基于专利分析的铝合金焊接技术发展趋势研究

 赵云宝1,2，陈清林1，2

（1．集美大学轮机工程学院，福建厦门361021；2．福建省船舶与海洋工程重点实验室，福建厦门361021）

摘要：基于国家知识产权局( SIPO)专利检索数据库以及Webpat全球专利数据库等分析工具，以铝合金焊接先进技术为研究对象，从国际角度、国家层面、专利权人与发明人层面进行全球专利数据的检索和分析。分析显示，美国、日本和欧盟国家铝合金焊接技术处于世界领先水平，中国近些年发展迅速，但核心技术较少；技术领先跨国企业重视对全球市场的专利保护，中国企业的专利保护区域较为局限。因此，对铝合金焊接技术的竞争形势进行了分析，为中国政府、企业制定产业战略提供参考。

  关键词：铝合金；焊接技术；专利分析；发展态势

  中图分类号：TC457.14；G353.1  文章编号：1007 - 7235( 2016) 03  - 0007 - 06

 铝合金因其具有良好的导电性、延展性、耐腐蚀性和较高的比强度而被广泛应用于航空航天、机械制造、汽车、船舶等工业领域。随着工业、经济的快速发展，需进一步提高铝合金焊接结构质量，也促使铝合金焊接技术方面研究随之深入。但有一些铝合金在焊接过程中存在一些技术难题，例如有的铝合金焊接接头软化严重、工件表面易产生难熔的氧化膜( Al2 O3)、焊接容易产生热裂纹、线膨胀系数大，易产生焊接变形等，这些缺陷关系到焊接件的质量。开发新的焊接技术是保证大型结构件质量的基本条件。

 为了全面了解世界铝合金焊接领域技术发展趋势、全球专利分布状况、重点创新机构的研发能力，了解我国铝合金焊接技术水平与国际先进水平的差距。本文利用国家知识产权局( State intellectualproperty office)知识产权出版社的“中外专利数据库服务平台”与Webpat全球专利数据库，对铝合金焊接技术的国际专利申请趋势与重点机构的研发能力进行检索和分析，对2015年1月前的专利数据进行阅读检索，经数据筛选清洗后，得到焊接技术中外相关专利（族）4986件，在华专利（族）数量863件。通过深入的数据挖掘，可以了解铝合金焊接技术的发展趋势，为我国企业从长远发展出发制定产业技术发展战略和知识产权战略提供参考。

1  铝合金焊接专利国际层面分析

1.1  总体发展趋势分析

 通过查阅铝合金相关焊接技术资料，确定对铝合金四类焊接技术进行全球检索统计，尝试在中国知识产权局专利检索系统及Webpat全球专利检索系统上进行检索，主要中英文关键词有：搅拌摩擦焊、激光焊、MIG焊、TIG焊、Friction stir welding、Laser welding、MIG welding、TIG welding。

 图1显示了全球焊接技术相关专利数量的历年变化趋势。

 从图1可以看出，铝合金焊接技术专利的申请起始于20世纪70年代初，从1971年出现到1999年期间，发展较为缓慢，处于技术萌芽期；从2000年起到2009年专利申请量出现大幅递增，呈现出快速发展趋势；从2010年到2014年专利申请量达到峰值，其中2012年公开专利量达到406件，表明全球铝合金焊接技术进入了技术成熟阶段。

1.2铝合金焊接技术全球区域分布

 根据图2所示，日本、中国、美国、德国及韩国的铝合金焊接专利数量领先于其他国家，占据全球专利总数的86. 8%。其中，日本与中国的专利数占总专利数的60.3%，可以说明，近些年这两个国家在焊接技术上投入较大的研发力度，开发新的制造技术。结合图2和图3可以看出，虽然中国在铝合金焊接技术专利数量方面占大部分比例，但中国绝大多数专利集中在2004年后，表明焊接技术起步较其他国家晚一些；日本在铝合金焊接技术相关专利申请与受理方面主要集中在20世纪70年代末，焊接技术发展较为成熟；美国铝合金焊接相关技术专利受理起步于20世纪70年代初，发展步伐较为稳定，拥有较多的核心技术专利。

 表1表示全球铝合金焊接技术区域分布，专利数量最多的国家是日本，中国专利数量位列第二。与全球专利受理数量趋势相似，日本在铝合金焊接技术上专利发明人数量仅少于中国，充裕的技术人才储备与高投入的研发力度奠定了日本工业技术发达的基础。

表2所示为铝合金焊接技术全球重点专利排名前20的机构分布情况，主要分布在日本（14家）、中国（2家）、美国（2家）、德国（1家）及法国（1家）。表2表明，日本企业在焊接技术方面投入大量研发力度，得以领先于其他国家企业。其中，日本日立工机有限公司独立开发的搅拌摩擦焊接装置在铝、镁合金及铜合金的生产中取得良好的效果，日立公司开发轻便型数控机器人和自行开发的大型门式焊接机器人可承担20%～25%的生产工作量；日本川崎重工已将搅拌摩擦焊技术成功应用于大型船舶建造。世界上最大的军民用飞机制造商美国波音公司，每年全球航空发动机（燃机）零件尤其是热端部件修复市场有数十亿美元的规模，美国的焊接修复技术已经成熟、稳定地应用于航空发动机涡轮叶片等热端部件上，在可修复缺陷界定、缺陷去除、焊缝清理及焊后寿命评估方面已形成完整的工程化体系。

1.3铝合金焊接技术专利的IPC分类排行及构成

 国际专利分类号(IPC)包含了专利的技术信息，通过对收集到的相关专利进行基于IPC的统计分析，可以更专业了解铝合金焊接技术涉及的主要技术领域和重点技术等。根据表3可知，在全部4986件铝合金焊接技术的IPC大类排行中，排名在前7名大类专利数量共4308件，占全部专利数的86. 40%，说明这7大类中的专利信息能充分体现铝合金焊接专利的发展趋势。其中，焊接技术主要集中在B23大类中，该类技术代表了金属加工技术，专利数量达到了3515件，占总专利数的70. 50%。因此，B23大类是所列专利分类中的重要组成部分，应对B23下属的小类专利技术做进一步分析。

在铝合金焊接技术特点中，激光焊适用于工艺性要求高、产品附加值高的铝合金焊接，常用在高科技产品中；TIG焊工艺性好，适用于各种结构、形状的全位置焊接、熔覆率高并多应用在小型铝合金结构件中；MIG焊可做自动化作业焊接，可焊接铝合金中厚板，焊接变形小，生产效率高，适用于铝合金焊接结构生产；搅拌摩擦焊具有高效能、低消耗和低成本等特点，广泛应用于造船、航空、航天等领域中。为了更加准确分析B23类中子类的专利技术特点，表4列举了B23大类中主要的子类项，包括B23 K26、B23 K20、B23K9等前六小类。其中，B23 K26子类检索的铝合金焊接专利数有1287件，占B23类别专利数的36. 61%，这一子类含有相关的激光焊接工艺、激光束的自动校正技术、焊接工件连接／对位工艺及辅助装置等技术。B23 K20作为B23大类中的第二大子类项，其相关专利数有838件，该专利类别主要有搅拌摩擦焊先进技术、特种辅助材料及处理措施等技术。

2  铝合金焊接专利国家层面分析

2.1在华专利发展趋势分析

 图4给出了在华铝合金焊接技术专利申请趋势图，可以看出，我国在铝合金焊接技术专利方面的申请和受理始于20世纪80年代中期，从1985到2002年期间发展较为缓慢；到2003年后，我国铝合金焊接技术专利申请数量开始呈现上升趋势，表明我国开始重视铝合金焊接技术方面的研究工作。

 从图5中可以看出，技术领先国家如日本、美国、德国等比较重视本国焊接技术专利在中国的知识产权保护，通过国际IPC专利通道申请了大量涉及焊接技术的专利保护。

2.2我国主要专利权人构成分析

 我国铝合金焊接技术专利权人数量较多，专利技术分布呈较大的离散度，各类企业数量约占60%。表5给出了我国主要申请人专利数量排序分布，在专利数量排在前10位的机构中，高校及研究所分别是7个和1个，企业占2个。其中，哈尔滨工业大学具有铝合金焊接相关发明专利46件，专利分布有采用MIG焊进行表面熔覆的方法、真空激光焊接设备及方法、提高搅拌摩擦焊接质量的方法等，以绝对的创新优势排在第一位，但有效专利只有10件，专利有效比为21. 74%。深圳市大族激光科技股份有限公司专利数为21件，作为一家专门从事激光焊接技术研究的企业，发挥了其自身优势，在发明专利保护上也采取了一定措施，专利有效比达到52. 38%。作为国内最大的航天制造企业，首都航天机械公司与中国运载火箭技术研究院都是具有相当的规模和雄厚的实力，搅拌摩擦焊接运载火箭贮箱的方法与工艺等相关焊接专利占多数，贮箱作为运载火箭贮箱是火箭系统上最重要的一个部分，在制造过程中对贮箱的焊接、装配等工艺过程要求高。上海交通大学、江苏科技大学及北京工业大学在搅拌摩擦焊接装置与设备、提高焊接质量方法上具有一定的优势；沈阳航空航天大学与天津大学在焊接工艺材料、激光焊接材料、质量检测方面已形成特色研究项目。

2.3  重点机构的核心专利解读

 通过对检索到的铝合金焊接专利申请的发明名称、发明人、摘要、关键词及法律状态等信息的人工筛选与分析，挑选出16个重点机构的16件核心专利。表6对这些专利进行解读。从表中可以看出，外国知名企业非常重视知识产权的保护，例如林肯环球公司、瑞典莱斯特加工技术公司、美国埃克森美孚研究工程公司等已在发达国家进行专利申请保护和PCT专利保护的申请；而我国企业由于各种原因对此不够重视，忽略潜在的知识产权风险。

3  结论与建议

 通过对铝合金焊接相关技术专利的分析，并结合当前全球铝合金焊接技术的发展趋势，可以得出以下结论：

 1)全球铝合金焊接技术已进入技术成熟时期。2000年开始，全球铝合金焊接相关专利得到快速发展，专利数量随之递增。日本、中国及美国是全球铝合金焊接相关专利的主要受理与申请国家。中国在铝合金焊接技术专利数量仅次于日本，国内多数专利分布在高校及研究所，具备研发能力的企业占少数。当前铝合金焊接技术的研究热点集中于搅拌摩擦焊接系统、激光焊接自动控制、多种材料的复合焊技术、TIG焊接系统等技术。

 2)日本、美国及欧洲发达国家通过国际专利进行全球市场保护。日本企业占据全球铝合金专利产出机构数量的半壁江山，这些企业在焊接机器人、激光复合焊等核心专利技术上处于垄断地位。美国林肯公司、埃克森美孚研究工程公司拥有协同TIG焊接系统、搅拌摩擦对缝控制等核心焊接技术，并通过申请国际专利号( PCT)进行全球专利保护。中国专利申请数量处在世界第二位，但中国企业在国外申请专利保护的屈指可数，核心技术相对较少，专利保护意识不强，在世界大企业竞争市场处于下风。

 针对上述分析结论，对我国企业的专利战略提出以下三点建议：

 1)创造人才交流机会，掌握技术发展趋势。创造企业与高校、企业与研发机构人才之间交流合作的机会，取长补短，加强人才培养，充分发挥焊接相关技术创新的合作作用。重点关注焊接技术领先国家的发展动态，加强对国外大企业核心专利的研究分析，掌握最新焊接技术的发展态势。

 2)强化专利保护意识，扩大国外专利布局。我国企业在焊接技术领先国家申请国外专利保护或申请PCT保护的专利数较少，应加大科研投入，提高原创技术能力，制定知识产权战略。扩大国内焊接相关技术需求，针对研发机构的核心发明专利，结合国际市场情况，及时通过PCT专利渠道申请国外保护。

 3)产学研结合发展，培养一批具备竞争力企业。根据企业实际生产状况，高校及科研院所解决生产问题，攻克技术难关，将研究成果转化为受保护的知识产权成果，做到产学研结合发展；重视欧美日等国家的重点创新机构的核心技术，充分利用全球信息资源，通过自主研发、规划引领、人才培养等多种途径，进一步增强企业技术研发实力，制定企业专利发展战略，争取做到与世界强企同台竞争。