需求使接头的性能得到提升；双脉冲(Doublepulse)与超脉冲(Superpulse)MIG焊改善了铝合金等轻金属材料的焊接性能；极富创意的双丝(多丝)协同焊(Tandem)则是高效、高速焊接的典型范例；变极性等离子弧(VPPA)穿孔立焊工艺，适应了航天领域的薄板铝合金焊接，从而使北京工业大学的焊接团队成为中国“天宫一号”的焊接师。上述这些新工艺、新技术的实现及其成功应用给予启示是：每一种波形的控制思想均来自于对工艺过程与焊接质量的深刻理解。
同时，不同熔滴过渡形式的选择取决于对接头成形与热输入的精量分析而“多热源复合”更出自于对焊接效率与接头品质的综合追求。特别应当指出的是，工艺创新的背景始终是来源于工程需求，出自于科学实践，应用于明确的制造对象，必须具有坚实的工艺原理的基础，而绝非是闭门臆想，也不是单纯的电脑仿真之作。
曾经对引进的数字化焊接装备的一些功能与参数“不知其所以然"，对不同波形的效果难以做出具有物理意义的科学解释。这不能不说明由于应用基础研究的长期缺失所带来的后果，不能不反映出基于经验的焊接技术与信息化技术之间交叉融合协同创新在认识上的“断层”依然明显存在，不能不感到要从焊接制造转变为焊接创造决非一朝一夕之计。因此，数字化焊接技术的本质，是工艺能力与水平的博弈，是对基于经验的焊接生产泛在信息的科学集成，是焊接产业转型升级的切入点，是占领现代焊接技术制高点的突破口。
1.1.3数字化是对焊接技术科学发展的有力支撑
众所周知，高精度、高性能、高效率和高可靠性是包括焊接在内的制造技术不懈地追求目标。数字化技术在焊接领域的应用，使得焊接在制造工艺、装备、材料、过程控制及产品品质等方面正在发生着根本的变化。其核心内容是将先进的计算、测控、优化与协同技术应用于焊接制造的全过程，逐渐使焊接制造技术的内在规律、动态行为、工艺优化和质量监控等得到定量的认识并建立在科学原理基础之上。
在现阶段，基于数字化的焊接制造技术其内涵与工程意义主要体现在以下三个方面：
(1)基于机器人柔性制造的焊接装备数字化
焊接机器人系统是当前焊接数字化制造中的一个范例，使制造装备、制造工艺以及操作人员的经验与技能在一个系统中实现集成、仿真、优化和协同。经过了近40余年多学科、跨领域的共同努力，焊接机器人系统不仅已成为一种通用的焊接自动化装备，而且已经体现出焊接制造知识与经验的融合，从而具备了初步的信息化(如焊缝跟踪)、初步的网络化(如多机联动)、初步的智能化(如起始点搜寻、纠偏)等自适应的技术特征。此外。还初步形成了一定的焊接制造信息的可记录、可存储、可追溯和可重用的先进质量管理基础；并进一步提出了作为复杂机电柔性系统集成需要解决的能量--物质--信息交互作用机理、多场--多过程--多界面的匹配原理以及主系统与周边装置可靠与高效运行的协调控制等科学问题。
(2)努力实现焊接制造的“精确控形控性的一体化”
当前，数字化技术对传统焊接技术的挑战与机遇体现在两个方面：一是要求在工艺和装备、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；二是实现从传统焊接的“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，需要攻克“源--弧”能量传递形式、焊接热循环和冶金过程控制、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制造体系的形成。
(3)数字化为焊接制造业提供了前所未有的延伸空间
当前，具有网络通讯功能的数字化装备已开始进入焊接工艺数据引导、焊接制造过程信息评估以及全面质量管理等工程试用阶段，这些底层的信息将有效传递焊接制造中各物理因素对质量的影响。从而，有助于认识并建立起焊接结构的服役状态与性能之间的相互关系以及材料经焊接后的演变行为及其衰变规律，促进焊接过程数值建模与仿真、焊接结构状态预测和使用寿命评估等工程应用水平的提高。进而，使重大焊接结构的安全可靠服役能够获得运行环境的多场关联分析与协同控制、动态定量诊断与故障预示等科学原理的支撑。
据了解，哈尔滨焊接研究所大口径油气管直缝全数字化多丝埋弧焊接生产线已研制成功，完成了由模拟控制向数字控制的过渡并已在珠海正式投入试生产，从而使哈尔滨焊接研究所在油气管焊接生产装备方面实现了跨越发展，推动了焊接装备行业的技术进步。但与上述发展趋势相比尚有不少差距，是否可称为“全”数字化，也有待商榷和深化认识，以利于哈尔滨焊接研究所在这一新的起点上持续地向纵深发展。
1.2焊接材料的高端化
从2006～2010年第十一个五年计划期间，中国钢产量从3.5亿吨增到6.3亿吨，年增长12.2％，五年净增钢产量2.8亿吨。面对新的形势，研讨今后几年焊接材料的发展方向，应首先了解钢铁工业“十二五”期间的发展趋势。
1.2.1今后中国钢铁工业的发展趋势
1.2.1.12015年粗钢消费量预测
综合预测，2015年国内粗钢导向性消费量约为7.5亿吨。根据各行业用钢需求，预测了2015年关键钢材品种消费量，见表1。
1.2.1.2中远期粗钢消费量预测
参考美、德、日等国钢铁工业发展规律，考虑中国地域广阔，各地区经济发展不平衡，对钢材消费总量和持续时间都将产生较大影响。
综合各种因素，采用国内生产总值消费系数法和人均粗钢法，预测中国粗钢需求量可能在“十二五”期间进入峰值弧顶区，最高峰可能出现在2015-2020年期间，峰值约7.7～8.2亿吨，此后峰值弧顶区仍将持续一个时期。再以后，随着工业化、城镇化不断深入发展，以及经济发展方式转变和产业升级，城乡基础设施投资规模增速放缓，国内钢铁需求增速将呈逐年下降趋势，进入平稳发展期。
1.2.1.3加快产品升级
各行业主要用钢材升级及方向见表2，特殊钢的发展重点见表3。
表1 2015年关键钢材品种消费预测
表2 各行业主要用钢材的升级方向
表3 特殊钢的发展重点
1.2.1.4强化技术创新和技术改造
“十二五”期间，钢铁工业的技术改造重点，列于表4
表4 钢铁工业的技术改造重点
如上所述，今后几年钢材的发展态势，必将直接影响焊接材料的数量、品种和品质的发展。
1.2.2今后中国焊接材料的发展趋势
1.2.2.1焊接材料数量将不会再快速增长，并可能逐渐下降
1996～2010年，是中国钢材和焊接材料高速发展时期，1996年中国钢产量近l亿吨．焊接材料产量约75万吨：2010年中国钢产量达6.7亿吨，焊接材料产量445万吨，都增长了6倍多。2011年焊接总产量已达470万吨。1996～2010年，中国焊接材料产量和钢产量的比值达0.7％，而美国、欧洲、日本均在0.3％左右。因此，对中国历年来公布的焊接材料产量，国外一直有怀疑，认为中国焊接材料企业公布的统计数据有水份。应该说，中国焊接材料消耗量这么多，是不正常的。一是由于管理落后，浪费大；二是钢材的档次低，消耗大；三是焊接结构设计落后，焊接工作量大；四是焊接自动化程度低，焊条的用量大。按照目前的钢材走势和各行业的焊接技术发展，焊接材料消耗的比值将逐渐降低到0．5％左右，预计今后中国焊接材料产量可能将不会再增长，并可能逐年下降。也可以说，中国焊接材料的发展已到了一个新的转折点，今后的发展重点是焊接材料品种结构的调整和品质的提升。
1.2.2.3焊接材料必须随钢材进展而提升品质
近年来，由于钢材冶炼和轧制技术的巨大进展，焊缝金属的洁净度(S，P等杂质的含量)和韧性已较为普遍地落后于钢材的性能。现在中国大型钢铁企业已基本建成“洁净钢”生产流程和钢水二次精炼设施，精炼比已超过70％。钢材的含碳量与硫、磷、氧、氮、氢杂质含量正在进一步降低，钢材的品质正在逐渐接近国际先进水平。值得注意的是，中国的主要行业用钢的国家标准中钢材硫、磷含量已低于国际标准(ISO)的规定值，冲击韧性已高于国际标准(ISO)的规定值。而中国焊接材料国家标准，包括新修订的焊条标准，仍沿用与国际标准(ISO)等效的传统概念，因此焊接材料和钢材的国家标准，已呈现较大的明显差距。因此，制定高于国家标准的企业标准，或以实物水平作为供货保证条件，是提高企业市场竞争力和提升企业形象的有效措施。
1.2.2.3高端焊接材料将成为企业实力比拼和市场竞争的热点
在“十二五”时期将加快发展战略性新型产业。国务院在相关决定中指出：“发展战略性新型产业已成为世界主要国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略”，包括“高端装备制造产业”、“新材料产业”、“新能源产业”、“节能环保产业”等。有关专家预测，今后十年中国高端装备制造业的销售产值将占全部装备制造业销售产值的30％以上。因此，用于高端装备制造产业、新材料产业、新能源产业等战略性新型产业的各种高性能优质焊接材料，可定位为“高端焊接材料”。
“十二五”时期，对各类高端焊接材料的需求量，将大幅度增长。主要包括：①用于核电机组的不锈钢、镍基合金和高强钢等各类高端焊接材料。预计到2020年中国核电装机容量将达8000万千瓦以上，因此工程量很大，所需高端焊接材料数量将逐年增长；②用于超超临界火电机组的各类高端焊接材料。对目前已推广使用的600oC蒸汽参数火电机组用第二代新型耐热钢，其配套的各类高端焊接材料尚需完善。对正在开发应用的蒸汽参数650oC的第三代耐热锅炉钢，需开展配套焊接材料的研制工作；③用于海洋工程装备制造的高端焊接材料。经过20多年的努力，中国已建成年产5000万吨的海上采油能力。“十二五”时期将在中国的近海再建成年采油5000万吨的生产能力，总投资将超过2500-3000亿元人民币。在制造和安装中需焊接的海工装备，包括钻井平台、采油平台、工程船舶、水下管道及储油罐等，主要采用高强高韧性、低温高韧性、耐海水腐蚀等各类高端焊接材料；④用于石油化工行业的高端焊接材料。石化行业年消费钢材己达l500万吨以上，其中包括了各类高档钢材，对焊接性能的要求越来越苛刻，包括不同强度级别的高强钢焊接材料，不锈钢焊接材料、抗氢钢焊接材料、新一代耐热钢焊接材料、各种低温钢焊接材料等；⑤此外，纳入高端焊接材料生产范畴的品种，还应包括造船、压力容器、桥梁、工程机械、高层及大跨度钢结构、水电、重型机械等行业用焊接材料中的高性能产品或更新换代产品。各类高端焊接材料，包括高性能的各种焊条、实心焊丝、药芯焊丝和埋弧焊材等，目前在焊接材料销售总量中不到10％，预计五年后可能增长到占焊接材料销售总量的20％～30％左右。各类高端焊接材料的品质，不但取决于研发水平，而且更重要的是取决于现代化的生产装备，特别是检测仪器的水平以及质保体系的有效性。因此一般使用单位都要先对焊接材料生产企业的实力作上述考察之后，才决定可供选择的供货单位。
高端焊接材料由于技术含量高，附加价值也较高，优质优价将成为“十二五”时期焊接材料企业实力比拼和市场竞争的热点。就高端焊接材料的国内市场需求情况而言：①从历届埃森焊接展览会可以看出，国内最缺的品种是用于气体保护焊和埋弧焊的各类特种实心焊丝。由于化学成分不同，批量少，国内钢厂不愿供货，因此外商报价高。从发展前景看，用特种金属粉芯焊丝代替特种实心焊丝，将是今后的一个方向；②今后几年普通焊条的市场需求量将逐年下降，但高端焊条的需求量将逐年上升；③药芯焊丝发展，应从重规模、重数量转向重质量、重品种。一是目前生产量最大的普通钛型气保护药芯焊丝在船舶建造市场中的容量已趋饱和，预计甚至可能会逐年下降。船用钢材正在向高强度、高韧性方向发展，要求焊接接头具有更高的强度和韧性及抗裂性能，药芯焊丝的品种需要更新换代，提升性能；二是药芯焊丝在建筑钢结构、桥梁、输油输气管道、重型机械等其它产业中的应用，有待不断开拓市场；三是随着数字化逆变焊机等新型焊接电源和控制技术的进步，已能使实心焊丝CO2气保护焊豹大电流焊接效率和作业性能与药芯焊丝相当，因此一些用户在普通的结构钢焊接时，将会选用价格较便宜和易保管的实心焊丝。也就是说，数字化逆变焊机加优质实心焊丝的这种匹配，可能会为更多用户接受，因此一般结构钢焊接中，药芯焊丝的应用将可能会萎缩。因而药芯焊丝的发展方向，应转向多品种的低合金钢、合金钢、不锈钢药芯焊丝，堆焊及喷焊药芯焊丝等；④目前，熔炼焊剂和烧结焊剂的品种和品质都满足不了国内市场的需求。据不完全统计，现每年进口焊剂l万吨左右，其中每年从日本进口的焊剂，连续多年都超过5000t。
综上分析，可以预测在今后几年，中国焊接材料企业，包括内资和外商企业，已经到了重新洗牌的时候了。
2关于焊接产业的整合
综上所述，正在发生的“数字化及高端化”的这一客观发展趋势，正对焊接制造产生着日新月异的深刻影响，不断推动着焊接技术在多学科交叉与融合中寻求新的发展空间，从而创建焊接制造的新原理与新体系，重构并体现焊接制造“不可替代”的作用及其重要地位。
回顾中国焊接行业在近些年中，一直保持着对“竞争中技术”的重视而忽视了“竞争前技术”的投入。由于竞争前技术如要获得实效和回报，需要较长时间，而支持竞争中技术则有望在较短时间内“填补国内空白”。竞争中技术难以有原始创新。当市场是以销售的“数量”熬取微薄利润时，当为获得用户的订单而低价拼抢时，只有很少部分资源和精力投入在新技术的原创性开发上，所以只有少数产品是真正具备了“中国创造”。
传统的物质化意识往往过分关注“显示度”，重视“看得见摸得着”的产品，而忽视了应用基础的研究。大量经费直接投入到所谓的“跨越式”发展，而实质上忽略了核心关键共性技术的研究，这些已确实成为“自主创新”和“原始创新”的一种思维障碍。为此，应该深麴地感受一次“数字化及高端化”为焊接制造的各个方面所带来的新思维及其展现的磅礴大气，领略“以人为本”的知识产生与技术创新的核心价值，特别是现代科学与技术及其多学科的交叉融合必将又一次展示包括焊接制造在内的现代工业对人类文明带来的新前景。
中国虽为“焊接大国”，但仍缺乏“大国”应有的实力。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。焊接的供需市场整体上依然处于“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。期待着具有“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，更不能踏人“比较优势”的陷阱之中。
为此，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。希望，通过锐意进取、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。凝心聚力，主动作为；创新驱动做强，内生增长健康，占领高端市场。
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