回顧20世紀(jì)焊接技術(shù)的發(fā)展歷程,論證焊接科學(xué)發(fā)展的趨勢,分 析21世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)對焊接技術(shù)的挑戰(zhàn),討論焊接科學(xué)研究特別是焊接自動化方面的幾個重要方向。

1 焊接技術(shù)發(fā)展的歷程 焊接是一門新興的同時又是一門古老的技術(shù)。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(shù),是20世紀(jì)的事情。1802年俄羅斯的B.B.∏e pob發(fā)現(xiàn)電弧現(xiàn)象,1890年俄羅斯的B.B.Ee apДoc發(fā)明電弧焊,從此開始它極為迅速地發(fā)展,成為制造工業(yè)中的重要技術(shù)。從工藝方法上來說,它現(xiàn)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(yīng)用電子、計算機(jī)等先進(jìn)的控制技術(shù);從應(yīng)用范圍來說,它包括了交通、能源、航空、航天、海洋等一切工業(yè)領(lǐng)域。在它的應(yīng)用過程中,由于技術(shù)上的困難和使用過程中發(fā)生的事故,焊接的理論也逐步成熟,成為一門系統(tǒng)的技術(shù)科學(xué)。焊接技術(shù)的發(fā)展與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。根據(jù)統(tǒng)計,世界上45%鋼鐵材料通過焊接才成為人類可使用的產(chǎn)品,這意味著每年需要焊接的鋼材達(dá)到3～4億t。80年代以來有一種論點,認(rèn)為鋼鐵將趨于飽和,鋼鐵工業(yè)將成為夕陽工業(yè),由此可推想,焊接技術(shù)也將成為夕陽技術(shù),對此應(yīng)予以論證。

2.1 鋼鐵工業(yè)的發(fā)展過程 1900年,世界鋼產(chǎn)量為2850萬t,到1973年就超過7億t,1997年達(dá)到7.99億t,預(yù)計2000年全世界鋼產(chǎn)量可能超過8億t,約為1900年的28倍。本世紀(jì)世界鋼鐵工業(yè)發(fā)展的總趨勢是持續(xù)增長的。50年代以前,對鋼鐵工業(yè)影響較大的是兩次世界大戰(zhàn)。每次戰(zhàn)爭硝煙一起,世界鋼產(chǎn)量就呈下降趨勢,特別是在第一次世界大戰(zhàn)后,爆發(fā)了世界性的資本主義危機(jī),鋼產(chǎn)量大幅度下降。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后,世界鋼產(chǎn)量迅速增長。50年代以后,隨著轉(zhuǎn)爐技術(shù)與連鑄技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用,世界鋼產(chǎn)量發(fā)生了翻天覆地的變化,這個時期的增長速度相當(dāng)驚人。70年代后期發(fā)生了第一次石油危機(jī),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(fā)了第二次石油危機(jī)。兩次石油危機(jī)都造成世界鋼產(chǎn)量下降,并使整個資本主義經(jīng)濟(jì)萎縮。進(jìn)入90年代,出現(xiàn)了薄板坯連鑄技術(shù),美國最先采用這項技術(shù),取得了良好業(yè)績。薄板坯連鑄技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用引發(fā)了一系列鋼鐵生產(chǎn)新工藝開發(fā),再次推動了鋼鐵工業(yè)的發(fā)展。

2.2 21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的預(yù)測 為預(yù)測21世紀(jì)焊接技術(shù)的前途,就應(yīng)該預(yù)測鋼鐵工業(yè)在21世紀(jì)的發(fā)展前途。 (1)鋼鐵產(chǎn)量人口平均水平仍然很低 少數(shù)先進(jìn)國家鋼鐵生產(chǎn)總產(chǎn)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(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人口的需要,如1985年日本人均鋼產(chǎn)量達(dá)到1050kg,德國為664kg,蘇聯(lián)為592kg,我國只有47kg。若2000年全世界人口以60億計,鋼產(chǎn)量為8億t,則人均鋼鐵產(chǎn)量不過133kg,處在目前發(fā)展中國家的水平。 (2)鋼鐵材料的不可代替性 現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)品對材料要求非常高,需要能經(jīng)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(yīng)堆壓力殼,水流速度為20m/s,進(jìn)口溫度為290℃,壓力為17651.97kPa,蒸發(fā)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(yán)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(yīng)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(yùn)藏量大,分布廣,且采礦條件好,這是由地球的地殼構(gòu)成所決定的,其他金屬材料是無法與之相比的。 (4)綠色結(jié)構(gòu)材料 從可以回收利用的角度看,鋼鐵是一種綠色結(jié)構(gòu)材料,。當(dāng)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(huán)境,因此,鋼鐵是一種適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的材料.

2.3 鋼鐵工業(yè)的科學(xué)技術(shù)仍將持續(xù)發(fā)展[3] 21世紀(jì)鋼鐵科技發(fā)展的主要方向是,󰀁鋼廠生產(chǎn)流程的連續(xù)化——金屬制造流程的連續(xù)化與緊湊化;󰀁鋼廠排放過程的控制和排放物質(zhì)的再能源化、再資源化;󰀁新一代鋼研究與開發(fā):前兩項工作的發(fā)展將進(jìn)一步推動鋼鐵工業(yè)的擴(kuò)大生產(chǎn),降低成本,控制環(huán)境污染;后一項工作的發(fā)展則將為工業(yè)提供新的高質(zhì)量鋼材,推動機(jī)械設(shè)計和機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展。 進(jìn)入21世紀(jì),國民經(jīng)濟(jì)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(huán)境協(xié)調(diào)相容的鋼材,例如 全球范圍內(nèi)35家主要鋼廠和汽車廠剛剛聯(lián)合開發(fā)的“超輕鋼車”(ULSAB)研究目標(biāo)表明,采用新開發(fā)的高強(qiáng)薄板可以使重量減輕25%,服役性能改善,車體的靜態(tài)扭曲剛度提高80%,而且成本比代用材料低。 21世紀(jì)鋼材的發(fā)展方向?qū)⑹?SPAN lang=EN-US>,在充分考慮經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境友好因素的前提下,建立在高潔凈度、高均勻性、高穩(wěn)定的冶煉—凝固技術(shù)和超細(xì)晶粒組織控制等生產(chǎn)工藝基礎(chǔ)上的新一代鋼材。其主要目標(biāo)是要使鋼的強(qiáng)度比現(xiàn)有鋼材提高1倍左右,服役能力和使用壽命相應(yīng)得到明顯提高,且易回收利用。由此將引發(fā)出一系列科研課題:諸如極限潔凈度鋼的化學(xué)冶金過程;經(jīng)濟(jì)潔凈鋼的技術(shù)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(tài)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(xì)組織的形成機(jī)理;非平衡狀態(tài)下的物理金屬學(xué);微合金 化高潔凈鋼的開發(fā);新一代鋼種的可焊性及焊接材料和工藝的開發(fā)。

3 21世紀(jì)焊接技術(shù)面臨的挑戰(zhàn) 我國工業(yè)總體上較落后,許多工業(yè)產(chǎn)品,特別體系,必須加強(qiáng)制造技術(shù)的研究,現(xiàn)舉若干工業(yè)為例。 3.1 能源工業(yè) 建國以來,我國能源工業(yè)有了巨大的進(jìn)步。1988年煤產(chǎn)量為9.8億t,石油產(chǎn)量為1.37億t(見表3),1985年發(fā)電量為3813億kW・h,1984年全國發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量已達(dá)0.8億kW。但是,與工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比,年人均值都很低:能源消耗量為840kg(標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)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(jié)構(gòu)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(fā)電總量的16%;其中法國核能發(fā)電量已占該國全部發(fā)電量的69.8%。到2000年,全世界核電站裝機(jī)容量可達(dá)7.2～9.5億kW,占世界發(fā)電量的23%。然而我國核電工業(yè)尚處在起始階段�，F(xiàn)有核電站2座,總功率為120萬kW。據(jù)預(yù)測,到2000年我國能源生產(chǎn)將達(dá)12000～13000億kW・h,需要發(fā)電設(shè)備裝機(jī)容量25000萬kW以上。無論是核能發(fā)電裝備,還是熱能發(fā)電裝備,焊接是最主要、最關(guān)鍵的技術(shù)。我國目前機(jī)械工業(yè)的水平仍然滿足不了這項技術(shù)的要求,以秦山核電站為例, 其中關(guān)鍵的焊接部件仍然依靠進(jìn)口。圖3所示為該電站300MW反應(yīng)堆壓力殼自日本引進(jìn),運抵核島進(jìn)行安裝的情況。

3.2 汽車、交通運輸工業(yè) 我國交通運輸遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國計民生需要。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)中采用大量的先進(jìn)焊接技術(shù),其中包括機(jī)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(chǎn)業(yè),但能夠提供這方面的技術(shù)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(shè)船等,這些產(chǎn)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(hù)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(fēng)浪等惡劣條件下工作,國內(nèi)外都發(fā)生過重大事故,因而海洋平臺對焊接技術(shù)及結(jié)構(gòu)斷裂特性、失效分析和可靠性評估提出了十分嚴(yán)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(qiáng)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(yè) 航空航天工業(yè)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(jié)構(gòu),因而要采用各種特殊的焊接方法對各種不同的材料進(jìn)行焊接、釬接、拓散連接等。航空用的渦輪發(fā)動機(jī)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(jìn)器要求這些產(chǎn)品的瞬時高溫性好,采用復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。圖6所示為液體燃料發(fā)動機(jī)外貌,其噴管由大量輸油管經(jīng)焊接制成,目前還是采用人工進(jìn)行焊接。類似部件的焊接技術(shù)都須不斷研究開發(fā)。

4.1 焊接機(jī)器人的開發(fā)與生產(chǎn) 近30年來,先進(jìn)工業(yè)國家在機(jī)器人研究方面取得了十分迅速的發(fā)展,機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。1990年1月1日的一份統(tǒng)計資料介紹了世界各國和地區(qū)機(jī)器人擁有情況,其中日本遙遙領(lǐng)先,為18萬臺,其次為美國(4.2萬臺),聯(lián)邦德國為2.24萬臺,中國臺灣有800臺。根據(jù)1996年統(tǒng)計,大陸現(xiàn)有機(jī)器人500臺,點焊、弧焊大約各一半,汽車工業(yè)占37%,機(jī)械工業(yè)占30%,摩托車工業(yè)占25%。圖7表明聯(lián)邦德國機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用領(lǐng)域分析,按數(shù)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(shù)中發(fā)展機(jī)器人的重要性,焊接機(jī)器人應(yīng)該成為我國21世紀(jì)的一個重要課題和任務(wù)。研究開發(fā)具有智能的機(jī)器人,特別是具有自動路徑規(guī)劃、自動校正軌跡、自動控制熔深的機(jī)器人將是近期及21世紀(jì)研究的重要方向。

4.2 靈巧智能型焊接機(jī)械 [4] 現(xiàn)在焊接機(jī)器人大多為固定位置的手臂式機(jī)械,一般具有6*1/2個自由度,采用示教或編程方法執(zhí)行任務(wù)。這種機(jī)器人,適宜于大量生產(chǎn),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(jié)構(gòu)工地上的小批量生產(chǎn)沒有用武之地,目前國內(nèi)外工地焊接仍然采用手工或半自動的焊接方法,勞動強(qiáng)度很大,條件惡劣,質(zhì)量難以保證。圖8所示為我國石化工業(yè)中生產(chǎn)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(qiáng)度和質(zhì)量,必須研究開發(fā)、生產(chǎn)靈巧的具有智能的焊接機(jī)械,這里用“焊接機(jī)械”這個名稱是為了與手臂機(jī)器人相區(qū)別。為了適應(yīng)焊接各種場合的應(yīng)用,焊接機(jī)械必須要有各種各樣的結(jié)構(gòu),實質(zhì)上也是機(jī)器人。這種機(jī)械應(yīng)具有以下特點:靈巧、輕便,可以很容易移動,以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)、不同地點的焊接任務(wù);具有很高的智能,能自動跟蹤焊縫軌跡、自動調(diào)整焊炬姿態(tài)、自動調(diào)節(jié)規(guī)范、自動控制焊接質(zhì)量。21世紀(jì)應(yīng)該努力開發(fā)類似“傻瓜相機(jī)”那樣的“傻瓜焊機(jī)”,任意一個普通的工人都能夠操作,而且獲得優(yōu)良的焊接質(zhì)量。為了達(dá)到這個目標(biāo),要解決以下4個問題:󰀁研究設(shè)計各種不同的靈巧運動機(jī)構(gòu),以實現(xiàn)焊接電弧的運動、焊絲送進(jìn)和焊炬姿態(tài)的調(diào)節(jié);󰀁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(tài)、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(shù);󰀁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(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 解決以上問題將從根本上解決焊接勞動強(qiáng)度和質(zhì)量問題,應(yīng)該成為21世紀(jì)的努力目標(biāo)。

4.3 計算機(jī)模擬技術(shù) 焊接技術(shù)歷史悠久,但長期作為一種技藝主要是依靠經(jīng)驗解決生產(chǎn)實際問題。20世紀(jì)焊接逐漸形成科學(xué),從冶金金屬學(xué)、電工電子學(xué)等各學(xué)科的交叉融透中形成了自己獨立的科學(xué)體系。但是,由于這種工藝過程非常復(fù)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(jìn)行了大量研究,但仍須進(jìn)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(zhǔn)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(jī)理論研究工件可靠性;󰀁焊接件斷裂失效的微觀機(jī)理研究;󰀁安全可靠性評估的計算機(jī)軟件及專家系統(tǒng)的開發(fā)研究。

4.4 焊接件使用壽命評估與延壽技術(shù) 焊接工件中存在的缺陷,在使用初期尚不致使工件發(fā)展破壞,但是在使用過程中,這些缺陷不斷發(fā)展,以致使其達(dá)到臨界數(shù)值,而造成破壞。這一過程稱為失效過程,包括疲勞、應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、蠕變等。因此須要研究這些失效的機(jī)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(zhì)性能的變化及其對壽命的影響,如高溫下材料組織結(jié)構(gòu)自身不斷變化;󰀁延壽技術(shù)的研究,如噴丸、錘擊焊趾重熔、內(nèi)應(yīng)力消除、表面處理等。

4.5 惡劣條件下的焊接技術(shù) 惡劣條件主要指高溫、放射性、水下及空間技術(shù)。許多重要結(jié)構(gòu)必須在預(yù)熱條件下(100℃～150℃)進(jìn)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(yè)、海洋工業(yè)以及空間技術(shù)在21世紀(jì)的發(fā)展,必然會要求在放射性、水下以及太空進(jìn)行焊接或修補(bǔ),一些技術(shù)先進(jìn)國家已經(jīng)在這些方面作了不少工作。為太空焊接(高真空條件下)開發(fā)新的焊接工藝;為放射性及深水條件下焊接研究遠(yuǎn)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(zhì)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(jì)必將面臨這些挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論 (1)20世紀(jì)是鋼鐵工業(yè)迅猛發(fā)展的時代,也是焊接技術(shù)迅猛發(fā)展的時代。(2)21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)將持續(xù)發(fā)展,焊接技術(shù)亦將持續(xù)發(fā)展,并且將遇到更迫切、更高的要求,面臨更嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。 (3)在21世紀(jì),焊接工作者應(yīng)該著重解決焊接生產(chǎn)中目前仍然存在的兩大關(guān)鍵問題:󰀁勞動條件差;󰀁依靠經(jīng)驗或?qū)嶒炦M(jìn)行開發(fā)和生產(chǎn)的方法。大力推動焊接機(jī)器人的應(yīng)用,努力研究開發(fā)靈巧智能型焊接機(jī)械是解決勞動條件差,使工人脫離艱苦的重要方向。深入發(fā)展計算機(jī)模擬技術(shù),使焊接生產(chǎn)的模式由“理論→實驗→生產(chǎn)”改變?yōu)椤袄碚摗�計算機(jī)模擬→生產(chǎn)”,是焊接技術(shù)進(jìn)一步升華為更完善的科學(xué)的重要措施。 (4)為適應(yīng)21世紀(jì)鋼鐵工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展,應(yīng)創(chuàng)造新一代鋼種,并研究其可焊性、焊接材料及工藝。 (5)發(fā)展無損探傷技術(shù),研究焊接結(jié)構(gòu)可靠性及壽命的評估理論和方法,是進(jìn)一步推動焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)用的重要關(guān)鍵,也是21世紀(jì)發(fā)展焊接技術(shù)的重要科學(xué)內(nèi)容。 (6)在惡劣條件下(放射性、太空、水下、高溫等)的焊接技術(shù),是21世紀(jì)的新課題。

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