美国焊接行业发展战略技术指南

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　　焊接行业发展战略技术指南
　　引言
　　最近出版的《焊接行业展望工作成果》描述了美国焊接行业（包括焊接工艺的使用者，焊接设备、焊接材料制造商，以及服务与焊接行业的人员）在未来20年的发展情况及其所面临的机遇。尽管《展望》所列的战略目标（见下文）极具挑战性，需要付出艰苦努力才能完成，但人们热切盼望着新世纪里焊接行业能够在世界上保持其竞争力。
　　尽管终端用户制造商通常并不认为自己是焊接行业的一部分，但先进的连接技术可以确保其使用最新的材料和设计，提高产品性能，减少生产成本，降低生产周期成本。由于现存供应体制的缺陷，有时候焊接产品制造商与用户之间的交流会存在障碍，因此制造商很难了解用户对其产品的评价以及用户的长期需求。当然，由于各行业对产品的要求不同，提高生产力压力的大小不同，因此各行业对焊接的需求也并不相同。
　　2020年焊接行业发展战略目标
　　成本/生产效率/市场增长
　　l　　　 将焊接平均成本降低1/3
　　l　　　 将焊接应用增加25%
　　加工技术
　　l　　　 通过各层面将焊接集成到制造及建筑学科，强化焊接在制造和建筑操作中的使用。
　　材料技术
　　l　　　 按照新的材料开发新的焊接技术，使实际加工方法与工程应用相适应。
　　质量技术
　　l　　　 确保焊接成为六西格玛质量环境的组成部分。
　　教育与培训
　　l　　　 提高各层次焊接存从业人员的基础知识水平
　　能源与环境
　　l　　　 全面改善生产效率，节能50%．
　　事实上，每个建筑或制造行业都使用某种焊接技术，无论是在生产阶段或是在产品、加工设备的维修阶段。强烈依赖焊接行业并代表工业整体需求的四个工业部门为：
　　l　　　 重工业
　　l　　　 航空航天
　　l　　　 石油/能源
　　l　　　 汽车
　　《展望》中指出焊接行业面临的主要挑战有：材料开发、制造集成、施工队伍整合以及产品质量。本《焊接技术指南》阐述了工业领域针对上述挑战制定的战略，主要有：确保新型合金、材料的可焊性；将焊接集成到整个产品设计和制造过程中去；培养技术娴熟的工作人员以及消除“焊接接头是最脆弱连接”这种思想。未来几十年，焊接行业转变为以详细的物理数据为基础的严谨的科学体系，将对其战略目标的成功实现做出巨大贡献。
　　本指南的信息主要是由参加1999年10月在芝加哥以及2000年3月在休斯顿召开的研讨会的工业代表们（参加研讨会代表名单见附录）提供的。关于汽车工业一节的信息选自上一指南（与爱迪生焊接研究所联合准备）。
　　以下各章将对上述四个工业部门的研究需求进行探讨。对整个工业研究需求的综述将在指南的纲要部分列出。
　　2． 重工业
　　焊接，作为运输工具、农用设备（如轮船、火车、建筑设备及农用车）、制造业与采矿业常用机器及加工设备的制造及维修的一种常用的连接手段，具有悠久的传统。重工业还包括建设大型结构如采油平台\石化工厂、桥梁、建筑及其他类似结构的建造者。这些建造者通常被称为建筑公司，而不是制造商。焊接工艺应用在上述环节中，其发展情况同其他技术发展的步伐相比，并不能保持一致。因此，工作人员将会进行长期的研究工作，开发新的焊接工艺、更好的测量技术、完整的生产系统以提高成本效率，降低焊接成本。吸引高素质人员并保证其核心竞争力同样十分重要。
　　研究&开发挑战
　　重工业市场面临的研发挑战（或需要）被归纳为9个方面，并在示例2－1中列出。该示例也简单列出了每个方面研发的战略目标。
　　各个方面的研发挑战总结了期望目标以及在该方面所获成就。例如，在材料这方面的挑战就是将可焊性集成到材料开发（包括开发新型合金、填充金属、焊接材料）与产品设计中去。
　　示例2－2列出了详细的研发活动以提高重工业中焊接应用的进步。在每个方面，研发活动都按照时间期限被列出。在此期限内，如果立即展开研发工作，则可以取得有效成果。
　　最高优先级研发需要分析
　　示例2－2所列的研发活动被认为是完成行业战略目标的关键。下文将详细介绍高优先级研发需要及其对完成主要目标的预期影响。
　　示例2．1 重工业中焊接工艺的研究&发展挑战
　　研发方面
　　战略目标
　　挑战
　　质量
　　质量
　　通过开发传感器、控制器；使用检查设备，
　　实时数据采集，提高焊接产品的质量
　　加工
　　成本、市场加工、
　　使用非传统工艺、各种能源、自动化/机器人、减少焊后加工，降低焊接成本，扩大焊接应用
　　设计与模拟
　　成本、市场、质量
　　开发模型以及使用者友好界面来降低成本、提高质量、扩大焊接应用
　　自动化
　　成本、生产效率、质量
　　增加自动化/机器人的应用，降低成本，提高生产效率
　　传感器与监控器
　　质量、生产效率
　　开发新型传感器、监控器、自动检测装置，提高焊接质量和生产效率
　　材料
　　材料、成本、环境
　　增强合金/填充金属的开发；将结构设计、材料开发和制造结合起来．
　　教育
　　教育/培训
　　改变对焊接的负面印象，吸引年轻的工作人员，保证全球焊接人员的技术水平
　　环境
　　环境
　　降低材料与能源消耗，把焊接对自然资源的影响降低到最小；消除烟尘、噪音和辐射，使工作环境更具吸引力
　　战略事项
　　成本、质量、教育/培训
　　开发知识管理体系；设定技术标准；使用测量方法确定在完成战略目标方面的进步情况；设立论坛决定并开展任务；支持全球技术意识的高度发展。
　　示例2－2．重工业焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　质量
　　?实时质量系统
　　适用标准
　　简化的焊接评定程序
　　工艺
　　超声波冲击处理，强化和修复
　　?评估建筑业/重工业中激光技术对程序控制（如热输入、熔化金属）的作用
　　?加强固态焊在重工业中的应用
　　?全面开发各种能源，包括激光及电子束，但不局限与此
　　?消除焊件中的变形与残余应力
　　焊缝无皱（光滑）、性能好、外观佳
　　焊后热处理的非加热（冶金学的）方法
　　太阳能焊接系统
　　设计与模拟
　　☆微机集成制造CIM/自动化与自动化测试
　　详细的设计指南；
　　设计者及制造者都应重视可制造性及经济性
　　☆当前产品/工艺仿真与开发
　　自动化
　　☆将精密测量技术和传感器集成到自动焊割系统中去
　　?易于编程、灵活、敏捷的焊接机器人的应用
　　传感器与监控器
　　?改进的尺度测量及对现存测量技术的评价
　　现场实时记录焊接条件
　　对较大/较厚/不规则焊接接头包含人工智能焊接的反馈控制
　　对操作者更友好的激光束跟踪系统
　　?实时缺欠探测技术系统
　　对材料的（嵌入式传感器/智能焊件）非破坏性评估
　　――原始工艺确认
　　――决定材料适用性
　　?焊 接 领 域 测 量 残 余 应 力 与 应 力 集 中 的 手 持 设 备
　　示例2－2．重工业焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　材料
　　?新材料、新型合金的工艺控制以及填充金属
　　总体上开发更多合金
　　?较长期内更多关注焊后热处理的要求（如显微结构）
　　?对焊件寿命评估的研究，包括非破坏性评估
　　★焊接工艺及材料，提高生产效率的同时降低热量、噪音、烟尘等
　　?改进异种材料的焊接
　　?取代铬、镍的焊接材料的基本研究
　　材料和/或工艺开发，确保焊接铝合金时，将材料性能的损伤降低到最小
　　★新材料开发中包含材料的可焊性和可制造性
　　教育
　　使用者手持式学习工具
　　?政府与工业联合举办的焊接操作人员培训计划
　　★开设并实施将焊接集成到工程领域中去的虚拟课程
　　环境
　　?开关控制节能焊接系统
　　?消除焊接烟尘
　　战略事项
　　☆设立更好的论坛，指明研究需求
　　提高世界焊接技术意识
　　测量特定应用的性能
　　焊接技术知识管理体系及重工业生产系统技术
　　与焊接行业外的公司合作，开发其他连接方法
　　新型焊接工艺与填充金属必须提高焊接生产效率，同时减少有毒烟雾及其他污染物的排放量。此类开发将带来降低生产成本和环保（包括为焊工提供更安全的工作环境）的双重效益。提高焊接成本效率最终将带来市场占有率的显著提高。
　　可焊性与可制造性是开发新材料中的重要问题。以这种新型焊材制成的产品应当成本低、质量好并具有销售潜力。
　　微机集成生产/自动化及当前产品/工艺开发将会进一步集成到设计/制造/焊接过程中去。工程师们将有能力在实际生产之前在计算机上设计产品、模拟及其生产过程。此方法的最佳化可以降低新产品的成本并缩短产品设计至实际投产的间隔时间。由于这两种研发活动涉及高级计算机及软件技术，更多的精通计算机知识的工作人员将被吸引到此行业中来。
　　将精密测量技术/传感器集成到自动化切割/焊接中将会提高焊接质量、降低需重做产品的数量，带来较高产量和较低的成本。该技术还将增强生产过程中焊接的灵敏度。
　　设立更好的论坛来明确研究需求和当今重工业技术标准将会帮助重工业领域内焊接基础知识的建立，并为未来的研究明确方向。确立的程序应随处可得，新成果也应得到迅速传播。信息技术进一步的发展也将帮助吸引更多的高才生加入到焊接行业中来。
　　异种材料的焊接，一直广泛应用于航空和汽车工业中，还可以为建筑业和其他重工业的发展提供机遇。异种材料焊接技术的突破可以带来新的制造战略，从而降低成本、提高生产力，并为焊接结构和焊接部件开辟新的市场。
　　新型材料、合金的工艺控制以及填充金属知识的完善与焊接行业中新型材料的发展是息息相关的。焊接工程师必须与材料工程师合作，开发新技术，确保新材料的可焊性。预期的优点主要包括：焊接质量更好、生产效率更高（不合格产品减少）、成本更低以及焊接产品在新市场中的巨大潜力。
　　减少/消除焊接区域内的变形和残余应力将对焊接的质量和性能产生重要影响，并可提高生产效率，降低生产成本。消除终加工设备中的移动部件将会确保工人的安全。
　　焊接工艺常用的机器人系统的标准结构（包括控制程序）是敏捷制造工艺的另一个组成部分。缩短机器人系统从设计到投入使用的时间可以提高产量、降低成本。
　　研发链接
　　《展望》中指出焊接操作必须更全面的集成到敏捷制造过程中去。上文所提到的许多研发活动都强调集成设计/开发/生产周期不同方面以及实现制造业/焊接工艺进一步自动化的必要性。开发新材料、新产品，制定新的制造战略时，应提前考虑到焊接及填充金属。
　　这种集成化的趋势将为当前产品/工艺的开发、计算机集成生产和自动化测试、现场记录焊接条件、人工智能技术反馈控制、实时侦测传感及其他实时质量控制系统等形式的焊接工艺的自动化和计算机化铺平道路。知识管理体系将涵盖工业部门焊接要求、焊接知识数据库，从而帮助整个制造循环中的集成焊接。
　　3航天
　　航天工业是飞机、引擎、导弹、火箭等技术尖端的焊接部件的设计者、生产者和终端用户。航天产品生产者面临极大压力来降低初产品的生产成本以及总体生产周期成本，从而增加产品的可购买性。然而，安全因素要求这种成本效率不能靠降低质量来获得。焊接产品供应行业希望通过融入航天产品开发队伍中，把焊接作为优选的连接方法。将可焊性集成到新型轻合金的开发中去将是成功的一个重要因素。使航天产品使用者了解焊接对整体生产过程以及产品生产价值的影响将有助于引进新一代质量更高、高附加值的航天产品。

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　　研发挑战
　　航天工业的研发挑战分为6个部分，该6部分内容以及焊接工业展望中所列与此密切相关的战略目标均在示例3－1列出。航天行业的主要目标都被精简成一项挑战，列在每个部分中。
　　示例3－2列出了完成航天工业中焊接战略目标需要进行的研发活动。每个部分的研发活动都按照时间期限列出，如果从今天开始研发工作，那么，在此期限内就可取得成效。
　　高优先级研发需求分析
　　下文讨论的问题是：如何应对示例3－1所列的挑战，将对航天工业的战略目标产生影响。
　　对工艺的认识 必须将工艺和产品质量提高到6西格马水平上，从而保证焊接接头的质量。由于成本与质量间存在高度依赖关系，必须大幅度降低成本。将现存工艺提高到6西格马水平上，将带来质量价格双赢，并能提高产品信誉、增加市场占有率，对于关键部件及产品而言，更为如此。
　　示例3－1． 航天工业中焊接研发挑战
　　研发类别
　　战略目标
　　挑战
　　设计
　　成本、市场、质量
　　提供更好的工艺数据及模拟工具，确保设计工程师将最新的焊接技术融入其设计中去。
　　模拟
　　成本、市场、质量、教育/培训
　　开发模拟焊接导致的热量变化、机械变化及冶金变化的能力并将信息集成到整个体系模型中去；开发反馈控制系统模型。
　　质量
　　质量、成本、市场
　　开发对工艺的掌握，保证焊接融入任一六西格马程序之中
　　检查
　　质量
　　开发经济、可靠的检测技术而且对设计、生产及工艺流程没有阻碍
　　材料
　　材料、质量
　　将可焊性的提升作为工程结构材料的一个重要特性
　　焊接工艺
　　成本、市场、工艺、质量
　　开发更好、更快的方法将焊接新技术应用到航天工业中；提高现有焊接工艺，使其跻身于六西格马程序中
　　对整体焊接劳动力的信息/培训不仅必须包括焊工，还应包括经理、设计师、冶金家以及参与到焊接产品开发及生产线的其他决策者。设计者、制造工程师应了解当前焊接工艺的全部潜力，这样才能针对特定产品，选择最好的制造方法。随着《焊接商务案例》、《焊接相关成本和价值的更多了解》的发展，设备购买、工艺选择、产品开发等业务将定向进行。这种培训部分依赖于《按照资源分布，开发虚拟焊接科学社区》。通过信息技术的使用，新的发明将快速而准确的传播到行业内其他人员手中。
　　示例3－2航天工业中焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　设计
　　?国际上协商一致的标准
　　?制造过程中的组合检验以提高材料的应用率
　　?净近成型焊接
　　?重新考虑航天产品设计过程，将焊件考虑到航天结构当中
　　模拟
　　★更全面的数学/科学理解焊接及模型
　　★预测变形的能力并了解残余应力的效果
　　研究焊工的手的动作作为计算机模拟/机器控制的基础
　　自动纠错工艺，相当于技术娴熟的焊工的知识
　　更深入了解焊工面临的问题
　　质量
　　★战略/技术保证加工质量，免减
　　★航天焊接中工艺不可靠的根本原因
　　★焊接工艺用新一代数据过程控制
　　材料
　　更好的填充金属
　　使用模拟及科学知识，鼓励开发具有可焊性的合金
　　应用焊接等各种学科知识进行复合连接
　　－非金属材料、电子材料
　　示例3－2．单位时期内航天工业中焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　检查工艺
　　使小批量产品的无损检验更于操作的技术
　　价格更低廉的复杂部件检验方法
　　焊接工艺
　　☆净近成型焊接变形最小的焊接生产方法
　　☆将六西格马概念应用到熔化焊工艺中
　　☆模拟工具用来帮助焊接工程师更好的控制焊接
　　?推广搅拌摩擦焊及摩擦表面处理
　　?适于单件式批量作业的可调式焊接设备
　　?广泛使用激光技术，用于表面修正与形成
　　?研制原子尺度的超净表面来促进压焊
　　?直接制造（诸葛制造部件）
　　焊接模拟能力并将其集成在系统模型中可以减少从产品设计到投入生产所需的时间。这种模拟焊接带来的热量变化、机械变化和冶金变化的能力以及预测变形和残余应力的能力可以帮助产品开发小组选择最合适的焊接方法并更准确的预测焊接寿命及性能。优点包括：降低生产成本、降低返修率，提高生产效率、较少的能源消耗和增加市场份额。
　　改进焊接行业形象将吸引优秀学生加入行业队伍。焊接行业需要在社会上宣传其优越性及高科技性，指明焊接行业可为优秀学生提供大量的发展机遇。企业经理具备焊接知识为焊接行业提供了巨大的市场机遇。焊接行业还应该号召政府部门以及其他焊接股东共同支持焊接基础设施建设，从而增强焊接行业队伍的建设。
　　焊接新技术更迅速地投入使用可以提高产品质量和性能。加强演示、合作、个案研究和其他技术转让活动将推动采用先进技术。
　　为设计工程师提供更好的加工能力的数据以及更先进的模拟工具将更有效地提高焊接成本效率。促使设计工程师将最新的焊接技术应用到设计之中几乎给每项战略目标都将带来相当大的收益。
　　行业可得的航天工程数据库应包括焊接材料及焊缝的性能、特性的信息方面的数据以及解决问题的历史纪录。大量可用的材料数据和建立的规程将帮助设计者和焊工对比材料及生产工艺，从而为特定应用选择最合适的焊接方法。
　　焊接改进作为工程结构材料的一个重要特性将保证焊接行业在众多工艺和技术中保持竞争力。由于航天产品需要在极端的环境下进行操作，因而，将焊接应用到严格的工程结构材料中被看作是极具风险的行为。航天行业内大幅度提高可焊性的可能性受到所用材料特性的限制。这也是为什么六西格马质量标准必须得到满足以保证产品完整性的原因。如果这种尝试获得成功，将会对成本、市场和质量产生巨大影响。
　　为反馈控制系统提供基础的模型必须制作精良。尽管反馈控制系统并不是新概念，人们还需要进行大量工作改进这种技术，从而保证其实时控制效用。正如所有必要的调整都发生在焊接过程的早期阶段，所以，最大的影响是质量。
　　经济、可靠的检验技术并不限制产品的设计、生产，工艺流程可以在不延长交货时间、不增加最终成本的情况下保证焊接结构的质量。焊接以及对焊缝的检验将极有可能集成为一项操作。
　　研发链接
　　在航天市场内，许多研究项目涉及到开发和实施改善的焊接工艺和应用，其中包括：
　　l　　　 对焊接工艺的完整的科学了解，这将包含在工业模型中
　　l　　　 模拟工具，用于预测材料对焊接工艺以及焊件在不同应用条件下的反应
　　l　　　 人工智能系统，可以集成具丰富经验焊工的知识和技能
　　l　　　 重新考虑整个航空设计过程，将焊接更好地集成在其中
　　对新型填充金属及可焊合金的材料研究也将有助焊接新工艺、新应用的发展。
　　通过更好地掌握焊接工艺来提高焊接质量的研究还依赖于材料性能的数据和模型的开发。
　　4 石化/能源
　　在石油和天然气的提取、石油的精练都依赖于经过焊接的设备――管子、油箱及海上采油平台等。海上平台（特别是深水平台）应用的日益增多要求先进的焊接技术来焊接这些应用于极端环境中的高级合金。焊缝的质量和性能是此类应用设备的关键。本行业焊接的使用者必须与金属生产者合作开发新型合金，以保证其可焊性。更准确的焊接性能数据、新的安全评估技术以及最新安全标准将降低维修要求并提高焊接结构的成本效益。
　　研发挑战
　　石化/能源市场中确立的研发挑战主要归纳为9部分，在示例4－1中列出。示例4－1还列出了各部门的战略目标。
　　示例4－1所列9部分中各部分的“挑战”都概括出焊接行业的主要研究目标。例如，在传感和测试技术及过程控制这部分的挑战为“提高传感技术及控制技术，在焊接过程中完全个性化并控制焊接质量。这部分的研发活动从微机化焊接设备、基于模型的过程控制到实时质量评估工具和三维技术。
　　示例4－2列出了石化产品/能源工业中达到焊接战略目标所需完成的全面的研发活动列表。每一类别的研发活动均按时间期限安排，预计在此期限内，研发活动将取得积极效果。
　　最高优先级研发需求分析
　　示例4－2中所列的一些研发活动被视为完成石化/能源市场战略目标的关键。下文将详细讨论最高优先级的研发需要及其对战略目标的预期影响。
　　示例4－1． 石化/能源工业中焊接研发挑战
　　研发类别
　　战略目标
　　挑战
　　焊接性能与数据
　　成本，质量
　　建立全面收集、组织焊接性能和数据的体制，为模型、集成、传感器、完整性和标准提供支持
　　模型
　　成本，市场，质量，
　　教育/培训
　　开发模拟热变化、机械变化及冶金变化的能力，并将其集成到产品寿命周期中去
　　传感、测试技术与
　　过程控制
　　成本，质量，市场，能源，环境
　　先进的传感技术在焊接过程中完全个性化并控制焊接质量
　　安全评估
　　成本，质量
　　提高安全评估技术，更准确的预测焊件是否适用及其生命周期
　　焊接新工艺
　　成本，市场，工艺
　　提高目前工艺水平，开发可以提高质量、性能、降低成本、扩大市场占有、增强环保性能的新工艺
　　制造集成
　　市场，质量，教育/培训
　　开发并实施收益更高的新技术并将其应用到行业中去
　　维修技术
　　成本，教育，培训
　　特征化时间、服务和环境的递减效应；开发相关的维修技术；设立维修信息交流站
　　标准
　　质量
　　保证焊接标准的一致性与合理性
　　材料
　　材料，成本，质量
　　对焊接性能要求更高的操作，应将保持材料的可焊性作材料开发的一个重要特征；开发可以与环境相适应的智能型材料
　　教育/人力资源
　　教育/培训，市场，成本
　　评估当前及将来劳动力的变化与开发创新，教育和培训基础结构以支持将来发展需要
　　示例4－2．石化/能源工业焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　焊接性能与数据
　　★开发中材料变形与物理及化学特性（如结晶粒度、多孔性、内含物）的关系，供实际安全标准使用
　　?工具适用性及可焊性数据（如热疲劳数据）
　　?国家焊接知识库
　　☆焊接问题及解答方法数据库，涵盖特例，内容详尽
　　模拟
　　了解焊后热处理机理，将时间从小时缩短到分钟
　　★焊接工艺及产品模拟技术
　　☆模拟复杂结构中的残余应力和变形能力
　　☆开发用于当前工程的模拟与设计之间的中间界面
　　?预测异种焊缝的稀释性能
　　传感测试技术与过程控制
　　? 单焊道上所熔敷的体积、质量、热量的自动记录信息
　　涉及到焊缝和焊接技术自动反馈的自适应焊接
　　★通过微机，使焊接设备更加智能化
　　☆实时实地质量评估工具
　　☆基于模拟的过程控制
　　?带传感的自适应焊接技术，避免劣质焊接
　　将终加工焊接数据返至中央控制室的无线方法
　　☆扫描焊缝图像的瞬时热量或电能（与MRI相似）
　　☆允许使用“特殊眼镜”（“超人视线”）检测（3维图像）技术
　　?3维成像技术，捕捉所有可视缺欠
　　?实时、自适应技术，决定焊接缺欠及其性能
　　?可视、便携式感应系统，展示焊工技能
　　示例4－2．石化/能源工业焊接研发需求（预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　完整性评定
　　☆更好的使用寿命评估技术
　　更好的焊接材料完整性评定工具
　　安全标准与现实适用性之间的关联
　　?非破坏性、现场应用的残余应力测量技术
　　?利用其他技术改进焊接工业的方法（如内摩擦）
　　焊缝的磨损标记
　　新的焊接方法
　　性价比优良的技术
　　高速管道焊接技术
　　?消除手工焊的成本效率
　　高强度钢焊接的非熔化接技术
　　检查固态方法，如惯性焊、搅拌摩擦焊
　　用于异种材料连接的“冷喷涂”技术
　　?提高焊接过程中的湿度的先进理念
　　?不会产生热影响区的焊接技术
　　?高温环境焊接非金属材料技术
　　无烟熔焊
　　高效（>50%）激光焊
　　低温焊接
　　极端环境下100%能效熔焊工艺
　　制造集成
　　?健全的焊接工艺，焊接操作可以实时得以调整
　　焊接系统电源效率更高
　　将最新的焊接技术应用于发电站维护的方法
　　焊接设计，尤其是海上建筑时，应尽量减少剩余物
　　“即插即用”焊机，脱离焊接设备的复杂工艺
　　便携、价格优惠、可靠性强、精巧、灵活的机器人焊接系统
　　更好的导电嘴保证焊接的连贯性
　　维修技术
　　?检查和维修时效管网的再有效方法
　　时效、脆化材料维修技术
　　?非嵌入性焊接维修技术
　　示例4－2．石化产品/能源工业焊接研发需求（按预期成果时间框架）
　　2000　　　　　　　 2010　　　　　　 2020
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　标准
　　用于石化/能源工业的6西格马定义
　　?从策划到生产阶段通用的 制造数据界面
　　材料
　　适合更高温度的可焊材料
　　?工程材料的开发，包括用焊缝金属制成的，具有预期成分和结构的部件
　　处理复合传感材料的方法
　　☆降低焊前焊后热处理要求的可焊合金
　　?可以预示何时何处焊接失败或腐蚀的智能型材料
　　磁致伸缩的焊接材料
　　极端环境下（如水下）可在适当位置进行制造和维修的材料
　　便于焊后质量检测而植入焊件内的附加材料（如压电晶体）
　　教育/人力资源
　　☆更好的了解目前人力资源的构成：石化/能源工业由哪些人员组成，预计2020年有哪些组成人员
　　☆为机械工程师及其他设计工程师增加制造/焊接课程的数量
　　模拟现实工作环境的虚拟现实培训站
　　☆开发更多可焊的抗腐蚀材料
　　更智能的焊接设备主要有两个动因：质量、成本。焊接工艺得以更广泛应用的基础是精密的模拟和分析工作，从而生产出缺欠少、使用寿命长的高质焊件。减少缺欠可以避免返工，节省能源。更智能的焊接设备可以从两方面积极地影响市场增长：焊接质量的提高将为焊件的实用性创造新的机遇，并可在无需增强劳动力技能的情况下提高产品质量和产量。
　　焊接工艺及产品模拟技术可以帮助设计人员及焊接工程师将焊缝的显微结构及性能同具体的焊接工艺联系起来。此类技术可以在保证产品质量的同时，缩短订货至交货的时间。有关材料特性的数据以及过去失败的经验将有助与改进焊接产品的设计。这些数据还可纳入基于模拟的过程控制设备之中，加深对焊接工艺的了解，从而选择优化的工艺。优点包括焊接从前未使用的材料的能力、基本知识的增长、质量更优价格更廉的产品以及节省能源。
　　了解如何将材料的不规则性和材料的性能结合起来，尽管对材料本身益处不大，但是当它与完整性评定模拟等其他研发需求结合起来时，将成为一个强大的工具。材料的这种不规则性与性能连接还将纳入完整标准与实际适用信息中。尽管每件产品都可能有一些缺欠或瑕疵，但挑战就定位在生产出性能良好的产品。同样，成本和质量问题仍然是驱动目标，焊接质量提高带来成本的降低以及产量的提高。我们期待着实时实地质量评定工具的成功完成可以带来同样的益处。
　　为工科学生设立更多的制造/焊接课程可以造就新一代能够将焊接综合到整个生产周期中去的设计及制造行业工程师。这种综合方法将为提高焊接产品的质量，降低其成本做出重要贡献。焊接行业信心将提高，同时激励市场增长。
　　了解石化/能源工业劳动力构成将有助于行业制定政策，解决中长期劳动力缺乏问题。一旦通过聘用新雇员、培训、或者增加自动化操作的方法解决这一问题，对成本、生产效率、市场及教育/培训目标都将产生积极影响。
　　降低焊前及焊后热处理要求的可焊合金，这种合金可以简化石化/能源工业中常用焊接工艺的种类。除了直接列出有关新材料的战略目标之外，研发活动内容还应包括提高生产效率（从而降低成本）、减少或消除焊前、焊后热处理来节省大量能源。
　　使用寿命评估技术延长了焊缝的寿命，从而降低产品寿命循环成本。更准确的预测能力可以减少焊件的替换，同时，随着焊接经济学以及自信水平的提高，焊接的应用也将更为广泛。随着时间推移，不断改善的寿命评估技术将在焊接质量方面积累一定的数据，并进一步推动质量和材料选择向前发展。焊件的使用寿命长可以降低整体能量消耗，而对焊件的使用寿命更准确的评估将消除与焊件破损相关的停工。
　　模拟复杂结构中残余应力及变形的能力可以缩短制造及测试此类结构的时间，并大量节约成本。在某些情况下，焊缝的数量事实上可以减少。行为模型可以帮助设计人员为焊接结构选择最理想的制造方法，保证质量和性能。生产成本更低、生产时间更短将带来国内外市场的快速增长。
　　以瞬时热能或（电能）为基础，类似于医药中的核磁共振成像技术的焊缝图像创新可以显著改善焊缝质量。在某些关键性的操作中更为如此。减少错误的指示也可以提高生产力。这种成像工具的开发将利于新材料应用到焊接过程中去。

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　　研发链接
　　石化/能源市场中许多研发需求是互相依赖的。而许多研发需求背后的驱动力是工艺/产品的集成。必须收集数据并应用到从设计到生产各个方面的模拟过程中去。新的传感/测量技术将集成到模型中，为焊接提供实时控制。完整性评定工具将包含模型以及实际焊件的数据。
　　模拟活动可能包括对复杂结构中的残余应力和变形的模拟、对异种焊缝的稀释特性和性能的预测以及对焊件显微结构的模拟。模拟所需的数据类型包括高温材料的基本数据以及对焊件冶金性、材料的不规则性与材料的特性之间的关系的了解。
　　完整性评定还应提供焊接性能、数据和以往失效数据。更好的适用性数据亦应加以开发并应用到此类评定中。最后，完整性标准应该与实际适用性信息相结合。
　　石化/能源部门焊接的重点放在完整性评定上，将其视为行业质量目标的一部分。设计过程与焊接过程的完整性标准应该结合起来。目前的标准应得以修改和更新；通过减少或消除完整性标准中的不合理部分，行业可以消除不必要的维修，节省大量资金和能源。
　　5 汽车工业
　　汽车工业部门包括所有路面行驶及轻型越野摩托车。这一部门内的公司包括原始设备制造商（OEMs）及其下级供货商。在美国，一些原始设备制造商与许多供销商合作为无数典型的原始设备制造商或其他供销商提供零件。过去十年里，外购零件对原始设备制造商来说一直是一种潮流。这种潮流可望持续下去，创造出更大型的，技术更尖端的一级、二级供销商。因此，汽车工业的研发需求将指向原始设备制造商及其的供销商??那些拥有设计权并最终（或者已经）对零件负责的厂商。
　　研发挑战
　　汽车工业的研发挑战主要分为6个部分，在示例5－1中列出。示例还概括了每个研发类别对战略目标的影响。每类研发挑战中都总结了其要达到的理想目标和成就。
　　示例5－2列出了汽车工业内完成焊接战略目标需进行的研发活动。完成研发活动所需时间还未得以确定。
　　最高优先级研发需求分析
　　下文详细讲述了汽车市场最高优先级焊接研发需求及其对实现战略目标的影响。
　　轻型合金的焊接工艺必须可靠并经济地连接黑色金属（如高强度钢、高速钢）和有色金属（如铝、镁）。现存的焊接工艺常常存在缺点，破坏了上述材料的益处。降低机车的重量可以提高燃料效率，减少尾气，提高驾驶性能。
　　示例5－1 汽车工业焊接研发挑战
　　研发类别
　　战略目标
　　挑战
　　设计
　　成本、市场、质量
　　研发设计工具，使工程师得以预测焊接部件、焊接组件以及焊接结构的性能
　　模拟
　　成本，市场，质量，
　　开发模拟焊接造成的热量变化、机械变化以冶金变化的能力，并同现存的模拟软件联系起来
　　焊接/连接工艺
　　成本，市场，工艺、质量
　　开发新的或改进现有的带涂层炭钢、高强度钢、有色金属（如铝、镁）以及未来应用广泛的聚合材料的连接方法。这些方法包括：焊接、胶接、机械连接及其组合。
　　检验工艺
　　质量
　　研发对操作者技能要求较低、价格低廉、容易集成、可靠、完善、并能够探测出电弧焊、电阻焊中不同金属（如铝、镀层钢板、高速钢）缺欠的非破坏性检验工艺
　　材料
　　材料，市场，质量
　　研发比目前所用材料（包括金属和化合物）更具性能优势（强度/重量比抗腐蚀性、热稳性），成本效率更高的可焊材料
　　环境
　　环境
　　设计、制造总体重量更轻、设计更优的发电机、更好的排汽系统以减少尾气的车辆。
　　战略事件
　　成本，市场
　　在保证质量的同时降低生产成本，提高竞争力；关注最近全球供应商合并情况，制定战略政策
　　示例5－2汽车工业焊接研发需要
　　图示：★最高优先级 ☆较高优先级 ?高优先级
　　设计
　　★焊接结构预测工具/软件
　　－撞击/碰撞性能
　　－静态性能、疲劳性能
　　－结构刚性
　　－组合式机车设计（如供销商提供的总成底盘、驾驶员座舱、动力传动系统等）
　　给一级供销商更多的设计权
　　强调减少重量及尾气
　　模拟
　　★准确预测焊接带来的热量变化、机械变化以及冶金变化
　　☆为焊接结构设计的FEM工具
　　－高自信水平（模拟结果与输入数据极接近）
　　－容易集成到标准的FEM软件包中
　　☆准确预测焊接接头性能的模型
　　☆“概念－原型－生产”快速的集成过程
　　焊接/连接工艺
　　★经济地连接带涂层的炭钢、有色金属及新一代聚合材料
　　☆管状结构焊接工艺
　　★大量应用特定材料的焊接工艺
　　☆异种材料焊接工艺
　　检验工艺
　　★汽车业经济耐用的非破坏性检验工艺，大量应用于
　　－各种材料
　　－对操作人员技术水平要求不高
　　－适用于电弧焊及电阻焊
　　材料
　　★具备可焊性、成本效率的材料，符合未来汽车结构的性能要求
　　－良好的强度/重量比，抗腐蚀、热稳性好
　　特定操作专用的汽车材料（如复合材料、陶瓷、高温合金）
　　环境
　　★排放量低的车辆用轻型材料的焊接
　　☆环境友好的焊接工艺
　　☆不损害汽车部件重复利用能力的焊接工艺和填充金属
　　战略事件
　　☆全球焊接实践的标准化
　　☆持续改进战略
　　异种材料的焊接工艺可以增加汽车设计的灵活性，带来成本的降低、部件性能的提高、防撞性更强、噪声、震动和粗糙度的降低。
　　使用焊接结构预测工具以及可以准确预测焊接接头性能的模型将确保工程师们根据以往焊接质量数据预测出焊接/粘接的完整性及性能。焊接过程中进行数据收集是现有的一种技术。然而，汽车生产商必须使用比目前以取样为基础的破坏性试验更尖端的非破坏性方法来评估焊接的完整性。
　　必须进一步发展降低生产成本的经济型焊接技术焊接未来的汽车结构。开发比现有设计寿命更长、单位成本更低的电阻电极就是一个例子。
　　必须开发新型汽车材料以适应汽车工业的具体应用。巨大的汽车市场为开发并生产更好的材料提供了重要的经济动力。这类材料包括：可焊性高、成本低的高强度钢；应用广泛的强度/重量比高、可焊、可成形、成本效率高的铝合金以及具备使用者友好的汽车特性的聚合材料，如抗紫外强度高、漏油量少、可焊性高、良好的抗撞击性、成本效率高等。
　　管状结构的焊接工艺可以降低车身的重量并增加汽车的刚性。新的管形桁架以及单体横造设计可能造成无数的焊接结构，因此必须开发具有成本效率的焊接技术来克服这一问题。
　　将焊接/部件设计结合起来将大幅度提高焊接质量。“并存工程”这一概念已经存在许多年了，但对于焊接接头而言，理想的性能和实际的焊接设计却很少能够并存。为保证焊接部件同时满足结构性能和成本要求，不同职能的学组早期步入焊接设计阶段将成为必然。
　　必须开发新型非破坏性评估工艺，用于检验大量电阻及电弧焊接结构。凿撬试验是用来确保电阻焊接头熔入制造结构的一种现有无损检测技术。使用这种方法检验高强度钢以及有色金属焊缝所得结果并不可靠。新型非破坏性检验技术必须易于使用，具备成本效率并适于技术水平较低的人员操作。
　　高自信度模拟工具必须考虑到电阻焊、电弧焊产生的机械变化和冶金变化。这些特定的焊接工具必须易于结合到现存应用广泛的模拟系统和数据包中去。模型输入数据应随时可得（具体材料和焊接的各种数据库）或者随时可得以收集（简单、标准的焊接试验）。
　　可靠性及性能工具将帮助设计工程师预测焊接部件的性能和可靠性。在未来汽车设计中，有限元素模型将发挥更重要的作用。对原始设备制造商来说，预测特定设计及材料的性能特征和可靠性是个重要的竞争优势。性能特征包括撞击性或防撞性、疲劳寿命以及车辆刚性。
　　由于最近全球供应商的合并（通过兼并、咨询或战略联盟），全球焊接实践的标准化是必要的。为特定产品设计的焊接单元/系统必须应用在不同地区。
　　80年代汽车制造商刚刚起步，现在持续改进战略已经成为现实，对于不断面临降低生产成本以求长期订购合同的供销商来讲，情况更为如此。焊接/连接工艺将与被用于制造结构的其他制造技术一道，把降低年生产成本定为自己的目标。
　　必须开发可循环使用的焊接接头以满足未来发展的需要。剔除不必要的材料（如移除铜配线）将成为一个关键问题。焊接填充金属必须符合未来环境法令的要求。
　　环保型汽车将要求汽车制造商改善燃料效率和尾气排放。通过混合汽车和燃料电池减轻车身整体重量、提高动力效率是达到这个目标的两个主要方法。目前，大部分大型原始设备制造商都在开发使用汽油/柴油发动机以及电动发动机的混合机车。燃料电池、高档电池以及电动发电机技术将需要焊接技术的发展。轻型汽车将要求焊接界开发焊接有色金属和高强度钢的更好方法。
　　环保型焊接工艺包括烟尘低、飞溅少以及产生的填充金属对人体无害。
　　6 技术指南综述
　　到2020年，焊接仍将是金属及其他工程材料连接的首选方法。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、性能优越的产品的世界主导。
　　――焊接工业展望
　　焊接工业展望明确阐述了美国期望将来能够在焊接技术方面保持其领先地位。技术先进的焊接工艺将集成到高质量的产品和结构的设计和生产过程中去，从而帮助美国制造商满足顾客不断变化的需求、增强其与国外制造商的竞争力并帮助其遵守政府的相关条例。技术指南中的重要调查可以帮助焊接工业完成其展望目标。
　　关键问题
　　一些关键问题关系到整个焊接市场，这些问题包括：
　　l　　　 将焊接集成到材料开发、产品设计及生产过程中
　　l　　　 质量高于一切
　　l　　　 吸引并保持技术熟练、受过教育的工作队伍是极为必要的
　　l　　　 焊接行业向严密的科学技术转行，并在行业内部做出相应的变化
　　焊接集成到产品寿命循环
　　《焊接工业展望》指出焊接将不会被视为顺利制造过程的障碍，而是将集成到产品设计、开发及生产过程中，并对产品质量的提高做出重要贡献。通过多学科综合的方法，焊接工程师将与设计工程师、制造工程师和顾客一起，使制造过程中焊接的成果达到最优化。
　　本焊接指南所列的许多高优先级研发需求事实上都强调将焊接与其他开发/生产周期的中间环节更好的结合在一起，这些环节包括设计、生产、材料开发以及填充金属的开发。这种结合可以为工作人员在产品设计和材料选择阶段提供更多工具及知识，鼓励他们使用焊接，并帮助他们选择最适合的焊接工艺。焊接工艺还应该与制造业和建筑业中的加工技术结合起来。
　　开发新材料时，必须考虑到材料的可焊性。历史上曾有过开发出新材料，却没有确定其是否可焊以及如何焊接的现象。焊接工程师必须与金属生产者、材料工程师合作，共同开发新型材料并使用经专门设计、可焊成高质量制品的现有材料。可焊性必须以常规形式写入材料规程中，要求材料可以焊接。
　　将焊接集成到产品寿命循环，寿命循环成本的情却模型将帮助顾客更透彻地理解焊接的相关成本和价值。作为“虚拟科学社区”的一部分，企业可以使用最先进的信息技术共享焊接应用的信息。
　　作为战略目标之一的“质量”所扮演的重要角色
　　质量概念事实上与每个工业中的焊接战略目标都是互相联系的。竞争压力将驱动装配式成品向零缺欠和终身可修复性的方向发展。由于连接点经常被看作是制造结构中的薄弱环节，设计人员为了增强产品竞争力，在设计产品时特别重视这一点。随着大部分焊接产品要达到较高的质量标准要求，一些工业的焊接结构正向着“六西格马质量”方向发展。术语“六西格马”是指一种质量水平，要求99．999%以上的焊件都要超过这一标准。
　　焊接质量的提高可以降低生产成本，随着返回重做产品数量的减少，自然资源的消耗也得以降低。焊接将与性能好、耐用的产品相关联，带来新的应用，开拓新的市场。
　　最终目标就是质量以过程为基础，即在任何条件下，对过程和材料具有足够了解，从而可以精确地预测焊缝的寿命和性能。完整性评定和标准在决定焊接质量方面起着重要作用。定期对标准进行修订和更新以及有效的完整性评定技术可以帮助消除不必要的维修，从而降低寿命周期成本。
　　吸引并维持技艺娴熟、有知识的工作队伍
　　同其他工业部门一样，焊接行业很难吸引并留住焊接技术娴熟、焊接知识丰富的高素质人才。一只技术过硬、知识渊博的工作队伍对于焊接行业的生存和发展至关重要。如果没有受过适当教育的工作队伍，焊接行业就不能应付行业技术革命，不能保证焊接在制造业中的领先地位。
　　示例6－1列出了焊接行业所面临的一些人力资源问题。焊接行业必须提高其自身的吸引力。
　　示例6－1 焊接行业主要的人力资源问题
　　问题
　　可行的解决办法
　　劳动力
　　缺少设计、生产、焊接工程师及教员
　　缺少过硬的技术人员
　　美国大学对重工业特别是金属的兴趣逐渐消减
　　预计下一代制造业从业人员可以高度流转，缺乏忠诚
　　行业/政府高度重视这一问题，并提供可行的解决方法
　　与国外的公司交流，增加学习先进焊接技术的机会
　　衡量美国重工业发展情况，设立共同发展目标。
　　雇主
　　相关知识流失
　　车间缺少适应性
　　雇主和雇员之间缺少忠诚
　　焊接/连接成为核心竞争力
　　在公司内允许焊工更高的适应性
　　教育
　　中等专业学校所教（基本技能）与实际焊接所需（机器人、计算机焊接）相脱离
　　大学中对焊接课程和研究的支持较少
　　由于缺少长期回报，大学中缺少法人投资
　　工业界需求与大学关注焦点存在着时间上的滞后
　　没有足够的学徒训练项目
　　焊接系学生中途辍学人数多于完成学业的人数
　　教育系统与公司的需求更全面地结合在一起
　　在大学中恢复焊接教育和研究工作
　　继续开展内部培训
　　在职业学校或中等技术学校更新课程
　　将计算机辅助焊接列入初中/高中教学计划中
　　在教育体系中突出适应性
　　在学院及大学中开展更多的暑期实习，使学生参与到实际的工作环境中去
　　公众理解
　　行业形象使才子感到气馁
　　将焊接看成制造业的障碍，而不是一门科学
　　公众没有意识到焊接的战略需要
　　广泛的宣传工作，提高焊接行业形象
　　教育体系内认可制造业、工程学是理想的事业
　　通过教育和培训，人们对最新的焊接技术的认识不断提高，因而对焊接行业的认识也将不断改变。学生们应该了解焊接可以是一门令人振奋的高科技事业的起点。
　　广泛的宣传工作是提高焊接行业形象的途径之一。随着认证体系的蓬勃发展，焊工、技术员见习项目可以提高焊接职业的权威性。从小学就开始的指导项目也可以影响人们选择焊接职业。
　　所有参与到焊接行业的工作人员，从车间焊工、产品设计人员甚至到企业管理人员都需要接受教育和培训。例如，对设计工程师的培训可以使焊接融入具体设计过程中去。必须寻找对焊接、工程学以及相关领域科学感兴趣的大学生及研究生。
　　随着目前专业化及合并潮流的发展，焊接行业应该在国内外提供更多的技术转让。焊接行业应首先设立并保持其知识系统，以便于其他行业分享其发展进步信息。通过信息技术，焊接行业的新成果将迅速准确的传播到所有感兴趣的行业中。
　　焊接从以基于经验的焊接工艺向基于物理的焊接工艺转变
　　到2020年，以工程分析、数字模拟、计算机控制自动化生产为基础的焊接工艺将得到广泛使用。使用焊接的工业部门希望建立一个“虚拟工厂”，这个“工厂”内的焊接技术跨出了传统焊接的局限，更易于掌握、控制、高度自动化焊接工艺。
　　示例6－2阐述了以焊接为基础的生产工艺向更严密的科学体系转变的过程。信息技术将起到重要作用；这种转变的核心是以全面的知识体系为基础的模拟，这些知识包括焊接性能、工艺、材料及应用等方面的数据。燃气涡轮行业的技术进步使物理数据逐渐取代了经验数据，焊接行业的前景是广阔的，可以同燃气涡轮行业所获的成功相媲美，但这需要物理、化学、机械、材料学等支持焊接科学发展的相关学科的建设。
　　焊接行业所展望的全面的物理基础模型将涵盖焊接产品的整个寿命周期。过去全面的操作知识也融入首次经验模拟中；随着更多的科学及工程学数据的获得，模拟的潜在本质也将发生转移。模拟本身并不是终点；它本身获得一定的知识，并按照需要得以传播。
　　数据将不断添加到模型中，为焊接性能、工艺及应用创建档案。焊接的支持技术如材料、传感器等以及研发成功的新技术也将归入这个档案之中。
　　与模拟开发并行的就是以帮助工程师及其他焊接工作人员学习模拟的输入和输出的教学活动。设计者在设计工业产品及工艺阶段通常使用模型及模拟设备。掌握全面的信息体系――包括焊接操作与产品设计及其他生产阶段相综合的信息将帮助设计人员预测材料对焊接工艺的灵敏度，并缩短从订货到交货的时间。
　　模拟工作还将协助焊接工艺向过程质量迈近一步。完整性评定以及寿命预测将成为模拟的双重功能，并能够模拟设计、制造以及焊接结构的维修。为使用者准备的制造说明书将为基于过程的质量提供坚实的基础。
　　缺乏对焊接材料基本物理特性的了解是一个主要障碍。材料的种类繁多，人们对材料的特性（在熔化及凝固方面）与性能，特别是高温性能之间的关系知之甚少。焊接材料的其他物理、化学、电、热和机械特征也还需要得以了解。
　　焊接向一门制造科学的转行成功将帮助焊接行业实现其在成本、生产率、市场、质量及教育与培训方面的战略目标。如果没有这种类型的进步，未来焊接行业的市场扩张是不可能实现的。
　　示例6－2：
　　以经验为基础
　　2000
　　支持模型的技术
　　n　　　 以经验为基础的技术
　　n　　　 软件/建筑
　　n　　　 物理模型开发（包括物理、材料、力学）
　　支持焊接的技术
　　n　　　 材料
　　n　　　 新焊接方法
　　n　　　 传感器
　　n　　　 实时控制
　　n　　　 制造集成（包括设备、修复技术）
　　n　　　 现有工程
　　n　　　 完整性评估
　　以物理为基础
　　2020　　　　　　　 2040
　　知识库
　　教育和规程
　　附录
　　工作人员名单
　　Frank Armao
　　Alcoa
　　Rick Arn
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　　McKermott Technology， Inc．
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　　Caterpillar，Inc．
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　　William Owczarski
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　　Case
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