回顧20世紀焊接技術的發展歷程,論證焊接科學發展的趨勢,分 析21世紀我國經濟建設對焊接技術的挑戰,討論焊接科學研究特別是焊接自動化方面的幾個重要方向。

1 焊接技術發展的歷程 焊接是一門新興的同時又是一門古老的技術。從歷史上說,它在3000年以前就有記載,但真正成為一門重要的制造技術,是20世紀的事情。1802年俄羅斯的B.B.∏e pob發現電弧現象,1890年俄羅斯的B.B.Ee apДoc發明電弧焊,從此開始它極為迅速地發展,成為制造工業中的重要技術。從工藝方法上來說,它現在已有90余種工藝,采用了熱、電、光、聲、磁等一切可以利用的熱源,應用電子、計算機等先進的控制技術;從應用范圍來說,它包括了交通、能源、航空、航天、海洋等一切工業領域。在它的應用過程中,由于技術上的困難和使用過程中發生的事故,焊接的理論也逐步成熟,成為一門系統的技術科學。焊接技術的發展與鋼鐵工業的發展密切相關。根據統計,世界上45%鋼鐵材料通過焊接才成為人類可使用的產品,這意味著每年需要焊接的鋼材達到3～4億t。80年代以來有一種論點,認為鋼鐵將趨于飽和,鋼鐵工業將成為夕陽工業,由此可推想,焊接技術也將成為夕陽技術,對此應予以論證。

2.1 鋼鐵工業的發展過程 1900年,世界鋼產量為2850萬t,到1973年就超過7億t,1997年達到7.99億t,預計2000年全世界鋼產量可能超過8億t,約為1900年的28倍。本世紀世界鋼鐵工業發展的總趨勢是持續增長的。50年代以前,對鋼鐵工業影響較大的是兩次世界大戰。每次戰爭硝煙一起,世界鋼產量就呈下降趨勢,特別是在第一次世界大戰后,爆發了世界性的資本主義危機,鋼產量大幅度下降。第二次世界大戰結束后,世界鋼產量迅速增長。50年代以后,隨著轉爐技術與連鑄技術的開發和應用,世界鋼產量發生了翻天覆地的變化,這個時期的增長速度相當驚人。70年代后期發生了第一次石油危機,石油輸出國組成了OPEC(石油輸出國組織),石油價格上漲。隨后又爆發了第二次石油危機。兩次石油危機都造成世界鋼產量下降,并使整個資本主義經濟萎縮。進入90年代,出現了薄板坯連鑄技術,美國最先采用這項技術,取得了良好業績。薄板坯連鑄技術的開發應用引發了一系列鋼鐵生產新工藝開發,再次推動了鋼鐵工業的發展。

2.2 21世紀鋼鐵工業發展的預測 為預測21世紀焊接技術的前途,就應該預測鋼鐵工業在21世紀的發展前途。 (1)鋼鐵產量人口平均水平仍然很低 少數先進國家鋼鐵生產總產值很高,按人口平均水平也很高,但是,從全世界范圍來說,鋼鐵總產量遠遠滿足不了人口的需要,如1985年日本人均鋼產量達到1050kg,德國為664kg,蘇聯為592kg,我國只有47kg。若2000年全世界人口以60億計,鋼產量為8億t,則人均鋼鐵產量不過133kg,處在目前發展中國家的水平。 (2)鋼鐵材料的不可代替性 現代工業的產品對材料要求非常高,需要能經受高溫、高壓、沖擊、疲勞等苛刻條件的材料,目前只有鋼鐵最合適,例如148萬kVA核電站反應堆壓力殼,水流速度為20m/s,進口溫度為290℃,壓力為17651.97kPa,蒸發量為7160t/h,高為12.85m,直徑為5570mm,壁厚為200mm～600mm,總重量為483t。像這樣龐大的在高溫高壓下,工作要求又極嚴格的裝置非鋼鐵材料莫屬。圖1a是該電站核島的全貌,圖1b是核島中反應堆壓力殼實際尺寸圖。相似情況,不勝枚舉。 (3)世界資源條件鋼鐵最好 在世界金屬資源中,鐵礦石在地殼中的蘊藏量大,分布廣,且采礦條件好,這是由地球的地殼構成所決定的,其他金屬材料是無法與之相比的。 (4)綠色結構材料 從可以回收利用的角度看,鋼鐵是一種綠色結構材料,。當前人類所使用的各種材料回收率都不高,某些材料使用后還不能降解,造成白色污染。相比之下,鋼鐵的可回收利用率最高,使用后銹蝕也不會污染環境,因此,鋼鐵是一種適應可持續發展戰略的材料.

2.3 鋼鐵工業的科學技術仍將持續發展[3] 21世紀鋼鐵科技發展的主要方向是,󰀁鋼廠生產流程的連續化——金屬制造流程的連續化與緊湊化;󰀁鋼廠排放過程的控制和排放物質的再能源化、再資源化;󰀁新一代鋼研究與開發:前兩項工作的發展將進一步推動鋼鐵工業的擴大生產,降低成本,控制環境污染;后一項工作的發展則將為工業提供新的高質量鋼材,推動機械設計和機械制造業的發展。 進入21世紀,國民經濟各部門都要求可靠性更高、單位消耗量更低、使用壽命更長、價格更低,而且便于回收利用和環境協調相容的鋼材,例如 全球范圍內35家主要鋼廠和汽車廠剛剛聯合開發的“超輕鋼車”(ULSAB)研究目標表明,采用新開發的高強薄板可以使重量減輕25%,服役性能改善,車體的靜態扭曲剛度提高80%,而且成本比代用材料低。 21世紀鋼材的發展方向將是,在充分考慮經濟因素和環境友好因素的前提下,建立在高潔凈度、高均勻性、高穩定的冶煉—凝固技術和超細晶粒組織控制等生產工藝基礎上的新一代鋼材。其主要目標是要使鋼的強度比現有鋼材提高1倍左右,服役能力和使用壽命相應得到明顯提高,且易回收利用。由此將引發出一系列科研課題:諸如極限潔凈度鋼的化學冶金過程;經濟潔凈鋼的技術實施;高潔度鋼的凝固和偏析行為;快速非平衡凝固條件下鋼的鑄態組織和夾雜物分布特征;中溫條件下(如850℃～7500℃)鋼的壓力加工和隨后相變組織對性能的影響;微米、亞微米級超細組織的形成機理;非平衡狀態下的物理金屬學;微合金 化高潔凈鋼的開發;新一代鋼種的可焊性及焊接材料和工藝的開發。

3 21世紀焊接技術面臨的挑戰 我國工業總體上較落后,許多工業產品,特別體系,必須加強制造技術的研究,現舉若干工業為例。 3.1 能源工業 建國以來,我國能源工業有了巨大的進步。1988年煤產量為9.8億t,石油產量為1.37億t(見表3),1985年發電量為3813億kW・h,1984年全國發電設備裝機容量已達0.8億kW。但是,與工業發達國家相比,年人均值都很低:能源消耗量為840kg(標準煤當量),為世界平均值的1/3;耗電量只有381kW・h,不到美國的1/25[2] 。我國能源結構與國外相比,也有明顯差距。到1986年底,全世界已有397座核電站投入運行,每年提供電能237715兆W,約占世界發電總量的16%;其中法國核能發電量已占該國全部發電量的69.8%。到2000年,全世界核電站裝機容量可達7.2～9.5億kW,占世界發電量的23%。然而我國核電工業尚處在起始階段。現有核電站2座,總功率為120萬kW。據預測,到2000年我國能源生產將達12000～13000億kW・h,需要發電設備裝機容量25000萬kW以上。無論是核能發電裝備,還是熱能發電裝備,焊接是最主要、最關鍵的技術。我國目前機械工業的水平仍然滿足不了這項技術的要求,以秦山核電站為例, 其中關鍵的焊接部件仍然依靠進口。圖3所示為該電站300MW反應堆壓力殼自日本引進,運抵核島進行安裝的情況。

3.2 汽車、交通運輸工業 我國交通運輸遠遠不能滿足國計民生需要。據統計,1980年全世界平均每百平方公里有交通線22km,而我國僅14.3km。美國每百平方公里擁有鐵路3.27km,公路66km,而我國分別只有0.54km和9.47km,分別是美國的1/6～1/7。汽車生產中采用大量的先進焊接技術,其中包括機器人電阻焊及弧焊、激光切割及焊接等,我國尚未形成自己的產業,但能夠提供這方面的技術支持。 3.3 海洋工程 海洋工程包括海洋鉆探平臺、采油平臺、海洋管道鋪設船等,這些產品的制造都是以焊接為主,例如歐洲北海油田的平臺架平均18000t,消耗埋弧焊絲近4500kg,氣體保護焊絲73000kg,可以說是焊接出來的人工島嶼。由于海洋平臺在海水、低溫、風浪等惡劣條件下工作,國內外都發生過重大事故,因而海洋平臺對焊接技術及結構斷裂特性、失效分析和可靠性評估提出了十分嚴格的要求。 航空母艦(見圖5)的主體是用很厚(80mm以上)的800MPa級低合金高強鋼焊接而成。對于這種鋼材的冶煉、軋制和焊接,我國尚處于初步涉足階段。

3.4 航空航天工業 航空航天工業中運載工具要求盡可能高的推力重量比,必須采用各種輕型材料和結構,因而要采用各種特殊的焊接方法對各種不同的材料進行焊接、釬接、拓散連接等。航空用的渦輪發動機要求耐高溫蠕變、精密化、輕量化,采用鈦基及鎳基等超級合金材料,火箭推進器要求這些產品的瞬時高溫性好,采用復雜的冷卻系統。圖6所示為液體燃料發動機外貌,其噴管由大量輸油管經焊接制成,目前還是采用人工進行焊接。類似部件的焊接技術都須不斷研究開發。

4.1 焊接機器人的開發與生產 近30年來,先進工業國家在機器人研究方面取得了十分迅速的發展,機器人廣泛應用于工業生產。1990年1月1日的一份統計資料介紹了世界各國和地區機器人擁有情況,其中日本遙遙領先,為18萬臺,其次為美國(4.2萬臺),聯邦德國為2.24萬臺,中國臺灣有800臺。根據1996年統計,大陸現有機器人500臺,點焊、弧焊大約各一半,汽車工業占37%,機械工業占30%,摩托車工業占25%。圖7表明聯邦德國機器人在工業中應用領域分析,按數量大小,焊接占第一位,在2.24萬臺中占7845臺,可見在焊接技術中發展機器人的重要性,焊接機器人應該成為我國21世紀的一個重要課題和任務。研究開發具有智能的機器人,特別是具有自動路徑規劃、自動校正軌跡、自動控制熔深的機器人將是近期及21世紀研究的重要方向。

4.2 靈巧智能型焊接機械 [4] 現在焊接機器人大多為固定位置的手臂式機械,一般具有6*1/2個自由度,采用示教或編程方法執行任務。這種機器人,適宜于大量生產,用于流水線的固定工位上(如汽車覆蓋件裝配線)。對于大型結構工地上的小批量生產沒有用武之地,目前國內外工地焊接仍然采用手工或半自動的焊接方法,勞動強度很大,條件惡劣,質量難以保證。圖8所示為我國石化工業中生產球罐的實際情況,從裝配到焊接全部采用人工。要真正解決焊接中的勞動強度和質量,必須研究開發、生產靈巧的具有智能的焊接機械,這里用“焊接機械”這個名稱是為了與手臂機器人相區別。為了適應焊接各種場合的應用,焊接機械必須要有各種各樣的結構,實質上也是機器人。這種機械應具有以下特點:靈巧、輕便,可以很容易移動,以適應不同結構、不同地點的焊接任務;具有很高的智能,能自動跟蹤焊縫軌跡、自動調整焊炬姿態、自動調節規范、自動控制焊接質量。21世紀應該努力開發類似“傻瓜相機”那樣的“傻瓜焊機”,任意一個普通的工人都能夠操作,而且獲得優良的焊接質量。為了達到這個目標,要解決以下4個問題:󰀁研究設計各種不同的靈巧運動機構,以實現焊接電弧的運動、焊絲送進和焊炬姿態的調節;󰀁研究各種不同的傳感器,以探測焊縫坡口形狀與位置、焊接溫度場、熔池狀態、熔透情況等;󰀁研究傳感器的信號處理方法、模式識別,以便迅速適時地提供各種需要的控制參數;󰀁研究最佳控制方法,包括線性控制和各種非線性控制、模糊控制、神經網絡控制等。 解決以上問題將從根本上解決焊接勞動強度和質量問題,應該成為21世紀的努力目標。

4.3 計算機模擬技術 焊接技術歷史悠久,但長期作為一種技藝主要是依靠經驗解決生產實際問題。20世紀焊接逐漸形成科學,從冶金金屬學、電工電子學等各學科的交叉融透中形成了自己獨立的科學體系。但是,由于這種工藝過程非常復雜,單純采用理論方法, 效益。近年來提出“可適用度”(fitnessforpurpose)概念,并進行了大量研究,但仍須進一步深化理論研究,并制定簡化的評定方法,包括以下幾個方面:󰀁斷裂失效準則的完善化;󰀁各種臨界斷裂參量的測量方法的提高和完善;󰀁利用隨機理論研究工件可靠性;󰀁焊接件斷裂失效的微觀機理研究;󰀁安全可靠性評估的計算機軟件及專家系統的開發研究。

4.4 焊接件使用壽命評估與延壽技術 焊接工件中存在的缺陷,在使用初期尚不致使工件發展破壞,但是在使用過程中,這些缺陷不斷發展,以致使其達到臨界數值,而造成破壞。這一過程稱為失效過程,包括疲勞、應力腐蝕、腐蝕疲勞、蠕變等。因此須要研究這些失效的機制,建立模型,確定裂紋拓展精確過程,估計壽命,并尋找延長壽命的措施:󰀁壽命評估的方法和理論;󰀁焊接過程以及熱加工過程對壽命的影響;󰀁在服役過程中材質性能的變化及其對壽命的影響,如高溫下材料組織結構自身不斷變化;󰀁延壽技術的研究,如噴丸、錘擊焊趾重熔、內應力消除、表面處理等。

4.5 惡劣條件下的焊接技術 惡劣條件主要指高溫、放射性、水下及空間技術。許多重要結構必須在預熱條件下(100℃～150℃)進行焊接,目前還是靠工人拚體力完成,必須予以解決。核能工業、海洋工業以及空間技術在21世紀的發展,必然會要求在放射性、水下以及太空進行焊接或修補,一些技術先進國家已經在這些方面作了不少工作。為太空焊接(高真空條件下)開發新的焊接工藝;為放射性及深水條件下焊接研究遠距離操縱的自動化焊接裝備,為水下焊接建立深水焊接模擬中心,研究高氣壓的電弧及焊接質量。德國多年前建立的水下焊接模擬裝置。我國焊接工作者在21世紀必將面臨這些挑戰。

5 結論 (1)20世紀是鋼鐵工業迅猛發展的時代,也是焊接技術迅猛發展的時代。(2)21世紀鋼鐵工業將持續發展,焊接技術亦將持續發展,并且將遇到更迫切、更高的要求,面臨更嚴重的挑戰。 (3)在21世紀,焊接工作者應該著重解決焊接生產中目前仍然存在的兩大關鍵問題:󰀁勞動條件差;󰀁依靠經驗或實驗進行開發和生產的方法。大力推動焊接機器人的應用,努力研究開發靈巧智能型焊接機械是解決勞動條件差,使工人脫離艱苦的重要方向。深入發展計算機模擬技術,使焊接生產的模式由“理論→實驗→生產”改變為“理論→計算機模擬→生產”,是焊接技術進一步升華為更完善的科學的重要措施。 (4)為適應21世紀鋼鐵工業和國民經濟發展,應創造新一代鋼種,并研究其可焊性、焊接材料及工藝。 (5)發展無損探傷技術,研究焊接結構可靠性及壽命的評估理論和方法,是進一步推動焊接結構應用的重要關鍵,也是21世紀發展焊接技術的重要科學內容。 (6)在惡劣條件下(放射性、太空、水下、高溫等)的焊接技術,是21世紀的新課題。

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2015-072701