美国焊接产业展望(2)

焊接产业

焊接工业担负着应用最为广泛的材料连接加工职责。

 

焊接的定义:

焊接是一种通过对材料加热、加压(或两者)兼有的方式,产生一个局部接头的连接方法。实际上,焊接熔化了两个物体的表面使其形成一个整体。它包含了许多连接技术方法,如:熔化焊、固相焊、胶接点焊、扩散焊、硬钎焊和软钎焊。

 

焊接的适用范围和影响

 

焊接可追朔至早期的金属加工年代,而且由于性能、成本、可靠性和安全方面的原因至今广为应用。与其他连接方法(如:铆接和螺栓连接)相比,焊接结构具有强度高、重量轻、成本低廉的优势。连接金属、聚合材料、陶瓷、复合材料和工程材料的焊接方法已经多达100多种,这些种类繁多的焊接技术为被焊构件的设计提供了很大的柔性,也可以设计性价比优化的生产和操作。

 

焊接和连接技术普遍应用于工业及国防制造业,而且在制造过程中产生极高的附加值。这种连接工艺一般出现在制造流程的后期,最典型的就是在组装的最终阶段,对结构的运行发挥着重要作用。此外,零部件焊接这种近似于“近净成型加工”方式的出现,由于可以提高下道工序的生产效率,也增加了组装工艺的重要性。由于焊接和连接技术经常被由于修复非焊接结构件及部件,所以在制造产品的修复和寿命延长方面,焊接和连接技术的作用更为重要。

 

当今焊接工业概况及构成

 

焊接工业包括:使用焊接技术进行焊接操作的施工队伍;为施工队伍提供设备、产品、焊接材料及所需服务的焊接供应业;以及遍布国内外、依靠焊接和连接技术制造其产品的终端用户

 

焊接施工队伍

 

组装操作占据着产品制造过程中劳资的相当比例。鉴于焊接及连接作为组装技术的支配地位,美国制造业工人中相当大的比例与焊接有关。

 

美国劳资统计局颁布的《1996年度职业概揽手册》表明:有45万美国人受雇为焊工、切割工和焊接操作工。该手册还列出了25个其他行业(包括钢铁制造业、锅炉和管道安装)或职业(包括精密组装、修船业),在这些行业中,焊接不是被视为一种特殊的技能就是被整合进了整个操作过程中。如果将这部分工人计算在内的话,焊接从业人员的数量将超过200万,占整个制造业工人总数的10%以上。这些就业数据,虽然数量可观而且焊接对产品制造的作用明显,但仍未能直接反映焊接的整体影响。还有一些人从事着与产品焊接相关的设计、工业及系统工程、工程应用及管理等方面的工作。上述数据并没有包含这部分人员。很明显,焊接是美国制造业的命脉,而且是美国未来竞争力的关键所在。

 

制造业工人数量的变化很可能会导致焊接从业人员比例的改变。据美国劳资统计局的资料,2006年制造业劳动力的比例可能从现在的14%减少至12%,将有35万人失业。制造业期望保持其总产量不变的话,则整个制造业的生产率必须增加15%以上,方可达到这一目标。从焊接的角度而言,意味着要在更大程度上依靠机械化焊接、自动焊和机器人焊接。

 

焊接供应业

 

大多数焊接器材是从“焊接供货商”处购买的,而这些供货商实际上就是最初的工业气体供货商。这些业务的大部分为工业气体生产商(如:PraxairAGAAir Products)或迅速发展起来的供货商联盟(如:Airgas)所掌握。他们最初的注意力在机械加工行业,这些供货商几乎没有经过培训的技术人员来帮助其用户选择满足需求的最佳工艺,或及时解决他们的技术问题。所以,中、小型的制造企业几乎无法得到专家的直接帮助,他们所采用的许多焊接工艺都不是最佳的,得到的代价自然是高成本、低质量。(最近一些供货商已经认识到缺少技术专家使得他们在用户的眼中看起来象是一般的商人,正采取行动改进其服务。)

 

用于各种焊接方法的机器、焊接材料和配件由10来个大公司生产并提供,这些大公司的年销售额超过了1亿美元。数百家比这些大公司规模小很多的小公司则专门制造焊枪、焊工面罩、锤子、打号机、焊接屏幕、特种焊剂等等。其销售额随美国工业所消耗的金属量变化,在过去几年里,这些颁布的数据多有起伏。但是最近的销售额基本呈上升趋势,表2-1所示的是92年至95年的数据。

 

2-1 焊接相关产业的销售额

产品

销售额(百万美元)

SIC

明细

95

94

93

92

35481

电弧焊机

1311.9

1135.3

1051.9

886.1

35482

焊条

872.4

852.0

682.8

631.7

35483

电阻焊机

385.9

380.3

664.7

280.6

35484

气焊/切割机具

248.7

241.0

281.7

252.8

35485

其他焊接设备、部件

394.1

345.9

211.6

242.6

35480

其他设备

87.8

89.1

153.7

97.1

3548

焊接设备总计

3300.8

3042.6

3046.4

2390.9

 

年增长率

8.5%

-0.1%

27.4%

 

 

92-95年期间总增长率

38.1%

 

 

 

数据来源:美国统计局1995年制造业年报

 

这些数据并未包括下列产品:

l         占年度销售设备一半以上的自动焊机、弧焊和点焊机器人及辅属设备;

根据机器人工业协会1997年的统计,其年度销售额估计在10亿美元以上。

l         在试验室以外的,特别是用于精密焊接和切割的激光器;

每年大约有200套激光设备投入使用,每套设备平均价值50万美元以上。

l         微连接机,如用于制造电子元器件、医疗机械、特殊控制装置及数百种其他新产品的电阻焊、激光焊、钎焊及其他微型焊接设备;

这些设备产值不高,年产值大约为75百万美元。

 

因此,美国1995年焊接相关市场的总产值约为53亿至55亿美元。这个数值仍在增长,尽管存在着某些短缺,特别是焊接材料需要进口。

 

终端用户

 

事实上,每个制造行业都在制造的某些阶段或者是加工设备的维修、保养时使用焊接技术。无论是计算机主板的钎焊、造船业钢板的苛刻焊接乃至工业锅炉的修补,工业界都依赖焊接这种可靠的材料连接方法。在制造行业中,依赖焊接的行业有:

 

l         汽车

l         重型设备

l         航空

l         电子、医疗器械及精密仪器

l         电站

l         石化

 

尽管终端用户这些制造商们常常不将自己看作是焊接行业的一部分,但先进的连接技术使得他们可以采用最新的材料和设计来提高其产品的性能、减少制造成本、降低寿命循环的成本。由于现有的供应体制有时在焊接器材制造商和终端用户之间设置了某种障碍或“隔阂”,这些供货商有时候很难了解用户对其产品的想法,用户的长期需求(和机会)是什么。当然,在每个行业这种需求是不同的,取决于其产品的要求以及追求高性价比生产效率的压力。

 

美国制造商们至少在三方面有需求:满足其用户变化着的要求;与国外制造商竞争;符合政府规则。这就促使他们持续地致力于开发改进的、高附加值的新一代产品。与满足新工业需求有关的连接技术包括:用于造船、航空、石油和天然气行业的特殊弧焊技术和汽车及相关行业所采用的先进的电阻焊技术。

 

即使制造商们推广了他们的新产品,他们也要继续强化其产品的经济性并获得股东们要求的最低性能。其结果导致了向“质量定制”方向发展,而在质量定制条件下,制造基地的柔性和效率都很高。

 

为了获得这种柔性和效率,制造构件及组件开始由供货商负责,留给制造商更多的自由使其专心于市场、销售和最终的组装。其结果就是:制造商和他们供应链上的那些公司比美国制造历史上的任何时期结合得更紧密了。典型的示例恐怕莫过于汽车工业,在那里某个设施被提议由主要组装厂和几个供货商的构件制作相结合。

 

随着供货商在设计、生产和按时供货等方面责任的加大,那些小公司发现很难确保有足够的资金及技术资源来回应这些挑战。他们拥有的资源可能足以应付日常的生产任务,但距离满足其用户的需求尚有一定差距。

 

整个制造业的这种发展方向推动着焊接和连接技术的创新。表2-2 给出了四个行业的一些总体趋势和关键需求,这些行业在制造循环中都在很大程度上依赖焊接技术。

 


2-2 四个制造行业的总体趋势和关键需求

行业

总体趋势

关键需求

汽车

l         供应链对设计、制造负更多的责任

l         技术开发的先期竞争合作加强

l         技术实施及管理保持竞争力

 

l         实时传感及自适应控制

l         电阻焊工艺控制,电极磨损及设备设计

l         轻型材料焊接

l         涂层高强度钢焊接

l         异种材料焊接

l         聚合材料连接

l         激光加工/白车体的焊接

l         结构粘接技术

l         焊接设计及工艺管理方法

l         微电子加工开发及可靠性

重型设备

l         随着整个经济波动起伏,目前状态很好

l         最近亚洲经济的影响不明显

l         对供应商和供应链的依赖增加

l         海外业务增多

l         改进焊接接头断裂性能和设计准则

l         工艺及结构建模

l         实时过程控制

l         优化的机器人和机械化焊接系统

l         高强度钢的焊接

l         激光加工(首道工序和第二道工序)

航空

l         减少飞机制造基地

l         更强调承受能力(成本则作为一个单独因素)

l         生产开发周期更短

l         对集成制造技术概念的依赖更多

l         产品寿命提高

l         老式飞机/更换和维修是主要问题

l         新型铝、钛、镍合金的焊接

l         固相连接及钎焊工艺

l         聚合/复合连接

l         包括残余应力、变形控制在内的设计手段

l         过程建模和控制

l         过程中的无损检验

电子、医疗器械和精密仪器

l         世界范围迅速增长的行业

l         竞争极为激烈

l         受新产品和新技术的驱动

l         连接技术以往由行业内部开发,现在开始转向外部

l         各种包装的设计指南

l         涂层和复合层——连接效果

l         工艺优化

l         过程/产品建模

l         可靠性技术:评估及试验方法

l         加工基础——显微组织/相关性能

l         激光加工

能源和化工

l         发电行业保持平稳,继续采用流水操作

l         油气行业的上游部分随着关注深水项目而急剧上升

l         下游部分(即精炼部分)平稳,为了提高利润,精炼部分正在调整、整合

l         深水技术(海下作业)

l         耐腐蚀合金的焊接

l         修复技术(使用中的修复及无焊后热处理的修复)

l         改进适应性的评估方法(腐蚀、残余应力及错边)

l         高强度钢管线的焊接

l         检验、可靠性及风险评估

来源于:爱迪生焊接研究所及其会员公司和顾问委员会提供的1998年信息。