開創我國焊接行業的新局面

宋天虎

摘要：進入2020年以來，全球經濟環境進入了新舊動能轉換期和深度調整期，而新一輪的科技產業革命對于我國經濟結構調整具有重大的促進和提升作用，當前的形勢緊迫地要求我們“在危機中育新機，于變局中開新局”，接受挑戰，抓住機遇，開創包括焊接制造在內的中國制造新局面。本文寫在“十三五”收官在即、“十四五”又將啟航之際，通過回顧近年來我國焊接行業新技術研發深度及其應用推廣力度，彰顯新時代精神風貌和行業的責任擔當，謹以此文與焊接行業同仁們互勉互勵;與此同時，也作為對半個世紀以來與我國焊接行業相伴前行的《電焊機》雜志發刊50卷400期的祝賀與紀念。

關鍵詞：焊接;創新;應用

中圖分類號：TG40? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：C? ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2020）09-0001-10

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.01

0? ? 前言

我國焊接制造產業的發展，遵循了大國工業化進程的基本規律，集曲折的過程和輝煌的成就于一身，積累了豐富的經驗。當前技術應用與服務產業市場化轉型，正處于保生存、保市場的高壓期，經濟增長的換擋期，改革調整的陣痛期，思維模式的轉型期。長期以來形成的“大而不強”“競爭不力”等問題仍然凸顯。在“十三五”收官在即、“十四五”又將啟航之際，通過回顧近年來我國焊接行業的新技術研發深度及其應用推廣力度，彰顯新時代精神風貌和行業責任擔當，接受挑戰，抓住機遇，立足于構建具有中國特色的焊接制造的新業態，打造擁有核心技術基因的大系統級、生態優良的“高端”新技術型產品和新技術型企業。

1 以基礎研究創建焊接新工藝

哈爾濱焊接研究院有限公司是我國最早開展千瓦級高功率固體激光-電弧復合焊接技術研究的單位之一，在林尚揚院士帶領下持續進行了2～30 kW固體激光-電弧復合焊接應用基礎研究，創建了激光-電弧復合焊接“雙重導電”機制[1]（如圖1所示）、“熔池表面電弧輻射增強”機制、“電弧等效功率”、熔池流動特性與熔滴過渡特性等系統化的工藝理論，從機理上解決了制約激光-電弧復合焊接技術應用推廣的關鍵共性問題，為激光-電弧復合焊的工程應用、工藝設計和優化提供了堅實的應用基礎，由此引領和指導了激光-電弧復合焊接技術的國家標準體系建設。根據“雙重導電”機制開發出了激光-超小電流GMA電弧復合焊接方法、基于純氬氣體保護的不銹鋼激光-CMT復合焊接方法等4項專利技術。激光-超小電流GMA電弧復合焊接方法可實現焊接電流僅為15 A時的激光-電弧復合穩定焊接和焊縫可靠成形，而基于純氬氣體保護的不銹鋼激光-CMT復合焊接方法可實現不銹鋼焊接接頭性能與TIG焊相當，但其焊接效率卻提高5倍[2]。研究還發現，與傳統弧焊相比，激光-電弧復合焊熔池的流動速度顯著提高（提高了約70%），且熔池金屬自焊縫中心向邊緣流動速度加快;電弧與激光復合后，熔滴空中飛行速度增加，合金元素的過渡系數增加，熔滴過渡及其落點也更加穩定和集中[3]。其技術成果已陸續在軍工、工程機械、煤炭機械、軌道交通等領域實現了典型示范應用。

圖2為采用激光-電弧復合焊接技術焊接的某型號戰車減震器缸體，利用該技術解決了高強鋼缸體單面焊雙面成形、根部熔透可靠性及焊接變形等問題。基于熔滴過渡及熔池特性研究，首次提出了“低合金高強鋼激光-電弧復合焊低強度焊材匹配”的概念，使焊材使用成本降低30%，該技術成果在某型號戰車、起重機高強鋼伸臂焊接中獲得應用。

圖3為徐工集團開發的我國第一套輪式起重機高強鋼伸臂激光-熔化極電弧復合焊接系統，重點解決了原有弧焊工藝無法解決的單面焊雙面成形及背面焊縫熔透的可靠性問題，與原有弧焊工藝相比，其焊接生產效率提高了1倍，焊接變形減少了50%，自2012年交付使用至今累計焊接焊縫總長度已超過300 km。與此同時，激光-電弧復合焊接技術也在徐工集團大型履帶起重機三大結構件、奔牛集團刮板輸送機中部槽等中厚板高強鋼產品的焊接中實現了工業應用。

在軌道交通制造領域，哈爾濱焊接研究院有限公司自主研發了軌道交通車體激光-電弧復合焊接成套裝備，與青島四方機車車輛股份有限公司開展了“產學研”合作，將激光-電弧復合焊接技術應用于新一代地鐵枕梁和時速600 km/h全新一代磁浮高鐵首列試驗車車體的焊接。圖4為新一代地鐵不銹鋼輕量化枕梁，利用激光-電弧復合焊接技術解決了輕量化設計及焊接變形問題，產品減重400多千克。在600 km/h全新一代磁浮高鐵試驗車車體的焊接中，完成了焊接接頭設計、焊接工藝開發、焊接工裝設計制造、焊接裝備集成制造、首列樣車車體部件焊接示范驗證等一系列工程問題，完成了首列高速磁浮列車樣車的地板、側墻、頂棚三大通長型部件（長度25 m）的連續焊接（如圖5所示），與傳統弧焊相比，焊接效率提高了約4倍，焊接變形減小了70%～90%。

從哈爾濱焊接研究院在激光-電弧復合焊接的機理研發及其工程應用成果可見，加強應用基礎研究是提高焊接制造技術水平的根本途徑，可以說這是新技術、新工藝應用推廣的動力和源泉。

2 重大產業的核心技術“自主化”

重大產業的發展核心是關鍵技術的“自主化”。歷盡半個世紀、舉世矚目的我國油氣管線建設過程就是一個生動的實例。油氣管道建設與清潔能源、國民生計、經濟發展緊密相關，長距離、大口徑、高鋼級、高壓力的石油、天然氣管道建設一直是該行業持續發展的方向。面對以往采用進口焊材存在供貨周期長、生產過程中溝通和監管難度大、價格貴、采購行為受國際政治經濟大環境影響等我國油氣管線發展的瓶頸，從20世紀90年代以來，管線鋼從X70開始，到目前自主研發的X120，我國用了20年的時間完成管線鋼的研發和應用工作，走過了國外40年的研發歷程（如圖6所示）[4-5]，相應的焊接工藝也得到了發展（如圖7所示）。

就管道焊接材料和配套工藝而言，自20世紀80年代以來，從美歐引進了“焊條下向焊”的管道焊接方法（1982年），包括纖維素焊條下向焊和低氫焊條下向焊。1988年，國內首條天然氣管道中滄線，首次使用纖維素焊條和低氫型焊條的下向焊方法。與“上向焊”相比，勞動強度降低，熔敷效率提高。1992年從美國建筑行業引進“半自動下向焊”的焊接方法，主要指自保護藥芯焊絲半自動焊，只能進行填充、蓋面焊操作。半自動焊最早應用于1992年突尼斯天然氣管道，1995庫鄯線管道作為試驗段應用。后經蘭成渝、澀寧蘭等工程的應用，作為管道焊接施工主流焊接方法一直持續至2016年。國產自動焊工藝和裝備于1998年首次在鄭州義馬煤氣管道中應用，進口自動焊工藝和裝備于1999年首次在港京輸氣管道中應用，到2002年西氣東輸管道中實現規模應用。從2016年中俄原油二期、中俄東線北段，自動焊真正從質量提升角度開始獲得廣泛使用。1992年管道局開始自動焊設備自主研發;1999年5月管道二公司從英國引進NOREAST自動焊設備;2001年7月管道局從意大利引進PWT根焊自動焊設備;2008年從美國進口CRC M300、P600等自動焊設備。1998年12月，國產自動焊在鄭州義馬煤氣管道應用;1999年11月，NOREAST自動焊在港京輸氣管道應用。2002年，PWT自動焊用于西氣東輸。2008年，CRC自動焊用于西二線。目前管道局CPP900系列自動焊裝備和熊谷等國產自動焊裝備已成為高鋼級、大口徑管道焊接施工主要焊接方法（如圖8所示）。自動焊焊接材料主要為AWS A5.18 ER80S-X實心焊絲和AWS A5.29 E91T1-X氣保護藥芯焊絲。保護氣體有CO2、及CO2與Ar混合氣。值得一提的是，熊谷管道自動焊裝備在2017年1月通過了俄羅斯天然氣公司和俄羅斯石油公司認證，在中俄東線工程中全線采用了超大口徑天然氣長輸管道的自動焊，熊谷A-800系列內焊機、A-305單槍外焊機、A-610雙槍外焊機和C-48/56坡口機作為主力裝備參與了該項工程的建設（如圖9所示）。2019年熊谷管道自動焊機應用于海洋鋪管船進行海管自動焊接（如圖10所示），實現AUT檢測一次合格率100%。油氣管線鋼及焊接自動化的發展見表1。

在油氣管線焊接材料國產化及焊材質量穩定性方面，在國家相關政策的指導和支持下，對關鍵技術問題進行了攻關，形成了西四線（吐魯番-中衛）1 422mm X80管道焊接材料國產化方案，研發自動焊用實心焊絲、氣保護藥芯焊絲，半自動焊用氣保護藥芯焊絲、返修焊用低氫型焊條產品，用于西四線管道工程環焊縫焊接的應用，從而推動和加快油氣管道環焊縫焊接材料國產化進程。

油氣管線工程是一個典型的從材料、工藝到裝備的系統工程。半個多世紀以來我國油氣管線的建設歷程表明，從引進、消化到自主研發，走出了與國情需求相結合的可持續發展之路。引進先進技術的最終目的是為了走出自己的路，這條路不是簡單模仿、打價格戰，而是為了建立和實現我國油氣管線焊接工程的技術體系。這再次說明產業發展的關鍵是對核心技術的自主研發以及在工程應用中的集成創新。

3 大力提倡集成創新

創新不是摒棄傳統，而是在傳統技術的基礎上探索新路，組合資源，走出集成創新的新路。凱爾達機器人科技股份有限公司的通用多關節弧焊機器人及產業化就是一個成功的例子。該公

司研制了基于IPC（WinOS+RTOS+EtherCAT架構）控制系統的弧焊機器人，開發了正逆運動學計算、前瞻運動規劃和振動抑制等高效算法，實現了高速循環周期的機器人控制。提出并實現通過WinOS、RTOS和安全單元三者相互驗證的方法保證了機器人系統的安全性，通過斷電數據保護及時序邏輯控制保證了機器人系統的可靠性。提出了運行過程機器人多關節各伺服電機增益參數自適應、變加速柔順化控制方式，保證高速作業軌跡的運動穩定性和低速作業軌跡下運動精確性。提出了快速主從切換的多機器人協調控制方法（如圖11所示），開發相應的指令系統，將每個機器人當前的主從信息集成于該機器人的運動指令中，可在一個執行任務中根據不同階段需求在線改變多機器人間的主從狀態，提高了多機器人系統完成復雜任務的適應性。提出了基于雙目視覺的機器人快速標定方法，實現了弧焊機器人出廠前的逐臺標定，為機器人運行軌跡的精準化提供了堅實基礎[6]。通用型6軸弧焊機器人KR1440，在軌跡準確度、位置準確度及重復性等方面的主要技術指標達到或超過國際主流品牌產品，已在金屬結構加工領域得到應用。

杭州凱爾達機器人科技股份有限公司還完成了“高動態響應送絲與電流波形協同調控伺服焊接系統”。發明了一種高動態響應送絲與電流波形協同調控的伺服焊接技術，實現了MAG/CO2低飛濺低熱輸入量高速焊接、PCT焊接熔深穩定控制的創新工藝;發明了一種伺服專用焊槍與力矩反饋同步送絲相結合的前置伺服方式，提出了一種預測控制抵消送絲時延與動態調節焊絲盤阻尼力相結合的后置伺服方式，實現了碳鋼、不銹鋼、鋁合金等多種材料的高動態響應送絲;發明了一種大電流快速衰減與低紋波小電流維弧輸出相結合的弧焊電源輸出控制方法，研制了全數字控制伺服焊接逆變電源，提高了MAG/CO2低飛濺低熱輸入量高速焊接的穩定性。其MAG/CO2焊接飛濺量等指標達到或超過國際一流品牌產品，在汽車制造、金屬結構加工等領域得到應用。

自2013年以來，弧焊機器人系統銷售累計超過1萬臺，2020年1～7月，弧焊機器人系統銷售已達1 600臺。參與起草制定了10 多項國家標準，擁有25 項已授權發明專利、50余項實用新型專利。凱爾達的弧焊機器人及產業化發展生動地表明焊接技術就是基于傳統制造需求的不斷發展和功能提升，通過對各種工程需求和先進焊接工藝的不斷認識、理解和掌握，實現多源技術的組合和專業知識的集成，“握指成拳，集群發展”，實現了從“機器代替人”到“機器優于人”的跨越（如圖12所示），為弧焊機器人技術在我國焊接制造及相關領域的應用水平不斷提高作出了重要貢獻。在IPC（WinOS+RTOS+EtherCAT架構）控制系統等多項關鍵應用技術上達到或超過了國際先進水平。

4 對傳統技術的挑戰與“突破”

“突破”是指敢于去挑戰傳統技術領域及其產品的“強類項”。往往因為技術以及研發成本的限制，對“強類項”的挑戰難以得到持續和發展，對傳統 “強類項”的突破很難，但難才是價值的體現。其中一個例子是“絞股焊絲”，即多股絞合焊絲，是由多根較細的焊絲按照一定的生產工藝螺旋絞合而成的新型焊絲。其特殊的物理結構使其具有獨特的焊接電弧特性、能量分布特性和工藝特性。其多種產品已在軍工裝備、能源動力、石油化工以及核電等重要產業中實現了“變革性”應用。

絞股焊絲的電弧特性來源于其結構特性。隨絞股焊絲的送進，參與絞合的各焊絲相對中心軸而言是旋轉的，因而出現了電弧旋轉現象，這種現象引發了對焊接熔池的自攪拌效應（如圖13所示）。這種自攪拌效應有利于熔池氣體的逸出和熔池夾渣的排出，有利于焊縫成分的均勻化和焊縫組織細化，從而為焊縫質量的提升提供了物理機制。同時由于構成絞股焊絲的各單絲直徑較小且各自導電熔化，因此絞股焊絲對電弧能量的利用優于同直徑的傳統單絲。這對降低焊接熱輸入量、減小焊接變形量及減少焊后修整工作量是非常有益的。

在工藝特性方面，主要表現為熔敷速度大，焊接效率高。在同樣的能耗下，絞股焊絲的熔化量變大，因而可以通過增大絞股焊絲的直徑或者送絲速度來提高熔敷速度和焊接效率，在薄板的焊接中，焊接速度能成倍提高。絞股焊絲柔韌性較好，增大直徑后并不影響其良好的可盤繞性，也不會明顯增大送絲阻力和可操作性。絞股焊絲還可通過改變其絞股結構、捻距、捻向等參數實現對焊縫熔深的調控。

目前，江蘇聯捷焊業科技有限公司已定型生產碳鋼及低合金鋼類、不銹鋼類、鋁合金類、鎳基合金類和復合類五大類絞股焊絲產品（如圖14所示），通過各種合金單絲的絞合，可以得到理想、精確的焊絲化學成分組合。某些合金絲是難以熔煉或拉制的，采用先生產適當合金成分的細絲、再組合的方式，就能較容易得到與該合金絲相同化學成分的絞股焊絲。

自絞股焊絲產品定型以來，其應用領域也逐步拓寬，目前已經在軍工、核電、海工、壓力容器、3D打印、軌道交通、基礎建設等領域開展了實際應用或試驗性應用[7-9]。圖15為采用絞股焊絲機器人焊接某型裝甲車現場，整車焊接過程中未出現焊縫氣孔及裂紋現象。現已開始推廣應用到高強鋼裝甲車及無人裝甲車上。絞股焊絲壓力容器焊接、鎳基合金表面堆焊如圖16所示。

5 面對新形勢，開拓新局面

每一輪產業結構調整或轉折都會產生出行業自身發展的內生動力，都會有不同的創業故事和焊接企業同仁奮勇向前的品牌抱負，塑造著“Made in China”的優良品質。然而，在面對當前新一輪科技革命帶來的產業結構調整，我們并不樂觀。焊接行業的技能性人才缺乏，焊接專業人才供需矛盾日益突出;焊接領域內研發水平和新技術應用仍步履艱難：絕大多數焊接企業屬于中小型焊接企業，自身研發能力較弱，需要依賴于大學及研究院的力量，但長期以來這一合作創新鏈遠遠不夠完善，極大地制約著我國焊接行業的創新和發展。焊接學界和工程界都需要繼續關注和高度重視以下幾個方面的問題：

（1）“十四五”期間，要盡快把在客場進行的、以出口為主要特征的經濟全球化，升級為以利用我國龐大內需為主要特征的“主場全球化”戰略模式。從“客場全球化”走向“主場全球化”將成為一種自主調整的新趨勢。世界經濟發展的經驗和規律已證明，在成為大國經濟的過程中，必然伴隨著“內需主導型”經濟的形成。目前全球人口和市場規模較大的發達國家，基本上都屬于這種“內需主導型”經濟形態。

（2）以品牌為核心的實體經濟是全球經濟競爭的“主戰場”，在走向世界、參與世界競爭之路上，中國品牌要緊緊圍繞著優質、精品、創新等關鍵詞穩步邁向“高品質化”階段，重視創立企業自己的技術標準，大力弘揚和樹立起“技術就是藝術、產品就是作品、質量就是形象”的工匠精神和敬業精神，充分發揮制造企業自身的能力和特長，生產出質量優于“通用標準”的品牌產品，打造出更多影響世界的中國品牌。

（3）隨著新型、高強材料的不斷涌現以及高參數、大尺度焊接結構的應用需求，促使焊接制造企業盡快形成從焊接接頭、焊接結構的“控形”到焊接產品使役性能的“控性”能力，加強對焊接材料、焊接工藝和焊接裝備之間信息和數據的分析與融合，能夠對焊接產品的生產過程和質量做出確切的評價和對應措施，從而促進數字化焊接制造的知識積累，促進現代焊接制造科學體系的發展與形成。

正如習近平主席指出的：“中國立足自身國情和實踐，從中華文明中汲取智慧，博采東西方各家之長，堅守但不僵化，借鑒但不照搬，在不斷探索中形成了自己的發展道路”。我國的焊接行業仍然需要不斷向國外同行借鑒學習先進經驗，壯大自身。在深化改革道路上，惟改革者進，惟創新者強，惟改革創新者勝，從而帶動我國焊接材料、焊接設備、輔助機具、制造應用等行業的健康持續的發展，營造出創新、活力、充滿向心力的中國焊接制造品牌。

參考文獻：

[1] 王威， 林尚揚， 王旭友， 等. 激光-熔化極脈沖電弧復合焊接的雙重導電機制[J]. 中國激光， 2012， 39（2）： 50-59.

[2] 雷振， 林尚揚， 王旭友， 等. 激光-數字化精確控制短路過渡電弧復合熱源焊接技術[J]. 焊接， 2009（5）： 23-26.

[3] 吳艷明， 王威， 林尚揚， 等. Nd：YAG激光-脈沖MAG復合熱源焊熔滴過渡分析[J]. 焊接學報，? 2011， 32（7）： 83-86.

[4] 隋永莉. 長輸油氣管道高強鋼管線鋼管現場焊接技術[R]. 北京： IFWT2014‘高強鋼先進焊接技術’國際論壇大會報告， 2014.

[5] 隋永莉. 油氣管道環焊縫焊接現狀及需求[R]. 寧波： 第二十屆全國焊接材料行業大會， 2019.

[6] 侯潤石， 蔣啟祥， 王勝華， 等. 大型復雜構件的無模型工業機器人自動編程系統[J]. 電焊機， 2020， 40（7）： 134-141.

[7] 梁裕， 高金良， 馮和永， 等，新型高氮不銹鋼用絞股焊絲[J]. 新技術新工藝，2020（4）： 12-16.

[8] 梁裕， 劉平禮， 馮昱. 一種Al-Cu-Si絞股焊絲及其制備方法[P]. 中國專利，CN109623197A.

[9] 梁裕. 一種3D打印絲材多股絞合焊[P]. 中國專利，?CN110936049A.

Create a new situation in China's welding industry

SONG Tianhu

（Chinese Mechanical Engineering Society， Beijing 100048， China）

Abstract： Since 2020， the global economic environment has entered the transition period of new momentum and deep adjustment. A new round of scientific and technological industry revolution for China's economic restructuring has a significant role in promoting and upgrading. The current situation urgently requires us to "open up new way in the crisis and change new situation"， that is， accept challenges， seize opportunities. This article is written in the "13th Five-Year" plan coming to an end， and "14th Five-Year" plan will set sail， through reviewing China's welding industry in the depth of new technology research and development， and its new era of spiritual style and industry responsibility， I would like to discuss with all colleagues in Chinese welding industry， inspiration and mutual encouragement each other， at the same time， as a congratulatory and commemorative to the "Electric Welding Machine" magazine by issued 50 volumes of 400 issues accompanied with China's welding industry in the past a half century.

Key words： welding;? innovation;? application