刘和刚最美西安演唱会:焊接行业现状与自主创新战略

焊接行业现状与自主创新战略

1、在装备制造业中的地位与作用

焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足１克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产的成本、效率和市场反应速度。
    中国２００５年钢产量达到３．４９亿吨，成为世界最大的钢材生产与消费国，而焊接结构的用钢量也突破１．３亿吨，相当于美国一年的钢产量，成为世界上空前最大的焊接钢结构制造国。
    从２００５年中国完成的一些标志性工程来看，焊接技术发挥了重要作用。例如三峡水利枢纽的水电装备就是一套庞大的焊接系统，包括导水管、蜗壳、转轮、大轴、发电机机座等，其中马氏体不锈钢转轮直径１０．７ ｍ 高５．４ ｍ 重４４０ ｔ，为世界最大的铸－焊结构转轮。该转轮由上冠、下环和１３或１５个叶片焊接而成，每个转轮的焊接需要用１２ ｔ焊丝，耗时４个多月。神舟６号飞船的成功发射与回收，标志着中国航天事业的巨大进步，其中两名航天员活动的返 回舱和轨道舱都是铝合金的焊接结构，而焊接接头的气密性和变形控制是焊接制造的关键。
      ２００５年底由第一重型机械集团为神华公司制造的中国第一个煤直接液化装置的加氢反应器，直径５．５ ｍ长６２ ｍ厚３３７ ｍｍ重２ ０６０ ｔ，为当今世界最大、最重的锻－焊结构加氢反应器，采用国内自主知识产权的全自动双丝窄间隙埋弧焊技术，每条环焊缝需连续焊接５天。西气东输的管线长４ ０００ ｋｍ，是中国第一条高强钢（Ｘ７０）大直径长输管线，所用的螺旋钢管和直缝钢管全部是板－焊形式的焊接管。
     ２００５年我国造船的总吨位达到１ ２１２万吨，占世界造船总量的１７％，居于日、韩之后，稳居世界第三位，正向年产２ ５００万吨的世界水平迈进。国内制造的３０万吨超级油轮、新型５６６８标箱集装箱船、１５万吨散装货船，以及为世界瞩目的，被称为“中华第一盾”的１７０舰，都是中国造船界的骄傲，船体是典型的板－焊结构。另外，上海中泸浦大桥是世界最长的全焊钢拱桥；国家大剧院的椭球型穹顶是世界最重的钢结构穹顶；正在修建的奥林匹克主体育场的鸟巢式钢结构重４万多吨，也是世界之最。这些大型结构都是中国焊接制造的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。由此可见，焊接在国民经济发展和国防建设中具有非常重要的地位和作用。

      研制项目可以看出，在百万千瓦级核电机组、超超临界火力发电机组成套设备、高水头超大容量水电机组、大型抽水蓄能机组、３０ ～ ６０万瓦级循环硫化床（ＣＦＢ）锅炉的成套技术装备、百万吨级大型乙烯成套设备、百万吨级大型对苯二甲酸成套设备、大型煤制气成套设备以及大型煤矿综合采掘成套技术与装备中，焊接制造都是关键制造工艺之一。
    ２ 行业自主创新能力分析
      行业技术现状
      新中国建立以来，特别是改革开放２５年来，中国先后自行研制、开发和引进了一些先进的焊接设备、技术和材料。目前国际上在生产中已经采用的成熟焊接方法与装备，在国内也都有所应用，只是应用的深度和广度有所不同而已。中国的制造企业已经在采用诸如电子束焊接、激光焊接、激光钎焊和激光切割、激光与电弧复合热源焊接、单丝或双丝窄间隙埋弧焊、４丝高速埋弧焊、双丝脉冲气体保护焊、等离子弧焊接、精细等离子弧切割、水射流切割、数控切割系统、机器人焊接系统、焊接柔性生产线（Ｗ－ＦＭＳ）、变极性焊接电源、表面张力过渡焊接电源（ＳＴＴ）和全数字化焊接电源等。甚至目前在国际上比较热门的搅拌摩擦焊技术，也已经应用到产品的生产上。中国的焊接生产技术水平有了很大的提高，但是存在问题的严重性也不容忽视。
    总体来看，中国２００４年的焊接材料生产总量达到２１０万吨，比美国、日本、德国三国焊接材料产量的总和还多，但是其中手工焊接用的焊条产量占７５％，各种机械化、自动化焊接用焊丝占２５％，焊接的机械化／自动化率为３５％，达到历年来的最高比例。然而，这仅相当于日本２０世纪７０年代末焊接机械化／自动化率的水平，日本１９７９年焊接材料的总产量为４０万吨，手工焊条占５８％，各种焊丝占４２％，焊接的机械化／自动化率为４４％。

制造超临界和超超临界火力电站锅炉、核电站成套装备以及石油化工装备的加氢反应器是国内能源发展的需要。焊接在这些重大装备的制造中起着重要的作用，但所需要的关键焊接材料，如超级耐热钢、超级不锈钢的焊接材料和耐蚀的镍基合金焊材、不锈钢堆焊用的带极材料基本依靠进口。工程机械用的高强度钢（９００ ～１ １００ ＭＰａ）的气体保护焊焊丝也主要依靠进口。国内焊接材料厂有近千家，列入统计名单的大中型企业１２０家，并已形成以天津、自贡、上海、昆山、锦州等几个较大的企业集团。但总的说来，产品品种较少、研发能力弱、研究开发速度慢，大多数为中低端产品，难以抵挡国外中高端焊接材料产品的不断涌入。对国内重大技术装备与国防高新工程的研制具有严重影响。
    电弧焊仍是当今焊接的主要方法，焊接电源的性能直接影响到焊接过程的稳定性和效率以及材料和能源的消耗，最终体现在焊接接头的质量一致性。近２５年来国外电焊机技术水平随着电力、电子元器件和计算机技术的发展迅速提高，从原先的旋转式直流焊机发展到二极管整流焊机、晶闸管（可控硅）整流焊机、晶体管整流焊机、逆变式焊机，一直到现在的全数字化逆变式焊机。国内电焊机行业在计划经济时期主要由上海电焊机厂、天津电焊机厂、成都电焊机厂等国营大企业唱主角，现在它们都退下来了，全国电焊机行业形成近千家的众多小型企业的局面。当前引领中国电焊机产业的是两家合资企业，产品主要是外国母公司的品牌，占有国内电焊机市场的近半壁江山。具有中国自主知识产权的电焊机主要是晶闸管整流焊机和简单功能的逆变焊机。目前国内骨干装备制造企业使用的高档焊机，如前面提到的ＳＴＴ焊机、全数字化逆变式焊机、双丝脉冲气体保护焊机等基本上依靠进口。这些先进的焊机附加值极高，一台全数字化逆变焊机价格高达人民币１２ ～ １５万元，而一般同等功率的普通晶闸管整流焊机价格仅为２ ～ ４万元。中国每年进口的焊接电源和设备的费用约占全国市场的一半，而国内生产的焊接电源产值中有近一半是合资企业的。近千家中小企业的产值占不到１／３的国内市场份额，而且这些市场份额也主要依靠廉价的劳动力和一些商业运作手段维持，这样的竞争能力能维持多久值得思考。

综上所述，焊接工艺已经不是一种辅助工艺，它在最近几年已经成为制造业中的关键加工手段，完成了许多关系国计民生与国防建设的重大战略性产品的生产，中国已经毫无悬念地成为世界首屈一指的焊接大国。但是国内焊接生产中应用的关键焊接材料、焊接设备严重依赖国外进口，具有中国自主知识产权的关键技术与产品不多，而且总体研发、创新水平和速度都不高，与焊接大国的形象形成了巨大的反差。如果继续下去，将会逐步成为中国经济战略安全的薄弱环节。

国外技术创新状况

世界各工业发达国家都非常重视焊接技术的发展与创新。美国和德国专家在讨论２１世纪焊接的作用和发展方向。一致认为：
    （１） 焊接（到２０２０年）仍将是制造业的重要加工技术，它是一种精确、可靠、低成本，并且是采用高科技连接材料的方法。目前还没有其它方法能够比焊接更为广泛地应用于金属的连接，并对所焊产品增加更大的附加值。

（２） 焊接技术（包括连接、切割、涂敷）现在以及将来，都有最大可能成功地将各种材料加工成可投入市场的产品的首选加工方法。

（３） 焊接不再是一种“应召工艺”，它将逐步集成到产品的全寿命过程，从设计、开发、制造到维修、再循环的各个阶段。
    （４） 焊接将被认为对改善产品全寿命的成本、质量和可靠性是至关重要的手段，而且对提高产品的市场竞争力有重要贡献。

世界各主要工业发达国家都非常重视发挥焊接研究机构的作用，基本上都形成大学研究所企业的三级研究开发体系。各主要工业发达国家都成立了焊接研究所，如英国的焊接研究所（ＴＷＩ）、美国的爱迪生焊接研究所（ＥＷＩ）、法国焊接研究所（ＦＷＩ）、日本的连接与溶接研究所（ＪＷＲＩ）、乌克兰的巴顿电焊研究所（ＰＥＷＩ）、德国亚琛大学的焊接研究所（ＩＳＦ）和德国焊接学会（ＤＶＳ）下属的分布在全国各地的焊接研究与培训中心（ＳＬＶ）等，而韩国的焊接研究中心是设在韩国现代科学技术研究院（ＫＡＩＳＴ）的韩国工业生产技术研究院ＫＩＴＣＨ之内。它们都属于国家级的焊接研究机构。

电弧焊至今仍是焊接的主要方法，而电弧焊技术的进步主要是由电源的发展带动的。国外企业非常重视焊接电源的开发，而且将电源的开发与电弧物理和焊接工艺技术相结合。每当出现一种新型焊接电源都同时推出新的控制方法。例如当出现晶闸管整流焊接电源就推出波形控制减少飞溅的ＣＯ２焊接电源和方波交流焊接电源；当逆变电源出现后就推出变极性电源、ＳＴＴ短路过渡焊接电源等；而当全数字化电源出现后又出现焊接电流和电压与送丝速度同步协调控制的双脉冲铝合金焊接电源和ＣＭＴ“冷金属过渡”焊接电源等等。这说明焊接电源的发展并不只是电路的设计，它关系到电气技术、微电子技术、控制技术、计算机技术、电弧物理、工艺技术等工程技术人员的联合与合作，需要一个多学科的团队。国内电焊机行业缺乏龙头企业，缺乏这样的团队，是造成国内电焊机发展速度慢、小企业只能在低端产品的生产中挣扎生存的主要原因。

搅拌摩擦焊是２０世纪９０年代初由英国焊接研究所发明的固态焊接新技术，这是一项带有革命性的创新，由于焊接时金属不熔化、无弧光和热辐射、耗能小、效率高、工件变形小等诸多的优点，而迅速得到推广应用。目前已经在飞机、火箭、快艇、邮轮、火车车厢等铝合金结构制造领域得到应用。国内一些研究所和高校已经购买了英国的专利技术使用许可证，开始自己的创新活动，并部分应用于生产。

综上所述，国外主要工业发达国家的政府很重视焊接技术的发展，他们希望用先进的焊接技术来提高产品的生产质量、提高效率、降低成本，以此来与劳力成本相对低廉的国家进行市场竞争，这是一种战略手段。

国内自主创新能力的问题和差距

与国外相比，从总体上看国内焊接生产的机械化、自动化水平较低，众多企业需要的、中国自有的、“使用量大面广”的焊接技术、焊接设备、焊接材料的水平甚至比尖端焊接技术更落后于国外。然而，对于汽车、造船、轨道车辆、电站锅炉、发电设备、重型机械、工程机械、集装箱等行业的中等以上骨干企业，在改革开放以来的多次技术改造中，引进了一些国外的先进焊接设备、材料和工艺，焊接生产的技术水平有了很大的提高，基本上能达到接近国外同类企业的水平，能够生产出国家经济和国防建设需要的装备和产品，只是先进技术的应用面、使用的数量和技术的先进程度有别于国外的企业。但是必须看到国内还缺少更多的具有自主品牌的先进焊接设备、高端焊接材料和高效焊接工艺技术，目前企业使用的这些先进焊接设备与材料大多依赖外国进口。国内焊接生产的这种表面辉煌，技术空心化的局面是一个严重的战略软肋。

自主创新模式与创新道路分析
    １ 创新与创新道路分析
    技术创新模式原则上可以分为原始创新、集成创新、引进消化吸收再创新。技术创新应与国民经济发展的需求相结合；重视在新时期新挑战面前的战略性创新规划；重视高端技术和常规共性技术的均衡发展；重视关键技术与相关配套技术的成套化发展；重视创新成果推广应用的环境建设。

关于创新的道路应该首先从战略角度来分析，日本、韩国和德国的做法很值得借鉴。例如日本在面对第一次石油危机的冲击，提出发展ＣＯ２气体保护焊和工业机器人技术以保持汽车和造船业的竞争力的战略性创新；韩国解决依赖外国关键技术由政府引导和部分资助企业为主导的产学研结合的创新；德国和欧盟发展新工艺、新技术来弥补劳力成本高以提高造船和汽车行业的国际竞争实力的系统成套创新等。

对于中国的技术创新，从共性技术发展的角度来看，应根据装备制造业的发展需求开展预研，由政府和装备制造企业共同资助，组成产学研联合攻关。企业应重视支持中国自己的创新成果，提供应用的舞台，促进国内自己的创新队伍的成长。企业应更多地提前提出需求，尽量通过对发展趋势的分析和预测，更多的是采取预先“订货”，而不是现时买“现货”的方式，才能推动有目标的自主创新。中国对于共性工艺技术的发展宜采取大学研究院所企业的三级创新体系

2 创新案例

改革开放以来，在国家设立发明奖的２６年内，仅有十多项焊接成果获得过国家发明奖，可见国内在焊接方面的创新成果并不很多（主要指焊接材料、焊接工艺技术、焊接设备的直接成果）。从这十多个发明奖项目的推广面、应用效果、经济效益和社会效益角度来分析，可以认为哈尔滨焊接研究所的“双丝窄间隙埋弧焊技术”成果最为突出。该科研成果于１９８５年鉴定，同年申报发明专利，并于１９８７年授权；于１９８９年获机械部科技进步一等奖，１９９０年获国家发明三等奖，１９９４年获全国优秀专利项目奖。全自动窄间隙埋弧焊设备自从１９８７年开始在太原重型机器厂和哈尔滨锅炉厂推广应用以来，经过十多年的不断完善，现在已经有６０台套在国内的骨干重点企业中应用，例如第一重型机械厂、第二重型机械厂、太原重型机械厂、哈尔滨锅炉厂、东方锅炉厂、武汉锅炉厂、上海电站辅机厂、上海金山化工机械厂、兰州石油化工机械厂等，最多的一家有４套，先后焊接了如６０万千瓦电站锅炉汽包、石化的大型加氢反应器、大型水压机的主工作缸和柱塞等产品，焊接的最大厚度达４００ ｍｍ，并已经成为中国重型装备制造企业的重要焊接生产设备。现在该设备已经稳稳地占领了国内市场，不仅价格比国外的类似产品低而且性能比外国的好，焊接效率高，焊接质量稳定，经多年的实际应用证明，接头一次探伤合格率达到９９．５％以上。２００５年由第一重型机械厂为神华集团生产的中国第一套煤直接液化装置的加氢反应器，通过国际招标，最终决定全部采用中国自己的专利产品——全自动双丝窄间隙埋弧焊设备（共两套）。该加氢反应器直径５．５ ｍ，全长６２ ｍ，壁厚３３７ ｍｍ，总重２ ０６０ ｔ，是当今世界最重最大的反应器。每个反应器由十多个大型整体锻造筒节焊接而成，每条环焊缝需要连续焊接５天，所有焊缝均一次探伤合格。

该项目是１９８０年第六个五年计划初期由国家科委下达的科技攻关课题，原计划是要求对常规埋弧焊设备进行现代化改造，以适应大型装备焊接的需求。课题组深入哈尔滨锅炉厂、第一重型机械厂、太原重型机械厂等大厂调研，并广泛阅读和仔细分析国外的文献资料。课题组发现美国和日本在１９６０ ～ １９７０年代对不同形式的窄间隙气体保护焊进行过多年的研究，有成功的经验也有失败的教训。主要的问题是坡口过小难以实现自动化跟踪，而且一旦出现缺陷又难以清除和修复。课题组也发现欧洲在开发一种窄间隙埋弧焊方法，但不了解详细情况。

 关键核心技术

焊接技术的总体发展趋势是高效、优质、低成本、环境友好、适应新材料、新结构、新功能要求，需要开展的关键核心技术有以下几个领域：

（１）重大厚长及复杂焊接结构的优质、高效、智能化、自动化成套焊接技术关键技术主要是视觉传感技术、焊接过程的智能化和协调控制技术、工业机器人产业化与配套技术。必须重视国内工业机器人的产业化生产，缺乏自主的工业机器人系统，很难集成上述技术，并且在高端装备上受制于人。
    （２）激光焊接、激光与其它热源复合焊接以及搅拌摩擦焊等新型焊接技术。关键焊接技术主要有激光与材料的作用机理、激光与其它能源的复合机理、搅拌摩擦焊的成形机理的深层次认识，以及新工艺技术在新型材料（包括铝、镁、钛合金及超高强钢等）焊接中的冶金特性。
    （３）多功能全数字化逆变弧焊电源技术。关键技术主要有针对不同电弧过渡形式中的电弧物理与工艺特征的优化控制模式，数字化逆变焊接电源的研究开发不仅仅是电路的开发与创新，必须将逆变电源的开发与工艺，特别是电弧物理相结合，开发新型的、更高性能的、更多功能的弧焊电源，推动使用量大面广的弧焊技术的发展。