关于扩散焊科技文献检索的论文

中国焊接行业的现状、发展及展望 在进入21世纪的前夜，美国的焊接同行们围绕着“美国焊接工业应对21世纪挑战”的主题展开了大规模的研讨。他们广泛、深入地探讨了焊接在未来20年可能遇到的机遇和挑战，并提出了以《焊接工业展望》为主框架的一系列分析报告。 我国焊接界的有识之士亦对我国焊接行业如何跨入21世纪予以了异常关注。以林尚扬、关桥两位院士为首的中国工程院咨询项目工作组开展了《我国制造业焊接生产现状与发展战略研究》工作。在过去的三年里，项目工作组进行了艰难的调研，在掌握国内、外大量第一手资料和数据的基础上，系统分析了我国焊接行业的现状和主要挑战，规划了未来的发展战略和对策，提出了内涵丰富、极具战略意义的研究报告。 这项工作得到了焊接行业的高度关注。2004年3月，中国焊接协会、中国焊接学会组织了由我国焊接行业权威专家参加的焊接行业发展战略研讨会。与会专家对两位院士的报告予以了高度评价，同时对今后行业的发展提出了许多极其宝贵的建议。 本文旨在根据研讨会专家们的建议，在两位院士报告的总体框架下，重点探讨行业层面进一步发展的主要挑战和对策。 一 概述 在科学技术飞速发展的当今时代，焊接已经成功地完成了自身的蜕变。很少有人注意到这个过程何时开始，何时结束。但它确确实实地发生在过去的某个时段。我们今天面对着这样一个事实：焊接已经从一种传统的热加工技艺发展到了集材料、冶金、结构、力学、电子等多门类科学为一体的工程工艺学科。而且，随着相关学科技术的发展和进步，不断有新的知识融合在焊接之中。 剖析现代的焊接，我们不难发现其愈发显现出的几大特征： —— 焊接已成为最流行的连接技术 在当今工业社会，没有哪一种连接技术象焊接那样被如此广泛、如此普遍地应用在各个领域。而其中最主要的原因就是其极具竞争力的性价比。 —— 焊接显现了极高的技术含量和附加值 在人类社会步入21世纪的今天，焊接已经进入了一个崭新的发展阶段。当今世界的许多最新科研成果、前沿技术和高新技术，诸如：计算机、微电子、数字控制、信息处理、工业机器人、激光技术等，已经被广泛地应用于焊接领域，这使得焊接的技术含量得到了空前的提高，并在制造过程中创造了极高的附加值。 —— 焊接已成为关键的制造技术 焊接作为组装工艺之一，通常被安排在制造流程的后期或最终阶段，因而对产品质量具有决定性作用。正因为如此，在许多行业中，焊接被视为一种关键的制造技术。 —— 焊接已成为现代工业不可分离的组成部分 在工业化最发达的美国，焊接被视为“美国制造业的命脉，而且是美国未来竞争力的关键所在”。其主要根源就是基于这样一个事实：许多工业产品的制造已经无法离开焊接技术的使用。 在人类发展史上留下辉煌篇章的三峡水利工程、西气东输工程以及“神舟”号载人飞船，哪个没有采用焊接结构？以西气东输工程项目为例，全长约4300公里的输气管道，焊接接头的数量竟达35万个以上，整个管道上焊缝的长度至少1万5千公里。离开焊接，简直无法想象如何完成这样的工程。 如果将焊接比喻为我们生命中的阳光、空气和水难免会感到夸张，但勿容质疑的一点却是：焊接今天已经深深地溶入了现代工业经济中，并在其中显现了十分重要、甚至是不可替代的作用。 二 机遇及挑战 (一) 中国焊接行业的现状 焊接行业由焊接及相关技术的“使用者”、焊接器材（包括焊接材料、焊接设备、辅机具和切割器具）的“供应者”和提供相关支持服务的组织或机构（包括科研院所、学校、培训机构、检测机构、实验室、器材经销商等）组成。 焊接作为一种通用的共性技术，在制造业中被相当数量的企业用作关键的加工工艺，焊接直接决定着其产品质量的好坏。这些企业构成了焊接技术应用的主体。 根据我国产业类别的划分方法，这部分企业广泛分布在锅炉、压力容器、发电设备、核设施、石油化工、管道、冶金、矿山、铁路、汽车、造船、港口设施、航空航天、建筑、农业机械、水利设施、工程机械、机器制造、医疗器械、精密仪器和电子等行业中。这些企业在我国工业经济建设中影响深、涉及面广、具有举足轻重的影响和作用。据不完全统计，这些以焊接为主要加工技术（或焊接对其产品质量具有关键影响的）的企业数量达7000多家。 我国现有焊接器材的生产企业上千家。其中焊接设备的生产企业数量约为900家，焊接材料生产企业数量在500家以上。另外，我国还有上百家企业从事焊接辅机具、配套器具、切割机具和相关的安全防护用品的生产制造。这些企业构成了我国焊接器材供应业的主体。 我国焊接行业还包括为上述两类企业提供各方面相关技术支持和服务的公共机构。这些机构虽然数量不多（仅仅数十家），但对行业的影响很大，主要从事焊接及材料连接方面的行业管理、研究开发、教育、培训、认证、标准化、信息咨询和服务等方面的工作。这些公共机构包括科研院所、大学、职业技校、培训基地、行业管理和服务部门。 有关数据统计结果表明：2002年我国第二产业的就业人数已经超过了1.6亿，其中制造业的就业人数达到8000多万。在美国，焊接就业人数在1996年就超过了200百万，占全美制造业总人数的10%以上。考虑到美国制造业工业产值为我国的4-5倍，人均劳动生产率为我国25倍的状况，以及中、美两国焊接生产力水平方面的因素，即使按照比较保守的方法估算：我国目前焊接行业的就业人数应有1000万人左右。 关于我国焊接行业的现状，从整体上做定量的评估或许有些困难，但从各国焊接材料的产量可在一定程度上反映出我国焊接行业的规模。2002年的焊接材料数据统计结果表明：我国焊接材料的总产量已经攀升到了144.9万吨，与美、日、欧的总和相当。我国作为世界第一焊接大国的地位可见一斑。 （二） 未来的市场需求 根据国家统计局发布的《2003年国民经济和社会发展统计公报》，我国2003年钢产量为2.2亿吨，比上年增长21%。按照我国焊接用钢量为40%的比率计算，焊接结构的钢材量接近9000万吨。 而在工业发达国家，焊接用钢量基本达到其钢材总量的60%-70%。根据我国2020年国民经济发展的总体目标要求以及我国焊接行业的发展趋势预测，我国可能在今后5至10年时间内达到60%的水平。届时我国钢产量将介于2.5至3亿吨之间。这意味着焊接量将增加一倍，这就形成了对焊接生产效率和劳动力的可观需求。考虑到我国焊接生产效率增长的实际空间，生产率和劳动力之间的联动关系等方面因素，未来我国焊接劳动力的需求可能在百万数量级以上。因此，焊接行业将在今后5至10年继续保持增长的势态。 在进入21世纪的前夕，美国焊接学会（AWS）曾组织权威专家讨论、制定了美国今后20年焊接工业的发展战略。其分析报告对焊接未来做了如下预测：在2020年，焊接仍将是金属和其他工程材料连接的优选方法。美国工业界将依靠其在连接技术、产品设计、制造能力和全球竞争力方面的领先优势，成为这些性价比高、性能优越产品的世界主导。 由此不难看出：焊接在未来的工业经济中不仅具有广阔的应用空间，而且还将对产品质量、企业的制造能力及其竞争力产生更大的影响。 在加入WTO后，作为全球最大的发展中国家和经济活力最强的国家，我国焊接工业的发展充满了机遇和挑战。如何有效地把握机会，迎接挑战，保证今后可持续的健康发展，是我国焊接行业面临的重要课题。 （三） 主要挑战 1 焊接行业的“创新与学习” 我国在2001年加入了WTO，标志着我国经济开始正式融入全球经济一体化的大潮。我国2002年吸引国外直接投资500亿美元以上，居世界第一。事实上，从我国制造业全面进入全球产业链之日起，制造的理念就已经发生了根本性的变化。今天的制造与传统的概念截然不同。在过去，制造被简单地定义为：“将原材料加工成半成品或成品的过程”。而当代国际化的工业经济赋予制造的诠释则是：“制造商经营、管理自己的供应链，为用户提供合格产品，满足用户需求的一系列活动和过程”。 因此，今天的工业竞争并不局限在企业之间，而是延伸至企业的外部空间（包括其供应链上的各个环节）。而且竞争的内涵也不限于企业的技术、管理、质量、价格、成本，而是包括其对环境、规则、文化、政策等在内的综合适应能力。 当今世界工业发展的环境有了明显改变，贸易和投资的障碍日益减少，技术进步使得国际经济的联系更加紧密。新技术、企业创新和组织管理、国际规则构成了当今工业竞争环境的三方面主要特征。这一观点得到了联合国工业发展组织的强烈认同。在此基础上，技能、研究开发、国外直接投资、技术引进费用和现代基础设施被视为与国家工业发展直接相关的五大驱动力。 根据联合国工业发展组织2002年发布的《2002/2003年度工业发展报告》，在现代国际竞争中，获取竞争优势的途径有两种。一种是以自然资源和低廉的劳动力成本等静态条件获取临时优势的方法。这种方法被定义为“低级途径”。另一种“高级途径”则是通过建立和加强自主能力，获取长期竞争优势。在以技术创新为主导的当今国际竞争中，各国都高度重视后者，即通过提高自身适应能力，部署、逐渐提升新的生产和管理技术，并创造出更新的技术。这一整套活动和能力建立的过程被定义为“创新和学习”。 在工业化程度较低的阶段，仅凭借基本技能、基础设施、有利的资源和低廉的劳动力成本就可能轻易地获得竞争优势。但这种优势往往是临时性的。随着工业化程度的提高，如果竞争的参与者不吸纳新的技术，开展创新活动，提高自身能力，这种优势就会逐渐消失。其后果不外乎就是在竞争环境中逐渐边缘化，最终被淘汰。 在工业化步入一定的成熟阶段，研究开发、外资投入和先进的技能将成为工业竞争力的主导。“学习和创新”这时对于企业而言，显得尤为重要。 回顾我国焊接行业50多年的发展历程，我们经历了“从无到有，从小到大”的发展过程。从我国焊接行业现有的规模、生产效率和技术水平各方面综合评估，不难得出这样的结论：我国焊接行业正在进入比较成熟的阶段。 经过20多年的改革开发，我国焊接领域内的外资投入和技术引进均达到了相当规模，但我们在高端技术、前沿技术领域没有任何优势，这意味着我们虽然进入了全球的产业链，但仅仅居于价值链的低端。由此可见，我国焊接行业正面临着如何“从弱到强”的发展课题。而自主创新能力的建设无疑是我们今后发展的关键。这恐怕是今后一段时期我国焊接行业“创新和学习”的主题。 根据工业发达国家的经验，“创新和学习”的内容在不同的企业、不同的发展时期和阶段都将发生变化。而且，这是一个长期的、代价昂贵并且充满风险的过程，其艰难程度可能丝毫不亚于工业发达国家为保持前沿技术优势而进行的技术创新活动。当然，我国焊接行业如果对此交出满意的答卷，无疑会得到丰厚的回报。这个回报就是强大的工业竞争力和整个行业持续、稳定、健康的发展。 2 技术创新能力 根据联合国工业发展组织2002年的报告，我国在工业竞争力指数排行榜上的排名提升了25位（排名由1995年的第61位上升至1998年的第37位），是全球工业竞争力增幅最大的国家。这个成绩固然可喜，但如果对其做进一步分析，就会发现我们仍然存在着一系列问题，面临着严峻的挑战。 如前所述，对工业竞争力有直接影响的五方面因素包括：技能、研究开发、国外直接投资、技术引进费用和现代基础设施。在联合国工业发展组织的报告中，这些因素被视为与国家工业发展直接相关的五大驱动力。 如果将一些工业竞争力绩效良好的国家做对比、分析，或许可以更好地折射出我们的问题所在。 在联合国工业组织的工业竞争力排行榜上，韩国和新加坡显示出了很好的绩效。韩国的排名从1995年的第22位上升至1998年的第18位。而新加坡则从1995年的第6位升至第1位。这两个国家的工业竞争力指数都比较高，显示出很强的竞争能力 事实上，这两个国家获得竞争力的方式截然不同。新加坡主要依靠国外投资和技术引进，其本土的研究开发虽然不强，但借助外部技术和投资成功地提高了自己的竞争能力。韩国则是完全不同的成功模式，韩国非常注重本国的研究开发，主要依靠自主创新的能力来提高本国的竞争力。日本也是这种模式的典范，为了提高本国的技术创新能力，它甚至不惜通过限制国外投资的方式来达到自主创新、强化竞争力的目的。 我国工业竞争力的提高主要来源于五大驱动力的后三项，即依靠改革开放以来显著增加的国外投资、技术引进，以及大规模的基础设施建设。而五大驱动力的前两项，即技能和研究开发，我国明显落后。特别是代表技术创新的研究开发，我国得到的评估结论是：非常薄弱。 我们首先需要解决的问题是采取什么方式来进一步提升我们的竞争力。中国是全球最大的发展中国家，两种成功模式都有借鉴价值。改革开放的初期，我们通过改善投资环境、扩大基本建设规模、吸引外资、引进国外技术等手段，成功地提升了我国的工业竞争力。而今后我国竞争力的增强恐怕在更大程度上要依赖我们的技术创新，换句话说，也就是先进的劳动力技能和科技技术将发挥主导作用。 反观我国的焊接行业，不难发现：在技术创新方面，我们面临着几乎是完全相同的问题。 首先是技能问题，反映在焊接行业则是焊接专业人才的贫瘠。近年来，专业人才的供需矛盾日显突出。一方面是由于我国高等院校从1998年开始取消焊接专业、实行通才教育。在我国职业培训体系尚不完备的条件下，人才问题已经初露端倪。这种情况如果持续下去，今后几年矛盾将会更加突出。 其次是焊接领域的研究开发。焊接研究开发的主要问题反映在两方面：一是投入严重不足；二是整体研究水平下降。在工业发达国家，研究开发资金一般占其GDP的3%-5%。而在我国，情况明显不同。据国家统计局发布的《2003年国民经济和社会发展统计公报》，我国2003年的研究开发经费总额为1500亿元，仅为我国GDP的1.3%。而对100家焊接企业的抽样调查结果则更令人沮丧，这些企业的平均研发经费仅为其生产总值的0.37%。此外，我国在科研院所转企改制过程中，有一些问题没有得到很好地解决。这些问题包括：研究院所的经营和研发的方向发生了很大变化，一些中、长期的研究项目和公益性研究项目倍受冷落；有些研究院所由于人才流失、资金支持不力等原因，被迫放弃一些有市场需求的研究领域，造成研究领域逐步缩减。总之，就整体研究水平而言我们正呈下降趋势。 除上述两方面问题之外，焊接领域内的技术扩散、研究成果转化也存在着不容忽视的问题。在焊接领域内，大多数企业（特别是焊接材料和焊接设备制造厂）属于中、小型企业，自身的研究开发能力比较弱，在很大程度上依靠大学、研究院所的研究力量。长期以来，我国焊接行业主要依靠这种以高等院校为上游，科研院所为中游，企业为下游（科技成果应用主体）的产学研合作链从事研究开发和研究成果的转化。当合作创新链的源头和中、上游部分出现问题时，对下游的负面影响恐怕就勿需多言了，其结果当然可想而知了。

焊接是通过加热、加压，或两者并用，使两工件产生原子间结合的加工工艺和联接方式。焊接应用广泛，既可用于金属，也可用于非金属。 焊接技术的发展历史 焊接技术是随着金属的应用而出现的，古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝制造的铁刃铜钺，就是铁与铜的铸焊件，其表面铜与铁的熔合线婉蜒曲折，接合良好。春秋战国时期曾侯乙墓中的建鼓铜座上有许多盘龙，是分段钎焊连接而成的。经分析，所用的与现代软钎料成分相近。 战国时期制造的刀剑，刀刃为钢，刀背为熟铁，一般是经过加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》一书记载：中国古代将铜和铁一起入炉加热，经锻打制造刀、斧；用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上，分段煅焊大型船锚。中世纪，在叙利亚大马士革也曾用锻焊制造兵器。 古代焊接技术长期停留在铸焊、锻焊和钎焊的水平上，使用的热源都是炉火，温度低、能量不集中，无法用于大截面、长焊缝工件的焊接，只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。 19世纪初，英国的戴维斯发现电弧和氧乙炔焰两种能局部熔化金属的高温热源；1885～1887年,俄国的别纳尔多斯发明碳极电弧焊钳；1900年又出现了铝热焊。 20世纪初，碳极电弧焊和气焊得到应用，同时还出现了薄药皮焊条电弧焊，电弧比较稳定，焊接熔池受到熔渣保护，焊接质量得到提高，使手工电弧焊进入实用阶段，电弧焊从20年代起成为一种重要的焊接方法。 在此期间，美国的诺布尔利用电弧电压控制焊条送给速度，制成自动电弧焊机，从而成为焊接机械化、自动化的开端。1930年美国的罗宾诺夫发明使用焊丝和焊剂的埋弧焊，焊接机械化得到进一步发展。40年代，为适应铝、镁合金和合金钢焊接的需要，钨极和熔化极惰性气体保护焊相继问世。 1951年苏联的巴顿电焊研究所创造电渣焊，成为大厚度工件的高效焊接法。1953年，苏联的柳巴夫斯基等人发明二氧化碳气体保护焊，促进了气体保护电弧焊的应用和发展，如出现了混合气体保护焊、药芯焊丝气渣联合保护焊和自保护电弧焊等。 1957年美国的盖奇发明等离子弧焊；40年代德国和法国发明的电子束焊，也在50年代得到实用和进一步发展；60年代又出现激光焊等离子、电子束和激光焊接方法的出现，标志着高能量密度熔焊的新发展，大大改善了材料的焊接性，使许多难以用其他方法焊接的材料和结构得以焊接。 其他的焊接技术还有1887年，美国的汤普森发明电阻焊，并用于薄板的点焊和缝焊；缝焊是压焊中最早的半机械化焊接方法，随着缝焊过程的进行，工件被两滚轮推送前进；二十世纪世纪20年代开始使用闪光对焊方法焊接棒材和链条。至此电阻焊进入实用阶段。1956年，美国的琼斯发明超声波焊；苏联的丘季科夫发明摩擦焊；1959年，美国斯坦福研究所研究成功爆炸焊；50年代末苏联又制成真空扩散焊设备。 焊接工艺 金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。 熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。 在熔焊过程中，如果大气与高温的熔池直接接触，大气中的氧就会氧化金属和各种合金元素。大气中的氮、水蒸汽等进入熔池，还会在随后冷却过程中在焊缝中形成气孔、夹渣、裂纹等缺陷，恶化焊缝的质量和性能。 为了提高焊接质量，人们研究出了各种保护方法。例如，气体保护电弧焊就是用氩、二氧化碳等气体隔绝大气，以保护焊接时的电弧和熔池率；又如钢材焊接时，在焊条药皮中加入对氧亲和力大的钛铁粉进行脱氧，就可以保护焊条中有益元素锰、硅等免于氧化而进入熔池，冷却后获得优质焊缝。 压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。 各种压焊方法的共同特点是在焊接过程中施加压力而不加填充材料。多数压焊方法如扩散焊、高频焊、冷压焊等都没有熔化过程，因而没有象熔焊那样的有益合金元素烧损，和有害元素侵入焊缝的问题，从而简化了焊接过程，也改善了焊接安全卫生条件。同时由于加热温度比熔焊低、加热时间短，因而热影响区小。许多难以用熔化焊焊接的材料，往往可以用压焊焊成与母材同等强度的优质接头。 钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。 焊接时形成的连接两个被连接体的接缝称为焊缝。焊缝的两侧在焊接时会受到焊接热作用，而发生组织和性能变化，这一区域被称为热影响区。焊接时因工件材料焊接材料、焊接电流等不同，焊后在焊缝和热影响区可能产生过热、脆化、淬硬或软化现象，也使焊件性能下降，恶化焊接性。这就需要调整焊接条件，焊前对焊件接口处预热、焊时保温和焊后热处理可以改善焊件的焊接质量。 另外，焊接是一个局部的迅速加热和冷却过程，焊接区由于受到四周工件本体的拘束而不能自由膨胀和收缩，冷却后在焊件中便产生焊接应力和变形。重要产品焊后都需要消除焊接应力，矫正焊接变形。 现代焊接技术已能焊出无内外缺陷的、机械性能等于甚至高于被连接体的焊缝。被焊接体在空间的相互位置称为焊接接头，接头处的强度除受焊缝质量影响外，还与其几何形状、尺寸、受力情况和工作条件等有关。接头的基本形式有对接、搭接、丁字接(正交接)和角接等。 对接接头焊缝的横截面形状，决定于被焊接体在焊接前的厚度和两接边的坡口形式。焊接较厚的钢板时，为了焊透而在接边处开出各种形状的坡口，以便较容易地送入焊条或焊丝。坡口形式有单面施焊的坡口和两面施焊的坡口。选择坡口形式时，除保证焊透外还应考虑施焊方便，填充金属量少，焊接变形小和坡口加工费用低等因素。 厚度不同的两块钢板对接时，为避免截面急剧变化引起严重的应力集中，常把较厚的板边逐渐削薄，达到两接边处等厚。对接接头的静强度和疲劳强度比其他接头高。在交变、冲击载荷下或在低温高压容器中工作的联接，常优先采用对接接头的焊接。 搭接接头的焊前准备工作简单，装配方便，焊接变形和残余应力较小，因而在工地安装接头和不重要的结构上时常采用。一般来说，搭接接头不适于在交变载荷、腐蚀介质、高温或低温等条件下工作。 采用丁字接头和角接头通常是由于结构上的需要。丁字接头上未焊透的角焊缝工作特点与搭接接头的角焊缝相似。当焊缝与外力方向垂直时便成为正面角焊缝，这时焊缝表面形状会引起不同程度的应力集中；焊透的角焊缝受力情况与对接接头相似。 角接头承载能力低，一般不单独使用，只有在焊透时，或在内外均有角焊缝时才有所改善，多用于封闭形结构的拐角处。 焊接产品比铆接件、铸件和锻件重量轻，对于交通运输工具来说可以减轻自重，节约能量。焊接的密封性好，适于制造各类容器。发展联合加工工艺，使焊接与锻造、铸造相结合，可以制成大型、经济合理的铸焊结构和锻焊结构，经济效益很高。采用焊接工艺能有效利用材料，焊接结构可以在不同部位采用不同性能的材料，充分发挥各种材料的特长，达到经济、优质。焊接已成为现代工业中一种不可缺少，而且日益重要的加工工艺方法。 在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。 未来的焊接工艺，一方面要研制新的焊接方法、焊接设备和焊接材料，以进一步提高焊接质量和安全可靠性，如改进现有电弧、等离子弧、电子束、激光等焊接能源；运用电子技术和控制技术，改善电弧的工艺性能，研制可靠轻巧的电弧跟踪方法。 另一方面要提高焊接机械化和自动化水平，如焊机实现程序控制、数字控制；研制从准备工序、焊接到质量监控全部过程自动化的专用焊机；在自动焊接生产线上，推广、扩大数控的焊接机械手和焊接机器人，可以提高焊接生产水平，改善焊接卫生安全条件。