7、国产焊接电源“哑火”，机器人水下作业有心无力

我国是海洋大国，拥有300多万平方公里海域，正在大力发展高端海洋资源开发和海洋维权装备。海里的设备一旦出现开裂等故障，需要用有工业制造“缝纫机”之称的焊接装备修补。

深海焊接的实现靠水下机器人。而我国水下机器人焊接技术一直难以提升，原因是高端焊接电源技术受制于人。

　　水下焊接电源是关键

“埋在深海里的油管有可能因船只冲撞，或者核电站乏燃料池因地震等原因，引起开裂、破口等事故，需要立刻焊接维修，这时就得靠水下机器人出马，进行水下焊接。”华南理工大学机械与汽车工程学院王振民教授介绍，“水下焊接工艺质量优劣直接影响到大型装备的服役性能。”

水下机器人，顾名思义是能在不同水深中进行多种作业的机器人。海洋岛礁建造、海上油气田、水坝建设、大型船舰修复、核泄露事故应急水下修补、军事海防工程等，它都能应付自如。“人不敢去的地方它都敢去。”王振民说。

水下机器人焊接质量的好坏，受制于多种技术，其中最为关键的是焊接电源。“焊接电源为焊接电弧提供能量，焊接时电弧稳定燃烧是基本要求。”王振民说。

水火不相容，偏偏水下焊接就是要在水中通过“火”来完成的。由于焊接区域周边一直处于水的强冷状态，待焊接工件的表面也有水，在焊接电弧的引弧和燃弧过程中，电弧易熄灭，熔化金属难以流动扩展，严重影响到水下焊接时电弧稳定性。王振民表示，电弧稳定性主要取决于焊接电源的电特性及其动态调控能力。

然而，目前我国水下机器人焊接领域普遍使用陆上通用型(常压环境)弧焊电源，或在此基础上进行结构微调，对水下专用焊接电源的研究非常少，缺乏高性能的水下焊接电源，严重制约了水下机器人焊接质量的提升。

　　高端焊接电源基本被国外垄断

虽然我国是全球最大焊接电源制造基地，年产能已超1000万台套，但高端焊接电源基本上仍被国外垄断。“国外焊接电源全数字化控制技术已相对成熟，国内的仍以模拟控制技术为主。”王振民说。

由于国产电源不给力，水下机器人焊接技术一直难以得到提升。“弧焊工艺控制的智能化程度偏低，国内对焊接基础研究投入不足，工艺积累有限，导致产品除价格外，与进口产品相比不具有竞争优势。”王振民指出，国产焊接电源网络化自动化水平较低，导致各个自动化焊接部件信息量的传递十分有限，难以实现复杂焊接工艺的协同调控。

“北欧的海洋开采非常早，储备了相当多的焊接技术，拥有深海水下焊接设备。而我国开采海洋平台深度比较浅，技术处于发展阶段。”华南理工大学机械与汽车工程学院教授石永华指出，“他们有在水深一千米以下海域进行焊接的能力，而我们没有。”

现在只有国外一两家企业完全掌握水下机器人焊接技术。我国只能向国外购买，不仅价格贵，后期维护成本也极其高昂，同时还要被严格审核使用领域、范围。

“国外技术人员来检修深海石油管道，在出现问题的地方画个圈圈，几百万甚至上千万元人民币就没了。”王振民说。

　　技术虽有突破 却难以产业化

华南理工大学是我国最早开展现代逆变式焊接电源装备技术的单位，近年来，他们研发了逆变频率可高达200kHz的新一代大功率逆变式焊接电源，逆变频率的提高意味着对焊接电弧以及熔滴过渡行为的控制将更为精确。

与国外现有频率20kHz的工业级焊接电源相比，虽技术有了较大突破，但王振民却高兴不起来，他说：“产业化还有很长的路要走。”

专业焊接人才极其匮乏是重要原因。王振民认为，一方面，研究此领域难以发论文，很多人都转研究方向了;另一方面，焊接电源涉及多学科领域，其控制方法与实际的焊接工艺过程密切相关，有较高的技术门槛，研究和应用都需要长时间积累，但近十多年，国内不少高校的焊接专业已被取消，用人单位对焊接的重视程度也不够，待遇差，导致了人才储备远远不足。

此外，“我国焊接装备产业原有机械部定点的30多个国有厂家，多半已处于破产、倒闭或者关停状态，但目前市场上唱主角的均为改革开放以后成长起来的900多家合资企业和民营企业，而其中绝大部分民营企业几乎没有研发能力。”王振民建议，应逐步完善以市场为导向、政产学研用相结合的技术创新体系。

　　8、少了三种关键材料，燃料电池商业化难成文章

前段时间，国务院总理李克强在日本丰田汽车北海道工厂参观考察了氢燃料电池车。这一举动，被解读为对氢燃料电池车产业释放出利好信号。

一个有些尴尬的现实是，国外的燃料电池车已实现量产，但我国车用燃料电池还处在技术验证阶段。南方科技大学机械与能源工程系教授王海江指出，我国车用燃料电池的现状是——几乎无部件生产商，无车用电堆生产公司，只有极少量商业运行燃料电池车。

　　燃料电池是“一支队伍”

一般来说，单节燃料电池的电压偏低、电流偏大，在实际应用中需要由多节燃料电池串联形成电堆，以提升输出电压。

氢燃料电池的动力来源是氢气和氧气，两者会在燃料电池中开始它们的“奇幻”旅程：氢在阳极催化作用下氧化，生成质子和电子;电子经外电路做功，到达阴极;而质子通过质子交换膜从电池内部传输到阴极，质子与电子在阴极汇合并在催化作用下与氧反应生成水。

看起来似乎只是初中化学知识。但实际上，燃料电池的运作，是一个系统工程。

燃料电池不像普通蓄电池，反而更像发电机——把燃料和氧化剂“喝”进去，将电发出来。所以，除了电堆，燃料电池还有燃料供应子系统，氧化剂供应子系统，水热管理子系统以及热管理和控制系统……总之，人家是团队作战。

“燃料电池车是新能源车的一种，它是未来的发展方向之一。”中科院大连化物所燃料电池研究部部长邵志刚告诉科技日报记者，2014年年底，日本丰田公司宣布实现燃料电池车的商业化;而在国内，一切尚处于起步阶段。

　　关键材料还缺批量生产线

车用燃料电池，一般为质子交换膜燃料电池。

它有两大关键部件，一个叫膜电极组件，一个叫双极板。前者其实是由“三兄弟”构成：质子交换膜、催化层和气体扩散层。

质子交换膜的主要功能是传输质子，分隔反应气体以及电子绝缘。它负责“把门”，把质子放过去，把电子拦下来;催化层主要搭载的是催化剂，催化剂可以促进氢、氧在电极上的氧化还原过程并产生电流;气体扩散层则由基底层和微孔层组成，它要求具有高导电性、导热性和疏水性。

这些关键材料，决定着燃料电池的寿命和性能。

“巧妇难为无米之炊。我们的关键材料长期依赖国外，一旦国外禁售，我国的燃料电池产业便没有了材料基础支撑。”清华大学氢燃料电池实验室主任王诚说。

其实，这些材料我国并非完全没有，有些实验室成果甚至已达到国际水平。但是，没有批量生产线，燃料电池产业链依然梗阻。特别是在气体扩散层量产技术方面，我国还是空白。“这是因为气体扩散层的石墨化工序需要经过2000℃以上的高温才能制备，但关键设备高温炉技术还掌握在国外手中。”王诚解释。

要实现材料的批量生产，就得解决一致性和成本控制问题。它和实验室制备的难度不可同日而语。以催化剂为例，王诚告诉记者，目前商用的燃料电池催化剂仍是铂基催化剂，实验室制备水平一般为毫克级，量产技术需公斤级水平。批量生产要突破三项关键技术：一是反应条件的均一，确保批次稳定性;二是铂颗粒纳米尺寸控制，确保催化活性比表面积;三是提升碳载体的稳定性，达到车用工况下的使用寿命。将实验室成果进行工业化放大是一项关键技术，需要企业介入。“长期以来，我国燃料电池的研发主要由高校和科研院所进行。企业持观望态度，参与得少，加入得晚。”邵志刚所在的大连化物所从1994年就开始开展车用燃料电池研究。但基础研究和应用之间的断裂，使得关键材料的工业化成为一道坎。

　　要商业化，还得强链、补链

王海江此番回国，就是想带着在燃料电池领域深耕多年的经验，和团队在深圳建成燃料电池产业链。

先有了南科燃料电池有限公司，主要做电堆关键部分生产、电堆集成和测试。但如果电堆原材料均需从国外进口，成本太高。于是，团队又成立了一家公司，主攻气体扩散层、质子交换膜和催化剂三种关键材料的国产化。“到时，燃料电池的成本能下降三分之一。”王海江说。目前，我国电堆及产业链企业数量逐渐增长，预计2018年国内电堆产能将超过40万kW。“纯电动汽车近几年有很大进步，为燃料电池的应用创造了非常好的条件。”王诚表示，“此时，我们就更需要聚焦燃料电池内核创新。”

要打破发达国家的长期技术垄断，就得加大对燃料电池核心材料产业化的投入。接受采访的专家均指出，燃料电池产业链“非常长”，涉及到氢能系统、燃料电池发电系统以及汽车等终端产品。“国内零部件、氢基础设施以及标准规范还不健全，需要强链、补链，带动新材料、新能源、汽车高端装备制造成长，才能促进燃料电池商业化提速。”王诚强调。

　　9、水下连接缺国产利器，海底观测网傍人篱壁

除了船舶、遥感卫星，海底观测网已成为第三种海洋观测平台——通过它，人类可以深入到水下观测和认识海洋。

如果将各类缆系观测平台比作胳膊、腿，水下连接器就好比关节，对海底观测网系统的建设、运行和维护有着不可替代的作用。

目前，北美、西欧和日本等十余个国家已拥有海底观测网。2017年3月，我国最大规模的国家海底科学观测网正式被批复建立，项目总投资超20亿元，建设周期5年。该网将在我国东海和南海分别建立海底观测子系统，实现东海和南海从海底向海面的全天候、实时和高分辨率的多界面立体综合观测，服务于科学前沿研究，并兼顾海洋环境监测、灾害预警、国防安全与国家权益等方面的需求。

遗憾的是，无论是国家海底长期科学观测网，还是短期实验观测网，目前我国水下连接器市场基本被外国垄断。体积约2个易拉罐，最高售价80万元。

水下连接器分为干插拔连接器和湿插拔连接器。

江苏中天科技股份有限公司杨华勇博士告诉记者，干插拔连接器在陆上完成插拔操作，然后放入水下使用，我国已基本掌握该项技术。湿插拔连接器难度更高，过程好比充电插头与手机在水下完成插合，充电完毕后直接在水中拔下插头，目前仍没有可用的国内产品。

“湿插拔连接器为实现海底观测网与海底电缆之间的可靠连接，以及观测信息网络系统的设备扩展与重组提供了解决方案。”国家海洋技术中心研究员罗续业说，经过几十年发展，目前已经形成不同电压等级的系列湿插拔电连接器和不同芯数的系列湿插拔光纤连接器，甚至湿插拔光电复合连接器。

从外观上看，湿插拔连接器与两个易拉罐大小相当。

“根据布放海域的水深、电压的大小，以及多芯还是单芯，价格差别悬殊，最贵的售价约80万元，最便宜的也要20万元。”杨华勇说。更重要的是，实验观测网要使用多个湿插拔连接器，并且连接器插拔次数寿命有限。

　　水下插合要满足动态密封要求

有些规模大的观测网在海底绵延数千公里，供电电压达1万伏甚至更高。

观测网的电源被“装”进一个叫接驳盒的“房子”里。在主干光电复合缆与主接驳盒的电能、通信传输，以及次接驳盒与传感器的电能及通讯传输中，都要通过湿插拔连接器这道“关卡”。

湿插拔连接器其实是一对公头和母头，母头被固定。

“好比注射器，如果活塞与管壁结合严密，推动活塞可以将注射器内的液体全部排干净。”杨华勇说，湿插拔连接器不仅要满足应用时插合状态的密封要求，还要满足动态密封要求——在插针未插入时闭合密封，插针插入和插合到位过程中也要保持密封。

但其工作环境往往在几千米的水下，巨大的压力下“活塞”与“管壁”难免变形。

水下压力也让内部空腔与外表面形成巨大压差，连接器很难被拔开。“我们将内部腔体充满液体，并通过弹性皮囊与外部海水接触，海水压力增加时，通过皮囊挤压腔体内部的液体，从而保证腔体内外压力平衡。”在杨华勇看来，压力平衡技术为大深度水下插拔提供了解决方案，也给制造工艺和材料提出了很高要求。

连接器与配接缆间的连接和密封，与连接器的机械强度、耐水压性能和信号传输性能直接相关。但水中插拔通常由水下机器人(ROV)完成，这对连接器机械强度和结构设计提出了高要求。

罗续业告诉记者，历经几十年发展，这项技术才在欧美国家逐渐成熟。目前在建的海底观测网系统使用的产品几乎都来自美国Teledyne ODI，德国公司的产品在海上油气开采方面拥有较大份额。

　　我国尚处于实验样机阶段

“十二五”期间，在国家863计划支持下，湿插拔连接器被正式列为水下组网项目的子课题。虽然科研经费量不大，但也意味着我国湿插拔连接器技术研究正式起步。

在罗续业看来，这是因为随着海上石油、天然气开采和海底观测网建设，原来“小众”的湿插拔连接器有了更多舞台，一旦研发成功，将拓展水下设备、仪器的使用范围，极大推动海洋立体观测网自主技术开发。

由于起步晚，多名采访对象表示，在湿插拔连接器领域我国与国外差距明显。前几年，一台原理样机在实验中被“击穿”而丧失“武功”，并没有在实际中应用。

“曾有国内油企明确和我说，你们不要研制湿插拔连接器，研制出来我们也不敢用、不会用。”杨华勇理解，一旦连接器出现问题，油企将遭受巨大的经济损失。“近几年我们开始自筹资金在‘啃难啃的骨头’。因为一旦该连接器成为禁运品，整个海底观测网的建设和运行将被迫中断。”

多名采访对象也表达了类似的观点：海底观测网事关国家安全，必须得到国家的高度重视。

最新消息是，最近国家已组织专家对水下湿插拔开展技术论证。

“目前我们基本掌握了原理，后续还要依靠市场和工业化手段来解决基础材料、高精度加工工艺和深海应用试验等问题。”杨华勇建议，湿插拔技术研究一定不能为了研究而研究，务必要按照产业化的理念来布局技术攻关，尽可能加速研发和产业化进程。

(责任编辑：安博涛)