基于DII的窄間隙焊接技術(shù)專利情報分析

王亞鳳

〔摘要〕基于德溫特專利數(shù)據(jù)庫（DII），對全球窄間隙焊接技術(shù)專利申請的年度變化、地域分布、主要專利權(quán)人，核心專利等方面進行了技術(shù)分析，并運用VOSviewer繪制了窄間隙焊接技術(shù)專利手工代碼的聚類標(biāo)簽地圖和密度地圖，揭示了全球窄間隙焊接技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，為我國的窄間隙焊接發(fā)展趨勢提供有價值的專利情報。

〔關(guān)鍵詞〕DII；窄間隙；焊接；專利；地圖；VOSviewer

DOI：10.3969/j.issn.1008-0821.2015.10.025

〔中圖分類號〕G25553〔文獻標(biāo)識碼〕A〔文章編號〕1008-0821（2015）10-0134-06

Patent Information Analysis of Narrow Gap Welding Technology Based on DIIWang Yafeng

（Library，Jiangsu University of Science and Technology，Zhengjiang 212003，China）

〔Abstract〕Based on Derwent Innovation Index（DII），the Patent Information Analysis of Narrow Gap Welding Technology was conducted which concludes annual changes of patent applications，the geographical distribution，the major patent holders and the core patents.The paper gave out the clustering label map and density map of manual codes of DII by VOSviewer which revealed the development of domestic and foreign technology of narrow gap welding and provides valuable Patent Information.

〔Key words〕DII；narrow gap；welding；patent；map；VOSviewer

窄間隙焊接（Narrow Gap Welding，NGW）技術(shù)最早是由美國Battelle研究所于1963年提出[1]，指的是將厚度30mm以上的鋼板，按小于板厚的間隙相對放置開坡口，再進行機械化或自動化弧焊的一種特殊焊接技術(shù)方法。與傳統(tǒng)焊接方法相比，窄間隙焊接技術(shù)可大幅度減少坡口截面積，在中低線能量下實現(xiàn)高效焊接，因而被作為一種可降低焊接變形和焊后殘余應(yīng)力的高效焊接技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各種大型重要結(jié)構(gòu)，如造船、鍋爐、核電、橋梁等厚大件的生產(chǎn)。日本焊接界將窄間隙焊和激光焊并稱為21世紀最適合于厚板焊接的兩種方法[2]。窄間隙焊接技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中厚板結(jié)構(gòu)焊接的首選技術(shù)，其巨大的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢決定了它是今后厚板焊接技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

目前，窄間隙焊接的研究主要體現(xiàn)在不斷開發(fā)新的焊接方法，以獲取更加高效、優(yōu)質(zhì)的焊縫。如通過機械或電磁方法使電弧旋轉(zhuǎn)、搖動和擺動，改變熱源分配以提高側(cè)壁熔合[3]；不同工藝參數(shù)、焊炬形狀對焊縫成形的影響[4-5]；采用激光、激光復(fù)合焊接的方法實現(xiàn)更高的熔覆效率[6]；通過給焊絲加熱進一步提高效率[6]；采用數(shù)值模擬方法研究應(yīng)力應(yīng)變、變形等規(guī)律等等[7-9]。

專利是世界上反映科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速、最全面、最系統(tǒng)的信息資源。DII（Derwent Innovation Index）是目前查找世界范圍內(nèi)專利文獻最全面的數(shù)據(jù)庫之一，收錄了來自世界上40多個專利機構(gòu)的1 000多萬條基本發(fā)明，2 000萬項專利。DII每周新增45 000多條專利，并對專利的題目和文摘進行重新加工處理。為此，本文將DII數(shù)據(jù)庫收錄的國內(nèi)外窄間隙焊接技術(shù)專利進行統(tǒng)計分析，剖析其研究熱點、核心技術(shù)及發(fā)展的態(tài)勢，旨在為相關(guān)專業(yè)人員把握窄間隙焊接技術(shù)趨勢及我國窄間隙焊接技術(shù)的未來發(fā)展戰(zhàn)略提供參考。

1數(shù)據(jù)來源

涉及窄間隙焊接技術(shù)方面的國外專利數(shù)據(jù)主要源自于DII，國內(nèi)專利數(shù)據(jù)源于國家知識產(chǎn)權(quán)局（DII檢索到的中國專利信息與SIPO的專利數(shù)據(jù)不一致。筆者通過主題和IP分類號為限定條件進行檢索。DII中的檢索式擬定為TI=（narrow near/1 gap） and weld OR TI=NG，通過分類號IPC=B23限定，檢索結(jié)果為265件。檢索時間為2013年12月15日，對于專利申請的時間未作限定。由于專利的申請到公開有一年半的滯后期，所以2013年的數(shù)據(jù)僅供參考，不能全面反映技術(shù)趨勢。本文專利分析工具應(yīng)用了DII的TDA軟件和知識圖譜繪制工具VOSviewer，并用VC編制矩陣轉(zhuǎn)化程序進行專利統(tǒng)計分析。

2015年10月第35卷第10期現(xiàn)？代？情？報Journal of Modern InformationOct，2015Vol35No102015年10月第35卷第10期基于DII的窄間隙焊接技術(shù)專利情報分析Oct，2015Vol35No102窄間隙焊接技術(shù)趨勢的專利情報分析

21基于DII手工代碼的專利分析

德溫特手工代碼（Derwent Manual Code）是DII特有的專利代碼。由文摘索引人員人工標(biāo)定，用于指明專利的技術(shù)創(chuàng)新概貌，所以手工代碼比IPC分類號更準確地揭示了專利技術(shù)的外部特征和應(yīng)用領(lǐng)域[10]。由于專利沒有關(guān)鍵詞提供，而專利的手工代碼蘊含了專利的主題核心內(nèi)容，其作用類似于關(guān)鍵詞的標(biāo)引。所以筆者借用關(guān)鍵詞建立引文共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的方法，建立基于DII手工代碼的專利共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)專利圖譜的可視化分析。endprint

有關(guān)DII窄間隙焊接技術(shù)的專利，共涉及111項手工代碼。提取DII專利文本數(shù)據(jù)中以“MC”（手工代碼）開頭的字符行，統(tǒng)計各手工代碼相互出現(xiàn)的頻率，利用Visual C++編程實現(xiàn)手工代碼數(shù)據(jù)與共現(xiàn)矩陣的自動轉(zhuǎn)換。以此建立的111×111的手工代碼共現(xiàn)次數(shù)矩陣，如表1所示。該矩陣為對稱矩陣，共有12 321個單元組成。

表1DII手工代碼共現(xiàn)次數(shù)矩陣

M23-D01B1M23-D01B3M23-GX24-B02AX24-B06X25-A03E1M23-D01A1X24-B01……M23-D01B15053622144……M23-D01B35134910144……M23-G34834110……X24-B02A6931510133……X24-B06221041055155……X25-A03E111111100……M23-D01A1441350157……X24-B01440350711……X24-B042651727046…………………………………………………………

依據(jù)上述矩陣，筆者利用知識圖譜繪制工具VOSviewer繪制窄間隙焊接術(shù)的手工代碼專利地圖。圖1繪制的是窄間隙焊接技術(shù)的聚類標(biāo)簽地圖。VOSviewer中節(jié)點之間的線條表示二者是共現(xiàn)關(guān)系，節(jié)點與字體越大，表示與其他節(jié)點的共現(xiàn)次數(shù)越多。可以看出X24-B06（氣保焊），X24-B04（電極和附件），M23-D01B1（電弧焊接和切割，等離子弧裝置——焊槍，噴嘴，夾持裝置）等節(jié)點最突出，說明其共現(xiàn)頻次最高，與其他類別的專利技術(shù)聯(lián)系最為密切。同時將圖不斷放大，可看到各項技術(shù)之間連線關(guān)系及頻次。

圖2是窄間隙焊接技術(shù)的聚類密度地圖。每個節(jié)點的坐標(biāo)位置與標(biāo)簽圖譜相同，根據(jù)節(jié)點的共現(xiàn)頻次的密度大小，顏色由紅向黃、綠、藍逐漸變化[11]。紅色表示密度越大，反之密度越小，顏色接近藍色。圖2清晰地反映了專利技術(shù)布局的全貌：窄間隙焊接專利的核心類別集中在X24-B06（氣保焊），M23-D01C（電弧焊接類型），X24-B04（電極和附件），M23-D01A1（縫焊），M23-D01A3（埋弧焊），M23-D01B1，M23-D01C1（鎢極惰性氣體保護焊，TIG），X24-B02A（引燃電壓；電弧的穩(wěn)定和磁控），M23-H（配套設(shè)備）等接近紅色，這些均是共現(xiàn)頻次較高的關(guān)鍵技術(shù)。黃綠色表示核心技術(shù)與邊緣技術(shù)的過渡專利類別，例如M23-F，M23-D01C2（熔化極惰性氣體保護焊，MIG），M23-D01A（電弧焊接和切割，等離子弧焊），X24-B03（電極或工件的自動送進）等。散落在外圍的邊緣技術(shù)專利類別包括M27-A04（合金鋼），M23-D05（激光束），X24-D03（油罐車），X24-B（電弧切割），K05-B07E（反應(yīng)器附件——電纜，管材管件，連接器）等等。這些專利共現(xiàn)頻次較小，與其他技術(shù)類別聯(lián)系不緊密。

22專利申請的年度變化

通過分析全球窄間隙焊接技術(shù)每年的專利申請量，可以分析出該項技術(shù)的研發(fā)狀況和發(fā)展趨勢。全球有關(guān)窄間隙焊接技術(shù)的專利最早出現(xiàn)在1973年，是日本川崎重工實業(yè)有限公司申請的。專利名稱：一種從另一側(cè)填充的窄間隙自動焊接方法（專利號：JP73018703-B，德溫特主入藏號：1973-34668U）。由圖3可見，全球窄間隙焊接技術(shù)專圖1DII窄間隙焊接技術(shù)專利手工代碼聚類標(biāo)簽圖

圖2DII窄間隙焊接技術(shù)專利手工代碼聚類密度圖

利申請量自1978-1983年出現(xiàn)過快速增長的高峰，之后申請量進入下降趨勢，申請數(shù)量相對穩(wěn)定。從2008年開始，窄間隙焊接技術(shù)的專利申請總量增速較快，這可能與中國申請量快速增長，拉高總體申請量有關(guān)。由圖4可見，國外有關(guān)窄間隙的專利申請量自2007-2013年出現(xiàn)了第二個研究峰段（2011年除外），申請量回升的現(xiàn)象也與近年來窄間隙焊接的學(xué)術(shù)研究升溫相符[12]。

我國第一件窄間隙焊接技術(shù)的專利最早出現(xiàn)在1985年，是機械工業(yè)部哈爾濱焊接研究所林尚揚院士申請的。專利名稱：雙絲窄間隙埋弧焊方法（專利號CN85104150）。我國的窄間隙焊接技術(shù)專利自2005年后，出現(xiàn)顯著增長的態(tài)勢，申請量最高出現(xiàn)在2012年，高達36件，預(yù)計2013年還會有所增加。從總體來看我國的窄間隙焊接技術(shù)的專利趨勢高峰與國外第二個趨勢高峰（2007-2013年）基本

圖3全球窄間隙焊接技術(shù)專利申請量

圖4國內(nèi)外窄間隙焊接技術(shù)專利申請量對比注：國內(nèi)數(shù)據(jù)源于SIPO，檢索時間2013年12月15日

對應(yīng)，進入快速增長期。

23專利申請的地域分析

全球窄間隙焊接技術(shù)專利的申請主要分布在日本、中國、德國、美國、韓國和印度等國（詳見圖5）。其中日本窄間隙焊接專利的申請量最高，高達117件，占全球申請量的44%，日本是窄間隙焊接技術(shù)最先進，實力最雄厚的國家，其窄間隙焊接的板材厚度可達150mm和250mm。該國的窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用已擴大到各個工業(yè)領(lǐng)域，如鍋爐和壓力容器、船舶和海洋構(gòu)筑物、工業(yè)機械、壓力鋼管等。中國的窄間隙焊接技術(shù)的專利申請量達79件，居世界第二。德國、美國的專利申請量接近，分別是26件和22件，韓國和印度的申請量分別是12和8件。值得注意的是德國和美國的專利大多同時申請了WO、EP及其他國家的專利（同族專利），以獲得多個國家的專利保護，但我國在同族專利申請方面有所欠缺，這可能與我國的專利權(quán)人構(gòu)成類型有關(guān)。

圖5全球窄間隙焊接技術(shù)專利的主要申請國分布

24主要申請國的IPC分布

對比主要申請國的IPC分布，可以分析出國家的技術(shù)領(lǐng)域分布及產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局情況。表2列出的是日本、中國、德國、美國四國窄間隙焊接專利申請量位居前三位的IPC排名?？梢娙毡镜闹饕芯糠较蚣性贐23K-009/00（釬焊），B23K-009/12（點焊、縫焊或切割的電極或工件的自動進給或移動），B23K-009/16（氣保焊）等方面。中國的專利集中分布在B23K-009/28（焊條或電極夾持裝置），B23K-009/16（氣保焊），B23K-009/173（熔化電極）等方面。德國關(guān)注的是窄間隙技術(shù)在縫焊，埋弧焊方面的研究。美國的研究熱點集中在氣保焊、釬焊等方面。通過進一步分析各國專利情況，可知歐美國家在埋弧焊（SAW），鎢極惰性氣體保護焊（TIG）應(yīng)用較多，熔化極氣保焊（GMAW）較少，而日本的釬焊、GMAW窄間隙應(yīng)用非常廣泛。我國研究較多的是粗絲大電流窄間隙埋弧焊和窄間隙熱絲TIG焊，2008年后有關(guān)GMAW的專利申請量增加迅速。endprint

表2專利申請國的IPC分布及專利數(shù)量

專利申請國IPC件數(shù)IPC件數(shù)IPC件數(shù)日本B23K-009/0026B23K-009/1226B23K-009/1620中國B23K-009/2821B23K-009/1620B23K-009/17314德國B23K-009/027B23K-009/187B23K-009/126美國B23K-009/168B23K-009/126B23K-009/005

25主要專利權(quán)人分析

通過統(tǒng)計專利權(quán)人在窄間隙焊接技術(shù)申請專利的數(shù)量，可得知該項技術(shù)主要集中在哪些企業(yè)部門，或哪些機構(gòu)具有行業(yè)領(lǐng)先地位。表3列出了窄間隙焊接技術(shù)專利申請量最多的前10個高產(chǎn)機構(gòu)，共申請專利82件，占全部265件專利的3094%。日本占據(jù)了8個席位，均是日本的重工業(yè)公司如神戶鋼鐵公司、新日本鋼鐵公司、日本鋼管公司、日立船舶工程有限公司等等。日本公司專利申請的時間多集中于80年代，方向集中于電弧焊接和切割，等離子弧焊中窄間隙技術(shù)的應(yīng)用。例如神戶鋼鐵公司的專利多圍繞厚管窄間隙焊，厚鋼板、鋁合金的水平窄間隙電弧焊而展開。德國的西門子公司申請專利8件，排名第4，申請時間集中于1997年至今，研究方向以窄間隙氣保焊及窄間隙焊接的具體裝置＼設(shè)備為主。從全球?qū)＠麢?quán)人的機構(gòu)類型來看，窄間隙焊接技術(shù)的專利權(quán)人以企業(yè)為主，企業(yè)是窄間隙技術(shù)研發(fā)的主力軍，技術(shù)應(yīng)用成熟。

表3專利申請量居前十位的專利權(quán)人概況

〖〗專利權(quán)人名稱（英文）專利權(quán)人名稱（中文）件數(shù)比率（%）國家1KOBE STEEL LTD神戶鋼鐵公司14528日本2NIPPON STEEL CORP新日本鋼鐵公司12453日本3NIPPON KOKAN KK日本鋼管公司10378日本4SIEMENS AG西門子公司8302德國5ISHIKAWAJIMA HARIMA HEAVY IND石川島播磨重工業(yè)7264日本6NKK CORP日本鋼管公司7264日本7HITACHI SHIP & ENG CO LTD日立船舶工程有限公司6226日本8KAWASAKI HEAVY IND LTD川崎重工業(yè)股份有限公司6226日本9MITSUBISHI JUKOGYO KK三菱重工業(yè)株式會社6226日本10UNIV JIANGSU SCI&TECHNOLOGY江蘇科技大學(xué)6226中國

我國的專利權(quán)人類型與國外不同，是以高校及科研院所為主。其中江蘇科技大學(xué)有關(guān)窄間隙焊接專利的申請量在DII中排名第十，全國申請量居首位。我校專利的主要發(fā)明人是王加友教授及其課題組成員，方向集中在搖動電弧GMAW焊接方法、空心軸電機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)電弧窄間隙焊接方法、裝置及焊縫跟蹤新方法方面。申請量居次的分別是哈爾濱工業(yè)大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)專利集中在窄間隙MIG/MAG焊炬、GMAW方法、焊接裝置等方面，西北工業(yè)大學(xué)專利集中在GMAW焊槍、熔化極氬弧焊槍、石油方鉆桿窄間隙脈沖GMAW焊方法等方面。

通過檢索表4中每一條專利的法律狀態(tài)，可知高校的部分科研成果已轉(zhuǎn)讓給企業(yè)，例如江蘇科技大學(xué)轉(zhuǎn)讓窄間隙焊接專利3項，哈爾濱工業(yè)大學(xué)1項。專利的轉(zhuǎn)讓率較低，說明我國還處在窄間隙技術(shù)的基礎(chǔ)研發(fā)階段，專利技術(shù)多限于高校，急需加強產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的循環(huán)模式，以推動技術(shù)成果的轉(zhuǎn)換和企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新。表4國內(nèi)專利申請人排名及概況

申請人專利

數(shù)量專利轉(zhuǎn)讓

數(shù)量江蘇科技大學(xué)133哈爾濱工業(yè)大學(xué)61西北工業(yè)大學(xué)50中國石油天然氣集團公司50中國石油集團工程技術(shù)研究院50蘭州理工大學(xué)40上海交通大學(xué)40東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司30蘇州工業(yè)園區(qū)華焊科技有限公司30注：表中采用SIPO的數(shù)據(jù)，由于DII部分收錄SIPO及收錄的滯后性，所以表4與表3的江蘇科技大學(xué)的專利申請量數(shù)據(jù)并不一致。

3結(jié)論

通過以上對窄間隙焊接技術(shù)領(lǐng)域的專利情報分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）全球窄間隙焊接技術(shù)專利由技術(shù)萌芽期（1973-1977年）、快速增長期（1978-1983年），后進入技術(shù)穩(wěn)定期（1984-2006年）。2007-2013年出現(xiàn)了第二個研究峰段，專利申請量較技術(shù)穩(wěn)定期所增加，這也與近年國內(nèi)外窄間隙焊接技術(shù)學(xué)術(shù)研究升溫的現(xiàn)象相符。說明經(jīng)過實踐檢驗，更加適合的窄間隙焊接方法被挑選出來，其研究也由提出新的窄間隙方法過渡到針對具體產(chǎn)品具體結(jié)構(gòu)的窄間隙焊解決方案。

（2）窄間隙焊可用于多種焊接方法，是一項綜合技術(shù)。專利的核心類別集中在電弧焊、縫焊、埋弧焊、TIG焊的應(yīng)用上，專利的過渡類別集中在MIG焊、等離子弧焊等方面。專利的撰寫集中于窄間隙焊接技術(shù)的兩個重要問題，即焊縫跟蹤和保證側(cè)壁熔透，同時在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上進一步提高效率。

（3）日本是窄間隙焊接技術(shù)應(yīng)用最成熟的國家，其窄間隙焊接專利申請量高達117件，占全球申請量的44%。全球窄間隙焊接技術(shù)專利申請量最多的前十位專利權(quán)人，日本占據(jù)8席，且均是重工業(yè)企業(yè)。日本的窄間隙GMAW、釬焊技術(shù)應(yīng)用非常廣泛。

（4）我國窄間隙焊接技術(shù)自2005年以后發(fā)展迅速，研究方向由窄間隙埋弧焊的開發(fā)拓展到窄間隙TIG、GMAW等焊接方法。江蘇科技大學(xué)的窄間隙焊接技術(shù)專利申請量居全國首位，DII排名第十。最適于實際生產(chǎn)的窄間隙GMAW技術(shù)應(yīng)作為我國今后發(fā)展的方向。我國的窄間隙焊接技術(shù)也應(yīng)在借鑒國外偏重于機械式的基礎(chǔ)上，利用的計算機控制技術(shù)向機械和控制相結(jié)合的方式發(fā)展。

參考文獻

[1]P M R，C M D.Narrow-gap welding process[J].British Welding Journal，1966，13（5）：252-257.

[2]志賀千晃，太田昭彥，平岡和雄等.Welding in Research Project on Frontier Structural Materials[J].溶接學(xué)會諗，1997，66（8）：609-614.endprint

[3]Traidia A，Roger F，Schroeder J，et al.On the effects of gravity and sulfur content on the weld shape in horizontal narrow gap GTAW of stainless steels[J].Journal of Materials Processing Technology，2013，213（2013）：1128-1138.

[4]Elmesalamy a S，Li L，F(xiàn)rancis J A，et al.Understanding the process parameter interactions in multiple-pass ultra-narrow-gap laser welding of thick-section stainless steels[J].Int J Adv Manuf Technol，2013，68：1-17.

[5]Sun Q J，Hun H F，Li W J，et al.Electrode tips geometry and penetrating in narrow gap welding[J].Science and Technology of Welding and Joining，2013，18（3）：198-203.

[6]Phaoniam R，Shinozaki K，Yamamoto M，et al.Development of a highly efficient hot-wire laser hybrid process for narrow-gap welding—welding phenomena and their adequate conditions[J].weld world，2013，57：607-613.

[7]Jang C，Cho P-Y，Kim M，et al.Effects of microstructure and residual stress on fatigue crack growth of stainless steel narrow gap welds[J].Materials and Design，2009，31（2010）：1862-1870.

[8]Biswas P，NRMandal，Parameswaranvasu，et al.Analysis ofweldingdistortionduetonarrow-gapweldingofupperportplug[J].FusionEngineeringandDesign，2010，85（2010）：780-788.

[9]Serizawa H，Nakamura S，Kanbe K，et al.Numerical analysis of deformation in multi-pass circumferential TIG welding with narrow gap[J].weld world，2013，57：615-623.

[10]陳雅芝.信息檢索[M]北京：清華大學(xué)出版社，2006：290-293.

[11]VOSviewer Manual[EB/OL].http：∥www.vosviewer.com/download，2013-12-15.

[12]趙博，范成磊，楊春利，等.窄間隙GMAW的研究進展[J].焊接，2008，（2）：11-15.

（本文責(zé)任編輯：孫國雷）endprint