中国工程院咨询项目

《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究》总

中国工程院机械与运载学部

执笔人:林尚扬     

 

(本文网络版由中国焊接信息网独家发布不得转载一经发现追究法律责任)
 

 

   摘要:本文介绍了我国自改革开放以来制造业中焊接生产的主要成就及焊接在国民经济建设中的重要地位;全面分析了我国焊接材料、电焊机、焊接机器人、焊接专机和变位机等的生产与应用情况和存在的问题;统计了焊接结构的用钢量及主要用钢行业;分析了企业中焊接技术人员和焊工的现状及我国在专业教育与培训中的问题。为了使我国从焊接大国向世界焊接强国迈进,提出需要采取的发展战略和措施的建议。

 

   关键词:中国  焊接现状  发展战略 

 

一、焊接生产现状

1  焊接在我国制造业中的战略地位和成就

1.1      焊接制造的战略地位:

    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,在生产中都不同程度地依赖焊接技术。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。我国2002年的钢产量超过1.85亿吨,如果再加上进口的钢材,国内市场流通的钢材总量达到2亿多吨,成为世界最大的钢材生产国和消费国。目前,钢材是我国最主要的结构材料,在今后20年钢材仍将占有重要的地位。然而,钢材必须经过加工才能成为有给定功能的产品。由于焊接结构具有重量轻、成本低、质量稳定、生产周期短、效率高、市场反应速度快等优点,焊接结构的应用日益增多。与世界工业发达国家一样,我国焊接加工的钢材总量比其他加工方法多。因此,发展我国制造业,尤其是装备制造业,必须高度重视焊接技术的同步提高。

1.2  焊接制造的主要成就:

我国在实行改革开放政策的25年以来,经济有了巨大的发展。钢的产量从1979年的3,178万吨提高到2002年的18,500万吨,增加了5倍。这为大量采用钢结构提供了物质基础。近几年来,我国在大型焊接钢结构的开发与应用方面创造了建国以来的最高水平,有的已成为世界第一。例如世界关注的正在建设中的长江三峡水利工程,其水电站的水轮机转轮直径10.7m,高5.4m,重达440吨,为世界最大、最重的不锈钢焊接转轮,如图1所示。转轮分别由上冠、下环和13个或15个叶片焊接而成,每个转轮需要消耗12吨焊丝。同样,三峡水电站的电机定子座和蜗壳的结构也是巨大的,其中电机定子座直径22m,高6m,重832吨,是在我国焊接的最大钢结构机座;蜗壳进水口直径12.4m,总重量750吨,为世界最大、最重的焊接蜗壳,如图23所示。



   1 世界最大的三峡水轮机转轮 (左图13 叶片转轮;右图:15叶片转轮)

 

我国正在进行的另一项重大工程是铺设从新疆维吾尔自治区塔里木盆地的轮南到上海的输送天然气的管线,全长约4,300km。管线采用X70钢,直径1016mm40英寸)的焊接螺旋管和焊接直缝管。这是我国铺设的第一条高强度钢的长距离管线,并且在铺设中采用了自动化焊接技术和其他新型焊接材料和工艺。

 



 2 三峡水电站电机定子吊装入机坑

 



  3  三峡水电站焊接中的蜗壳

 



在桥梁和高层建筑方面,焊接结构的应用也取得很大的进步。例如最近完成的跨越长江的芜湖长江大桥(图4),是一座公路/铁路两用桥,采用矮塔斜拉结构,全长10km,主跨312m,是我国目前跨度最大的公/铁两用桥,采用50mm厚的14MnNbq钢整体焊接箱型主桁。最近刚通车的“世界第一拱桥”——上海卢浦大桥,全长3,900m,跨度550 m,为世界跨度最大的全焊钢结构拱桥,用3.4万吨厚度为30-100mm的细晶粒钢焊接而成。上海的金茂大厦是我国目前最高的摩天大楼,采用焊接钢结构框架,共有88层,高420m5是正在北京建造的国家大剧院,其椭球形穹顶长轴212.2m, 短轴143.64m,46.28m,焊接钢结构的总重量达6,475吨,将成为世界最大的穹顶。

我国的造船业在过去的20年里有了很大的发展,造船的总吨位从1985年的每年50万吨,提高到2002年的463万吨,成为世界的第三造船大国。这是在造船行业中大力推广先进、高效焊接技术的成就。同时我国也制造了一些过去未曾建造过的大型的和特殊功能


5 “世界第一穹顶”北京国家大剧院

            (设计效果图)

 



4 芜湖长江大桥 (公/铁两用桥)          


的舰船。如图6所示的是我国建造的最大载重量之一的30万吨超大型原油船,长333m,宽58m。图7为国产最大的半冷半压液化气船,总长154.98米,型宽23.10米,载重量17,900吨,其中3个液态货罐采用了厚度为30-35mm 13MnNi63低温钢焊接而成,工作温度为-48, 总容积16,500立方米。


 


6  大型30万吨原油船 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 7  半冷半压式液化气船        


在压力容器的焊接制造方面我国也取得很大进步。例如焊接制造了总重量达千吨级、壁厚280mm的大型热壁加氢反应器,如图8所示;焊接制造了600MW热电站锅炉,其汽包长30m,壁厚203mm,重250吨,如图9所示。随着我国航天事业的发展,近年建成了国


   8  千吨级热壁加氢反应器

 


   9  600MW电站锅炉汽包


内最大的空间环境模拟装置,它是一个大型不锈钢整体焊接结构,主舱是一个直径18m,高22m的真空容器,辅舱直径12m,如图10所示。我国发射的“神舟”号载人飞船都曾在这个模拟舱中进行过试验。在铝合金、钛合金焊接方面的成就集中体现在航空、航天工业产品的发展。在国产J-11飞机上的全焊钛合金重要承力结构件的总重量达到飞机机体重量的15%。“神舟”号载人飞船(图11)和长征系列运载火箭的燃料箱,都是全焊接的铝合金结构。



      10  大型空间环境模拟舱

 11  “神舟”4 号飞船返回地面


    上述的一些大型结构例子都是我国近年来焊接的最大、最重、最长、最高、最厚、最新的具有代表性的重要产品。它们的制造成功表明我国焊接技术水平有了明显的提高,焊接在国民经济建设和社会发展中发挥着无可替代的重要作用。

为了完成诸多重要产品的焊接任务,在近25年来我国也先后自行研制、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,在我国也都有所应用,只是应用的规模和广度有所不同而已。我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、水射流切割、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、等离子焊接、精细等离子切割、数控切割系统、机器人焊接系统、焊接柔性生产线,STT焊接电源,变极性焊接电源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,也准备应用到生产上,并已有所创新。我国的焊接工作者一直在积极努力追赶国际先进水平,但是我们也应认识到要赶上世界先进水平还有一段很长的路要走。

1         我国焊接材料生产现状

1.1              现状

一个国家焊接消耗材料的生产情况可以反映该国焊接技术的总体水平。从图12可以清楚地看出我国焊材的生产总体上是与钢材同步增长的,近7年来产量翻了一番。仅统计焊条与焊丝,1996年的产量为62.96万吨,发展到2002年已达144.9万吨,如果加上进口的焊材,总耗量达到147万多吨,成为世界最大的焊材生产与消费国家。但是,从不同焊材的产量构成看,存在的问题就会明显地显现出来。表1为近7年焊材产量的统计结果。在我国生产的焊材中手工焊的


           12  我国钢年产量和焊接材料年用量的发展变化对比

 


               1  7年我国焊接材料产量统计表     (万吨)

   

 焊条

  MAG

  焊丝

  药芯

  焊丝

 埋弧

 焊丝

 年总

消耗量

自动化率(%

1996

 55.0

(87%)

   5.6

0.06

    

  2.3

  62.96

 

 19.6

1997

 72.5

(89%)

   5.6

  0.13

  

  3.6

  81.83

 

 18.4

1998

 87.0

(88%)

   7.0

  0.20

  

  5.0

  99.20

 

 21.1

1999

 90.0

(85%)

  10.6

  0.36

  

  5.0

 105.96

 

 24.6

2000

 90.0

(83%)

  11.7

  0.70

  

  6.0

 108.40

 

 27.2

2001

100.0

(82%)

  14.0

  1.20

  

  7.0

 122.20

 

 29.2

2002

110.0

(76%)

  25.0

  1.90

  

  8.0

 144.90

 

 40.1

    注: 括弧中的红色数据为该焊材所占比例

焊条产量一直占75%以上,而机械化、自动化焊接需要的各种焊丝的总量不足25%。按熔敷金属计算,2002年我国焊接机械化、自动化率仅能达到40.1%, 而世界工业发达国家一般都在60%-70%以上。可见我国的焊接生产总体上说自动化率仍比较低。这足以说明我国只是一个焊接的大国,还远不是一个焊接的强国。

    从统计数据还可以看出,近几年来我国焊丝产量正在迅猛发展。例如气体保护焊(MAG)用的实心焊丝从1996年到2002年增加近4倍,质量也有明显提高,目前已经能够满足90%以上的国内需求;而先进的药芯焊丝,由于具有独特的工艺性能,7年来产量增长了近31倍,成为我国发展最快的焊材。从过去主要依靠进口,到现在国内应用的药芯焊丝50%以上是自己生产的,并且有少量出口,如图13所示。全国生产药芯焊丝的厂家共有29个,生产线48条,其中进口生产线21条,国产27条(包括我国台湾地区制造的3条)。保守地估计,按每条生产线平均具有年产500吨焊丝的能力计算,我国药芯焊丝产量近期内仍会有较大增长的空间。


 


埋弧焊多在船舶、压力容器、管道和钢结构件的制造中使用。我国埋弧焊丝的产量近年来也有较大增长,但是只占焊材总量的5.5%左右。而工业发达国家埋弧焊丝的比例一般在8-10%之间。

2.2  存在的主要问题

(1) 我国焊材生产中手工焊条的比重居高不下,使得我国焊材生产总量与钢材生产总量之比偏高。以2002年为例,生产的焊材(仅计算焊条和焊丝)总量为144.9万吨,而钢产量为18,500万吨,两者之比为0.78%。工业发达国家的比例一般在0.3-0.5%之间, 而发展中国家在0.5-0,8%之间。 根据1999年的统计数据,不同国家和地区的比例如表2所列。可见,美、日、欧国家手工焊条产量的比重低,

2   1999年世界部分国家和地区焊材产量比较(万吨)

   国家

  或地区

 焊条

实心

焊丝

药芯

焊丝

埋弧

焊丝

焊材    

总量

钢总产量(亿吨)

焊材/钢产量

比例(%

中国 大陆

90

(85.5%)

10

(9.5%)

0.3

(0.3%)

  5

(4.7%)

105.3

1.2

0.88

中国 台湾

2.7

(54)

1.35

(27)

0.45

(9)

0.5

(10)

5

0.14

0.36

日本

5.4

(19.4)

11.3

(38.4)

8.5

(29.3)

3.5

(12.2)

28.7

1.04

0.28

美国

10.8

(26.9)

12.4

(30.8)

12.8

(31.8)

4.2

(10.5)

40.2

0.975

0.41

西欧

16.2

(26.7)

33.6

(55.5)

4.2

(6.9)

6.6

(10.9)

60.6

1.34

0.45

注: 括弧内红色数字为所占比例

平均每1亿吨钢需要不到40万吨焊材,而我国由于手工焊条比例过高,造成每亿吨钢材需78万吨焊材,比工业发达国家高出近一倍。还必须看到,我国目前取得生产许可证的焊条厂就有250多家,分散在全国各地,但具有较大规模的企业或企业集团主要集中在天津、上海、自贡和株洲。全国焊条总的生产能力超过150万吨。据焊条厂反映,当前焊条市场销路仍然看好。这可能是由于各地建设项目多,现

场安装的焊接工作量较繁重。另外,广大乡镇企业仍以焊条手工焊为主,使得焊条的需求量居高不下。因此,焊条比例和焊材/钢材比例在短期内不大可能有明显的下降,这将对我国的资源、人力、物力、运力的合理应用,以及焊接生产效率的迅速提高会带来负面的影响。

(2)    我国焊材的产量虽高居世界第一,但品种却较少,特别是缺少优质的不锈钢、耐热钢、低温钢和高强钢的焊接材料。表34分别列出我国生产的实心焊丝与药芯焊丝的品种与国外一些著名公司的产品品种数量的对比。可见,我们全国生产的焊丝品种还不如外国

 


 



一家公司的多。而且,我国生产的焊材,除普通碳钢焊条外,工艺性大多不如外国的好。造成这种情况的原因比较复杂,但是有一点是肯定的,政府、高校、科研院所对研究开发新型焊接材料,尤其是使用量大面广的一般焊接材料,不够重视。高校和科研院所大多转向研究机器人、先进焊接电源、新型焊接方法、过程控制等高技术领域,而仍然坚持从事焊接材料研究的单位,数量在迅速减少。如不能集中一定的科研力量,仅仅靠焊材厂自身的力量来开发是不够的。这不仅会使我国焊接材料的品种和质量满足不了国内市场需求,而且在基础理论、焊材新成果数量以及测试技术、生产装备、可以利用的原辅材料等各个方面与外国的差距还将继续加大。

2.3 可借鉴的经验

从日本在二战之后焊接材料生产发展的经历中,可以借鉴一些有益的经验。战后日本经济恢复时期,焊接发挥着重要的作用,特别是随着钢铁行业和造船行业的发展,焊接材料的产量也迅速增加。到1972-1973年,日本焊材产量达到历史最高水平,接近60万吨,如图14所示。但是,1972年世界发生第一次石油危机,对日本经济产生巨大的冲击,造船行业首当其冲, 焊材产量直线下滑。在这艰难时期,


          14  日本焊接材料总产量和各种材料比例统计图

 


日本焊接工作者提出大力推广高效率的CO2气体保护半自动焊取代焊条手工焊,以降低生产成本,提高产品的国际竞争力。这一具有战略性意义的措施发挥了重大作用。从此实心焊丝的产量迅速增加。但是在实践中,发现实心焊丝CO2气体保护焊在造船的全位置焊接中工艺性不够满意;接着,又推动了日本焊接界重视吸收美国的技术,大力开展药芯焊丝的研究。从上世纪80年代开始日本的药芯焊丝产量加速发展,并在造船行业中占据主导地位。进入90年代后,日本经济逐步衰退,焊材的总产量也随之减少,从1990年的40.25万吨减少到1999年的28.69万吨。从图15中可以看出在这10年里,各种焊材相对比例的变化,有比较大变化的部分主要是实心焊丝和药芯焊丝这两种材料。也就是说,在日本经济衰退的10年里,药芯焊丝的


             15  日本近10年各种焊接材料产量比例统计

 


比例仍继续增长,并于1993年超过焊条的产量,反映药芯焊丝具有很好的发展前景。同时也能看到,日本的焊条比例从1980年约占58%,降低到1999年的不足20%

回顾日本焊材产业的发展历程,我国应该从中吸取有益的经验。同时应看到,日本的焊接技术改造往往是在经济发展受阻时期或国际竞争激烈的困难阶段,而这些改造确实起到焕发活力的作用。这点我们更应该特别注意借鉴。

 

3 我国焊接设备生产与应用情况

3.1  电焊机的生产与应用

 改革开放以来,我国电焊机产业经过一段时间的调整,从原先的计划经济体制,改变成为现在的适应市场经济的体制。电焊机的生产从过去主要由国营企业唱主角,转变到如今以合资企业、股份制企业和民营企业为主体。2000年及2001年全国焊接设备产量如表5所列。从表中可以看出,手工焊接用的交流和直流弧焊机的产量占总产量(台数)的77%--80%,这与焊接材料中焊条的比例相当。然而,在我们统计的100家主要与焊接生产相关的企业中,电焊机的平均配置情况为手工焊的直流、交流焊机和气体保护焊机三者各约占1/3左右(见图16)。近几年来,由于CO2气体保护焊的效率高,焊机和

 

5   2000-2001年度全国40家主要焊接设备生产厂的产量统计 (台)

          

      2000

      2001

交流弧焊机

     106,085

      129,222

直流弧焊机

      32,054

       21,384

电阻焊机

       6,936

        5,196

全、半自动焊机

      32,541

       43,535

特种焊机和其它焊机

       2,198

        4,803

备件及辅机具

 

      208,951

 

焊丝供应充足、质量稳定,普及的速度明显加快,平均每年以20%-30%的速度增长。但是电焊机的产量和企业焊机的比例,不足以说明企业焊接的现状,因为焊机的数目不反映利用率。企业年消耗焊接材料的比例才能表明焊接技术的实际现状。尽管我国总体焊接机械化、自动化率还比较低,但是从抽查的100家特大、大和中型企业的焊丝与焊条消耗比例来看,可以说明这些企业已经把提高焊接效率摆在重要地位。

从图17可以看出,中型企业用气体保护焊焊丝的比例最高,达到72%,焊条使用量较少(11%);而大型企业的焊条用


               图16  全国100家焊接相关企业电弧焊机比例



17   100家企业中特大型(左)大型(中)和中型(右)企业焊材消耗比例

 


量相对比较高,约38%;特大型企业(包括大造船厂)药芯焊丝用量相对较高,约占17%。这个统计结果可反映我国主要企业的焊接现状。

      全面推进用CO2Ar+CO2气体保护半自动焊取代焊条手工焊是当前我国企业焊接技术改造的主要方向,这也是焊接生产进一步实现机械化自动化的基础。根据调查结果,在这方面不同行业的情况不尽相同,如图18所示。从图中可明显分出三个梯队,以汽车零部件、集装箱和工程机械行业为最好,基本上全部采用气体保护焊;而一般机械、铁路车辆和重型机械行业的比例都超过50%;在造船、锅炉和金属结构行业由于药芯焊丝和/或埋弧自动焊的用量较大,实心焊丝CO2气体保护焊的比例相对较低。

   

             18  不同行业中以气体保护焊取代焊条手工焊的比例

 


    在面上继续大力推广CO2气体保护焊是我国焊接行业今后一段时间的重要任务,只有CO2气体保护焊的用量在全国范围大幅度增加,才能全面提高我国焊接效率、降低生产成本;才能减少焊条的产量、降低焊材与钢材的比例;才能为实现焊接生产过程的机械化与自动化奠定必要的基础。这正是对电焊机行业今后发展提出的新要求。

然而,尽管我国每年生产的焊机达20多万台套,但大部分是普通型的,对新型高性能的焊接电源的开发速度相对较慢。每年我国仍需从境外进口较多的先进焊接设备,进口总值和国内焊机的生产总值大致相当。这主要是我国的电焊机厂数量多,但规模较小,还没有形成大规模的企业集团。这点与焊材企业不尽相同。表5只是列出我国40家主要电焊机厂的统计结果,而全国焊接设备厂多达近千家。除了一些较大的国内厂家具有一定的开发能力和几家合资或独资企业主要依靠外国母公司的技术以外,大部分焊接设备厂缺乏强劲的开发高性能新产品的实力。目前领导我国电焊机行业的,主要是少数几家合资企业,外国技术占有主导地位。这种现况与我国是一个世界最大的焊接大国,并正向焊接强国迈进的地位极不相称。为尽快加强我国电焊机的自主开发能力,政府的规划、引导和资助是必不可少的。今后一段时间我国主要应重点开发功能更多、性能更好、效率更高的焊机,特别是气体保护焊的焊机。

 

3.2 焊接机器人的应用

我国制造业中焊接机器人的应用主要是在20世纪90年代以后(个别企业在80年代中期),经历了摸索阶段,近5年来焊接机器人的数量增加很快,特别是在汽车制造业。根据到2001年的统计,全国共有各类焊接机器人1040台,其中弧焊机器人多于点焊机器人,如图19所示。汽车制造和汽车零部件生产企业中的焊接机器人占全部焊接机器人的76%,是我国焊接机器人最主要的用户。汽车制造厂的点焊机器人(图中带有斜杠的部分)多,弧焊机器人较少;而零部件厂弧焊机器人多,点焊机器人较少(斜杠部分)。该行业中点焊与弧焊总的比例约为3:2。其他行业大都是以弧焊机器人为主,主要分布在工程机械(10%)、摩托车(6%)、铁路车辆(4%)、锅炉(1%)等行业。焊接机器人分布在全国各个经济地区,但主要集中在东部


                  图19  全国焊接机器人的行业分布(2001年底)

 


沿海和东北地区。东部的上海和东北的长春这两个汽车城是我国拥有焊接机器人最多的城市。从图19中还能看出,我国焊接机器人的行业分布不均衡,也不够广泛。今后应重点放在扩大应用领域,使更多行业用上焊接机器人。

我国从上世纪80年代开始在高校和科研单位全面开展工业机器人的研究,近20年来取得不少的成果。但是由于没有和企业联合,长期没能形成有规模的产业。目前国内除了一家以组装为主的中日合资的机器人公司外,具有自主知识产权的工业机器人主要由高校或科研单位组织生产,还没能形成批量。因此,我国企业装备的焊接机器人90%以上是从世界各知名机器人厂家进口的。近10年来,进口机器人的价格大幅度降低,从每台7-8万美元降低到2-3万美元,使我国自行制造的普通工业机器人在价格上很难与之竞争。特别是我国在研制机器人的初期,没有同步发展相应的零部件产业,使得所生产的机器人需要配套进口的零部件,使价格难以降低。

日本从上世纪70年代中后期开始开发工业机器人,15年后就成为产量最多、应用最广的世界工业机器人“王国”。日本的工业机器人是在几家原本就具备机器人相关技术的企业的基础上发展起来的,例如FANUC原本是生产数控设备的,YASKAWA原本是制造伺服电机的,PANASONIC原先就是著名的电器厂商。他们与高校结合,很快就能形成工业机器人的规模生产能力,加上政府用政策与资金支持企业扩大应用工业机器人,促进了日本机器人产业的迅速发展。我们应从中吸取日本发展机器人整个过程的各方面成功经验。

当前世界各国在发展工业机器人产业方面有三条不同的道路:

1)机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标,而各行业需要的机器人成套系统,一般由其子公司或社会上的工程公司来设计制造,并完成交钥匙工程(暂称为“日本模式”);

2)机器人制造厂商自己既生产机器人又设计制造用户所需要的系统,完成交钥匙工程(暂称为“欧洲模式”);

3)本国基本不生产一般工业机器人,企业需要的机器人系统由工程公司用进口的机器人自行设计制造外围设备并成套,完成交钥匙工程(暂称为“美国模式”)。

目前我国需要研究我们的机器人产业应走什么道路的问题。我们认为应从“美国模式”着手,在条件成熟后逐步向“日本模式”靠近。可喜的是,我国已经形成一批焊接自动化系统集成工程公司,可以完成焊接机器人工作站的设计、设备集成与技术咨询工作。现在我国使用的焊接机器人工作站有近20%是在国内由中国的工程师采用进口的机器人,配合自行设计的外围设备而集成的。但是比较复杂的焊接机器人生产线或焊接FMS大多还需要全套从国外进口。今后,应促使这些工程公司做大做强,政府应以政策鼓励企业采用我国自行成套的焊接机器人系统,而我国的工程师应进一步加强和国外的机器人厂家和集成公司的合作与技术交流,使国内应用的焊接机器人系统中自行成套的焊接机器人工作站迅速增多,促进我国机器人产业的成长。

在制造业中推广应用焊接机器人是企业今后技术改造的主要方向。然而,焊接机器人的应用是一项系统工程,牵涉前后工序和部门上下之间的协调。在1995年进行的第一次全国焊接机器人调查中,就发现约有1/4的焊接机器人工作站不能正常应用,一般需要半年到一年的适应期。原因就是前后上下没有配合好,例如存在前序提供的零部件尺寸精度或一致性不稳定,装配胎夹具精度达不到机器人焊接的要求,机器人的操作、维修人员的素质和队伍的稳定不理想,生产计划和设备利用率不匹配,工件图纸不能及时修改以适应机器人焊接,操作人员的奖金和工资分配不合理,企业及车间管理层对使用机器人的认识不全面、不一致,对解决出现的问题缺乏信心等问题。目前情况已大有改善,除了少部分焊接机器人还没有正常使用外,大部分都已经在生产中发挥重要作用,特别是在汽车制造和汽车零部件行业。今后继续推广使用焊接机器人必须避免上述现象的重复出现。这需要通过宣传、交流、专题研讨会来提高企业决策层和技术人员的认识,普及已经取得的经验。

当前企业使用的焊接机器人工作站大多是用示教-再现型的机器人,不具备自适应能力,因此要求工件的装配尺寸必须稳定。近期我国有一些铁路车辆厂开始引进带有激光视觉传感器的焊接机器人,不仅能自动寻找和跟踪接缝,有的还能对坡口(间隙)宽度的变化自动进行一定的自适应调节。今后带有视觉传感器的焊接机器人将会不断增多,这是一个重要的发展方向,特别是对大型工件的焊接。大型工件的焊接自动化是比较困难的,由于工件的尺寸大、重量重,难以精确装配,过去一直采用手工焊或气体保护半自动焊。随着我国装备制造业的发展,重、大、厚件的焊接必然会继续增多。例如图1 所示的水轮机转轮,实现焊接自动化势在必行,而采用视觉传感器是一种高技术的发展方向。遗憾的是,到目前我国还没有一家生产焊接用的视觉传感器厂家,企业应用的视觉传感器全部是进口的,价格也相当昂贵,影响大面积推广。

3.3 专机的应用

专机是一种刚性或半刚性的自动化焊接设备,不同于柔性自动化的焊接机器人。在选择上必须根据企业生产情况和产品要求来选择是用专机还是用机器人。不能笼统认为机器人是高水平的自动化,而专机是较低水平的自动化。根据实践经验,选择的原则如表6所列。

            

 

    

1.对产品生产批量的要求    

  可以小批甚至单件

  要求大批量

2.对产品改型周期的要求

  可以短

  要求长

3.设备适应改型的能力

容易 (柔性自动化)

  困难 (刚性自动化)

4.焊件上焊缝的数量

  可以较多

  希望较少

5.每条焊缝长度

  可以很短

  希望较长

6.每条焊缝形状

最适合复杂的空间曲线 

  适合直线或圆形焊缝

7.对工件尺寸及装配精度

   的要求

   较严 

(可用跟踪寻位技术来弥补)

         

 (一般不配备跟踪系统)

8.焊接效率

主要取决于焊枪移位的次数(即焊缝数),移位越多效率越高

主要取决于一条焊缝的长度,焊缝越长效率越高

9.投资额与回收期

  一般较高、稍长

   一般较低、较短

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 焊接机器人和焊接专机的特点对比与选择原则

    我国的焊接专机大多在大批量生产的企业,如在冰箱与空调压缩机的焊接生产线、汽车装焊生产线、管子生产线、汽车零部件生产线、摩托车零部件生产线等场合。图2021为冷藏集装箱铝合金T型底板焊接专用生产线和汽车消音器焊接专用设备。

从统计的115家各类企业的情况看,弧焊专机共有1,742台,80%是国产的;而电阻焊专机只有250台,进口的占75%,主要在汽车


 


  20 集装箱铝合金T型底板焊接生产线        21  汽车消音器焊接专机

 

 

行业。总的看来,我国企业采用焊接专机的数量还不多,说明焊接生产的自动化水平还比较低,今后应加强焊接专机应用的推广力度,迅速提高焊接生产的机械化自动化率。

3.4 变位机的应用

变位机可以使工件上的接缝处于理想的船形位置或平焊位置进行焊接,是提高焊接效率和质量,降低劳动强度的有效廉价工具。企业在没有进入自动化焊接阶段,就应大力推广应用变位机。一般变位机有两个回转轴,有电动的也有手动的,如图2223所示。图23的手动变位机,要求尽量使其旋转轴和倾斜轴都通过工件的重心,这样即使是很重的工件也能用手轻松搬动进行变位。但是,从调查的115家各类企业的情况看,总共只有焊接变位机750台,84%是国产的。可见,变位机在我国企业中的应用还不普遍,许多工厂没有变位

 


22  电动旋转/倾斜变位机            23  手动变位机(平衡式)

 


机,工件仍是放在地上焊接。然而,我们在深入工厂的访问中也发现一些应用变位机好的典型,如厦门的林德叉车厂。这个工厂的焊接车间自动化水平并不高,没有焊接机器人,也几乎没有什么焊接专机,但是每个焊接工位都配备一台变位机、一台小电葫芦吊车和一台CO2气体保护焊机。这个工厂的焊接车间可以作为非自动化焊接车间的典范,应大力宣传和推广他们的经验。该企业充分利用了我国劳动力成本低的优势条件,同时用比较低廉的设备(变位机)解决生产效率、焊接质量和劳动强度的问题。

 

4 焊接结构用钢量状况

4.1 焊接结构用钢量

焊接结构的用钢量是衡量一个国家焊接技术总体水平的重要指标。我国长期缺乏这方面的可靠统计数据,一直对焊接结构的用钢量采取估计方法,没有可靠依据。这次调查我们曾试图统计全国各企业焊接结构的实际用钢量,但是由于回收数据太少,直接统计用钢量有困难。因此,提出通过计算已寄回调查表的115家企业年总焊接材料消耗量和总用钢量的比值,得出每吨钢材平均需要耗用焊材的数量,再用全国焊材的总产量来推算每年焊接结构的用钢量。根据115家企业提供的数据计算,我国企业当前焊材与钢材的比例为1.82%。但考虑到所统计的企业小型的少,大多是中型以上的企业,而众多的小型企业焊条用量比中型以上企业多得多,因此将这个比例数比较保守地调整为2%。我国2002年消耗的焊接材料总量(包括进口)按147万吨计算,可焊接的钢总量约为7,350万吨,而2002年钢产量为1.85亿,因此焊接结构的用钢量约占钢产量的40%。可见,我国焊接加工的钢材总量大于其他冷、热加工方法。即使是这样,我们还是落后于工业发达国家。将收集到的日本和原苏联在上世纪80年代经济发展较快时期年焊接结构用钢量的数据汇集成图,如图24所示。原苏联焊接用钢量达到60%,而日本超过70%,其他发达国家大多在这个范围之内。我国钢产量还将继续增长,预计今年将会提高到2亿吨以上。同时焊接结构的用钢比例也将逐步趋向60%的目标,国民经济

 


24   原苏联和日本20世纪80年代焊接结构用钢量

 


建设中焊接的工作量将成倍地增加。焊接技术将迎来一个发展的新高潮。这点应该引起各级政府和焊接学会、焊接协会以及高校、科研单位和有关企业的高度重视,提前做好准备。

4.2  钢材的主要用户

我国焊接结构的用钢量2002年达到7,350万吨,但需要进一步搞清楚哪些行业是用钢大户。根据最近冶金部门的统计数据,1998年到2002年全国8大行业钢材需求量的统计结果如表7所列,但是必须指出,表7的数据并不全部都用于焊接结构。从表中可以大致看出我国主要行业的用钢情况,其中金属结构(包括桥梁、钢结构建筑等)、管道、汽车行业是用钢大户,每个行业年用钢量都在300万吨以上,其次是造船、电站设备、石油化工机械和集装箱行业,各用钢超过100万吨。金属结构和管道行业是近7-8年才壮大起来的,并迅速成为我国的用钢大户。可是长期以来,焊接界的研究与开发工作大多针对化工设备、电站设备、冶金设备、船舶、飞机和车辆等制造业的需要,而较少关注这些现场安装焊接和野外焊接技术的提高。致使这些现场和野外焊接技术水平仍然停留在较落后状态。应该引起有关方面的足够重视。

 

7   八大行业1998-2002年钢材需求情况     (万吨)


年份

建筑

机械

 

汽车

农用

造船

铁道

石油

家电

集装

 

合计

比例

 %

1998

5235

50.33

1200

11.54

370

3.64

250

2.40

140

1.35

260

2.5

125

1.20

283

2.72

143

1.34

8012

 

77.0

 

1999

6315

51.77

1600

13.11

437

3.58

274

2.25

130

1.07

270

2.21

120

0.98

325

2.66

170

1.39

9641

 

79.02

 

2000

7335

55.90

2000

15.27

498

3.8

257

1.96

160

1.22

280

2,14

130

0.99

360

2.75

230

1.76

11250

 

85.88

 

2001

8980

57.94

2400

15.47

638

4.12

220

1.42

200

1.29

290

1.87

170

1.1

387

2.50

165

1.06

13450

 

86.77

 

2002

10520

53.67

2750

14.03

910

4.65

220

1.12

225

1.15

300

1.53

290

1.48

455

2.32

180

0.92

15850

 

80.87

 

注:  表中红色数字是当年所占的百分比

              


日本1995年到19999大行业用钢量的统计数据分别如图25ab所示。这些数据并不全部为焊接结构。从中可以看出建筑、建设、土木和汽车行业是日本的用钢大户,年用钢量都在400万吨以上。他们把这些没有确切用户的用钢量归在“贩卖业”类中。对比日本与我国的用钢量,我国建筑行业(相当于日本建筑、建设、土木行业)的用钢量明显超过日本,而其他行业都较低。说明我国的基建规模发展很快。近年来日本焊接界对提高钢结构件的焊接效率和质量给予了高度的重视,在焊接中采用了诸如焊接机器人或带有激光跟踪传感器的焊接专机等先进装备。因此,我国焊接工作者不应把注意力只集中在少数几个行业,应扩大视野关注更多行业,使我国的焊接技术在各个行业都能均匀全面发展。

 



              25a   日本1995-1999年各主要行业用钢量

    (主要表示500万吨以上的行业,用钢在500万吨以下的行业见下图)

 


     25b   日本1995-1999年各主要行业用钢量 (表示上图中500万吨以下行业)

 


4.3  与焊接相关的企业数量

我国以焊接为主要生产手段的企业有多少,是焊接界共同关心的问题,但是一直没有一个比较准确的数据。我们从国家统计局的统计表中了解到1999年全国机械制造企业共有40,675家,其中与焊接有密切关系的企业有7,312家,包括特大型、大型、中型和小型企业。他们的数量和用钢量的比例如下:

            特大型企业占  0.2%   消耗钢材 15%

            大型企业数占 12.1%   消耗钢材 40%

            中型企业数占 25.4%   消耗钢材 25%

            小型企业数占 62.3%   消耗钢材 20%

应该指出,由于国家统计局的统计表没有给出企业用钢量的数据,因此我们从机械工业联合会的统计报告中计算出不同规模企业的用钢量比例,并将这个比例推广到全国同等规模的企业。从这些数据可以看出,占企业总数1/3左右的特大、大和中型企业,用钢量达到全部的80%。今后必须非常注意统计中型以上企业的情况,它们可以代表我国焊接生产的实际水平。但是也应适当关注小型企业的焊接技术进步,因为它们数量多,年消耗钢材达1500万吨以上。

 

5  企业焊接技术人员和焊接工人概况

人是企业最具活力的生产力,企业是高新技术的载体。企业的竞争说到底是人才的竞争,包括技术人员的创新能力和工人的素质。因此我们对企业技术人员和焊接工人的情况进行抽样调查。从115家企业提供的数据,共有2,012名焊接工程技术人员和21,965名焊接工人(包括技师)。他们的职称比例如图26所示。企业焊接技术人员队伍中66%由工程师和助工组成,而具有研究员级高工职称的人数仅占1%。这些焊接工程技术人员的学历如下:

       博士学位 (仅有1人)———  0.05%

       硕士学位 ————————— 1.7%

       大学本科 ————————  52.6%

       大专  —————————— 22.9%

       中专  —————————— 12.4%

       电大/职大 ————————  8.3%

其它 ——————————  2.05%

 


26  抽查的115家企业中焊接技术人员和焊工职称的基本情况

 


可见,目前企业中高学历和高职称的焊接技术人员太少。在2,012名焊接技术人员中仅有1名具有博士学位,而具有硕士学位的也不足2%。我国每年培养的焊接专业博士近百名,硕士数百名。但是我国大多数企业缺少高学历的、熟悉生产的焊接工程师和有经验的焊接结构设计工程师,这已是一个不容忽视的严峻问题。由于企业工作的性质以及条件与待遇的原因,目前大多数企业比较难吸引较多高学历的优秀人才到企业工作,就连高等院校的毕业生愿意到工厂,并坚持留在工厂做焊接技术工作的也不多,有一些企业已经出现第二次人才断层。造成这个现象的原因是复杂的,但应该说,媒体对某些行业的过度宣传,对大学生的思潮有一定的外在影响,而高等院校对学生的敬业教育和职业道德教育不够重视,学生在学习期间到工厂去的时间太短、对工厂生产不了解等,都是造成这种现象的内在因素。现在已经到了要大声疾呼,让全社会重视引导高学历、高素质的优秀人才到生产第一线去锻炼、去工作的时候了。另外,中专毕业生在工厂的焊接技术人员中所占的比例也偏少(12.4%),这是因为社会上愿意上中专的学生少。其实,工厂有一些工作可以由中专学历的技术人员来完成,不一定都让大学毕业的技术人员来做。这也是一种人才的浪费,是一种不正常的社会现象。

应该注意到,我国从1998年开始,高等院校取消各单独的热加工专业,合并成材料加工工程,实行了通才教育。然而,对企业来说需要的是能尽快独立工作的人才。能够尽快从“通才”过渡到“专才”,要求我国的教育培训体系有一个合理的总体安排。其中,高等教育应能适应不同层次的社会需求,特别是广大基层企业对技术人才的需求。工科的高等教育应特别注意,并重点培养能适合在现代企业工作的工程师。这是人数最多,对发展我国制造业有深远影响的群体。在四年的工科教育中不仅要使学生掌握基本的科学知识,更重要的是能真正了解现代企业的生产和管理特点,树立良好的职业道德,培养牢固的敬业精神和认真负责的工作态度,确立深入生产一线的思想。只要有一支强大的、高素质的工程师队伍为后盾,我国的工业基础才能牢固,科技成果才能有众多的承接主体,制造业才能有所创新和持续发展。

高等院校应有不同的层次,有以培养科研人才为主,也应有以培养广大企业需要的工程技术人才为主,两者的培养方法和教学内容不应完全相同,要各具特色。另外,“通才”到“专才”的后续教育也不应全部由企业来承担,这容易形成新的“师傅带徒弟”的不规范、不合理的局面。因此,尽快完善全国范围内的专业技术教育体系和继续教育体系显得更加重要。在高教改革后的今天,应加快完善这方面的社会功能。国外的一些专业技术学会/协会在培养本专业技术人才方面发挥着重要作用,很值得我们学习和借鉴。我国已经于20001月取得国际焊接学会(International Institute of Welding-IIW)的认可,成为国际焊接界的授权国家实体(Authorized National Body-ANB)的成员之一,正在根据IIW的要求,建立和完善培训体系,按照国际标准加强对中国的焊接工程师、焊接技术员、焊接技师和焊工的正规培训,并经考试合格后发给国际认可的证书,实现在焊接技术培训和认证方面与国际接轨。但是,目前接受培训的人数仍不够多,全国在焊接工程师和焊接技师、焊工培训方面也缺乏一个统一完整的体系,需要尽快完善。

    从调查的21,965名焊工来看,90%以上都取得焊工证书,85%的焊工年龄在45岁以下,说明我国的焊工是一支比较年轻的、技术合格的队伍。目前焊工的主要来源有如下几个方面:

              技校——— 58%
                   
企业培训30%
                   
临时工—— 8%
                   
其它——— 4%

可见,技校毕业的学生是我国焊工的主要来源。然而,不同行业焊工的来源也不尽相同,如图27所示。一些企业集团公司和大型企业都有自己的技校,为本企业培养焊工的后备人员。但是,当前还有相当


      27  我国不同行业中焊工来源统计

 


一部分企业兴办的技校由于经费困难和不能招收到足够数量愿意学习焊接的学生,已经难以继续维持。如果这个问题不能得到解决,技校不能输送足够的焊工后备军,企业自行培训焊工的比例将继续升高,企业的负担也将加重。这样,企业不仅要将“通才”的大学毕业生培养成焊接的专才,还要把“新手”培养成熟练焊工,这会拖累企业发展的步伐,也是不尽合理的社会分工。政府有关部门应重视并尽快解决这个工人预备队的来源问题。

焊接技师是具有熟练技能和专门知识与经验的高级焊工,但是目前企业中焊接技师与焊工的比例仅为4%。这说明企业过去对培养高水平的焊工方面力度不够,应引起企业和全社会对高技能人才的培养和晋升的重视。

 

6  对现状的总体评价

从上面5部分的简要介绍,可以宏观地了解我国焊接生产的总体情况。应该说改革开放25年来,焊接的成绩与进步是显著的,但是问题和困难也是很多的。我国已经是一个世界上最大的焊接国家,但还远不是一个焊接强国,距离国际先进水平还有一段路要走。主要存在如下几个问题:

——长期对焊接产业的统计工作不重视,没有具体的负责统计单位,相当多企业不愿意提供数据,而国家有关部门的统计内容不统一、不全面,统计工作很难做得科学、准确。国家若缺乏准确的统计数据,不可能正确制定发展规划和确定方针、政策。统计数据是产业发展的基础,产业缺乏这个基础,不可能做大做强。

——对焊接在国民经济建设中,特别是在振兴装备工业中的重要作用认识不足,缺乏明确的发展规划。当前焊接结构用钢量占钢总产量的40%,如果5年内提高到60%,而钢总产量也增加到2.5亿吨,这将意味着焊接工作量将增加一倍,钢结构用钢量从现在的7,300多万吨提高到1.5亿吨。可是,当前国家有关部门还缺乏必要的思想、技术和规划的准备。

——焊接生产技术水平的发展不均衡。东部沿海地区较高,西部内陆地区较低;中型以上企业较高,小型企业较低;汽车等重点发展企业较高,钢结构制造及现场安装行业较低。

——焊接机械化自动化总体水平低(只占40%)。焊材中焊条的比例过高(75%以上),焊材与钢材之比偏高(0.78%以上),焊材质量和品种与国际先进水平的差距大。目前从事焊接材料研究(特别是量大面广焊接材料的研究)的高校和科研单位少,而焊材企业的开发实力又不足,优质的特种焊材仍需依靠进口。

——电焊机企业数量多、规模小,集团化差,开发能力弱。一般化的产品多,先进的焊接电源,特别是性能好、功能多的气体保护焊设备产量少,新工艺的开发与推广速度慢,每年仍需大量进口新型焊接技术与设备。

——焊接机器人、焊接专机、焊接变位机的用量少。特别是焊接机器人85%分布在交通行业(汽车、铁路、摩托车),其他行业少。具有我国自己知识产权的工业机器人没能形成批量生产,90%以上的焊接机器人来自外国。

——焊接技术人员和焊接工人的教育与培训没有形成全国统一、完整的体系,与国际接轨的进程慢。企业难以吸引优秀的人才和高学历人才到企业从事焊接技术发展工作。缺乏焊工预备队的问题,应引起重视,并应注意高技能的焊接技师的培养、教育与晋升。

 

二、焊接发展战略

 

7           焊接在未来制造业发展中的作用

焊接是一种现代化了的传统加工技术,在21世纪的知识经济时代里是否仍是一种重要的生产手段,这必须从国内外的情况来进一步分析。我国是一个发展中国家,还没有完成工业化建设,还需要大力发展制造业,振兴装备制造业。钢的产量还在高速增长,预计今年(2003年)就会超过2亿吨,按这个速度发展,2010年预计会超过3亿吨,而到2020年可达4亿吨。因此,我国在完成全面建设小康社会之前,钢铁仍将是主要结构材料,焊接技术也必然要跟随钢铁的发展而同步提高。根据冶金行业的预测,2005年和2010年我国8大行业钢材需求量如表8所示。八大行业用钢量约为钢总产量的80%。

8      八大行业2005年和2010年钢材需求预测   (万吨)

 

建筑

机械

汽车

造船

铁道

石油

家电

集装箱

合计

2005

13924

4000

1400

380

320

480

525

250

21279

2010

16640

5200

2000

510

380

490

630

280

26130

 

焊接结构的用钢量将可能从现在的7,350万吨(占钢产量40%)增加到2010年的1.8亿吨(占钢产量60%)以上。这样巨大的潜在发展趋势是无论如何也不应忽视的。同时,高新技术的快速发展,装备的轻量化、节能化、高性能化使铝、镁、钛等轻金属、复合材料、陶瓷、塑料和新型材料也将扩大应用范围,这些材料都需要用新的焊接或连接技术制成给定功能的结构。无论是钢或其他材料的发展都对我国焊接(连接)技术的提高,从工艺、耗材、装备、自动化和质量、效率、成本、寿命以及维修、再制造、再循环等各个方面都提出更新、更高、更多的要求。当前就必须为焊接技术更高水平的发展高潮的到来,事先做好各方面的准备。

美国和德国在进入21世纪的前夜都曾组织过一些焊接专家共同讨论21世纪焊接的作用和发展方向。从会议的总结 (内部材料)中有几点结论性意见值得我们注意:

——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,并对所焊的产品增加更大的附加值。

——焊接技术(含连接、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

——焊接不应再是一种应召工艺,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。

——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。 

美国和德国都是发达国家,已经进入后工业化社会并正向着知识经济或新经济社会的方向发展,他们对焊接的作用仍给予高度的重视。我国更不应该忽视焊接在发展国民经济和振兴装备制造业的重要作用,更应继续大力发展我国的焊接技术。

 

8           制定焊接发展战略的基本思路

焊接是一种应用量很大、应用面很广的共性技术,它不仅对发展尖端科技与国防装备有重要作用,而且对提高全民生活质量有普遍意义。可是,我国焊接生产的发展是很不均衡的,长期只注重某些点的发展,而忽略带动面的提高;注重科研,忽视推广;注重引进外国先进技术,忽视消化吸收和培养本国的开发能力;注重产品,忽视工艺。在21世纪里,在振兴装备制造业时,在向世界制造强国迈进过程中,我们必须对工艺的重要性有更新的认识。因此在制定焊接发展战略时应:点面兼顾、上下(游)兼顾、远近兼顾,既见物又见人。而在具体规划中应以近为主、适当照顾远;以面为主、适当照顾点;以普及为主、适当照顾前沿;以人为主、适当照顾条件。在今后10年或更长一段时间的总体发展战略目标是:

——加强规划、全面提高我国的总体焊接生产技术水平

——培养一批优秀的焊接专业技术人才

——在一些尖端前沿科技领域占有一席之地

 

9           发展焊接技术的几点主要措施

根据上述的基本战略思想及我国当前焊接生产的现状,提出如下几点发展措施:

9.1              加强全国焊接基本情况的统计、分析与规划工作

统计工作是制定方针、政策的基础,情况清楚才能措施得当。可是长期以来,对全国焊接基本情况的统计不够重视,缺乏全面、真实、准确的统计数据。全国也缺乏一个全面的焊接发展规划,造成发展不均衡,也使得各级政府资助的项目往往具有随意性,只能从申请者自选的研究方向中来选择。为了加强焊接基本情况的统计与规划,建议:

(1)         充分发挥专业协会的作用。政府应明确要求专业协会必须做好本专业全面情况的统计分析与规划工作,作为专业协会的主要职责之一,并定期公开发布统计结果和对现状的分析。统计工作应接受政府与群众的监督,及时改进统计方法和统计内容。各级政府在制定相关规划、政策和资助的有关项目时应尽可能征求专业协会/学会的意见,力求均衡发展。

(2)         国家统计局、海关总署、各专业协会、联合会应协调统计的内容,使统计数据具有互补性,照顾相邻专业的需要,可以互相利用。建议国家统计局和民政部联合召开统计工作会议,协调并明确各专业协会、联合会的统计要求与内容。

(3)         建立一套企业积极主动配合专业协会做好统计工作的运作机制。企业要主动按时提供本企业的准确统计数据。专业协会对企业提供的数据负有保密责任,在没有征得企业同意前,不得单独公开某一企业的数据。

9.2  重点扶持共性工艺技术研究单位的发展

焊接技术是一种重要的共性工艺技术。全国原先有多家焊接(焊机)研究所和附属于其他研究院/所中的焊接研究室,他们曾经为发展我国的焊接事业发挥过重大的作用。当前,研究院/所在企业化改造中,把主要精力集中到办产业方面,以创收为本,以“短平快”为主,有的以生存为主,而对中、长期发展方向的研究投入力度大为降低。有的单位设备老化,人员不齐,经费减少,整体科研开发水平在迅速下降。原先以高等院校为上/中游,以科研院所为中/下游,企业为成果应用对象的科技发展链条,由于研究所(室)向企业方向靠拢,而有脱节的趋势。然而,全部由高等院校来弥补这个空缺是不合理的,也加重了高等院校的负担。我国的焊接(焊机)研究所(室)大多有几十年的历史,他们比较接近生产企业,有很丰富的工程经验,是国家发展共性焊接技术的重要力量。因此,国家应有重点地扶持一些焊接共性技术的研究所和研究室。建议:

(1)         国家应有选择地扶持几个焊接共性技术研究所/室,确定研发队伍的规模,每年给予较为丰厚的经费支持,明确研究方向(以面上的共性技术为主),定期检查科研进展情况,追踪科研成果的推广应用绩效。根据由外部专家组成的评议组的评议结果来确定对这些所/室的支持力度或淘汰。

(2)         国家支持的焊接研究所/室只是支持其研发部的运作(与产业公司无关),因此必须实行首席专家负责制。首席专家对科技人员的聘用、工资待遇、设备购置、经费使用、研究方向等有最后的决定权,并在研发绩效与人员素质方面向国家负责。

(3)         为了吸引优秀人才从事焊接共性技术的研究与开发,国家应在人员工资、待遇和科研条件、仪器设备方面给予有力支持,消除研发队伍的后顾之忧。

(4)         各级政府部门在焊接共性技术攻关科研项目的招标中,在条件基本相同的情况下,应优先交给国家支持的共性研究所/室来承担,使之迅速壮大发展。

9.3  完善焊接专业技术人员的教育、培训体系

    焊接专业技术人员的素质决定焊接生产发展的后劲。这个问题已经到了非常危急的地步,如不能尽快解决将会制约我国焊接生产的快速发展。这是一个关系多个部门和涉及整个教育体系的复杂问题,必须由国家统一安排解决。建议:

1)完善工科高等院校材料加工工程学科的教育。工科高等院校应有所分工,有的以培养科研型人才为主,也应有以培养适应现代企业需要的工程技术人才为主的,各具特色,教学内容与方法应有所区别。“提高教学质量”和“适应广大基层企业需要”并不矛盾。当前,工科高等院校大多偏向科研型,而不够重视培养学生适应现代企业工作需要的能力。学生在校期间深入工厂的时间不长,对生产过程的了解太少,不懂得现代企业的特点和管理方式,教学内容更新较慢,也缺乏敬业精神、认真踏实工作态度和深入生产实际的教育。而且,教师本身大多对生产也并不熟悉,很少曾在工厂工作过。因此,工科高等院校应在普及通才教育改革的基础上,进一步完善教学内容与方法,除了一部分以培养科研型人才为主以外,大部分工科高等院校应重视培养适应现代企业需要的基层工程技术干部,成为“现代工程师的摇篮”。不仅要使学生掌握基本的专业知识,还应增加一定学时的现代企业管理课程;保证学生到工厂实习的次数、时间和质量,培养学生深入生产第一线,解决实际问题的工作态度与能力。

2)完善专业技术教育和继续教育体系以及统一考核认证体系。高等院校的通才教育与企业所需要的专业技术人才,是有一定距离的。目前企业大约需要3-4年才能将大学毕业生培养成基本能适应工厂工作的工程技术人员。德国规定,凡是要在工厂做焊接工程师工作的大学毕业生,必须在焊接培训中心经过一定学时的强化专业培训,并经考试合格,发给证书,才能受聘上岗。那些分布在全国各地的焊接培训中心是由德国焊接学会(DVS)办的。中国焊接协会和焊接学会与德国焊接学会合作创建的哈尔滨焊接技术培训中心,在经过严格的检查、审核后,于2000年获得国际焊接学会(IIW)的批准,成为我国唯一的授权实体CANB(每个国家只能有一个授权实体),可以按IIW的统一要求进行培训,学员经考试合格后,颁发国际共同认可的焊接工程师、技术员、技师、焊工证书。直至现在,我国取得国际证书的人数如下:

               国际焊接工程师(IWE)   1173名

               国际焊接技师(IWS)        164名

               国际焊工(IWP)            150名

     可见按国际标准培训的人数仍很少,全国培训点的分布还不够广泛。我国国家质量监督检验总局对焊工和焊接技师有考核规程和标准,但是对焊接工程师、技术员和培训焊工操作技能的焊工教师还没有统一的考核与认证标准,往往由企业自己审定。因此,必须尽快统一并完善我国焊接技术培训体系,将中国焊接协会/学会建立的国际焊接培训考核体系与国家质检部门建立的培训考核体系统一起来,并逐步将专业培训工作过渡到由专业协会/学会来负责管理,政府部门退出这个领域,实现与国际惯例接轨。国家应规定,企业聘任焊接工程师、焊接技术员、焊接技师、焊工教师及焊工等职务,必须先经过培训并获得相应的资格证书后才能正式上岗。培训中心定期举办短期培训班或专题讲座,对各级技术与管理人员进行终身的再教育。要求技术人员的晋级必须经过一定学时的再教育。只有这样才能规范人员的素质,才能适应焊接生产的快速发展。

3)加强焊接结构设计人员的教育与培训。焊接结构的应用日益增多,焊接结构的用钢量将在5年后从现在的7,300多万吨(占钢产量40%)发展到1.5亿吨以上(占60%)。焊接结构设计的合理性、安全性、可靠性、可焊接性、适用性是非常重要的问题。在焊接生产中常有设计不合理的问题发生。由于目前许多大型焊接结构的设计是引用外国图纸,矛盾还不很突出,但是随着具有独立知识产权的产品的日益增多,设计问题将会显现出其严重性。现在的设计人员大多是学机械制造专业,比较熟悉冷加工,而且焊接结构与铸造、锻压结构不同,具有一定的特殊性。因此,无论是在高等教育还是在专业培训中都应重视焊接结构设计的内容。焊接结构的设计人员应逐步要求经过专门培训才能上岗。企业应重视培养一支既了解焊接特点又熟悉结构设计的工程师队伍。同时应强调在产品设计与开发过程中应规定有专业焊接工程师参加工艺性的审查,把焊接设计不合理的问题消灭在初始阶段,并及时根据生产、使用、维修中反映出来的问题主动修改设计图纸。

4)完善各地技术学校的建设。由于在计划经济时期企业办社会,许多职业技术学校都是由企业自己办的,并成为企业工人的主要来源。当前企业要把一些社会职责剥离出来,技校首当其冲。但是技校怎样剥离出来,由谁来承办,这问题还没有很好解决,也没有引起重视,已经到了必须认真考虑的时候了。这个问题不解决,将来企业的工人来源和新工人的素质将成为大问题。国家应高度重视技校的建设。当前最可行的办法是大型企业集团集中统一办理适合自己需要的技校,同时政府与社会共同承办一般的技术学校。我们不能只重视高等教育而忽视技工教育,社会的需求是多种多样的,少了哪一方面都不行。工人的素质是生产力的重要部分,提高工人的素质是关系到我国产品的声誉和竞争力的大事。争取在10年内使我国焊接工人80%以上来自技校的优秀毕业生。

9.4  重视组织新的共性技术的研究,解决面上存在的问题

我国已经是一个世界最大的焊接大国,但远不是一个焊接强国。由于长期缺乏实施全面的规划,发展很不均衡,有自流趋势,特别是面上的问题更为突出。要成为焊接强国,不仅在技术前沿要有所突破,更重要的是使总体生产技术水平也能均衡提高。作为国家焊接发展战略更应重视面的发展。建议:

(1)         制定向焊接消耗材料研究开发与生产强国迈进的实施规划。争取10年内使我国生产的焊接消耗材料在品种、性能、质量、产量等各个方面都达到国际先进水平,成为世界最大的焊接材料开发与生产强国,并在国际市场上占有较大的份额。这是一个量大面广的发展战略问题,政府应以政策和资金来引导高等院校和科研院所与焊材企业集团结合,从理论和生产上开展研究,并有所突破。努力使我国焊材的品种结构趋向合理,降低焊材与钢材的比例。研究对象包括实心焊丝、药芯焊丝、金属粉芯焊丝、焊条、焊棒、焊剂、钎料、钎剂等,还要重视开发新的原辅材料,研究应用纳米材料的可能范围。同时要注意新型结构材料的发展对研制新焊接材料的需求。特别是当前已经出现的高纯度、超低碳的新钢种,可能会对焊接电弧物理现象提出新的挑战,需要从理论上有所突破才能有新的进展。

(2)         加强新型焊接设备的研究开发力度。利用信息技术、微电子技术、计算机技术和现代控制理论的新成果、新产品来开发新的焊接设备,特别是高性能/价格比的气体保护焊设备。加速用气体保护焊取代一般焊条手工焊的进程,在10年内将全国的焊接机械化自动化率提高到55%以上。要使科研与生产在这个领域能很好地结合,加速电焊机产业的发展,很重要的一点是要求我国的电焊机企业尽快形成若干个大型企业集团,提高研发水平,才能引导我国电焊机产业的发展。政府资助的项目应有助于促进这种集团的出现。

(3)         加强新的焊接共性技术的研究与开发。为了提高我国焊接生产的效率、质量与焊接生产的信息化与管理现代化水平,建议当前应重视开展如下的几个主要方面的研究:

——以搅拌摩擦焊技术为代表的新焊接技术的研发与推广应用。搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种新型固态焊接技术,已经引起全世界的重视,在航空、航天与造船部门已经将这种技术应用于铝合金的焊接,取得很好的效果。我国也引进了这种专利技术。但是对不同材料的可焊接性及不同形状接头的焊接方法等方面还有很大的研究发展空间。这种技术有很广泛的应用前景,有可能成为今后中、薄板(包括有色金属和黑色金属)焊接的重要方法。我国必须加快研究与应用开发。

——以激光与激光+电弧为代表的焊接新热源的深入研究与推广应用。这也是当前国际上的一个热门技术。激光被认为是21世纪的新热源,在薄板焊接中已经取得显著成效,特别是在汽车制造领域更为突出。但是激光焊接也存在一些不足,而激光与电弧的复合可以优势互补,弱化各自的缺点,获得很好的效果。当前对激光与电弧复合的一些特点,特别是对中、厚板的焊接,还有许多问题需要深入研究。这方面的研究需要从两方面着手,一是大功率固体激光设备的开发与产业化;另一方面是针对不同材料的焊接和中、厚板焊接工艺特点的研究。

——高速高效焊接新方法的研究与应用。高速度与高效率焊接是提高企业竞争力和市场反应速度的重要途径,已经引起世界各国的重视。目前对于薄板大多采用激光高速焊技术;对于中板大多采用多电弧复合焊接方法,而对于厚板大多采用窄间隙焊接技术来提高焊接效率;并重视把电子束焊接技术应用于一些重要结构件的制造。但是在应用这些技术方面还有许多可进一步发展的余地。

——重大厚件焊接与现场焊接的自动化技术。这是我国今后重大装备制造和安装都要面对的一个不可回避的重要问题。当前这些大型结构大多采用焊条手工焊或手工半自动焊,效率和质量都较难进一步提高。今后重大厚件(包括有色与黑色金属)无论是在车间焊接或现场焊接都必须实现自动化,这方面的研究除了开发工艺、装备(机器人)外,很重要的一方面是先进传感器和自适应控制技术的应用。国外最近已经将这个问题提到日程,我国应独立开发这些技术,力争在国际市场上占有一席之地。在发展重、大、厚件焊接自动化的同时,应加快有我国自主知识产权的工业机器人产业的壮大。

——焊接过程数值模拟与专家系统的开发与推广应用。这是一条必须要走的艰巨之路。焊接由于是高温、瞬态、非平衡、强耦合的过程,而且缺乏材料在焊接高温、瞬态的物理、力学特性数据,使得精确数值模拟变得十分困难,在这方面已经明显落后于铸造、塑性加工和热处理过程。今后提高焊接生产的水平必须广泛应用数值模拟技术和专家系统。数值模拟技术方面可包括焊接缺陷的预测与防止、焊接接头组织与性能的预测与优化、焊接应力与变形的预测与控制等。专家系统方面包括的内容更广泛,如焊接方法与参数的选择,焊接工时、材料消耗、成本的计算,规程与标准的要求等。目前我国还缺乏比较完善的焊接专家系统和比较成熟的模拟技术,需要长期连续大力开发,并注意及时推广应用。

——焊接生产信息化和管理现代化技术的研究。十六大提出要走新型工业化道路,要以信息化带动工业化,以工业化促进信息化。但是焊接生产过程如何实施信息化,焊接生产如何管理才算是现代化,这些问题都有待深入进行专题研究。中国焊接协会和焊接学会应在焊接产业现代化建设中发挥积极的引导作用。

——焊接生产的劳动卫生与环境保护问题必须提到议事日程。我国长期不够重视焊接的环保与卫生问题,焊接职业病已经成为一个不可否认的严重问题。这里包括焊接消耗材料生产过程的卫生与环保问题和焊接过程的卫生与环保问题。研究内容包括有毒烟尘的测定与消除,金属蒸气的危害与防止,接头上残留物的腐蚀与污染危害,电弧的光辐射与有害气体的产生与防护,焊缝材料(如钎料中的铅)在再循环过程的污染与危害问题等。努力使焊接过程由肮脏、枯燥、危险的3D作业变成绿色的环保型作业。

 

10        国家应出台的扶持政策

焊接已经成为制造业中很重要的共性工艺技术,今后15年里还将有巨大的需求,国家应重视焊接在制造业中的作用,并为焊接技术的快速发展提供政策性的引导与必要的资金扶持。

——国家应赋予共性工艺协会/学会以更多的权力,充分发挥它们在专业技术发展、数据统计分析、人员培训、资格认定、职称评定等方面的作用,协助政府做好行业技术发展规划,当好政府的助手与参谋。

——国家应对产业化改制了的共性工艺技术研究所(室)给予经费和政策的支持,消除科研人员后顾之忧,提高共性技术研究能力与水平,发挥它们在行业发展中的主导作用。

——各级政府在共性工艺技术项目提供的资金支持应有利于形成产、学、研的联合,加速科研成果的转化速度。

——国家应支持工程技术集成公司的发展,在政策上鼓励企业应用我国自己设计、制造、集成的焊接成套装备与生产线,加速我国焊接工程公司的发展和设计队伍的成长,使能够完成大型复杂焊接生产成套装备的交钥匙工程。

——国家应从政策上鼓励焊接产业走向世界,加强国际交流与合作,促使我国焊接材料、焊接装备和焊接劳务的输出,并承接更多的外国焊接成套装备设计制造和焊接加工任务。

——国家应强化焊接标准的制定与贯彻,加快与国际接轨,并从资金上支持我国焊接专家参与国际焊接标准的制定,保护我国利益。

 

11 结束语

我国的焊接技术在改革开放的25年来,取得了巨大的发展,成功地焊接了许多具有标志性意义的重大产品,在国民经济建设中发挥了重要的作用。我国已经成为世界焊接大国,但是还远不是焊接强国。我国焊接生产技术的发展由于缺乏全面统一的规划,在不同行业中还很不均衡,面上存在的矛盾仍很突出。

我国要在2020年前完成全面建设小康社会,要振兴制造业,特别是装备制造业,完成工业化过程,焊接将发挥更加关键的作用,并将进入一个新的高水平发展阶段,趁国家正在制定长期发展规划之机,制定一个完整全面的焊接生产技术发展规划是势在必行。

完善人才教育与培养体系,重视吸引优秀人才从事焊接工作,形成强大的焊接材料、工艺、装备的研究、开发、设计、制造队伍,是我国焊接生产持续发展的重中之重。

发挥焊接协会/学会在行业中的龙头作用,赋予职权,做好规划;扶持几个焊接研究所/室,发挥它们在焊接共性技术研究与开发中的主导作用,并强化对焊接协会/学会以及焊接研究所/室绩效的考核。

加强国际交流,参与国际市场竞争;重视标准的制定,并积极参与国际焊接标准的编制工作,与国际接轨。

今后20年是我国焊接技术大发展的最好时机,政府与企业界、教育界、焊接界都应高度重视,为把我国建设成世界最大的焊接强国而共同努力奋斗。

 

  

2003年12月22日完成终稿

 

 

本项目得到中国焊接协会和中国机械工程学会焊接学会的大力支持与资助,国家焊接材料质量监督检验中心提供了统计数据,特表示衷心感谢。