展望21世纪焊接科研

回顾20世纪焊接技术的发展历程，论证焊接科学发展的趋势，分析21世纪我国经济建设对焊 接技术的挑战，讨论焊接科学研究特别是焊接自动化方面的几个重要方向。

　　关键词：焊接；科学研究；展望

　　中图分类号：TH-1；TG4　　　文献标识码：A

　　文章编号：1004-132Ⅹ(2000)01-0021-05

Prospects for Welding Research in 21-st Century

PAN Jiluan

（President of Nanchang University,Nanchang,China）

　　Abstract:In this paper the development of welding technology in 20th century is firstly reviewed,then the trend of welding science and technolog y in the future is discussed,the challenge of economic construction of China to welding technology is analyzed,finally frontier areas of welding research,partic ularly,in the field of welding automation are proposed.

　　Key words:welding　　scientific research　　prospects

1　焊接技术发展的历程

　　焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说，它在3000年以前就有记载 ，但真正成为一门重要的制造技术，是20世纪的事情。1802年俄罗斯的В.В.Петров 发现电弧现象,1890年俄罗斯的Н.Н.Бенардос发明电弧焊，从此开始它极为迅速 地发展，成为制造工业中的重要技术。从工艺方法上来说，它现在已有90余种工艺，采用了 热、电 、光、声、磁等一切可以利用的热源，应用电子、计算机等先进的控制技术；从应用范围来 说，它包括了交通、能源、航空、航天、海洋等一切工业领域。在它的应用过程中，由于技 术上的困难和使用过程中发生的事故，焊接的理论也逐步成熟，成为一门系统的技术科学。

　　焊接技术的发展与钢铁工业的发展密切相关。根据统计，世界上45%钢铁材料通过焊接才成 为人类可使用的产品，这意味着每年需要焊接的钢材达到3～4亿t。80年代以来有一种论点 ，认为钢铁将趋于饱和，钢铁工业将成为夕阳工业，由此可推想，焊接技术也将成为夕阳技 术，对此应予以论证。

2　钢铁工业的发展趋势［1，2］

2.1　钢铁工业的发展过程

　　1900年，世界钢产量为2850万t，到1973年就超过7亿t，1997年达到7.99亿t，预计2000年全 世界钢产量可能超过8亿t，约为1900年的28倍。本世纪世界钢铁工业发展的总趋势是持续增 长的。50年代以前，对钢铁工业影响较大的是两次世界大战。每次战争硝烟一起，世界钢产 量就呈下降趋势，特别是在第一次世界大战后，爆发了世界性的资本主义危机，钢产量大幅 度下降。第二次世界大战结束后，世界钢产量迅速增长。50年代以后，随着转炉技术与连铸 技 术的开发和应用，世界钢产量发生了翻天覆地的变化，这个时期的增长速度相当惊人。70年 代后期发生了第一次石油危机，石油输出国组成了OPEC（石油输出国组织），石油价格上涨 。随后又爆发了第二次石油危机。两次石油危机都造成世界钢产量下降，并使整个资本主义 经济萎缩。进入90年代，出现了薄板坯连铸技术，美国最先采用这项技术，取得了良好业绩 。薄板坯连铸技术的开发应用引发了一系列钢铁生产新工艺开发，再次推动了钢铁工业的发 展。

2.2　21 世纪钢铁工业发展的预测

　　为预测21世纪焊接技术的前途，就应该预测钢铁工业在21世纪的发展前途。

　　(1)钢铁产量人口平均水平仍然很低　少数先进国家钢铁生产总产值很高，按人口平均水平也很高，但是，从全世界范围 来说，钢铁总产量远远满足不了人口的需要， 如1985年日本人均钢产量达到1050 kg，德国为664 kg，苏联为592 kg，我国只有47 kg。若 2000年全世界人口 以60亿计，钢产量为8亿t，则人均钢铁产量不过133 kg，处在目前发展中国家的水平 。

　　(2)钢铁材料的不可代替性　现代工业的产品对材料要求非常高，需要能经受高温、高压、冲击、疲劳等苛刻条件的材料 ，目前只有钢铁最合适，例如148万kVA核电站反应堆压力壳，水流速度为20 m/s，进口 温度为290℃，压力为17 651.97 kPa，蒸发量为7160 t/h，高为12.85 m，直径为5570 mm，壁厚为200 mm～600 mm， 总重量为483 t。像这样庞大的在高温高压下，工作要求又极严格的装置非钢铁材料莫属。 图1a是该电站核岛的全貌，图1b是核岛中反应堆压力壳实际尺寸图。相似情况，不胜枚举。
 
(a)核岛全貌　(b)反应堆压力壳

图1　148万kVA核电站

　　(3)世界资源条件钢铁最好　在世界金属资源中，铁矿石在地壳中的蕴藏量 大，分布广，且采矿条件好，这是由地球的地壳构成所决定的，其他金属材料是无法与之相 比的。

　　(4)绿色结构材料　从可以回收利用的角度看，钢铁是一种绿色结构材料，表1为主要材料的回收利用情况 ［1］。从表中可知，当前人类所使用的各种材料回收率都不高，某些材料使用后还不能 降解，造成白色污染。相比之下，钢铁的可回收利用率最高，使用后锈蚀也不会污染环境， 因此，钢铁是一种适应可持续发展战略的材料。

　　　　　　　　　　表1　主要材料的回收利用率　　　单位：%

                              钢铁  玻璃  纸  铝  塑料
                               55    45   35  27   10

　　(5)钢铁材料具有最佳价格性能比　钢铁科学技术经过100年的发展，有了很大的发展，钢铁生产工艺有重大的变化，主要成 就表现为氧气转炉炼钢代替平炉炼钢；连续连轧代替铸锭浇铸和初轧开坯。因此，它的生产 流程大为缩短，消耗降低，生产率提高，使得钢铁材料的价格保持稳定。图2所示为钢材与 其他产品的价格比较［1］。由图中可见机械产品和汽车的价格，90年代比70年代上涨了2倍多 ，一般民用品也上涨了1倍多，而钢铁价格保持稳定。表2所示为一些材料的价格与比强度 之比的数据［1］。由此可知，钢材是目前价格与性能比最便宜的材料，水泥虽然便 宜，但性能远不及钢材。随着冶金科学的进步，钢材性能将会更加改善，其 廉价优势也将日益突出。

图2　钢材与其它产品的价格比较
（1974年价格指数＝100）

　　　　　　　　　表2　一些材料的价格与比强度比值　　　单位：kg/mm2

 
材料             钢    铝合金   水泥   Al2O3陶瓷   碳纤维   聚丙烯

比强度①         5.2    11.1     0.8     97.4       160.9    3.9

价格/比强度       1      3.9     0.4      4.0         5.2    3.8

①比强度=强度/比重；陶瓷与水泥为压缩强度；价格为1981 年日本市场价

2.3　钢铁工业的科学技术仍将持续发展［3］

　　21世纪钢铁科技发展的主要方向是，①钢厂生产流程的连续化--金属制造流程的连续化与 紧凑化；②钢厂排放过程的控制和排放物质的再能源化、再资源化；③新一代钢研究与开发 ：前两项工作的发展将进一步推动钢铁工业的扩大生产，降低成本，控制环境污染；后一项 工作的发展则将为工业提供新的高质量钢材，推动机械设计和机械制造业的发展。

　　进入21世纪，国民经济各部门都要求可靠性更高、单位消耗量更低、使用寿命更长、价格更 低，而且便于回收利用和环境协调相容的钢材，例如全球范围内35家主要钢厂和汽车厂刚刚 联 合开发的“超轻钢车”（ULSAB）研究目标表明，采用新开发的高强薄板可以使重量减轻25% ，服役性能改善，车体的静态扭曲刚度提高80%，而且成本比代用材料低。

　　21世纪钢材的发展方向将是，在充分考虑经济因素和环境友好因素的前提下，建立在高洁净 度 、高均匀性、高稳定的冶炼-凝固技术和超细晶粒组织控制等生产工艺基础上的新一代钢材 。其主要目标是要使钢的强度比现有钢材提高1倍左右，服役能力和使用寿命相应得到明显 提高，且易回收利用。由此将引发出一系列科研课题：诸如极限洁净度钢的化学冶金过程； 经济洁净钢的技术实施；高洁度钢的凝固和偏析行为；快速非平衡凝固条件下钢的铸态组织 和夹杂物分布特征；中温条件下（如850℃～7500℃）钢的压力加工和随后相变组织对性能的 影响；微米、亚微米级超细组织的形成机理；非平衡状态下的物理金属学；微合金化高洁净 钢的开发；新一代钢种的可焊性及焊接材料和工艺的开发。

3　 21世纪焊接技术面临的挑战

　　我国工业总体上较落后，许多工业产品，特别是重工业产品，仍须依赖进口，要建立自己的 工业体系，必须加强制造技术的研究，现举若干工业为例。

3.1　能源工业

　　建国以来，我国能源工业有了巨大的进步。1988年煤产量为9.8亿t，石油产量为1.37亿t（ 见表3），1985年发电量为3813亿kW.h，1984年全国发电设备装机容量已达0.8亿kW。但是 ， 与工业发达国家相比，年人均值都很低：能源消耗量为840 kg（标准煤当量），为世界平均 值的1/3；耗电量只有381 kW.h，不到美国的1/25［2］。

表3　中国每年提供能源量

年份   煤(亿t) 石油(亿t) 天然气(亿t) 水力发电量(亿kW.h) 核能发电量(亿kW.h) 总量(亿kW.h)

1988   9.8       1.37    142.6            1092                0                5452

2000  13～14  1.7～2.0   300            2300～2400        240～300          10000～12000

                               图3　秦山300MW核反应堆压力壳

　　我国能源结构与国外相比，也有明显差距。到1986年底， 全世界已有397座核电站投入运行 ，每年提供电能237 715兆W，约占世界发电总量的16%；其中法国核能发电量已占该国全部 发 电量的69.8%。到2000年，全世界核电站装机容量可达7.2～9.5亿kW，占世界发电量的23%。 然而我国核电工业尚处在起始阶段。现有核电站2座，总功率为120万kW。 据预测，到2000 年 我国能源生产将达12 000～13 000亿kW.h，需要发电设备装机容量25 000万kW以上。无论 是核能发电装备，还是热能发电装备，焊接是最主要、最关键的技术。我国目前机械工业的 水平仍然满足不了这项技术的要求，以秦山核电站为例，其中关键的焊接部件仍然依靠进口 。图3所示为该电站300MW反应堆压力壳自日本引进，运抵核岛进行安装的情况。

3.2　汽车、交通运输工业

　　我国交通运输远远不能满足国计民生需要。据统计，1980年全世界平均每百平方公里有交通 线22 km，而我国仅14.3 km。美国每百平方公里拥有铁路3.27 km，公路66 km，而我国分别 只有0.54 km和9.47 km，分别是美国的1/6～1/7。

　　汽车生产中采用大量的先进焊接技术，其中包括机器人电阻焊及弧焊、激光切割及焊接等， 我国尚未形成自己的产业，但能够提供这方面的技术支持。

3.3　海洋工程

　　海洋工程包括海洋钻探平台、采油平台、海洋管道铺设船等，这些产品的制造都是以焊接为 主，例如欧洲北海油田的平台架平均18 000 t，消耗埋弧焊丝近4500 kg，气体保护焊丝73 000 kg，可以说是焊接出来的人工岛屿。见图4。

(a)全貌　　　(b)水下焊接结构

图4　海洋平台

　　由于海洋平台在海水、低温、风浪等恶劣条件下工作，国内外都发生过重大事故，因而海洋 平台对焊接技术及结构断裂特性、失效分析和可靠性评估提出了十分严格的要求。

　　航空母舰(见图5)的主体是用很厚（80 mm以上）的800 MPa级低合金高强钢焊接而成。对于 这种钢材的冶炼、轧制和焊接，我国尚处于初步涉足阶段。

图5　航空母舰的全貌

3.4　航空航天工业

　　航空航天工业中运载工具要求尽可能高的推力重量比，必须采用各种轻型材料和结构，因而 要采用各种特殊的焊接方法对各种不同的材料进行焊接、钎接、拓散连接等。航空用的涡 轮发动机要求耐高温蠕变、精密化、轻量化，采用钛基及镍基等超级合金材料，火箭推进器 要求这些产品的瞬时高温性好，采用复杂的冷却系统。图6所示为液体燃料发动机外貌,其喷 管由大量输油管经焊接制成，目前还是采用人工进行焊接。类似部件的焊接技术都须不断研究开发。

图6　火箭液体发动机外貌

4　21世纪焊接科研的几个重要方向

4.1　焊接机器人的开发与生产

　　近30年来，先进工业国家在机器人研究方面取得了十分迅速的发展，机器人广泛应用于工业 生产。1990年1月1日的一份统计资料介绍了世界各国和地区机器人拥有情况，其中日本遥 遥领先 ，为18万台，其次为美国(4.2万台)，联邦德国为2.24万台，中国台湾有800台。根据1996 年统计 ，大陆现有机器人500台，点焊、弧焊大约各一半，汽车工业占37%，机械工业占30%，摩托 车工业占25%。图7表明联邦德国机器人在工业中应用领域分析，按数量大小，焊接占第一位 ，在2.24万台中占7845台，可见在焊接技术中发展机器人的重要性，焊接机器人应该成为我 国21世纪的 一个重要课题和任务。研究开发具有智能的机器人，特别是具有自动路径规划、自动校正轨 迹、自动控制熔深的机器人将是近期及21世纪研究的重要方向。
 
图7　联邦德国工业机器人应用领域 分布情况

4.2　灵巧智能型焊接机械［4］

　　现在焊接机器人大多为固定位置的手臂式机械，一般具有个自由度 ，采用示教或编程方法执行任务。这种机器人，适宜于大量生产，用于流水线的固定工位上 （如汽车覆盖件装配线）。对于大型结构工地上的小批量生产没有用武之地，目前国内外工 地焊接仍然采用手工或半自动的焊接方法，劳动强度很大，条件恶劣，质量难以保证。图8 所示为我国石化工业中生产球罐的实际情况，从装配到焊接全部采用人工。要真正解决焊接 中的劳动强度和质量，必须研究开发、生产灵巧的具有智能的焊接机械，这里用“焊接机械”这个名称是为了与手臂 机器人相区别。为了适应焊接各种场合的应用，焊接机械必须要有各种各样的结构，实质上 也 是机器人。这种机械应具有以下特点：灵巧、轻便，可以很容易移动，以适应不同结构、不 同地点的焊接任务；具有很高的智能，能自动跟踪焊缝轨迹、自动调整焊炬姿态、自动调节 规范、自动控制焊接质量。21世纪应该努力开发类似“傻瓜相机”那样的“傻瓜焊机”，任 意一个普通的工人都能够操作，而且获得优良的焊接质量。为了达到这个目标，要解决以下 4个问题：①研究设计各种不同的灵巧运动机构，以实现焊接电弧的运动、焊丝送进和焊炬 姿态的调节；②研究各种不同的传感器，以探测焊缝坡口形状与位置、焊接温度场、熔池状 态、熔透情况等；③研究传感器的信号处理方法、模式识别，以便迅速适时地提供各种需要 的控制参数；④研究最佳控制方法，包括线性控制和各种非线性控制、模糊控制、神经网络 控制等。
 
(a)已装配好的球罐　(b)球罐内部焊接情况
图8　我国石化工业中球罐装配和焊接情况

　　解决以上问题将从根本上解决焊接劳动强度和质量问题，应该成为21世纪的努力目标。

4.3　计算机模拟技术

　　焊接技术历史悠久，但长期作为一种技艺主要是依靠经验解决生产实际问题。20世纪焊接逐 渐形成科学，从冶金金属学、电工电子学等各学科的交叉融透中形成了自己独立的科学体系 。但是，由于这种工艺过程非常复杂，单纯采用理论方法，很难准确地、有把握地解决生产 实际问题，因此，在研究焊接生产技术时，往往采用实验手段作为基本方法。其模式为“理 论→实验→生产”。由于焊接实验困难，故需花去大量的人力和财力。现举一例：汽轮机 转 子的主轴由多节耐热钢圆盘焊接而成，一般先加工后焊接，为了保证焊接后主轴线上各节的 同心度，曾经采用1∶1的见证件进行焊接实验，以求出其残余变形情况。经过大量实验得出 结果，方能确定最后的生产工艺，其代价可想而知。与此相同，一个数十吨及至数百吨的铸 锭或锻件，往往都需要通过1∶1的试生产，进行解剖分析，最后才能确定其工艺过程，保证 最后产品的质量。随着计算机的出现，20世纪末期提出了计算机模拟的手段，为热加工 ，包括焊接技术的发展创造了有力的条件。

　　焊接技术数值模拟可包括以下方面：①焊接热过程；②焊缝金属凝固和焊接接头相变过程； ③焊接应力和应变发展过程；④非均质焊接接头的力学行为；⑤焊接熔池液体流动及形状尺 寸；⑥重大结构及其部件的应力分析等。利用这种方法可以期望21世纪将热加工的研究模式 转变为“理论→计算机模拟→生产”，这将大大提高热加工的科学水平，节约大量实验人力 、财力。

　　计算机模拟技术的发展，有赖于以下4个方面：①数学模型；②物理参数的确定；③验证计 算结果的检测方法；④计算机能力。最近10～20年，计算机能力的发展最快，它为计算机模 拟技术提供了强有力的手段。但是，②、③两项发展很慢，大家不十分重视，必须大力加强 。为了发展这项技术，应该①建立工程数据库，如材料物理特性、金属宏观结构、金属相图 ，尤其是非衡相图和亚稳相、传热过程和传质过程的数据等，根据我国材料的实际情况进行 实际的测试和总结；②开发研究温度场、应力场、应变场、残余应力等的测试装置和方法［2］。计算机模拟技术的发展模式见图9，在发展计算机模拟技术的同时，必须 同时发展测试结果修正数字模型，结合物理参数的测定以达到模拟结果与实验符合一致。只 有这样才能达到模拟技术在实际过程中应用的目的。单纯使用计算机研究计算方法是没有前 途的。
 

图9　计算机模拟技术的发展模式

4.4　发展无损探伤技术及可靠性评估的方法与理论

　　焊接产品乃至所有机械产品中，不可避免地存在若干缺陷，如何探明这些缺陷，确定在某种 具体工作条件下（如材料，应力及介质等）所能允许的缺陷极限和裕度，具有重要的实际意 义和经济效益。近年来提出“可适用度”（fitness for purpose）概念，并进行了大量 研 究，但仍须进一步深化理论研究，并制定简化的评定方法，包括以下几个方面：①断裂失效 准则的完善化；②各种临界断裂参量的测量方法的提高和完善；③利用随机理论研究工件可 靠性；④焊接件断裂失效的微观机理研究；⑤安全可靠性评估的计算机软件及专家系统的开 发研究。

4.5　焊接件使用寿命评估与延寿技术

　　焊接工件中存在的缺陷，在使用初期尚不致使工件发展破坏，但是在使用过程中，这些缺陷 不断发展，以致使其达到临界数值，而造成破坏。这一过程称为失效过程，包括疲劳、应力 腐蚀、腐蚀疲劳、蠕变等。因此须要研究这些失效的机制，建立模型，确定裂纹拓展精确过 程，估计寿命，并寻找延长寿命的措施：①寿命评估的方法和理论；②焊接过程以及热加 工过程对寿命的影响；③在服役过程中材质性能的变化及其对寿命的影响，如高温下材料组 织结构自身不断变化；④延寿技术的研究，如喷丸、锤击焊趾重熔、内应力消除、表面处理 等。

4.6　恶劣条件下的焊接技术

 　　恶劣条件主要指高温、放射性、水下及空间技术。许多重要结构必须在预热条件下（100℃～ 150℃）进行焊接，目前还是靠工人拚体力完成，必须予以解决。核能工业、海洋工业以 及空间技术在21世纪的发展，必然会要求在放射性、水下以及太空进行焊接或修补，一些技 术先进国家已经在这些方面作了不少工作。为太空焊接（高真空条件下）开发新的焊接工艺 ；为放射性及深水条件下焊接研究远距离操纵的自动化焊接装备，为水下焊接建立深水焊接 模拟中心，研究高气压的电弧及焊接质量。图10为德国多年前建立的水下焊接模拟装置。我 国焊接工作者在21世纪必将面临这些挑战。

图10　德国GKKS水下模拟 装置“GUSI”

5　结论

　　(1)20世纪是钢铁工业迅猛发展的时代，也是焊接技术迅猛发展的时代。

　　(2)21世纪钢铁工业将持续发展，焊接技术亦将持续发展，并且将遇到更迫切、更高的要求，面临更严重的挑战。

　　(3)在21世纪，焊接工作者应该着重解决焊接生产中目前仍然存在的两大关键问题：①劳 动条件差；②依靠经验或实验进行开发和生产的方法。

　　大力推动焊接机器人的应用，努力研究开发灵巧智能型焊接机械是解决劳动条件差， 使工人脱离艰苦的重要方向。

　　深入发展计算机模拟技术，使焊接生产的模式由“理论→实验→生产”改变为“理论→计算 机模拟→生产”，是焊接技术进一步升华为更完善的科学的重要措施。

　　(4)为适应21世纪钢铁工业和国民经济发展，应创造新一代钢种，并研究其可焊性、焊接材 料及工艺。

　　(5)发展无损探伤技术，研究焊接结构可靠性及寿命的评估理论和方法，是进一步推动焊接 结构应用的重要关键，也是21世纪发展焊接技术的重要科学内容。

　　(6)在恶劣条件下（放射性、太空、水下、高温等）的焊接技术，是21世纪的新课题。

作者简介：潘际銮，男，1927年生。南昌大学(南昌市　330049)校长、教授、博士研究生导师、
　　　　　中国科学院院士 、清华大学教授 。曾任德国汉诺威大学、亚琛工业大学、美国俄亥
　　　　　俄州立大学客座教授。研究方向为焊接及 其工艺装备。曾获国家发明奖一等奖，中
　　　　　美专利10余项。出版专著7部。发表论文100余篇。

参考文献：

［1］　张寿荣. 21世纪的钢铁工业. 武汉钢铁公司科学技术协会，1999：2～12
［2］　潘际銮. 见：国家自然科学基金委员会.自然科学学科发展战略调研报告，机械制 造科学（热加工），北京：机械工业出版社，1995：26～46
［3］　莫叔迟，梁文阁.近几年世界及日本的钢铁生产概况.中国钼业，1998，22(6)：9～12
［4］　潘际銮. 现代弧焊控制. 北京: 机械工业出版社，2000：第10章、第15章.

 

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