国内外焊接材料的应用及发展趋势

国内外焊接材料的应用及发展趋势沈阳工业大学材料科学与工程学院摘要：焊接材料是焊接行业中一个重要分支。随着焊接技术的发展，国内外焊接材料的生产和使用也得到了长足的进步。本文简单介绍国内外的钢材、焊接材料的应用状况，进而分析了焊接材料的应用领域，总结出我国焊接的材料发展中存在的问题及应对策略。关键词： 焊接材料；应用；发展趋势1 国内外钢材及焊接的应用现状钢产量是衡量一个国家综合经济实力的重要指标，钢铁工业是中国工业进程中的支柱产业。表1为世界主要国家的钢产量数据。从表中数据可以发现，从2001年开始我国的钢产量已经跃居全球第一，从2001年到2008年钢产量已经提高了3倍多，这样的增速明显高于其他国家。这主要是由于中国的经济持续高速增长，拉动了钢铁工业的快速发展，带动了中国钢铁的生产和消耗。但与中国钢产量全球第一形成鲜明的对比的是中国也是钢材进口大国，尤其是特种性能、高强度钢材的大量进口，因此中国钢材巨大产量，并没有给中国带来巨大的经济效益。 表1 世界主要国家的钢产量（单位：百万吨）序号国家200820072006200520042003200220011中国463045114188353428052244182215092日本111210981162112511271105107710293美国8789019859499979379169014俄罗斯652661706661656615598595印度506483444093263182882736韩国4984684844784754634544397德国434448472445464448454488乌克兰3513914083863873693413319巴西32130730931632931129626710意大利289292316293286271261265 （数据来源：中国钢材贸易网）焊接是一种将材料永久性连接，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。在生产制造中都不同程度地应用焊接技术。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。焊接技术包括焊接材料、设备和工艺等相关内容，而其中焊接材料是焊接技术发展的基础，所以焊接材料的应用和发展影响着焊接技术的发展。钢材产量和快速升高又拉动了中国焊接材料产业的强劲发展，钢材的产量、品质及发展趋势直接决定了焊接行业的可持续发展及焊接技术的发展方向。2006年，按国际钢材协会统计，全世界钢产量1239亿吨，按有 表1 中国钢材与焊接材料产量年份钢材表观消费量（亿吨）焊接材料总产量（万吨）其中（万吨）焊条焊条所占比例（%）气体保护焊焊丝埋狐焊焊丝焊剂药芯焊丝19961约77607875501200014约1149080125560520032720015075301012420043123024016067401114520053527028017018063606516197-82006421801805690182012表3 我国不同地区钢材消耗比例（%）地区年份华东中南华北东北西南西北合计20013772121849680501002002406209189757842100200341820017882784510020044251811827491461002005417179196778348100预计2010392183163999568100关资料综合测算，焊材的消费量应为钢材总量的06%-16%，全世界焊接材料约为600多万吨，因此，2006年中国钢产量占全世界钢产量的34%2，中国焊接材料产量占全世界焊接材料产量的50%左右。但是中国焊接材料的种类和分布不是很平衡3，4，见表2-表3。2 焊接材料在各领域的应用情况按行业需求，我国钢材及焊材与国外发达国家的最大差异为：近年来我国建设用钢占50%左右，工业制造用钢不到45%左右；而目前美国、欧洲和日本建设用钢仅占20%-30%，工业制造用钢占70%-78%。这种差异也反映了当前我国发展阶段的特征大量进行各种基础设施和城镇化建设。在2006年生产的钢材中，各类中厚板、厚板和薄板（不包括窄带钢）等板材占33%，不能用于制造焊接钢结构的各类钢筋、线材、棒材及钢轨等占45%以上，因此，我国焊接钢结构占钢材消费总量的比例1最多只能为40%-45%。所以估计我国目前焊接钢结构的用钢量为14-16亿吨是适宜的。但经焊接的钢材则不止这个数量，因为用于钢筋混凝土结构的各种钢材和线材，其中2/3左右是进行焊接的，总数为6000-8000万吨。因此可以说，2006年我国焊接钢结构为14-16亿吨，而经焊接的钢材总数则达20-24亿吨之间。有关重点行业对焊材的需求状况分述如下：21建筑行业随着中国建设行业的发展和城镇化进程的推进，每年在建筑行业消费的钢材数量巨大。据有关部门统计，2006年建筑钢结构制造量约为1600万吨，包括工业厂房钢结构、高层建筑钢结构、大跨度场馆钢结构、市政建设钢结构和住宅钢结构等，相当于消费焊接材料2535万吨。 预测2010年各类建筑钢结构制作量为2600万吨，将相应需要各类焊接材料4050万吨。预测2015年各类建筑钢结构将消费钢材4000万吨以上。而在建筑过程中所使用的钢筋混凝土结构，每年将消耗钢筋和线材料1亿多吨，除少量粗直径钢材采用冷挤压套筒连接外，其余主要采用钢筋电渣压力焊和焊条电狐焊。每年需用于钢筋电渣压力焊的HJ431等熔炼焊剂1013万吨，J422等焊条50万吨以上。因此，建筑钢材及相应的焊接材料是今后的一个增长热点。22造船行业我国造船业经过“八五”、“九五”共十年的高效技术推广，已在全国使用了半自动药芯焊丝，使用了各种简易方便的焊接设备和工艺如角焊机及双丝单熔池CO2焊接工艺。在板缝拼接中使用了3丝、4丝埋狐焊接技术，实现了高速焊接。在船体合拢缝焊中，使用了垂直立焊技术，大大提高了焊接作业的效率，行业的整体实力得到了显著提高，2007年的数据统计显示：现在我国的订单量已排在全球第二位，但与传统的造船强国如：韩国、日本还有一定的差距，韩国造船业以超大型油轮等高附加值船舶为中心提高收益性，已成功具备了竞争力。从三星重工的形式来看，在每艘造价高达1万亿韩元的钻井船（在深水海域或浪高的海域钻探原油、天然气设备）领域，其世界市场占有率近70%。韩国造船企业的竞争力在于在船舶建造过程中加入了IT技术。尽管造船业被称为“烟囱企业”的代名词，但韩国大型造船厂却积极引进基于互联网的三维设计系统和自动运行控制产品等尖端技术，成为业界领跑者。相反，中国在价格相对便宜的散装船（运输粮食和矿物等普通货轮）方面占有比重较高。随着我国造船业国际化程度的发展，一方面对现有焊材在高效性、工艺性、发尘量方面提出了更高的要求；另一方面随着化学品船、铝合金船建造的增多，未来各类不锈钢、双向钢及有色金属焊接材料将会有一定的需求。2006年，中国造船完工量1452万载重吨，约用钢材560万吨，相应消费焊接材料1416万吨，其中药芯焊丝89万吨。预测2010年中国造船业用钢将达成1035万吨，相应需求焊接材料2328万吨。23交通行业德国汽车制造者协会最新公布的统计数字表示，2008年中国汽车产量已超过德国和美国，位居世界第一。该协会的统计数据显示，2008年汽车产量占全球汽车产量的172%，德国占147%，而美国仅占146%，2008年我国汽车产销量分别为93451万辆和93805万辆，同比增长521%和67556%，其中乘用车产销26074万辆和26249万辆，同比增长424%和524%。预测2010年中国各类汽车产量将达9001100万辆，将消费钢材15001800万吨。公路交通工具发展的同时，铁路交通设施也发生了明显的变化，到2008年我国已经实现了铁路三次大提速，随着铁路运行速度的提高大量新型机车将被推上历史舞台，2009年3月16日北京铁路局与北车股份有限公司签署协议，采购了100列新一代高速动车组，总金额达到392亿元人民币。新一代动车组采取16辆长编组型式，由四个牵引动力单元组成“八动八拖”结构，持续运营时速350km/h,试验时速超过km/h。新一代动车组的运营速度较高，对材料的要求也相应提高，此外新一代动车组对铁路轨道也有较高的要求，这些都大大都促进了钢材和焊接材料的研发和使用。2 4 运输行业据介绍，截止2007年底，全球各类型集装箱船舶达8649艘，载重能力1244万标准箱，船队总动力2600万标准箱、集装箱保有量约为2623万标准箱、2007年各类集装箱产销量为392万标准箱。目前，中国是集装箱第一生产制造大国，并创造了三个“第一”。首先，集装箱的生产能力为全世界第一，现在已经达到580万标准箱。其次，集装箱规格品种之全世界第一，从干货集装箱到一般货物集装，到特种集装箱，还有厢式运输车，中国现有生产已经达到900多个规格品种，能够满足世界各国的运输需求。第三，中国的集装箱产销量世界第一，去年产销量已达到了374万标准箱，而去年全球的集装箱产销量是392万标准箱，因此世界上95%的集装箱都由中国生产。目前生产制造集装箱的三大原材料钢材、木材和油漆的国产化率已大大提高，其中钢材已基本了实现了国产化，木材有一部分出口，但80%以上的木材由国内生产。目前，生产集装箱所用钢材主要有热轧薄钢板、型材和焊管等。热轧薄板、（牌号SPA-H），热轧中板（牌号SPA-H、SM490A），不锈钢（牌号SUS304、SOS410、SOS316L），其中以16-60mm板材为主。在消耗的钢板中，以16-20mm薄规格钢板所占比例最大，为45%-50%，主要用在占我国出口90%以上的干货集装箱上。制造一个标准集装箱用CO2气体保护焊丝20%，每年用CO2焊丝5-6万吨。25压力容器管道行业近年来，石油天然气长输管道建设正处于高峰期。根据规划，未来几年内，中国将建成都14条油气输送管道，形成“两横、两纵、四枢纽、五气库的管道运输网”。随着中国与俄罗斯、哈萨克斯坦输油管道开始建设，预示着中国管道用钢量也将大幅提升。据预测，未来几年内，中国每年管线钢需求量300400万吨3，据不完全统计，2006年仅中石化、中石油系统焊接制管用钢量达到165万吨以上，其中出口60万吨。焊丝、焊剂用量4万吨以上。加上私营企业，全国17家制管厂年制管能力达560万吨，因此2006年总制管用钢量及焊接材料用量翻番不止。现在压力容器正朝着大容量、高参数发展，大量超临界、超临界压力容器被生产并应用，这些压力容器由于本身性能的特殊性也有较高的要求，促进企业对新型焊接材料的研发和使用。2 焊接材料发展中存在的问题及发展趋势20世纪80年代中期，国外发达国家焊条占焊接材的比例约为50%。到2004年欧洲、北美（美国和加拿大）、日本在消费的焊材中，焊条占焊材的比例均已小于20%，也就是说，目前发达国家的自动化表4 各种焊材的用量年度项目焊条CO2实芯焊丝药芯焊丝埋狐焊丝总产量2005产量（t例（%）632226132006产量（t）180801245317比例（%）57253814 表5 世界焊接材料公司五强在中国以外的焊接材料市场中所占市场份额（%）欧洲伊莎公司美国林肯公司欧洲沙福公司日本神焊钢材美国IIW集团1111777和半自动化焊接，已占整个焊接工作量的80%以上。焊接自动化程度和焊丝的使用量是衡量一个国家焊接技术发展程度的重要指标，因此相比于发达国家，我国的焊接技术还比较落后。近年来，我国少数行业及部分企业的焊接自动化和半自动化率已到处70%以上，但就全国而言，2006年全国消耗的焊材中，手工焊条仍占57%左右，见表4，也就是说焊接自动化的半自动化率尚不到50%。但当前焊接自动化进展明显加快，预测5年后，我国焊接自动化和半自动化率可以达到70%。因此，今后几年，焊接自动化进展将持续推动焊材品种结构的调整，气保护实芯焊丝占焊材的比例，2005年为22%，2006年已到28%-29%，预计2010年将达到50%左右，而手工焊条将降到30%以下。 目前，国内从事焊接材料生产的企业比较多，其中电焊条生产企业大约300家，实芯焊丝生产企业200家，药芯焊丝生产企业20家，埋狐焊剂生产企业近200家，焊接材料产量1万吨以上的有40多家，其中天津金桥70余万吨，天津大桥近50万吨，四川大西洋集团20万吨，株洲湘江约20万吨，锦州锦泰12万吨，这5家的产量占全国总产量的1/2。但是这些国内企业大多生产低中端产品，即常规的低碳钢、低合金钢焊接材料，对高强度和特殊性能焊材生产较少。据国外资料介绍，目前世界上实力最强的焊接材料公司有5家，这5家合计占有中国以外的世界焊接市场43的份额，在世界焊接材料市场上举足轻重，详见表55 材料。国内焊接大型骨干焊接材料企业，是中国焊接材料民族工业的希望。虽然这些企业与国际5大知名企业还有一定差距，但是一些企业在过去几年的经营中，已在不同程度上实现了资金的积累。有条件投入较多的资金去更新生产设备、购置先进的检测仪器和研制先进的特种焊材。期待中国有几家大型骨干焊接材料企业，在生产设备和检测手段上能达到或超过国外知名焊接材料企业的水平，这样才能使国内外的重点用户及重点工程在采购高效能焊接材料时，对国产焊接材料品质稳定性增强信任，消除疑虑。由于全球经济危机的影响，部分工程和企业已经停产