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展望21世纪的我国焊接技术和焊接产业

作者: 来源: 发布时间:2018-2-11 16:12:47  点击数:447
摘要: 简要回顾一百年来焊接技术的发展历程后展望21世纪,认为21世纪高速发展的科学技术,将决定焊接技术的走向。21世纪前期我国经济和钢材消费量的持续增长将拉动焊接产业快速发展。并论述了21世纪前期焊接材料、焊接设备和焊接自动化的发展前景。预测15~20年后,由于超级钢的推广应用和激光技术的进展,将引起焊接技术重大变革。
关键词:焊接技术焊接产业21世纪展望
1 21世纪高速发展的科学技术将决定焊接技术的走向
焊接作为一门综合性应用技术,从来都是随着科学技术的整体进步而发展和变革的。
一百年前,在19世纪末到20世纪初的电气产业革命中,将电弧用于焊接,开始了电弧焊的纪元。20世纪前期发明和推广了电焊条焊接,中期发明和推广了埋弧焊和气体保护焊,又随着物理学的进步,将各种高能束(电子束、等离子束、激光束)应用于焊接,到20世纪七十年代,在世界范围内,焊接已成为成熟的传统产业。20世纪后期随着电子技术及自动控制技术的进步,一些焊接产业在向高新技术方向发展。
21世纪是科学技术高速发展的世纪。中国科学院路甬祥院长指出:21世纪"以物质科学、生命科学和信息科技为先导的科学技术迅速发展,将带动一个世纪科学技术的持续进步。"物质科学的发展将使焊接所面对的被焊材料主体及焊接结构形式逐渐发生重大变化。信息科技的发展,将逐渐使各种电焊机和焊接设备(包括焊接机器人)智能化,将逐渐使结构设计、下料、组装、焊接、检验等全过程纳入计算机网络,走向同一企业或异地相关企业配合的流水作业自动化。而且这种自动化不局限于企业内部,更多的是按照高效高品质低成本的原则,使各个企业的某些核心能力,在市场中实现机敏的最佳集成,使工程快捷和节约人力与时间,获得最大的利润。也就是说,信息技术的发展,将逐渐彻底改造我们对焊接生产和如何进行工程建设的思维方式。
今后21世纪的一百年,预计前15年我国的焊接技术,仍将在以电弧焊为主体的传统框架内,向高效自动化方向发展,相关内容将在本文第2、3、4部分闸述。15-20年后,由于超级钢的推广使用和低成本大功率激光发生器的出现,将使焊接技术产生重大变革,详见本文第5部分的叙述。
到21世纪中期和后期,预测高强度超级钢和各种高强高韧轻质的复合材料,将成为建筑、桥梁、车辆、船舶、高压容器和管道及各种机械的主体结构材料。在绿色制造和资源回收的世界潮流推动下,各种结构将向可拆卸的薄板组合结构方向发展。那时的结构连接方式,很可能是焊接(包括钎焊)、机械连接、粘接三者并驾其驱。值得注意的是,由于纳米材料和化学科学的进步,很可能使粘接技术产生飞跃,在几十年后出现高强度耐断裂抗老化的粘接接头与机械连接相配合,取代不少焊接接头。
当然,以上预测,都是依据目前科学发展趋势作出的。很可能发展速度会更快和出现面目一新的焊接与连接技术。美国著名的兰德公司最近在题为《全球技术革命》的报告中指出:一场大规模、多学科的技术革命正在改变世界。信息技术使我们的生活发生翻天覆地的变化,而材料科学和纳米技术的突破将继续使这种变化加剧。各种技术发展的相互交叉,使得技术革命具有显著的多学科性质并加速各个领域的发展。
因此未来一百年高速发展的科学技术,将决定焊接技术和连接技术的走向。
2 21世纪前期我国经济的快速增长,将拉动我国焊接产业的发展
我国己确定经济发展的目标,到2010年国内生产总值将比2000年翻一番。美国兰德公司在近期的分析报告中认为:"如果中国经济在今后20年内按预期速度增长,那么到2020年,其总规模(按购买力衡量)将超过美国。"
我国尚未完成工业化的目标,21世纪前期在以信息化带动工业化的指导方针下,经济发展仍需主要依靠传统产业的改造与增长。美、日、欧洲等发达国家相继于20世纪七十年代至八十年代,完成工业化目标向信息时代发展后,其钢材消费量与焊接产业均呈下降趋势。而我国在21世纪前期,钢材消费量和焊接产业将与国民经济同步增长。
目前各国的焊接钢结构用钢量,均在其钢材消费量的40~60%范围内波动。因此钢材消费量的增长,将直接带动焊接钢结构制作安装产业的发展。我国"九五"期间的钢材消费量见表1。
表1 我国"九五"期间的钢材生产和表观消费量 单位:万t
年份 钢材 表观消费量 国内钢材生产量 进口量 出品量
1996 10515 9338 1598 422
1997 10847 9987 1322 462
1998 11623 10738 1242 357
1999 13220 12102 1486 368
2000 14121 13146 1596 621
注:钢材表观消费量是指包括使用单位库存量在内的消费量
由表1可见,2000年我国钢材的表观消费量己达1.41亿t,远超过了1998年我国有关主管部门预测的2000年钢材表观消费量1.27亿t的数字。说明近年来钢材消费量的增长在加快。
"九五"期间我国经济年均增长8.3%,钢材消费量年均增长7.6%。"十五"期间我国经济年均增长目标为7%,按此估算,到2005年我国钢材的表观消费量将达1.6~1.7亿t,而到2010年,我国钢材的表观消费量可能接近2亿t左右。
我国建工部姚兵总工程师在2000年4月就曾指出,21世纪是金属结构的世纪。国家己取消了过去在各类建筑结构中限制用钢结构而提倡凝土结构的政策,将从经济耐用性和保护环境、节约能源及防止地震灾害等角度出发,推广使用钢结构。因此21世纪前期,与钢材焊接相关的产业,将在市场中呈现活跃的商机。我国在21世纪前期,将成为世界范围内的焊接产业大国。
3 焊材产业在21世纪前期的发展中,加快结构调整和产品升级
我国焊接材料的消费量将伴随钢材消费量而增长。1995年我国钢材消费量1.05亿t,焊材(包括焊条、焊丝、焊剂)消费量约80多万t。2000年钢材消费量1.41亿t、,焊材消费量近120万t,其中焊条约95万t,气保护实芯焊丝约11万t,药芯焊丝约1万t,埋弧焊材(焊丝和焊剂)约1万t。再计入约7万t出口及库存量,2000年我国各类焊接材料的总产量己约130万t。
但我国焊材产业的结构存在很大问题,一是生产规模膨胀而分散,经前几年的关停并转调整,目前仍有400多家焊条厂、150多家焊丝厂、30多家焊剂厂,其通用产品的生产能力超过市场需求量一倍以上,导致恶性竞争,压价销信,而无力进行技术改造;二是焊材企业整体生产和检验设备仍较落后,原创性技术开发能力薄弱,高性能焊材的品质仍与国外名牌产品有较大差距。因此加入wto后,将会面临较大的冲击。目前世界各国的名牌焊材企业,都看好我国仍在不断增长的焊材市场。
面对激烈的国内外市场竞争,希望我国有希望"作大作强"的焊材企业,务必要看到培育企业核心技能和名牌产品的重要性,"大而全"与"小而全"都将在未来的竞争中败下阵来。在产业的调整中,大企业要着眼于规模经济的低成本高效益,小企业要着眼于专业化的低成本,实现小而专、小而精。
同时必须适应焊接自动化和高效焊接的潮流,进行焊材产品的结构调整。我国造船系统己提出,到2005年我国各主要船厂的焊接高效化率要达到80%上,其中co2气保护焊的应用率达到55%,焊接机械化自动化率达到70%左右。
还必须看到,21世纪前期,我国钢材的品质将由于冶金工艺的进步,特别是"纯洁化、微合金化和控轧控冷"等技术在各重点钢铁企业的推广,将使各种焊接钢结构所用的钢材更加好焊,不易产生焊接裂纹和可以采用大线能量焊接,因而可以在目前以电弧焊为主体的传统焊接技术框架内,全力追求焊接自动化和高效焊接。
21世纪前期钢材品质的提高,也对焊材产品的品质升级提出了更高的要求。在2000~2005年冶金科技发展指南和轧钢科技发展指南中,明确要研制和推广使用高层建筑用高强度钢板(代替日本sm490c)、石油管线用x70钢材、造船用高强度钢板、工程机械用1250mpa高强钢,发展轻钢结构建筑用热轧镀锌钢板、发展h型钢、耐火钢。耐侯钢、防震钢和高性能耐热钢及低温钢等。
例如,据有关部门测算,未来10年我国将需要油气管线用钢850万t左右,大部分为x70管线钢。在今年年底前开工的:"西气东输"4000km管线工程中,管径为1016mm,全部采用x70钢材。钢材的实物水平为抗强度大于600mpa、-20℃冲击值平均大于200j、钢材含s<0.005%。石油管道局焊接中心在选用焊材时,目前国产焊丝均不能配套,只有一家国内台资企业采用进口钢盘条加工的焊丝符合要求。
又例如,钢材冶炼,目前已较普遍采用铁水预处理、顶底复合吹炼、钢包冶金精炼等工艺,己使不少低合金钢的实物含硫量小于0.009%,甚至小于0.005%。因而不但一些钢铁公司已制定企业标准保证钢材有低的含硫量,而且也修改了相关国家标准。2000年9月26日国家质量技术监督局发文批准修改了《压力容器用钢板》和《低温压力容器用碳素钢和低合金结构钢钢板》二个国家标准,降低了标准规定的钢材s、p含量,见表2。
表2 已修改的gb3531和gb6654中钢材的s、p含量
钢材牌号 原规定 修改后
p s p s
16mndr ≤0.030% ≤0.025% ≤0.025% ≤0.015%
15mnnidr ≤0.030% ≤0.025% ≤0.025% ≤0.015%
09mnnidr ≤0.025% ≤0.020% ≤0.020% ≤0.015%
20r ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
16mnr ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
15mnvr ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
15mnvnr ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
15crmor ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
18mnmonbr ≤0.035% ≤0.030% ≤0.030% ≤0.020%
13mnnimonbr≤0.025% ≤0.025% ≤0.025% ≤0.020%
有关设计院与使用单位已提出,为低硫钢材选用焊条、焊丝、焊剂等焊接材料时,应要求焊材熔敷金属的硫含量符合钢材国家标准的规定,并力争达到钢材的实物水平。应该说,这种要求是合理的。但目前相应焊材国家标准中规定的硫含量高于表2中的修改值,在焊材国家标准未修改前,建议有条件的焊材企业制定相应的企业标准,满足设计与使用单位的要求。并采取措施,力争使焊材熔敷金属的硫含量接近钢材的实物水平。
因此,焊接材料产业在21世纪前期的发展中,必须抓紧结构调整和产品升级。预测再过若干年后,当我国年钢材消费量达到2亿t时,焊材的国内年消费量将达到150-160万t,此时可能焊条占50-60%、气保护实芯焊丝占20-30%、药芯焊丝占5-10%,埋弧焊用焊丝和焊剂占10-12%.
4 信息科技的进步,将促使"焊接主产"逐渐向全过程自动化方向发展
按近年的各类电焊机和各类焊接材料的销售比例估算,目前我国的焊接机械化与自动化作业,仅占全国焊接工作量的20%左右,而且主要是工序机械化自动化,很少全过程自动化。但部分金属结构制作骨干企业的焊接机械化自动化程度己达50%以上。
21世期前期,我国经济发展的指导思想是以信息化带动工业化。信息科技的进步及加入wto与国际市场接轨,都将促使我国的焊接生产作业,逐渐向全过程自动化方向发展。要逐步实行这一转变,不但是需要焊接设备向智能化方向发展和更新工厂设备建立各类自动化焊接生产线,而且必须逐步建立从产品设计开始的焊接生产作业全过程管理信息系统。
经历20世纪90年代的论争和实践,己确认icbt逆变焊机是今后弧焊电源的主要发展方向。随着元件可靠性的提高和控制系统的进步,包括微机控制、专家系统、模糊控制、神经网络技术和数字化技术的应用,逆变焊机正在向智能化方向发展。有利于在各种生产线中配置,实现焊接自动化。
由于今后熟炼焊工日益减少,而对焊接质量和生产效益的追求日益提高,智能化逆变焊机的单机使用,也符合"提高设备性能、淡化操作技能"的方向。应用于co2气保护焊,通过对电弧特性和脉冲峰值电流的智能化控制,可以实现高速焊接,比常规co2气保护焊的焊接速度快3-5七倍,而且飞溅极小。应用于手工电弧焊,可以使工艺性能不好的焊条,变成施焊操作自如。
按照不同构件特点和工厂主导产品种类,建立的各种专用焊接生产线,例如大型龙门架的工字梁双侧双丝快速焊接生产线,专门制作大型桥梁与高层建筑用的箱形梁柱焊接生产线、采用各种反面衬垫方法的单面焊双面成形的平板拼接生产线等,属于刚性自动化生产方式,而焊接机器人的应用开拓了柔性自动化生产方式。
焊接机器人,正从"示教再现"的工作方式,向装有多种传感器,接收作业指令后能按工作条件自动编程的智能化机器人发展,使各类小批量产品的自动化焊接成为可能。
逐步向焊接作业全过程自动化方向发展,并不是要有关企业都从设计、采购、仓储、下料切割到每一构件的制作,都搞"小而全"。"大而全"的设施建设。而应该全面推进企业管理信息系统。对外通过信息网络,使国内外的可用资源得到最佳配置,包括采购原材料和选购供组装的部件,充分利用相关企业的"核心制作技能",汇入"机敏制造"的世界潮流;对内从设计直到最终作业质量检查的全过程,纳入计算机管理。这样作,才能使企业实现焊接结构或工程的最佳质量、最快速度和最大利润。
国家科技部正在组织推广的863/cims示范工程,就是现代信息技术、管理技术和制造技术相结合的"计算机集成制造系统"。国家经贸委于今年7月正式提出:"要强行推行企业用计算机管理软件和网络信息技术,用三年左右时间,在国家重点企业中建立完善的企业管理信息系统"。
只有企业的管理信息系统逐步完善了,焊接生产作业全过程自动化才能真正向前推进,既取得技术进步,又得到经济实效。
5 超级钢的崛起和激光技术进展,将引起焊接技术的重大变革
为了推动21世纪的科学和经济发展,日本政府于1997年启动了包括信息科学。脑科学、地球科学、超级钢科学在内的四个大型科研项目。"超级钢"的目标是要求其强度相当于现有钢材的一至二倍、提高使用寿命一倍以上,降低环境负担、降低包括钢构件维修费用在内的使用期间总成本。预计将以10年时间完成研究工作,投入研究经费1000亿日元以上。
日本希望在2015年前后,以"超级钢"更换20世纪六、七十年代日本经济高速增长时期建立的各种基本建设设施,这些设施到2015年前后,都已服役50年,需要更新了。
我国也于1998年启动了"新一代钢铁材料重大基础研究"项目。其最终目标,是将占我国钢产量60%以上的三类钢(碳素钢、低合金钢、合金结构钢)的强度或寿命提高一倍

经过几年的工作,所谓超级钢或称21世纪新一代钢铁材料的基本特征已显现出来,是将现代冶金理论和最新控制技术相结合,应用纯净化、微合金化、超强力轧制下快冷、形变诱导相变、可变强磁场精密热处理等技术,制成的超细晶粒钢。
在钢材的各种强化机制中(如提高碳当量强化、合金元素沉淀强化、形变强化等),细化晶粒是唯一既能提高强度又能降低脆性转变温度的方法。在传统钢中,晶粒尺寸在100μm以下就称为细晶粒钢,控轧控冷(tmcp)钢的晶粒可细到50-10μm之间,超级钢将把晶粒尺寸控制到10-0.1μm之间,因此称为超细晶粒钢。
试验己表明,对q235碳素钢和屈服强度400mpa的低合金钢,在不改动主要化学组元的情况下,通过纯净化和细化晶粒,可提高其屈强强度一倍,分别达到400mpa和800mpa。而超级合金结构钢,例如具有耐疲劳性能的高强螺栓钢,强度可提高到1500mpa。
预期在15-20年后,推广采用强度级别达800-1500mpa的新一代钢材产品时,将引起那时的焊接技术发生重大变革。
首先是传统的焊接钢结构设计方法将受到冲击,为发挥钢材"高强高韧"的特性,将朝着所谓"薄板组合时代"发展。同时为适应21世纪绿色制造和资源回收的世界潮流,大型钢结构将不再追求全焊结构,可拆卸的组合结构将成为发展方向。包括钢结构桥梁、工业厂房、高层建筑及中低层建筑、将会更多的采用标准设计的钢构件。将会逐渐兴起一批高技术的金属结构制造厂,把钢结构部件制造成像机械另件一样精密,供给安装公司在建设工地快速组装。
其次,由于钢材的"超细晶粒"组织,在焊接热作用下,晶粒长大的驱动力很大,将使焊接热影响区易因晶粒粗化而降低强度与韧性,甚至出现软化带。同时焊缝金属不可能呈现钢材经强力轧制与处理后的"超细晶粒",不可能在相近化学成分下使焊缝金属与母材等强等韧。因此目前常用的焊接材料与焊接工艺,将不适应于"超级钢"的焊接。
日本在800mpa级结构钢的研究计划中,设置的研究项目包括:研制微细铁素体组织、研究小线能量焊接工艺、研究改善焊接接头性能的措施。一方面在研究如何尽量减少钢材热影响区晶粒长大的倾向,另一方面则是研究如何变革焊接工艺。目前认为最有希望应用于800mpa级结构钢的焊接方法是激光焊。
1960年发明的激光,经过40年的发展,在军用与民用的巨大驱动力下,在21世纪将进入高速发展时期。随着各类激光发生器向大功率化、轻便化和经济化的发展,激光焊接和切割,由于能源高度集中和热影响区小,并且激光束具有可以在大气中焊接的优点,既可以对大型构件作深熔焊,又可以进行微形精密焊接,今后将逐步加快其推广使用的步伐。日本已有人预言,由于激光焊接符合优质、低耗、高效、清洁、热影响区窄、接头变形小、操作灵活等技术发展方向,21世纪将逐渐成为激光焊接的时代。
此外,正在研究探讨的超级钢连接技术还有:薄板高强度低温钎焊、可拆卸的高强度机械连接、搅拌摩擦焊、超窄间隙小能量脉冲式熔化极气体保护焊等。焊接填充材料的变革也将逐渐提上日程,例如开发熔敷金属为超低碳贝氏休的焊接材料等。

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