这个厉害了！让高铁轨道“天衣无缝”，让核电站“密不透风”
6月16日，在上海举办的北京·埃森焊接与切割展览会上，一台在大口径筒体上进行模拟焊接的无轨导全位置爬行焊接机器人亮相。活动现场，已是鲐背之年的中国科学院院士潘际銮亲临观摩指导，向大家讲解焊接机器人。
作为中国焊接领域的开拓者，94岁高龄的潘际銮长期工作在教学科研一线，创造了丰硕的科研成果，培养了众多杰出人才。他参与解决了我国多项重大工程问题，让高铁轨道“天衣无缝”，让核电站“密不透风”。
早在1984年，由潘际銮排名第一完成人的新型MIG焊接电弧控制法，就荣获国家发明奖一等奖。2005年，潘际銮被中国焊接学会和中国焊接协会联合授予“中国焊接终身成就奖”。
“让自己的科研工作解决实际问题，是我一生追逐的目标。我的工作对国家有贡献，我就很安心、很高兴。”他说。
文 | 扈永顺
本文转载自“瞭望”APP，原文首发于2021年7月24日，原标题为《中国科学院院士 潘际銮：中国自动化焊接闪耀世界》。
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焊接领域开拓者
《瞭望》：你是如何进入焊接领域并主持创建我国第一个焊接专业的？
潘际銮：我的大学是在西南联大和清华度过的，学的是机械工程。1948年毕业后，我留在了清华大学当助教。1950年，教育部从全国各高校选拔了150名青年教师到哈尔滨工业大学（下称哈工大）进修俄语，为全面学习苏联、改革中国教育制度做准备，我是其中之一。当时我们一边进修俄语，一边给哈工大本科生上课。
进入焊接领域，主要是因为我的导师普罗霍洛夫教授，他是苏联著名的焊接专家。在此之前我对焊接并无特别偏好，只是在清华读书时听过李辑祥教授讲授的焊接学课程，知道焊接技术的重要性。普罗霍洛夫教授来到哈工大后，我主动报名跟他攻读焊接专业。
1952年，哈工大决定筹建焊接实验室和焊接专业，这是全国第一个焊接专业。这一年我既要完成研究生毕业论文，又要给本科生上课，还承担了焊接实验室和专业的筹建工作，自己不仅在科研、教学上，而且在组织和管理上，逐渐成熟起来。
1953年暑假，我回清华大学向学校汇报了自己在哈工大的学习工作情况。清华大学委托我主持筹建清华大学焊接专业和焊接教研组，为我国工业发展培养人才，也为正在兴起的国家工业建设提供技术支撑。经两校协商，决定让我在哈工大研究生毕业后工作两年再回清华。这样，我就在1953年9月，带领清华大学10名学员来到哈工大，我在校工作，他们参加焊接师资研修班的学习。在苏联专家的指导下，我跟学员们一起，进一步明确了焊接专业的方向和培养目标，研究制定了教学计划，完成了清华大学焊接实验室的规划设计。
1955年暑假，我跟学员们一起从哈工大回到清华大学。清华大学正式组建了焊接教研组，我被任命为教研组主任。当时学校没有房屋、设备，经费也很紧张，我从规划设计实验楼、订购实验设备做起，开始了清华大学焊接专业和焊接教研组的建设。
《瞭望》：你是如何推动这一专业发展、培养学生的？
潘际銮：上世纪50年代，大家对焊接并不太了解，有的学生认为焊接没什么好学的，要求调换专业。一些学生认为学焊接会埋没自己的才能。
1956年上半年，焊接教研组开出了第一门专业课——焊接冶金原理，下半年又开出了六门专业课。在抓教研组教学工作的同时，我鼓励教师积极开展科学研究，希望通过承接科研项目和让学生参与科研，使他们从科研中感受到国家工业发展对焊接专业需求的紧迫性。
那段时间，我们结合工业发展、经济建设和国防建设的需要，研制成功了重型轧钢机架的电渣焊技术、大型锤锻模堆焊技术、我国第一台真空电子束焊机，完成了2500吨水压机全套高压蓄势器的研究及生产任务、清华大学核反应堆焊接工程的研究及生产任务、我国第一个汽轮机大型拼焊转子工程等。这些项目都是在西方国家对我国进行封锁和禁运、苏联对我国中断援助、科研资料极其匮乏、科研条件极其艰苦的情况下完成的。
科研工作所取得的成绩，鼓舞了师生。部分课题吸纳了学生参与，使同学们感受到了焊接专业在国家工业建设和国防建设中的作用，感受到国家对焊接人才的迫切需求。可以说中国所有焊接工作者都是从哈工大、清华大学的焊接专业培养出来的。
《瞭望》：你担任了秦山核电站工程的焊接技术顾问，当时情况是怎样的？
潘际銮：焊接是建设核电站的关键技术。如果盛放核燃料的管道因焊接质量问题造成放射物质的泄漏，后果不堪设想。1987年初，当时的核工业部请国外专家参观正在施工的秦山核电站。外国专家认真察看了工作流程，发现工程中有些焊接结构质量不合格，他们十分担忧，紧急向中央写信报告此事。
受国务院委托、核工业部聘请，我去秦山核电站实地考察，对重要结构的焊接情况进行深入了解研究，发现了很多焊接问题。我与当时的核工业部副部长及欧阳宇院士商量，决定立即停止工程，有问题的焊接结构全部推倒重做，并与电站施工单位共同制定了焊接结构、焊接性能及焊接工艺试验方案。推倒重来使核电站建设工程工期推迟了一年，到1991年时才建成，但工程质量得到了保证，从1991年底秦山核电站并网发电，运转至今，主要焊接结构未发生问题。
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填补国际空白
《瞭望》：怎样想到要研发无轨导全位置爬行焊接机器人？
潘际銮：1979年，我在参加一场全国焊接学术会议时，看到工人要焊接一个大直径合金钢罐体，为达到工艺质量要求，管件必须预热到200℃。工人要穿厚厚的石棉服进入罐体内焊接，在里面坚持十几分钟。灼人的高温使狭小的空间里聚积了大量有害气体，救护车必须一直在场，随时准备抢救休克的工人。这个场景让我印象很深刻，从那时起我就下决心要实现大型工件的焊接自动化。
4 月 20 日，中铁十一局轨道焊机在焊接广州地铁 18 号线首通段最后一个钢轨接头 刘大伟摄 / 本刊
大型结构件的自动化焊接一直是焊接领域的一大世界难题。虽然已有的焊接机器人能够替代一部分人工，但焊接机器人的机械臂运动范围只能在两米直径内，面对火箭、巨轮、油罐等超大型工件，依然束手无策。一次考察期间，我看到国外一家公司研发的焊接机器人可以像壁虎一样沿轨道爬到工件上焊接，这给了我启发，我们也要研究爬行式焊接机器人。
不过国外的爬行式焊接机器人需要预先在要焊接的物体表面铺设轨道，但在大型结构件的焊接上，往往面临焊接作业面大且变化多样。特别是在有曲面焊缝以及不规则焊缝的场景中，轨道很难与焊缝完全平行，焊接效果差。我们想要研究一款可以在不断运动中自动调整、自动焊接的机器人。它有三个定语，一是无轨导，可以不用铺设轨道；二是全位置，可以平焊、立焊、仰焊；第三个是爬行式，它能够爬行运动，这款焊接机器人当时在世界上是没有的。
《瞭望》：团队是怎样突破无轨导全位置爬行焊接机器人技术瓶颈的？
潘际銮：无轨导全位置爬行焊接机器人涉及数学、光学、力学、焊接、机械、控制、软件、电气等专业，是一个多学科交叉融合的系统工程产品，我们用20多年时间，突破了三大难题。
解决的第一个难题是让机器人要爬上去并且在不掉下来的前提下能运动。我们前后共研制了电磁式、履带永磁式、轮式、轮履结合式四代焊接机器人，最终采用了轮履式与悬浮磁吸附相结合的结构，实现了低自重、高负载的三维曲面吸附和爬行能力。
第二个是研发了控制系统。机器人主要由爬行机本体、电气控制柜、激光焊缝跟踪系统和焊接负载组成，要使各系统之间协调工作，我们研发了多传感器的信息融合控制技术，搭建了中央控制器，无需编程就能实现自动化操作。
解决的第三个难题是焊缝识别以及确保焊接质量。通过机器人搭载的激光跟踪传感器抓取焊缝特征，结合姿态传感器的数据，中央控制器实时计算运动偏差，轮履式机构实时调整位置，实现自主识别焊缝、自主对中焊缝，并实现自主焊接。通过对焊接材料的研究，焊缝能够成型，焊接质量得到保证。
1997年，我们研发出了无轨导全位置爬行焊接机器人原型机；2006年，焊接机器人在第十一届北京·埃森焊接与切割展览会首次露面，受到了许多参观者的青睐和好评。同行专家评价无轨导全位置爬行焊接机器人填补了国内外该项技术的空白，是国际焊接领域中的首创，属于国际领先、原始创新的科研成果，成为解决大型结构件在工地实现自动化焊接的强大武器；2009年，焊接机器人申请到了美国专利。
《瞭望》：在将无轨导全位置爬行焊接机器人产业化过程中，又遇到了哪些困难？
潘际銮：1993年到2003年期间，我在南昌大学任校长。2003年回到清华大学后，继续研究焊接机器人，但要做产业化，一是没人，二是没钱。博士生的主要任务是搞科研，不懂如何产业化。课题经费也只能用来做科研，不能用来做产业化。在从社会上找投资中，发现社会资本愿意做短期内能更快赚钱的产品，例如对那些跑来跑去能说会跳的机器人更感兴趣。但我不想去做那些，因为它们解决不了我最关心的问题。
2017年，我的学生，清华大学机械工程系博士冯消冰创立了北京博清科技有限公司，承接了我们团队的焊接机器人创新成果，组建了由机械、焊接工艺、控制、图像处理专业博士、硕士等组成的研发和管理团队，开始了焊接机器人的产业化进程。经过近四年的刻苦攻关，在国际上，率先将可在三维曲面大型结构件上自主寻缝焊接的新一代无轨导全位置爬行焊接机器人推向市场。
2018年，无轨导全位置爬行焊接机器人实现在大型储罐的焊接应用；2019年，中国机械工程学会在北京组织召开了无轨导全位置爬行焊接机器人科技成果鉴定会。鉴定委员会认为项目成果技术难度大，创新性强，具有自主知识产权，整体技术达到国际先进水平，其中在三维曲面的大型结构件上自主寻缝及焊缝对中技术达到国际领先地位。
目前无轨导全位置爬行焊接机器人已经在中石化中科炼化一体化湛江项目上得到应用，经检测焊缝质量验收标准一次性合格率达到98%以上，焊接精度高于行业相关标准，而且工作效率比传统的人工焊接提高3到5倍，深受客户好评，在国家重点行业的建设中发挥了重要作用。
随着博清科技特种焊接机器人产品的更新迭代，全自动化焊接将陆续进入到油气化工、轨道交通、船舶制造、核电、能源和建筑钢结构等众多重要建设领域。同时，博清科技已在韩国和美国设立销售机构，并与沙特阿美等国外重要行业客户达成合作意向。在欧洲和中亚等项目资源比较丰富的地区也在积极布局。
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需重视工程技术研究
《瞭望》：如何评价目前国内焊接技术的发展？
潘际銮：现在大家对焊接的重要性仍然是认识不够，认为这是一项很普通的工作。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，对产品质量具有决定性作用。发展好焊接技术需要很多基础研究工作，包括材料基础、工艺基础、焊机装备基础、焊接自动化基础等等。此外，随着用钢强度、厚度及合金元素新材料的不断变革，对焊接水平也提出了新的要求。
清华大学机械工程系焊接团队承担了上海汽轮机厂一项百万千瓦汽轮机转子焊接工作。这个转子有3米粗、13米长、300吨重，锻造是没法锻造出来的，只能靠焊接。我们把8个3米粗的圆饼焊接成13米长，成功完成了任务。
转子的工作环境是高温高压，每分钟要达到1500～3000转，这对焊接质量要求非常高，而且焊接过程中，材料性质是会发生变化的，必须要研究清楚其中的变化机理。可以看出，焊接并不是一项简单的工作，工程技术研究应该受到社会更高的关注。但现在，焊接领域最好的技术大部分都在国外。
2005年开工建设的京津城际铁路，关键之一是以焊接方法制造无缝钢轨。我是清华大学与北京铁路局共同成立的京津城际铁路钢轨焊接项目组总指挥，我们焊无缝钢轨的焊机都自己制造不了，是买国外的。
从北京南站到天津站全程约120公里，共有3680个接头，只有接头不出问题，才能保证高速铁路高平顺性和高稳定性。我们先要在天津杨村基地把5根单根长100米的钢轨焊成500米的长轨，这台焊机是花了1300万元从瑞士买的。500米钢轨焊好后，用火车把钢轨运到现场，再用焊机把6根钢轨焊成3000米长的钢轨，最后把3000米长的钢轨焊接合拢，这台焊机是花2000万元从乌克兰买的。大家愿意仿造国外焊机，但是不愿意做扎实的研究，社会对工程技术研究重视不够。
《瞭望》：如何推动国内工程技术研究的发展？
潘际銮：现代工程和技术科学是科学原理和产业发展、工程研制之间不可缺少的桥梁，在现代科学技术体系中发挥着关键作用。
加强现代工程和技术科学研究，首先要坚持正确的科研导向。虽然国家倡导破“四唯”，也出台了一系列政策，但到了高校层面仍然非常看重论文。不管是基础研究还是工程技术研究，都要看发表论文数量、论文发在了哪些期刊上。现在一些高校教师科研目标就是做理论、出论文。
这是很危险的事情，如果大家都为了追求论文而故意设置一些能出论文而对解决现实问题毫无意义的课题，不仅浪费科研经费，对我国经济建设也不会有什么贡献。科技创新要着眼于产业化，要将能否产生经济效益、能否产业化视为评价科研成果的首要标准。
再者就是国家仍要大力宣传大国工程、工匠精神，倡导科研人员依据国家需求做工程技术研究。科技攻关要坚持问题导向，奔着最紧急、最紧迫的问题去。要从国家急迫需要解决的问题、事关发展全局和国家安全的基础核心领域开展课题研究。做工程技术研究也要注重动手能力。
现在为数不多的大学内设置的焊接专业，学生只学习理论知识，并不会自己具体操作焊接工作。我是从进入焊接专业开始就到车间跟着工人师傅学习焊接的。创新应该是理论与实践螺旋式上升，又有理论又有实践，这样不断发展才能实现创新。
应当认识到，我们需要理论，但不是为理论而理论，而是为实践做理论。我们的目标应该是对国家有用，对人类有贡献，只做论文无应用是没有意义的。博清科技公司就是把理论做成了实践，把实践做成了产业，用产业贡献世界。所以我现在很热心他们的工作，这是在产业报国。我跟他们提了4个要求，国家需要坚决上马、知难而进敢于攀登、团结友好共同战斗、只求奉献淡泊名利。