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百家讲坛: 现代焊接技术 -吴林
主讲人简介 吴林，哈尔滨工业大学焊接教研室主任、教授、博士生导师，现代焊接生产技术国家重点实验室主任。吴林教授在智能焊接、遥控焊接、焊接自动化等方向有深入的研究，出版有《焊接手册》等专著12本，在国内外发表学术论文200余篇，获国家、部委、省科技进步奖18项。 内容简介 今天我在这里向大家简单介绍一下，一项重要的制造技术，就是现代焊接技术。可能有些人一提到焊接，就会有这样的印象，在一些街道或者城镇的旁边，看到一些修理铺，他们干的是补带，打气，焊洋铁壶。因此可能有些同学对焊接的印象就是一些简单的手工艺，好像没有什么科学技术，实际上不是这样的，经过一个多世纪的发展，焊接技术已经从古代的一种手工艺逐渐发展成为现代的焊接技术。 下面我想给同学们介绍一下焊接的基本原理，从理论上来说，两块分离的材料，我们把它需要连接的面靠在一起，如果我们把这个靠在一起的面足够紧密的话，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起，就能形成一个连接在一起的材料。 因此焊接的基本原理就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合。在这个同时，又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头。 回顾上一个世纪焊接技术的发展，在金属材料的广泛应用和大工业批生产的推动下，已经发明了许多新的焊接方法，现在可以说，所有的金属材料都能进行焊接，而且焊接的性能越来越好。因此，展望21世纪，由于非金属材料的广泛应用，必定会产生一系列新的连接方法，这就为我们焊接，特别是我们中国的焊接工作者，尤其是在座的各位年轻的焊接工作者提供了一个非常巨大的发展空间，希望我们在这个世纪，能够在焊接技术上，对世界焊接技术做出越来越大的贡献，谢谢大家。 全文 今天我在这里向大家简单介绍一下，一项重要的制造技术，就是现代焊接技术。可能有些人一提到焊接，就会有这样的印象，在一些街道或者城镇的旁边，看到一些修理铺，他们干的是补带，打气，焊洋铁壶。因此可能有些同学对焊接的印象就是一些简单的手工艺，好像没有什么科学技术，实际上不是这样的，经过一个多世纪的发展，焊接技术已经从古代的一种手工艺逐渐发展成为现代的焊接技术。下面，请大家先看一段录像。 这个画面大家很熟悉，是我们“神舟号”发射的场景，这是“神舟号”的返回舱，回收以后运回基地。这是我们国家自行设计和研制的导弹驱逐舰，正在进行军事演习。这是这些军舰的一个造船过程，大家可以看到，焊接是一个非常主要的工艺，这是在船厂上面用的多头火焰切割，它一次可以切割几十条缝。这是石油化工企业用的球罐，大家可以看到，这个就是焊缝，球罐都是焊接起来的，这是咱们常常看到的汽车厂焊接的车身，是点焊系统，由点焊机器人的点焊钳子一点一点地、自动化地进行焊接。 因此我想咱们看了这么一个很小的一个录像，在这个录像里面我们看到的“神舟号”的飞船，运载“神舟号”的长征系列的火箭；我国自行设计和制造的导弹驱逐舰和我们在军事演习当中看到的“海鹰号”的导弹；以及石油化工企业大型的球罐，批量生产的汽车车身等等都采用的是全焊结构。所以可以这么说，现在全世界所有大工业的产业，像航天航空、造船、通讯、家用电器、大型电站、冶金、微电子、武器装备等等，焊接都是最主要的工艺。 我们现在国家正在进行的大型工程，举世瞩目的三峡工程，三峡工程28台七十万千瓦的水轮发电机组，采用的是全焊结构。现在正在进行的几千公里长的西气东输的管道工程，管道的制造，在厂房里边的制造和在野外的焊接，焊接都是最主要的工艺。我想能不能够这么说，现在世界上从外层空间到深海水下，从一百万吨的大油轮到集成电路片是头发丝的几十分之一，这么粗的细线的集成电路片的引线，焊接都是主要工艺。 而且，焊接又是一个安全要求非常高的一种先进工艺。因为大家都知道，如果焊接质量要出现问题，所造成的危害是毁灭性的。从最近你们看到一些报纸上面，咱们就可以看到，比方讲咱们四川重庆的綦虹桥，突然断裂，是焊接质量问题，韩国的汉江大桥突然断裂，也是焊接质量问题。所以，焊接是一项要求极为严格的制造技术，它有许多规定的标准，所有的焊接工程师和焊工要上岗焊接，需要经过严格的考试和发证，而且现在正在逐渐制定世界标准。因此，焊接技术现在还有很多的科学规律需要探索，还有很多的一些技术问题需要去创新，它是一项现在正在发展很快的一项高科技。 今天这个讲座我想给大家介绍三个问题：第一个问题，什么是焊接；第二个问题，我想简要的介绍几种常用的现代焊接方法；第三个问题，我想谈一谈现代焊接技术的若干新发展。 什么是焊接？焊接是现代制造技术的重要内容。我们都知道，制造技术是人类创造财富的基本手段，是生产力的核心内容，也是国强民富的技术基础。制造技术有很多种，我想现在简单地可以归纳一下，制造技术能不能够归纳成三种基本功能，这就是成形、焊接和改性。 因为任何机器都是由零部件构成的，而零部件都是需要按照设计的要求加工而成的，加工成所要求的形状，同时要保证它的尺寸精度，这个就是成形，比方讲我们比较熟悉的机械加工，属于冷加工，车、铣、铇、磨、锻，实际上都是成形工序，比方讲我们所熟悉的铸造、锻压也是成形工序。 改性就是用各种方法，改进加工零件的性能和延长加工零件的寿命，我们比较常见的像热处理，一个轴承没有经过热处理，可能只能运行几百个小时，经过热处理以后它就可以延长到几千个小时；像化学处理，比如电镀防锈，还有我们现在非常重视的表面工程，也就是表面改性等等，这些都属于改性。 连接现在也有很多方法，如焊接, 机械的连接，最简单机械连接就是螺钉的连接，还有铆接，还有胶接等等，但是所有连接方法，焊接是应用最广的，最重要的金属材料的永久连接方法，它是采用外加能量的方法，来促使分离的材料永久地连接在一起，所以我们有时候也把焊接叫做熔接。焊接是金属连接最重要的方法，因为它的优点非常突出，它连接的部件和材料能够实现高性能，在一般的情况下，它可以达到和连接母材等强度、等刚度、等塑性、等韧性。也就是说用焊接方法连接起来的部件或者是材料，能和材料的原来的性能完全一样，特别是它的动载性能好，所以在一些运动载体上运用焊接特别普遍。它有非常高的可靠性，因为它是永久地连接在一起，可以在很长的寿命期间内，安全地工作。它有非常高的适应性，焊接在各种环境下，都能进行连接，我们刚才看到的还是在厂房条件下，实际上很多焊接都是在野外实现的，现在进一步的焊接可以在深水下，甚至于到外层空间去进行焊接，所以它的适应性是在所有连接方法里边最广的。同时，它有很高的效率，焊接完全适应大规模的批生产。因此这种方法出现之后，就受到了科学工作者和技术工作者的注意，它的应用面，已经涉及到机器制造业的所有部门，而且现在正在往其他领域扩张，比方讲医疗领域等等。 下面，我想举一个数字来说明焊接的应用，西方国家尤其是西方的发达国家，它每年钢产量的50％到60％需要进行焊接加工，我们国家去年2001年，钢产量达到1.3亿吨，在这个1.3亿吨生产出来的钢材中，据初步统计，四千万吨需要焊接，因此焊接已经成为一门独立的学科，一项高科技，同时又是一个非常重要的产业。 下面我想给同学们介绍一下焊接的基本原理，从理论上来说，两块分离的材料，我们把它需要连接的面靠在一起，如果我们把这个靠在一起的面足够紧密的话，所谓足够紧密就是把这两个分离的表面，它的距离能够接近到一个原子的距离，也就是0.4到0.5个纳米，这种情况下，这个材料按照它的物理本性，就能连接在一起，就能形成一个连接在一起的材料。但是实际上，在常温下，在一般情况下我们做不到，为什么？因为即使把这两个要结合的表面采用精加工的办法，我们用显微镜，从微观上来看，这个表面上依然是凹凸不平的，尤其重要的是由于材料在大气当中受到大气里边氧气的化学作用，材料放在空气中，不要几秒钟，就会在表面形成氧化膜，随着时间的延长这个氧化膜会不断的增厚，同时材料表面上也很难做到没有其他的杂物，比方讲有水分，有杂质，有油，形成附加层，这种氧化膜和附加层极大地阻碍材料的连接。 因此焊接的基本原理就是采用施加外部能量的办法，促使分离材料的原子接近，形成原子键的结合，在这个同时，又能去除掉一切阻碍原子键结合的一切表面膜和吸附层，以形成一个优质的焊接接头，实际上我们在焊接技术里边，常常采用的施加外部能量的方法，就是一、加热，把材料加热到熔化状态，或者把材料加热到塑性状态，二、加压，使这个材料产生塑性流动。 这张画面，我想给同学们来介绍几种形成焊接接头的机理，大家看到这个箭头，第一个焊接接头大家很清楚，是熔化焊的焊接接头，那么这是个典型的熔化焊的焊接接头,这个部分是熔化焊缝，外面是热影响区，两边是母材，这种焊接接头的形成机理，大体上可以说是这么几个过程，首先用外部的热源把材料和填充材料熔化，在熔池当中，产生物理化学反应，这种物理化学反应就是能够去除它的一切杂质和氧化膜附加层，然后再结晶，相变， 最后形成一个键结合。 第二种类型就是塑性变形连接，你们看这个焊接接头没有熔化焊接头那个熔池断面，它基本上看不出有接头，这种连接机理是两边加大的压力，使这个材料产生塑性变形，塑性变形会挤出里边接合面的杂质，实现紧密连接，经过扩散和化学作用形成一个塑性变形为主的连接接头。 第三种类型就是两个分离的元件采用扩散的办法来进行连接，实际上采用扩散的办法有时候看不到焊缝，看不到接头，它的过程是首先进行接触，加压，然后加热到高温，加热到多少温度，看不同材料来定，然后经过长时间的扩散，原子之间互相渗透最后形成键连接，这就是扩散连接的机理。 第四种，就是钎焊连接的机理，它是采用一种比母材低熔点的第三种金属，把这个金属加热,利用表面张力把它润湿到要被焊的表面上，这个润湿的金属和要被结合的面产生化学反应，实现去除氧化膜、氧化皮等等，同时利用毛细管的填缝作用，也就是利用表面张力的吸附作用，这个熔化的第三种金属会填缝，钻到这两个接合面的中间去，形成一个接头，这个就是钎焊的接头。 当然，焊接接头的形成机理还有一些，但是我想，比较初步的了解焊接，这四种连接机理是比较典型的。可能同学们也都知道，一个优秀的焊工是非常不容易的，要经过很高成本的培训，看起来一个焊工操作一根焊条来进行焊接并不复杂，实际上要求焊工眼睛要看着熔池，好的焊工能够观测出来熔池里边的一些反应，比方讲如果有夹渣夹在里面，好的焊工就能发现，能够通过一些手法把夹渣熔出来，他还能够发现气孔，二氧化碳气孔、氢气孔，他也能够用熔化的办法，用多停留的办法把这个气孔排出来。 手操作着焊条，要操作得非常稳，使它的弧长要保持高度的一致，焊条往前移动的速度要非常均匀，焊枪的角度要把握得非常准确，等等。还要用耳朵听声音，有经验的焊工就能听出来焊接过程是否平稳，飞溅是不是多了，等等。因此，手工焊对焊工的要求是非常高的，同样一个焊条，同样一种材料，不同的焊工焊出来的结果可能会天差地别。 手工焊条焊接的方法，它最大的优点是非常高的灵活性，手工焊接可以平焊，还可以仰焊，还可以立焊，立焊里边还可以从上往下焊，也可以从下往上焊。但是，这些不同位置，不同材料的焊接都需要采用不同的焊条。到目前为止，按照我国国家标准，能生产出来的焊条已经达到三百多种。手工焊尽管有非常好的灵活性，也很容易实现，但是它从总体上来讲还有很多致命的弱点，因为这种手工操作很难保证质量的均匀性，尤其是在大规模生产当中，人很容易受到各种各样的干扰因素，情绪不好了，身体不好了，都会影响他的焊接质量。因此，自动焊是焊接发展的一个方向。 下面我想介绍一下埋弧自动焊，埋弧自动焊是在1940年发明的一种新的焊接方法，它和前面的手工焊相同的地方是它还是采用渣保护，但是这个渣不是焊条的药皮，是专门熔炼出来的焊药。这个焊药系统由一个漏斗装的焊药通过一个管道输送到要焊接的前面。第二个不同是不采用焊条，采用焊丝，因为焊丝可以连续送给；焊条，我们烧完一根焊条总得有一个焊条头就给扔了，而且操作得停下来，换焊条然后再焊。改成焊丝以后，用送焊丝的装置和焊丝盘，连续地送给焊丝，这种焊接方法是连续送进的焊丝，在可熔化的颗粒状的焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和焊剂的一部分熔化和蒸发构成一个空腔，电弧是在空腔里面稳定燃烧，所以把它称之为埋弧自动焊。电弧是埋在空腔里边的，这种方法，第一个优点是完全实现了自动化；第二个优点，它是在埋弧底下进行焊接，所以它的热交换和保护性能比较强，焊接出来的质量比较高；第三个优点，由于埋弧自动焊中电弧埋在焊药底下，所以它可以采用大电流，焊接效率比较高，最近我们国家正在进行的西气东输管道工程，管道是一种高强钢，这种管道在工厂里边先预制成一段，然后再拿到工地上，在野外焊接，这种管道在工厂制作的焊接的工艺就是采用埋弧焊，现在埋弧焊已经发展成为，有双丝埋弧焊，还有多丝埋弧焊，效率更进一步提高。 电弧焊的另外一种类型，就是气体保护焊，气体保护焊的道理很容易理解，我们前面讲的是采用渣来进行保护，使熔池和焊缝金属能够得到一个优良的品质，后来人家就发现了采用气体来进行保护有更多的优越性。这张画面，就是气体保护焊的原理图，它仍然是电弧的燃烧形成熔池，只是在电极的外面，通过焊嘴输送气体，一般的情况下我们采用惰性气体，也就是采用氩气，因为氩气和其他一些元素都不发生任何化学反应，而且氩气比较重，它能够比较干净地排除掉空气，当然现在有些地方也采用活性气体，所谓活性气体就是叫“Active”的气体，就是在氩气中间加3%到5％的二氧化碳。加了这部分的二氧化碳以后，气体就不是完全具有惰性气体的这种性能，它还带有一部分的活性，这种活性气体作用下，能够使黑色金属在焊接的时候，焊缝看起来很漂亮、很舒展。 激光焊也是最近这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，它是用激光来加热，所以它可以穿透透明介质，能够焊到透明介质容器的里边去，这是其他焊接方法难以做到的，这种方法也被利用到医学里边，比方讲我们有些患者视网膜脱落，视网膜是在眼球的后面，视网膜脱落以后眼睛就会失明，现在就用激光的办法，透过眼球焊到眼球后面，把这个视网膜和眼球焊起来，这个已经是很成功的手术了。第二个它的优点是不需要真空保护，因此，现在得到了非常广泛的应用。 下面我想给大家放一段录像，机器人激光切割、机器人激光焊接和机器人激光雕刻，这就是激光光刻，这是集成电路片上面刻它的厂名和它的型号，采用激光光刻，可以防伪。激光还可以做艺术加工，激光在切割铜，激光在焊首饰，是手工操作的，所以可能技术要求很高，上边是激光光源，这是银焊丝，是把金刚石焊到首饰上面去。 第四，现代焊接技术的发展，就是极限环境下的焊接正在开展，水下焊接，因为现在近海油田，水下建筑，水下管道越来越多，所以水下焊接已经有迫切需要，现在焊接技术，已经能够解决一部分水下焊接的问题，水下焊接一般还是采用弧焊的办法，分为两种，一种是干法，一种是湿法。所谓湿法，就是潜水员下去，拿了焊条在水下进行焊接，靠电弧产生的热量，能够排出一部分水，产生气体，形成一个空泡，然后在空泡里面进行焊接，但是这样的深度，一般在几十米深度。还有一种是干法的水下焊接，就是有一个装置容器，潜下去以后把水排开，然后进行焊接。现在西方国家已经能够焊到三百米水深，我们国家能够达到二百米左右。 还有一个就是空间焊接，这张图就是1970年前苏联的宇航员在联盟号空间站人类第一次在空间站进行焊接实验，手里边拿着这把焊枪是一把经过特制的电子束焊枪，这个宇航员是位女同志，是位女宇航员，现在人类在空间的活动越来越多，空间站是个方向。我们国家现在也在往这个方向走，但是空间站几百吨重的空间站，不可能一次用运载火箭发射上去，所以都是采用蚂蚁搬家的办法，一次发射一块，一次发射一块，然后在空间把它连接起来，因此焊接就成为一个需要的一种工艺，再加上空间站现在要求寿命越来越高，一般空间站现在要求能够在空间的寿命要超过25年，在穿梭对接时发生碰撞，在宇宙空间有各种各样的粒子流的撞击，空间站本身的变形、维修、堵漏，也是一个很现实的问题。所以现在世界各国都在开展空间焊接。美国现在是趋向于采用激光，因为美国的激光研究是领先的，它想采用激光的办法来进行焊接。日本现在也在进行研究，日本的研究是采用电弧焊的办法，就是咱们说的气体保护焊，它把钨极，打个孔，是一种空心钨极的氩弧焊方法。我们国家现在也在开始这方面的实验。因此，极限环境下的焊接已成为目前发展的一个热点。 这个就是日本北海道的一个装置，空间焊接必须要在地面进行模拟，那么在地面模拟空间的温度变化等都容易进行。问题就是失重的模拟很困难，俄罗斯采用飞机来俯冲，俯冲过程当中有一段失重来进行实验，日本现在采用自由落体的实验办法，它在北海道，利用了一口710米深的废矿井，经过改装以后来做失重的模拟实验，这是它的失重装置，焊机就放在这里头，这个装置，自由落体，落下来，中间大概有十几秒钟的失重状态，然后就要减速、刹车、再停下来。 我们现在焊接专业和国家实验室正在跟俄罗斯、乌克兰和日本共同探讨进行协作，把中国的空间焊接的研究也能开展起来。 回顾上一个世纪焊接技术的发展，在金属材料的广泛应用和大工业批生产的推动下，已经发明了许多新的焊接方法，现在可以说，所有的金属材料都能进行焊接，而且焊接的性能越来越好。焊接是一项应用技术，它是在多门基础学科，比如物理、化学、冶金学、电学等基础上发展起来的，在焊接过程中，存在着许多科学规律问题，所以焊接是一门多学科的融合，目前焊接学主要由三个部分构成，焊接方法学，焊接材料学和焊接结构学，我刚才给大家介绍的只是涉及到焊接方法学的一部分，随着信息科学的发展，现代制造业正在发生巨大的变化，信息科学的许多装备和产品需要用焊接技术来制造，但是信息科学又正在改变焊接技术本身，使它成为一个高科技的加工手段。21世纪是材料多元化的时代，传统的金属材料仍然会唱主角，但是非金属材料会快速发展，比如像陶瓷、高强塑料、复合材料等等，非金属材料的连接目前已成为迫切需要。因此展望21世纪，由于非金属材料的广泛应用，必定会产生一系列新的连接方法，这就为我们焊接，特别是我们中国的焊接工作者，尤其是在座的各位年轻的焊接工作者提供了一个非常巨大的发展空间，希望我们在这个世纪，能够在焊接技术上，对世界焊接技术做出越来越大的贡献，谢谢大家。 |
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