基于專利分析的管—板焊接發(fā)展趨勢(shì)研究

梁為　于復(fù)生　嚴(yán)高超　朱寶星

摘 要：管-板焊接技術(shù)近年來(lái)在我國(guó)飛速發(fā)展，使我國(guó)壓力容器行業(yè)的發(fā)展有了極大的提升。基于佰騰和soopat專利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，以管-板焊接為研究對(duì)象，檢索2018年之前境內(nèi)關(guān)于管-板焊接的相關(guān)專利，并統(tǒng)計(jì)分析管-板焊接申請(qǐng)專利的技術(shù)領(lǐng)域、申請(qǐng)機(jī)構(gòu)、總體趨勢(shì)等。重點(diǎn)對(duì)管-板焊接的五個(gè)技術(shù)方向進(jìn)行分析闡述，并給出發(fā)展趨勢(shì)及一些建議。

關(guān)鍵詞：管-板焊接；發(fā)展趨勢(shì)；專利分析

中圖分類號(hào)：TG44 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）03-0054-04

Abstract： Pipe-plate welding technology has developed rapidly in recent years in China， which has greatly improved the development of pressure vessel industry in China. Based on Baiten and Soopat Patent Retrieval Databases， with tube-plate welding as the research subject， this paper retrieves the relevant patents on pipe-plate welding in China before 2018， and statistical analysis of the technical field of patent application for pipe-plate welding， application institutions， general trends and so on. The paper focuses on the analysis and elaboration of five technical directions of tube-plate welding， and gives the development trend and some suggestions.

Keywords： tube-plate welding； development trend； patent analysis

換熱器、反應(yīng)器、儲(chǔ)存器等壓力容器在石油、電力、冶金、化工、核電、輕工等行業(yè)的應(yīng)用極其廣泛[1]。我國(guó)的壓力容器制造行業(yè)與世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比，無(wú)論在產(chǎn)能、生產(chǎn)效率、技術(shù)裝備的先進(jìn)性還是產(chǎn)品質(zhì)量控制與管理、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和信息化技術(shù)的應(yīng)用等方面都存在較大差距[2]。在壓力容器制造領(lǐng)域，管與板之間的連接是壓力容器制造過(guò)程的關(guān)鍵工序。這種焊接接頭的數(shù)量大、焊接位置苛刻、管口接頭長(zhǎng)期承受壓差對(duì)管子產(chǎn)生的軸向負(fù)荷、多次反復(fù)加熱、冷卻、高壓和介質(zhì)腐蝕疲勞強(qiáng)度破壞的作用， 對(duì)焊縫的致密性及力學(xué)性能要求嚴(yán)格。如果焊縫的根部沒(méi)有焊透，焊縫中存在裂紋、氣孔等缺陷，在檢驗(yàn)中又未被發(fā)現(xiàn)，那么在運(yùn)行中就會(huì)在交變應(yīng)力的作用下，使缺陷擴(kuò)展、泄漏通道擴(kuò)大、從而導(dǎo)致沖蝕、以至泄漏、影響整機(jī)的運(yùn)行安全和使用壽命[3]。由于焊接接頭的數(shù)量大、焊接位置苛刻，同時(shí)焊接勞動(dòng)強(qiáng)度大，焊接環(huán)境惡劣，不同熟練度的焊工的焊接質(zhì)量差異很大，管與板之間的焊接不能完全依賴人工。

后來(lái)出現(xiàn)了焊接操作架、自動(dòng)化焊接小車等半自動(dòng)化、專用化的焊接裝備[4]，這在一定程度上提高了管與板的焊接質(zhì)量和效率，但這些裝置的使用和安裝過(guò)程復(fù)雜，自動(dòng)化程度不高。隨著管-板焊接技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)研制了很多智能化、高自動(dòng)化的管-板焊接設(shè)備并將其應(yīng)用到生產(chǎn)中，取得了不錯(cuò)的效果。

1 管-板焊接相關(guān)專利分析分布

專利是技術(shù)信息有效的載體，通過(guò)有效的專利分析洞悉技術(shù)的演變和發(fā)展趨勢(shì)，是學(xué)術(shù)界和社會(huì)實(shí)踐的迫切要求[5]。近幾年以來(lái)，針對(duì)管-板焊接的專利層出不窮，涉及到管板焊接設(shè)備、焊接方法、工裝、夾具等多方面，專利類別多、數(shù)量大。但由于沒(méi)有具體的專利分析報(bào)告，難以把握管-板焊接的發(fā)展趨勢(shì)。

本文分析數(shù)據(jù)來(lái)源于佰騰和soopat專利檢索數(shù)據(jù)庫(kù)，時(shí)間截止到2017年12月31日，檢索到關(guān)于管-板焊接相關(guān)專利共278篇。按所屬技術(shù)領(lǐng)域劃分，可以分為焊接設(shè)備、焊接方法、連接結(jié)構(gòu)、工裝、夾具、坡口、外觀設(shè)計(jì)等技術(shù)方向。因?yàn)閷＠鶎偌夹g(shù)方向并非獨(dú)立，專利分類的交叉性較強(qiáng)，因此數(shù)據(jù)也存在交叉性。各技術(shù)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)數(shù)量如圖1所示。

從圖1中可以看出2018年之前境內(nèi)專利申請(qǐng)的主要技術(shù)領(lǐng)域，其中焊接設(shè)備、焊接方法以及焊接結(jié)構(gòu)位居前三，是專利申請(qǐng)的熱門方向。

從專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)上看，申請(qǐng)數(shù)量較多的機(jī)構(gòu)分布如圖2?？梢缘弥?，各類公司申請(qǐng)的專利數(shù)量所占的比例最大，其次是各類高校。

2 管-板焊接相關(guān)專利申請(qǐng)狀況分析

管-板焊接領(lǐng)域境內(nèi)專利申請(qǐng)的發(fā)展趨勢(shì)如圖3所示。圖3顯示了從首件境內(nèi)管-板焊接技術(shù)專利申請(qǐng)開(kāi)始至2017年的申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)；由于早期申請(qǐng)量與近幾年的申請(qǐng)量差異較大，為了更清楚地顯示2007年之后境內(nèi)管-板焊接技術(shù)專利申請(qǐng)量變化趨勢(shì)，在圖4中放大顯示了從2008年開(kāi)始到2017年間境內(nèi)管-板焊接技術(shù)專利申請(qǐng)量的發(fā)展趨勢(shì)。

從圖3中可以看出，2006年之前每年的專利申請(qǐng)量很少，這是因?yàn)楣?板焊接方法與設(shè)備的研究整體處于發(fā)展初期，進(jìn)展緩慢。隨著國(guó)家提出節(jié)約能源的政策以及工廠對(duì)于多管-板焊接方法與設(shè)備需求的明顯提升，除了長(zhǎng)期從事多管-板焊接方法與設(shè)備研究的高校和科研院所外，多家企業(yè)以及為數(shù)眾多的民營(yíng)企業(yè)都紛紛涉足多管-板焊接方法與設(shè)備領(lǐng)域，相較于之前，2006年和2007年管-板焊接方法與設(shè)備相關(guān)專利申請(qǐng)量開(kāi)始增長(zhǎng)，在2007年出現(xiàn)一個(gè)發(fā)展的小高潮，之后2008年受到大地震及金融危機(jī)的影響有所回落，隨著硬件系統(tǒng)技術(shù)的成熟，多管-板焊接行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)大大降低，大批企業(yè)進(jìn)入多管-板焊接方法與設(shè)備市場(chǎng)，在中國(guó)掀起了多管-板焊接方法與設(shè)備發(fā)展熱潮，2008年之后管-板焊接方法與設(shè)備相關(guān)的專利呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，多管-板焊接方法與設(shè)備技術(shù)在這一時(shí)期得到快速發(fā)展。專利數(shù)量不斷增加，不斷有新產(chǎn)品投入市場(chǎng)。

3 管-板焊接相關(guān)專利的主要技術(shù)方向和發(fā)展趨勢(shì)

專利信息分析方法是指對(duì)有關(guān)的專利文獻(xiàn)進(jìn)行篩選、統(tǒng)計(jì)、分析，使之轉(zhuǎn)化成可利用信息的方法[6]。本文運(yùn)用專利信息分析方法分析我國(guó)境內(nèi)目前涉及管-板焊接相關(guān)專利，針對(duì)管-板焊接領(lǐng)域內(nèi)的重點(diǎn)發(fā)明專利進(jìn)行闡述，重點(diǎn)從該領(lǐng)域的三個(gè)技術(shù)方向進(jìn)行分析闡述，分析總體趨勢(shì)等信息。

3.1 管-板連接結(jié)構(gòu)

檢索到的管-板連接結(jié)構(gòu)這一技術(shù)方向的申請(qǐng)專利共72篇，管-板連接結(jié)構(gòu)專利申請(qǐng)大致可以細(xì)分為以下幾類：（1）螺母緊固式連接結(jié)構(gòu)，代表性專利申請(qǐng)如 CN2283174Y；（2）內(nèi)脹式連接結(jié)構(gòu)，代表性專利申請(qǐng)如 CN2879095Y；（3）強(qiáng)制性密封結(jié)構(gòu)，代表性專利申請(qǐng)如 CN105202963B；（4）密封圈式，代表性專利申請(qǐng)如 CN102564211A。從專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，茂名重力石化機(jī)械制造有限公司專利申請(qǐng)量最大，江蘇普格機(jī)械有限公司和盧秉威（沈陽(yáng)陸正冷熱設(shè)備有限公司）次之。

管-板連接結(jié)構(gòu)對(duì)管-板焊接質(zhì)量影響極大，所以針對(duì)這一技術(shù)的專利申請(qǐng)?jiān)谡麄€(gè)有關(guān)管-板焊接專利申請(qǐng)中占的比重很大。同時(shí)也可以看出，尋求一種更有效的管-板連接結(jié)構(gòu)是提高焊接質(zhì)量的突破口。管與板合理的連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以使焊接效果更加充分，減少焊接缺陷，更加便于施焊，可以考慮在設(shè)計(jì)上對(duì)管-板連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，以保證其焊接質(zhì)量，這是目前提高管-板焊接質(zhì)量的一種趨勢(shì)。目前常見(jiàn)的連接結(jié)構(gòu)有螺母緊固式、內(nèi)脹式、密封圈密封式、強(qiáng)制密封式等。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)一步考慮焊接的力學(xué)性能、致密性等問(wèn)題，以提高焊接接頭處的承壓能力，這是設(shè)計(jì)中值得考慮和應(yīng)該考慮的問(wèn)題。同時(shí)，在低溫預(yù)熱方面，在焊接時(shí)需要對(duì)管板進(jìn)行低溫預(yù)熱，以提高管與板之間的焊接質(zhì)量。

3.2 管-板焊接設(shè)備

檢索到管-板焊接設(shè)備技術(shù)方向的申請(qǐng)專利共112篇。這是研究的一個(gè)重點(diǎn)，焊接設(shè)備的研制對(duì)于提高焊接生產(chǎn)效率、保證焊接質(zhì)量有很大的影響。該技術(shù)方向可進(jìn)一步分為以下幾類：（1）焊接操作架，代表性專利申請(qǐng)如CN206982036U；（2）手動(dòng)焊機(jī)，代表性專利申請(qǐng)如CN2191058Y；（3）半自動(dòng)化管-板焊機(jī)，代表性專利申請(qǐng)如CN2366214Y；（4）自動(dòng)化管-板焊接設(shè)備，代表性專利申請(qǐng)如CN205342175U。從專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司專利申請(qǐng)量最大，深圳市瑞凌實(shí)業(yè)股份有限公司次之。從專利申請(qǐng)數(shù)量上來(lái)看，半自動(dòng)化管-板焊機(jī)的專利數(shù)量最多。

由此可見(jiàn)，管與板的焊接正向著自動(dòng)化的方向發(fā)展，針對(duì)不同的材質(zhì)，采用不同的管板焊槍，并輔以各種架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)管板焊接的自動(dòng)化。但是在某些設(shè)備中焊接定位過(guò)程不是自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，焊接過(guò)程也需要人工的監(jiān)管。在管-板焊接設(shè)備的研制過(guò)程中，焊接質(zhì)量是制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素。焊接質(zhì)量差可能會(huì)引起未焊透、未熔合，甚至出現(xiàn)裂紋，焊接缺陷中危害最大的是裂紋。因此，在研制管-板焊接設(shè)備時(shí)要特別注意管與板之間的焊接定位問(wèn)題以及焊區(qū)表面的清理。

3.3 管-板焊接方法

檢索到管-板焊接方法技術(shù)方向的申請(qǐng)專利共73篇，該類專利數(shù)量占的比重較大。從專利申請(qǐng)機(jī)構(gòu)來(lái)看，上海電氣核電設(shè)備有限公司、東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司和哈爾濱工業(yè)大學(xué)的專利申請(qǐng)量最大。該技術(shù)方向又可細(xì)分為氬弧焊接方法、摩擦焊接方法、復(fù)合弧焊焊接方法、堆焊焊接方法、釬焊方法等。氬弧焊接方法代表性專利如CN102717175B，采用PS406電源和TS-2000焊接機(jī)頭，先對(duì)坡口進(jìn)行清理，再布置四層焊道進(jìn)行焊接；摩擦焊接方法代表性專利如CN100417487C，通過(guò)在容器外壁加工錐形孔與管相配合，利用芯軸帶動(dòng)導(dǎo)管旋轉(zhuǎn)使導(dǎo)管與容器壁摩擦完成焊接；堆焊焊接方法代表性專利如CN101797660A，采用帶極電渣堆焊工藝進(jìn)行管板大面積堆焊，減少管板鎳合金堆焊的時(shí)間；釬焊方法代表性專利如CN105397280B。

在管-板焊接過(guò)程中，焊接方法的選擇是極為重要的，應(yīng)當(dāng)針對(duì)材料性能及焊接結(jié)構(gòu)特征，特別是母材的物理性能、冶金性能和力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)的焊接位置、焊件厚度、接頭形式及接頭的幾何形狀等因素，根據(jù)各種焊接方法的特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品的具體生產(chǎn)類型等因素綜合考慮后選定。

3.4 管-板焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

根據(jù)上文的分析，管-板焊接技術(shù)研究較多的關(guān)鍵詞是焊接設(shè)備、焊接方法、連接結(jié)構(gòu)等；根據(jù)檢索到的專利對(duì)焊接設(shè)備、焊接方法、連接結(jié)構(gòu)、工裝、夾具、坡口、