用智慧推动焊接制造的进步

2013-08-29宋天虎

电焊机 2013年5期

宋天虎

（中国机械工程学会，北京 100048）

1 打造“国之重器”，激励行业前进

1.1 在铸造领域

自20世纪90年代起，铸造工艺设计与优化就开始采用了计算机模拟仿真技术，对铸件凝固过程的微观组织模拟达到了晶粒尺度，并在凝固热力学与结晶动力学两方面研究了铸造过程材料的组织和性能。该模拟仿真技术至今已实现了高性能及高效率、多学科及多尺度，已广泛应用在压力铸造、熔模铸造等精确成形加工工艺方案优化中，并在汽车、航空航天、电站装备等支柱产业的实际生产中取得显著的经济及社会效益。例如，长江三峡水轮机的第一个叶轮是从加拿大进口的不锈钢叶轮，重量62 t，价值为960万美元。2001年起，采用中国自主研发的铸造之星（FT-STAR），研制出直径10.7 m、高度5.4 m、质量达440 t的超大型叶轮（见图1）。由国务院三峡办、中国机械工业联合会共同主持召开的鉴定委员会专家组一致认为：该先进技术达到国际同行业先进水平。

在铸造工艺模拟被广泛应用的背景下，有力支撑了铸造行业核心竞争力的提升与市场的开拓。图2是近期由中国第一重型机械股份公司独立完成的、已被授予2012年度黑龙江省科学技术特等奖的，目前世界上最重的619 t特大钢锭，突破了百万千瓦核电低压转子及5.5 m厚板轧机支承辊等一系列超大锻件极限制造的瓶颈，使我国的超大型铸、锻件的生产跃居世界前列，成为全球最大的核岛锻件及常规岛锻件供应商。

图1 直径10.7 m、高度5.4 m、质量达440 t的超大型叶轮

图2 一重铸造的619 t特大钢锭

1.2 在锻压领域

大型模锻压机是衡量一个国家工业实力的重要标志。迄今为止，仅有美国、俄罗斯、法国3个国家有类似设备，最大的为俄罗斯的7.5万t，而我国高达8万t，其总高42 m，质量约2.2万t，单件质量在75 t以上的零件多达68个。这是中国二重突破超大、超长、超重零部件的极限制造，研制成功的8万t大型模锻压机（见图3），实现了现有技术与最新技术的紧密结合，历时10年打造的世界“重装之王”，使中国成为拥有全球最高等级模锻装备的国家。这是一个集机、电、液为一体的巨型系统工程，成功挑战了目前人类的极限制造能力。这台设备制造成功的本身，不仅开拓了锻压行业的未来，并且将辐射带动一批庞大的重型构件的机械加工集群。中国工程院钟掘院士说：“8万t大型模锻压机投入试运行，将我国高端重大装备的制造能力托举到国际顶级水平，也为中国走向制造强国掀开了历史性的一页”。面对我国航空航天、动力发电、海洋工程、西气东输等各行各业的实际需求，实现了大型模锻件的整体精密成形：如飞机的“骨骼”——框梁，发动机的“脊柱”——涡轮盘，油田的“血管”——输油管三通，3分半钟锻压一个飞机起落架等等。

1.3 在热处理领域

图3 8万t大型模锻压机

至今以数学模型为知识表达方式、以计算机模拟为决策依据的智能热处理技术已成为实现热处理智能化的有效途径。在工业应用中已开展了计算机模拟的气体渗碳及渗氮层浓度分布的工艺预测、加热淬火和激光热处理时的温度场、截面上组织与硬度分布的预测、以及热处理工件的扩散、导热、相变和应力应变等现象的流场动力学模拟等工作，并使热处理的工艺模拟拓展到生产工艺的制定过程，即：根据计算机模拟的结果合理选择钢材、制订渗碳和淬火工艺等。不仅克服了过去只能在某一层次上单独研究个别现象的局限性，也综合考虑了实际生产中各种因素的相互影响，而且对保证机械产品可靠性并最大限度降低成本也具有重要作用。又如：近日由中国机械工业联合会组织专家鉴定的、中国一重承担的国家“高档数控机床与基础制造装备”重大专项课题《开合式大型热处理设备》，是解决国家重大能源装备关键大型工件国产化的基础装备（见图4）。该设备是大型开合式加热设备和旋转淬火设备的集成系统，包括立式旋转开合式炉体结构，大型开合式淬火结构，顶部扶持与底座支撑结构，集喷风、水、雾于一体的柔性淬火系统等，其结构设计改变了大型转子的传统热处理工艺方式，提升了我国基础重大装备和大锻件的制造能力和国际竞争力，对国民经济建设具有重要支撑作用。

1.4 在焊接制造领域

图4 开合式大型热处理设备

我国年钢产量已达到7亿t，约50%的钢材需要经过焊接加工制成各种构件或产品。例如：前面提到的质量达440 t的三峡水电站水轮机转轮铸件，经焊接后成为世界最大最重的不锈钢焊接转轮；国家体育场“鸟巢”建筑顶面呈马鞍形，长轴332 m，短轴297 m，钢结构总质量5.3万t，空间位置复杂多变，焊缝总长31万m，消耗焊材2 000余t，焊接过程严格控制应力和变形，已成为我国建筑钢结构焊接工程的样板，获得了2010年度国际焊接最高奖（见图5）；我国第一台煤直接液化反应器，直径5.5 m，长62 m，壁厚337mm，质量2 060 t，为世界最大加氢反应器，采用双丝窄间隙埋弧焊技术焊接而成等等（见图6）。大量成果表明，焊接至今仍是当前工程制造中最广泛、最重要的实现材料永久连接的方法，国家每一项重大工程和装备制造业的发展都不断地推动了焊接科学与技术的进步。

然而，尽管近年来已有多项“世界第一”“举世瞩目”的成果，但我国在金属成形的“四大领域”长期存在的“低效率、高能耗”的弱点一直未得到根本转变。以焊接为例，我国已连续十余年为世界造船大国，自2009年以来，已具有突破4 000万t载重，占全球造船份额三分之一以上，并能批量建造大型液化天然气船、液化石油气船、超大型油船、大型滚装船、科考船和海洋调查船等高技术、高附加值船舶的能务。在船体建造中，焊接工时占总工时的30%～40%，焊接成本占船体建造总成本的30%～50%。虽然我国在承接订单和造船完工量正在全面赶超世界先进造船大国，但从中、韩、日三国造船指标的对比数据表明，劳动生产率（单位：万美元/人年）分别为1、40、55；人均造船量（单位：总吨/人年）分别为10、80、90；焊材消耗（单位：公斤/人年）分别为20、30、45；焊接机械化、自动化率（单位：%）分别为65、91、98；国产设备装船率（单位：%）分别为30、74、98。作为每一个中国焊接工作者，都会难以接受这样的差距。

图5 我国建筑钢结构焊接工程的样板国家体育场“鸟巢”工程

图6 当今世界最大最重压力容器“加氢反应器”

面临现代制造的挑战，我们应当思考，焊接今后的一个时期将会有何种突破性的技术进展？对国家的制造业会做出何种重要的贡献？大家知道，在自身的领域每打下一个新的基石，随之就会带来一个宽广的发展空间。为此，我们应当尽快地扭转长期以来以手工焊的技能与操作者的经验作为焊接工艺基础的信息来源及其思考方式的被动局面，并着力提高以"优质、高效、节能、降耗"为基本特征的自动化、智能化焊接模式的认识能力和开发能力。

2 焊接技术与信息技术的深度融合给我们带来的启示

大家知道，如今中国制造业规模已经很大，在制造业行业分类的30多个大类中，半数以上行业生产规模已经居世界第一，但是制造业总体水平还比较低，产业结构调整的要求十分迫切，提升空间很大。对于广大科技工作者来说，积极促进工业化与信息化的紧密结合，着力推进制造技术与信息技术深度融合不仅是我们义不容辞的责任，也是提升机械制造业走向现代化的有效途径。

近年来，国际上一些大公司提出“智慧地球”的概念，实际上是互联网与物联网的有机结合，是新一代网络和信息技术的深度应用，也是信息化与工业化的深度融合，这一理念受到全世界的广泛关注。我们已经并不断深刻地认识到信息技术是经济增长“倍增器”，是发展方式“转化器”，是产业升级“助推器”，为此，特别要重点推动信息技术在制造业中的应用。显著提高制造技术与生产过程的信息化程度，进而提高其现代化水平。

现代工业的发展与制造技术的创新已越来越依靠对事物规律的认识和科学原理的理解。于是，现代制造过程已不仅仅是一个物质化的增值过程，同时也表现为一种以知识和信息为要素的新生产方式，进而体现以提高质量、节能减排和增强综合效益为目标的现代化工业特征。至今，科技与经济的发展已进入了基于知识信息时代。知识是信息应用的基础，当信息通过知识的提升而能解决实际问题的时候，将会把制造业推向具有更高生产力水平的新阶段，将会极大地促进人类社会更好、更快、更和谐地创新发展。

可见，用信息化提升机械制造业是一个有效的切入点。一是将使信息化从对制造的宏观管理深入到制造的微观细节；二是将使信息化从对制造工序与物流的低成本控制进入到对制造工艺与技术的高品质优化。从而将逐步替代从事重复性操作的人工及其传统生产方式，使社会生产力得到又一次新的解放与发展。

具体地说，在积极促进产品设计数字化、生产装备智能化、制造过程自动化和经营管理网络化水平的同时，还要关注由于电子信息以及通信技术的发展推动和催生一批新兴工业领域的蓬勃发展。

最近，工信部领导在以“加快发展新一代信息技术产业，促进经济发展方式转变”为主题的报告中强调：“回顾人类的技术进步史、产业发展史，没有哪一种技术、哪一个产业像信息技术、信息产业发展得那么快。这个‘快’不是抽象的数字，不是看不见的技术，而是在座的每一个人都能真切感受到的真正的发展。而且信息技术和信息产业的发展速度并没有因为几十年的快速发展而有所减缓”。这一提法值得我们重视，对焊接制造的信息化具有重要的指导作用。

在信息化与制造业融合的进展中，目前呈现出四大特点：

（1）传感技术。

传感技术能够像人一样感知外界的变化、并且能够把外界的变化变成系统处理的资源，传感技术使得制造过程走上智能化的轨道。

（2）大数据技术。

大数据技术是把系统所能得到的数据用最恰当的方式予以结构化。这种结构化使得信息成为系统，特别是成为智能化制造系统的加工对象和加工原料。

（3）显示和反应技术。

各种各样的信息要通过各种方式（如表情、语言、动作、思维决策）做出反应。在智能化制造体系中，显示和反应技术最有代表性的就是机器人。

（4）软件和信息集成技术。

如何从海量的信息资源中找出合理的技术途径和运作模式来推动制造的进步，十分重要的问题就是要认真地分析产业链和价值链。找到关键的技术环节和流程。在这一技术的演进过程中，软件起到了关键的支撑作用。

信息技术正在有力地推动传统制造走向自动化和智能化。因此，如何利用信息技术使劳动生产效能的增长快于生产成本的增长，这不仅是中国经济发展面临的大问题，也是全世界经济发展面临的大问题，这是一个战略性的题目，也是一个现实性的题目。因而，要结合各自的实际情况来破解这个问题，在实践中创造经验，在经验中找到规律，在规律中开拓新的发展之路。

在这里，仅以“增材制造技术”的发展趋势来说明两化融合的必要性（见图7）。

增材制造最原始的形态就是堆焊，例如用焊条手工电弧堆焊或用自动化的小电流钨极氩弧填丝堆焊，只是这类焊接热源不具有显著的柔性和技术优势，尚不能满足增材制造的实际需求。然而高能束流（电子束、激光束、离子束）是最具柔性的热源，这正是在过去20年间增材制造技术得以迅猛发展的技术基础。可聚焦、可扫描、可偏转的长焦距高能束流与CAD/CAM技术相结合，在真空室内或惰性气体保护的环境中，向加热区填送金属丝材或铺送金属粉料，材料逐层熔化、凝固堆积，构成了无模具的快速成形或称金属直接成形的增材制造技术。

特别是在航空航天等诸多领域的多品种、小批量、复杂结构的制造过程中，结构设计方案总是在不断修改完善，增材制造技术的优势在于能顺应这种变化，并做出快速反应，以无需模具而实现新结构方案的低成本、短周期快速制造。例如：可用激光铺粉在充氩室内完成增材制造钛合金结构件和在真空室内完成电子束送丝增材制造钛合金结构件等等。

可以看出：电子制图、数据传输、能束扫描、材料融化、逐层叠加，这是增材制造形成实物构件的五个基本环节。也就是说，具有柔性可控的焊接热源与CAD/CAM技术相结合，都有可能形成新的增材制造方法。

增材制造技术是采用把材料逐层累加的方法制造实体零件的技术（做加法），相对于传统的把材料去除/切削加工技术（做减法）来说，该方法是一种“自下而上”的快速制造方法。近二十年来，增材制造技术取得了快速的发展，这一技术不需要传统的刀具、夹具和多道加工工序，在一台设备上可快速地直接制造出复杂形状的零件，从而实现“自由制造”。可以看出，这一新技术缓解了难以制造的复杂结构零件的成形问题，减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越是复杂结构的产品，其优越性越加显著。

图7 增材制造技术

增材制造原理与不同的材料和不同的增材制造工艺相结合形成了许多增材制造设备，目前已有设备种类达到二十多种。并在诸如电子、机械、汽车、航空航天、医疗、工业设计等诸多领域得到了应用。其特点是实现单件或小批量的快速制造，这一技术特点决定了快速成形在产品创新中的明显作用。增材制造技术的发展具有美好的前景，但也面临着巨大的挑战。

例如：材料的物理与化学性能往往制约其工艺的实现，其质量、精度、效率与成本等问题也尚需予以关注和解决。总体来看，增材制造技术在制造工程领域有如下三个主要发展方向：

a.在工业造型、产品创意等方面向“三维打印”制造方向发展。

b.在金属材料、陶瓷材料以及复合材料的成形方面向功能零件制造方向发展。

c.在“设计-材料-组织-结构”一体化制造方面向控形控性制造方向发展。

在今后10～20年，可望实现微米级的高精度制造、大型构件的高效率制造、多材料和多工艺复合的控形控性制造三个主要目标。

目前，在工业发达国家增材制造技术发展较快。例如：在航空航天领域应用量大约8%，尤其适合于多品种、小批量、复杂零件的制造。由此可见，增材制造技术与企业产品创新紧密结合是推动其发展的根本动力。为此，当前在以加快产业结构调整和发展方式转变为主线，着力推进技术优化和产业升级的同时，要把推进制造技术与信息化技术的深度结合作为促进制造业在高起点上加快发展的重要环节。这已成为我们制造科技工作者务必面对的一个十分艰巨而重要使命。

3 走向“自动焊接”和“智能焊接”的途径

在《国家中长期科学和技术发展规划纲要》确定的16项重大专项中，如大型先进压水堆及高温气冷堆核电站、大型油气田及煤层气开发、大型飞机、载人航天与探月工程、集成电路制造等均离不开连接技术。在《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中提出的16个重大技术装备领域中，如大型清洁高效发电装备、大型乙烯和煤化工成套设备、海洋石油工程装备及液化天然气（LNG）运输船、高速列车、飞机及航空发动机等领域也与焊接密切相关。这些重大工程的需求正推动传统的焊接向自动化、智能化以及“高精度控形”“低损伤控性”的先进制造模式的转变，为此，我们可从以下几个方面对焊接的发展方向做一分析和探讨：

（1）在新材料的焊接性研究方面。

用于核电用钢、海洋平台超高强钢、航空航天轻金属材料等在其应用中提出的焊接热输入、热循环次数、接头长期性能等的严格要求，是引导焊接技术从“注重成形”向“满足功能”的新层面提升的市场驱动力，对焊接的要求不再是传统工艺的简单延伸，而是“成形控性一体化”的新需求。为此，对于高强钢焊接接头的“等强匹配”和“等韧匹配”、接头强韧性界限值、预热温度和热输入量、工艺参数与定量评定等方面仍需进行大量的研发工作。

（2）在新工艺、新装备的开发方面。

现代控制理论与数字信号处理技术的结合，已能够通过“源”的能量输出形式的变化赋予“弧”的新的热特性和力特性，由此涌现出一系列“受控”条件下的弧焊新工艺。例如，通过对接头成形与热输入的定量分析来选择金属过渡的形式；多热源复合在提高焊接效率的同时也提升了焊接接头的综合性能。又如，对于船体甲板、舱壁、壳体等结构的T型梁，采用传统GMAW焊时是双面坡口焊接，当采用激光-电弧复合焊时，可以无坡口实现全熔透焊接，焊丝消耗可减少4～7倍，甲板焊接变形程度减小2/3。这些新工艺、新装备的深度开发及其推广应用也是我们面对的重要课题。

（3）在新原理和新方法的创新方面。

众所周知，手工焊的焊接速度难以超过500 mm/min，而先进的自动化焊接已达到了每分钟几米甚至十几米。由此，就会提出金属高速熔化、物化反应、凝固结晶等新的焊接冶金问题，就会提出对焊接过程组织、缺陷、应力状态等的控制问题，就会提出焊接过程各参数信息的获取、分析及其与质量的关联问题，就会提出新的高效、高能量焊接热源及其“弧-源”协同问题，就会提出新的装备如何满足新工艺的需求问题。这些问题的突破，将会在工艺、材料以及装备三大板块结合的层面上实现对焊接产品的接头成形、组织性能、应力与变形等重要技术指标调控能力。

（4）在焊接模拟仿真支撑焊接制造的工程应用方面。

借鉴“铸、锻、热”领域发展中的成果与特点，工艺过程的模拟仿真比较适合于评估热加工的制造条件与微观组织之间复杂的相互作用，并能为随后的模拟仿真提供有关组织和性能方面的信息，进而确定实现某一相应组织所需的热循环条件。当前，具有网络通讯功能的数字化装备已开始进入焊接工艺数据引导、焊接制造过程信息评估以及全面质量管理等工程试用阶段，这些底层的信息将有效传递焊接制造中各物理因素对接头质量的影响，有助于认识并建立起焊接结构的性能与服役状态之间的相互关系以及材料经焊接后的演变行为及其性能衰变规律，促进焊接过程数值建模与仿真、焊接结构状态预测和使用寿命评估等工程应用水平的提高，使重大焊接结构的安全可靠服役能够获得运行环境的多场关联分析与协同控制、动态定量诊断与故障预示等科学原理的支撑。

通过上面的分析，我们应能够看到焊接已经或者正在出现新的切入点和增长点，这必将引发由传统焊接向现代焊接的战略转型和核心技术的实质提升。为此，我们要清醒的认识到：当前焊接的难点已从“控形”转为“控性”，而包括目前推行的机器人示教重现、焊缝跟踪、起始点定位、路径规划等技术，从机理上看仍多属“控形”的层面，尚属于“数字化控制”的范畴；而对焊接接头的性能、热影响区组织、冶金缺陷、焊接过程与焊后整体构件的应力与变形等“控性”能力，已成为当前关键与重要结构焊接制造迫切需要解决的核心技术，这也正是我们面对的巨大开拓空间和发展前景。

总之，当前对传统焊接技术的挑战与机遇体现在两个方面：一是要求在工艺和装备、材料之间建立起“精量化”的联系，促使传统焊接制造过程由部分定量+经验试凑的模式向基于工艺与质量“数据库”的在线优化与监控模式的转变；二是实现从传统焊接的“控形”加工向具有接头性能预测和参数调控能力的“控性”技术的提升，进而推动具有机理和规律支撑的、可定量预测和控制的新一代焊接制造体系的形成。

4 焊接大有作为，焊接大有可为

4.1 在焊材研发领域

已在“强度匹配”“成分匹配”的传统设计思想中走向对焊缝组织与性能的优化设计新理念。过去对焊缝组织的观察是作为一种焊缝性能分析手段或性能优劣的解释方式，而现在则是有目的、有计划地控制焊接组织，有针对地进行焊缝组织的优化设计并对焊缝合金系统进行相应调控，这种基于焊接冶金理论与工艺信息的新思路将会促进接头性能的有效提升，进而推动焊材制造走向高端化。

4.2 在焊接自动化领域

经20多年来的推广，使焊接与装配等工业机械人得到了前所未有的广泛应用，我国已成为世界焊接机器人需求增长率最高的国家之一，去年的销量达到2.26万台。自2004年以来，国内焊接机器人市场年平均增长率达到40%以上，2011年增长率达到51%，焊接机器人新安装量达到23000台。国际机器人联合会预测，到2014年中国将成为全球最大的工业机器人市场。近两年，一方面由于人力成本大幅上升，压缩了加工企业的盈利空间，另一方面对制造效率和产品品质的要求不断提高，从而迫使大量的制造企业向自动化和智能化生产模式转型。近年来，我国工程机械等行业的装载机、挖掘机、起重机等产品的年产量已超过万台，徐工、中联、三一等国内工程机械行业大型企业，已经建立了具有特色的中厚板钢结构件机器人自动化生产线（100台以上焊接机器人），打破了国外公司对焊接自动化技术的长期垄断。

4.3 在切割自动化领域

基于数控的自动切割技术已从传统的火焰切割进入到精密等离子切割及激光切割的时代，尤其是数控激光切割成套设备已进入年增长率50%以上的快速发展期（见图8）。到“十二五”末，我国高功率数控激光切割机市场需求量将达到10 000台套，尤其是对高速度、高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航空航天用有色金属激光切割机等高性能激光切割系统的需求与日俱增。激光切割机正在向高功率、大幅面、厚板材方向发展。例如，切割与焊接是造船行业最基础的制造工艺，目前我国船用钢板切割一般采用火焰切割、等离子切割，由于精度有限，特别是对特殊要求的甲板和船体材料，许多国外大型造船厂普遍采用了大幅面厚板材激光切割技术，国内造船企业也已经开始进行这方面的技术改造，提升焊切制造能力，特别是针对特种用途的船艇，采用激光切割已经成为一种发展趋势。又如，在汽车生产过程中，普遍采用三维激光切割机对覆盖件、门板等进行精确切边，再采用激光焊接机械手进行高质量自动焊接，不仅确保产品质量，而且生产效率较高。在样车开发和小批量生产中，高度柔性的激光三维切割取代大量的冲孔和修边模具，不仅节省大量模具，同时使新车型的开发周期大为缩短。

我国数控激光切割成套设备的技术还处于中低端水平，和国外产品相比尚有差距，预计未来10年内，我国对这些高性能激光切割系统的市场需求量将达到100亿元。如此巨大的市场需求，反映出激光加工的手段已成为工业先进性的重要标志。对于我国企业来说，面对潜在的市场需求，就要在技术层面有所突破，进一步将激光器技术、先进的光学系统、计算机技术、以及自动化和智能化切割工艺紧密结合，协同创新，推动切割技术的持续发展。

图8 国内高功率数控激光切割机的市场增长趋势

4.4 在焊接热源的研发领域

近年来，以高性能、高效率为目标的各种类型的复合焊技术成为以改善工艺和产品质量为目标的热点。一批由新原理、新装备支持的，具有自主知识产权的焊接新工艺正在迅速形成。例如，近年来对激光-电弧热源、激光-搅拌摩擦、等离子-电弧热源、电弧-电弧热源等多种类型的复合焊接热源与焊接工艺的着力关注，其实质是改善单一热源在能量分布与冶金过程中的局限性，而使复合后的热源获得原来不具有的效果和优势。这一进展已经或将会以焊接工艺与装备集成的特点，使得焊接“控形、控性”目标的实现走出了实质性的一步，并对当前迅速发展中的高强、超高强材料的焊接需求是一个十分重要的新的技术支撑点。