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。

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B.B.∏e pob发现电弧现象,1890年俄罗斯的B.B.Ee apДoc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。

2.1 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1050kg,德国为664kg,苏联为592kg,我国只有47kg。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133kg,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20m/s,进口温度为290℃,压力为17651.97kPa,蒸发量为7160t/h,高为12.85m,直径为5570mm,壁厚为200mm～600mm,总重量为483t。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。 (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,。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.

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,󰀁钢厂生产流程的连续化——金属制造流程的连续化与紧凑化;󰀁钢厂排放过程的控制和排放物质的再能源化、再资源化;󰀁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840kg(标准煤当量),为世界平均值的1/3;耗电量只有381kW・h,不到美国的1/25[2] 。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237715兆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12000～13000亿kW・h,需要发电设备装机容量25000万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22km,而我国仅14.3km。美国每百平方公里拥有铁路3.27km,公路66km,而我国分别只有0.54km和9.47km,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18000t,消耗埋弧焊丝近4500kg,气体保护焊丝73000kg,可以说是焊接出来的人工岛屿。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(80mm以上)的800MPa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。

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。

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。

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6*1/2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:󰀁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;󰀁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;󰀁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;󰀁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。 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, 效益。近年来提出“可适用度”(fitnessforpurpose)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:󰀁断裂失效准则的完善化;󰀁各种临界断裂参量的测量方法的提高和完善;󰀁利用随机理论研究工件可靠性;󰀁焊接件断裂失效的微观机理研究;󰀁安全可靠性评估的计算机软件及专家系统的开发研究。

4.4 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:󰀁寿命评估的方法和理论;󰀁焊接过程以及热加工过程对寿命的影响;󰀁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;󰀁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。

4.5 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。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。

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:󰀁劳动条件差;󰀁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。

方圆激光www.fyglaser.com

2015-072701