展望21世纪焊接科研

文章编号:1004-132 (2000)01-0021-05

展望21世纪焊接科研

潘际銮　院士

潘际銮

摘要:回顾20世纪焊接技术的发展历程,论证焊接科学发展的趋势,分

析21世纪我国经济建设对焊接技术的挑战,讨论焊接科学研究特别是焊接自动化方面的几个重要方向。

关键词:焊接;科学研究;展望

中图分类号:TH -1;T G 4 文献标识码:A

收稿日期:1999—11—15

1　焊接技术发展的历程

焊接是一门新兴的同时又是一门古老的技术。从历史上说,它在3000年以前就有记载,但真正成为一门重要的制造技术,是20世纪的事情。1802年俄罗斯的В.В.Петров发现电弧现象,1890年俄罗斯的Н.Н.Бенардос

发明电弧焊,从此开始它极为迅速地发展,成为制造工业中的重要技术。从工艺方法上来说,它现在已有90余种工艺,采用了热、电、光、声、磁等一切可以利用的热源,应用电子、计算机等先进的控制技术;从应用范围来说,它包括了交通、能源、航空、航天、海洋等一切工业领域。在它的应用过程中,由于技术上的困难和使用过程中发生的事故,焊接的理论也逐步成熟,成为一门系统的技术科学。

焊接技术的发展与钢铁工业的发展密切相关。根据统计,世界上45%钢铁材料通过焊接才成为人类可使用的产品,这意味着每年需要焊接的钢材达到3～4亿t 。80年代以来有一种论点,认为钢铁将趋于饱和,钢铁工业将成为夕阳工业,由此可推想,焊接技术也将成为夕阳技术,对此应予以论证。

2　钢铁工业的发展趋势[1,2]

2.1　钢铁工业的发展过程

1900年,世界钢产量为2850万t ,到1973年

就超过7亿t ,1997年达到7.99亿t ,预计2000

年全世界钢产量可能超过8亿t ,约为1900年的28倍。本世纪世界钢铁工业发展的总趋势是持续

增长的。50年代以前,对钢铁工业影响较大的是两次世界大战。每次战争硝烟一起,世界钢产量就呈下降趋势,特别是在第一次世界大战后,爆发了世界性的资本主义危机,钢产量大幅度下降。第二

次世界大战结束后,世界钢产量迅速增长。50年

代以后,随着转炉技术与连铸技术的开发和应用,世界钢产量发生了翻天覆地的变化,这个时期的增长速度相当惊人。70年代后期发生了第一次石油危机,石油输出国组成了O PEC (石油输出国组织),石油价格上涨。随后又爆发了第二次石油危机。两次石油危机都造成世界钢产量下降,并使整个资本主义经济萎缩。进入90年代,出现了薄板坯连铸技术,美国最先采用这项技术,取得了良好业绩。薄板坯连铸技术的开发应用引发了一系列钢铁生产新工艺开发,再次推动了钢铁工业的发展。

2.2　21世纪钢铁工业发展的预测

为预测21世纪焊接技术的前途,就应该预测钢铁工业在21世纪的发展前途。

(1)钢铁产量人口平均水平仍然很低　少数先进国家钢铁生产总产值很高,按人口平均水平也很高,但是,从全世界范围来说,钢铁总产量远远满足不了人口的需要,如1985年日本人均钢产量达到1050kg ,德国为664kg ,苏联为592kg ,我国只有47kg 。若2000年全世界人口以60亿计,钢产量为8亿t ,则人均钢铁产量不过133kg ,处在目前发展中国家的水平。

(2)钢铁材料的不可代替性　现代工业的产品对材料要求非常高,需要能经受高温、高压、冲击、疲劳等苛刻条件的材料,目前只有钢铁最合适,例如148万kVA 核电站反应堆压力壳,水流速度为20m s ,进口温度为290℃,压力为17651.97kPa ,蒸发量为7160t h ,高为12.85m ,直径为5570mm ,壁厚为200mm ～600mm ,

总重量为483t 。像这样庞大的在高温高压下,工

作要求又极严格的装置非钢铁材料莫属。图1a 是该电站核岛的全貌,图1b 是核岛中反应堆压力壳实际尺寸图。相似情况,不胜枚举。

(3)世界资源条件钢铁最好　在世界金属资

展望21世纪焊接科研——潘际銮

(a )核岛全貌　(b )反应堆压力壳

图1　148万kVA 核电站

源中,铁矿石在地壳中的蕴藏量大,分布广,且采矿条件好,这是由地球的地壳构成所决定的,其他金属材料是无法与之相比的。

(4)绿色结构材料　从可以回收利用的角度看,钢铁是一种绿色结构材料,表1为主要材料的回收利用情况[1]。从表中可知,当前人类所使用的各种材料回收率都不高,某些材料使用后还不能降解,造成白色污染。相比之下,钢铁的可回收利用率最高,使用后锈蚀也不会污染环境,因此,钢铁是一种适应可持续发展战略的材料。

表1　主要材料的回收利用率

单位:%钢铁

玻璃

纸

铝

塑料

55

45

35

27

10

(5)钢铁材料具有最佳价格性能比　钢铁科

学技术经过100年的发展,有了很大的发展,钢铁生产工艺有重大的变化,主要成就表现为氧气转炉炼钢代替平炉炼钢;连续连轧代替铸锭浇铸和初轧开坯。因此,它的生产流程大为缩短,消耗降低

,生产率提高,使得钢铁材料的价格保持稳定。图2所示为钢材与其他产品的价格比较[1]。由图

图2　钢材与其它产品的价格比较

(1974年价格指数=100)

中可见机械产品和汽车的价格,90年代比70年

代上涨了2倍多,一般民用品也上涨了1倍多,而钢铁价格保持稳定。表2所示为一些材料的价格与比强度之比的数据[1]。由此可知,钢材是目前价格与性能比最便宜的材料,水泥虽然便宜,但性能远不及钢材。随着冶金科学的进步,钢材性能将会更加改善,其廉价优势也将日益突出。

表2　一些材料的价格与比强度比值　单位:kg mm

2

材料钢

铝合

金

水泥

A l 2O 3陶瓷碳纤维

聚丙烯

比强度①

5.211.10.897.4160.93.9价格 比强度1

3.9

0.4

4.0

5.2

3.8

①比强度=强度 比重;陶瓷与水泥为压缩强度;价格为1981年日本市场价

2.3　钢铁工业的科学技术仍将持续发展[3]

21世纪钢铁科技发展的主要方向是,①钢厂

生产流程的连续化——金属制造流程的连续化与紧凑化;②钢厂排放过程的控制和排放物质的再能源化、再资源化;③新一代钢研究与开发:前两项工作的发展将进一步推动钢铁工业的扩大生产,降低成本,控制环境污染;后一项工作的发展则将为工业提供新的高质量钢材,推动机械设计和机械制造业的发展。

进入21世纪,国民经济各部门都要求可靠性更高、单位消耗量更低、使用寿命更长、价格更低,而且便于回收利用和环境协调相容的钢材,例如全球范围内35家主要钢厂和汽车厂刚刚联合开

发的“超轻钢车”(UL SAB )研究目标表明,采用新开发的高强薄板可以使重量减轻25%,服役性能改善,车体的静态扭曲刚度提高80%,而且成本比代用材料低。

21世纪钢材的发展方向将是,在充分考虑经

济因素和环境友好因素的前提下,建立在高洁净度、高均匀性、高稳定的冶炼—凝固技术和超细晶粒组织控制等生产工艺基础上的新一代钢材。其主要目标是要使钢的强度比现有钢材提高1倍左右,服役能力和使用寿命相应得到明显提高,且易回收利用。由此将引发出一系列科研课题:诸如极限洁净度钢的化学冶金过程;经济洁净钢的技术实施;高洁度钢的凝固和偏析行为;快速非平衡凝固条件下钢的铸态组织和夹杂物分布特征;中温条件下(如850℃～7500℃)钢的压力加工和随后相变组织对性能的影响;微米、亚微米级超细组织的形成机理;非平衡状态下的物理金属学;微合金

化高洁净钢的开发;新一代钢种的可焊性及焊接材料和工艺的开发。

3　21世纪焊接技术面临的挑战

我国工业总体上较落后,许多工业产品,特别

・

22・中国机械工程第11卷第122期2000年2月