主講人簡 介
吳林，哈爾濱工業(yè)大學焊接教研室主任、教授、博士生導師，現(xiàn)代焊接生產(chǎn)技術(shù)國家重點實驗室主任。吳林教授在智能焊接、遙控焊接、焊接自動化等方向有深入的研究，出版有《焊接手冊》等專著12本，在國內(nèi)外發(fā)表學術(shù)論文200余篇，獲國家、部委、省科技進步獎18項。
內(nèi)容簡介
今天我在這里向大家簡單介紹一下，一項重要的制造技術(shù)，就是現(xiàn)代焊接技術(shù)。可能有些人一提到焊接，就會有這樣的印象，在一些街道或者城鎮(zhèn)的旁邊，看到一些修理鋪，他們干的是補帶，打氣，焊洋鐵壺。因此可能有些同學對焊接的印象就是一些簡單的手工藝，好像沒有什么科學技術(shù)，實際上不是這樣的，經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)從古代的一種手工藝逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代的焊接技術(shù)。
下面我想給同學們介紹一下焊接的基本原理，從理論上來說，兩塊分離的材料，我們把它需要連接的面靠在一起，如果我們把這個靠在一起的面足夠緊密的話，這種情況下，這個材料按照它的物理本性，就能連接在一起，就能形成一個連接在一起的材料。
因此焊接的基本原理就是采用施加外部能量的辦法，促使分離材料的原子接近，形成原子鍵的結(jié)合。在這個同時，又能去除掉一切阻礙原子鍵結(jié)合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。
回顧上一個世紀焊接技術(shù)的發(fā)展，在金屬材料的廣泛應用和大工業(yè)批生產(chǎn)的推動下，已經(jīng)發(fā)明了許多新的焊接方法，現(xiàn)在可以說，所有的金屬材料都能進行焊接，而且焊接的性能越來越好。因此，展望21世紀，由于非金屬材料的廣泛應用，必定會產(chǎn)生一系列新的連接方法，這就為我們焊接，特別是我們中國的焊接工作者，尤其是在座的各位年輕的焊接工作者提供了一個非常巨大的發(fā)展空間，希望我們在這個世紀，能夠在焊接技術(shù)上，對世界焊接技術(shù)做出越來越大的貢獻，謝謝大家。
全文
今天我在這里向大家簡單介紹一下，一項重要的制造技術(shù)，就是現(xiàn)代焊接技術(shù)?？赡苡行┤艘惶岬胶附?，就會有這樣的印象，在一些街道或者城鎮(zhèn)的旁邊，看到一些修理鋪，他們干的是補帶，打氣，焊洋鐵壺。因此可能有些同學對焊接的印象就是一些簡單的手工藝，好像沒有什么科學技術(shù)，實際上不是這樣的，經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，焊接技術(shù)已經(jīng)從古代的一種手工藝逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代的焊接技術(shù)。下面，請大家先看一段錄像。
這個畫面大家很熟悉，是我們“神舟號”發(fā)射的場景，這是“神舟號”的返回艙，回收以后運回基地。這是我們國家自行設計和研制的導彈驅(qū)逐艦，正在進行軍事演習。這是這些軍艦的一個造船過程，大家可以看到，焊接是一個非常主要的工藝，這是在船廠上面用的多頭火焰切割，它一次可以切割幾十條縫。這是石油化工企業(yè)用的球罐，大家可以看到，這個就是焊縫，球罐都是焊接起來的，這是咱們常?？吹降钠噺S焊接的車身，是點焊系統(tǒng)，由點焊機器人的點焊鉗子一點一點地、自動化地進行焊接。
因此我想咱們看了這么一個很小的一個錄像，在這個錄像里面我們看到的“神舟號”的飛船，運載“神舟號”的長征系列的火箭；我國自行設計和制造的導彈驅(qū)逐艦和我們在軍事演習當中看到的“海鷹號”的導彈；以及石油化工企業(yè)大型的球罐，批量生產(chǎn)的汽車車身等等都采用的是全焊結(jié)構(gòu)。所以可以這么說，現(xiàn)在全世界所有大工業(yè)的產(chǎn)業(yè)，像航天航空、造船、通訊、家用電器、大型電站、冶金、微電子、武器裝備等等，焊接都是最主要的工藝。
我們現(xiàn)在國家正在進行的大型工程，舉世矚目的三峽工程，三峽工程28臺七十萬千瓦的水輪發(fā)電機組，采用的是全焊結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在正在進行的幾千公里長的西氣東輸?shù)墓艿拦こ?，管道的制造，在廠房里邊的制造和在野外的焊接，焊接都是最主要的工藝。我想能不能夠這么說，現(xiàn)在世界上從外層空間到深海水下，從一百萬噸的大油輪到集成電路片是頭發(fā)絲的幾十分之一，這么粗的細線的集成電路片的引線，焊接都是主要工藝。
而且，焊接又是一個安全要求非常高的一種先進工藝。因為大家都知道，如果焊接質(zhì)量要出現(xiàn)問題，所造成的危害是毀滅性的。從最近你們看到一些報紙上面，咱們就可以看到，比方講咱們四川重慶的綦虹橋，突然斷裂，是焊接質(zhì)量問題，韓國的漢江大橋突然斷裂，也是焊接質(zhì)量問題。所以，焊接是一項要求極為嚴格的制造技術(shù)，它有許多規(guī)定的標準，所有的焊接工程師和焊工要上崗焊接，需要經(jīng)過嚴格的考試和發(fā)證，而且現(xiàn)在正在逐漸制定世界標準。因此，焊接技術(shù)現(xiàn)在還有很多的科學規(guī)律需要探索，還有很多的一些技術(shù)問題需要去創(chuàng)新，它是一項現(xiàn)在正在發(fā)展很快的一項高科技。
今天這個講座我想給大家介紹三個問題：第一個問題，什么是焊接；第二個問題，我想簡要的介紹幾種常用的現(xiàn)代焊接方法；第三個問題，我想談一談現(xiàn)代焊接技術(shù)的若干新發(fā)展。
什么是焊接？焊接是現(xiàn)代制造技術(shù)的重要內(nèi)容。我們都知道，制造技術(shù)是人類創(chuàng)造財富的基本手段，是生產(chǎn)力的核心內(nèi)容，也是國強民富的技術(shù)基礎。制造技術(shù)有很多種，我想現(xiàn)在簡單地可以歸納一下，制造技術(shù)能不能夠歸納成三種基本功能，這就是成形、焊接和改性。
因為任何機器都是由零部件構(gòu)成的，而零部件都是需要按照設計的要求加工而成的，加工成所要求的形狀，同時要保證它的尺寸精度，這個就是成形，比方講我們比較熟悉的機械加工，屬于冷加工，車、銑、铇、磨、鍛，實際上都是成形工序，比方講我們所熟悉的鑄造、鍛壓也是成形工序。
改性就是用各種方法，改進加工零件的性能和延長加工零件的壽命，我們比較常見的像熱處理，一個軸承沒有經(jīng)過熱處理，可能只能運行幾百個小時，經(jīng)過熱處理以后它就可以延長到幾千個小時；像化學處理，比如電鍍防銹，還有我們現(xiàn)在非常重視的表面工程，也就是表面改性等等，這些都屬于改性。
連接現(xiàn)在也有很多方法，如焊接, 機械的連接，最簡單機械連接就是螺釘?shù)倪B接，還有鉚接，還有膠接等等，但是所有連接方法，焊接是應用最廣的，最重要的金屬材料的永久連接方法，它是采用外加能量的方法，來促使分離的材料永久地連接在一起，所以我們有時候也把焊接叫做熔接。焊接是金屬連接最重要的方法，因為它的優(yōu)點非常突出，它連接的部件和材料能夠?qū)崿F(xiàn)高性能，在一般的情況下，它可以達到和連接母材等強度、等剛度、等塑性、等韌性。也就是說用焊接方法連接起來的部件或者是材料，能和材料的原來的性能完全一樣，特別是它的動載性能好，所以在一些運動載體上運用焊接特別普遍。它有非常高的可靠性，因為它是永久地連接在一起，可以在很長的壽命期間內(nèi)，安全地工作。它有非常高的適應性，焊接在各種環(huán)境下，都能進行連接，我們剛才看到的還是在廠房條件下，實際上很多焊接都是在野外實現(xiàn)的，現(xiàn)在進一步的焊接可以在深水下，甚至于到外層空間去進行焊接，所以它的適應性是在所有連接方法里邊最廣的。同時，它有很高的效率，焊接完全適應大規(guī)模的批生產(chǎn)。因此這種方法出現(xiàn)之后，就受到了科學工作者和技術(shù)工作者的注意，它的應用面，已經(jīng)涉及到機器制造業(yè)的所有部門，而且現(xiàn)在正在往其他領(lǐng)域擴張，比方講醫(yī)療領(lǐng)域等等。
下面，我想舉一個數(shù)字來說明焊接的應用，西方國家尤其是西方的發(fā)達國家，它每年鋼產(chǎn)量的50％到60％需要進行焊接加工，我們國家去年2001年，鋼產(chǎn)量達到1.3億噸，在這個1.3億噸生產(chǎn)出來的鋼材中，據(jù)初步統(tǒng)計，四千萬噸需要焊接，因此焊接已經(jīng)成為一門獨立的學科，一項高科技，同時又是一個非常重要的產(chǎn)業(yè)。
下面我想給同學們介紹一下焊接的基本原理，從理論上來說，兩塊分離的材料，我們把它需要連接的面靠在一起，如果我們把這個靠在一起的面足夠緊密的話，所謂足夠緊密就是把這兩個分離的表面，它的距離能夠接近到一個原子的距離，也就是0.4到0.5個納米，這種情況下，這個材料按照它的物理本性，就能連接在一起，就能形成一個連接在一起的材料。但是實際上，在常溫下，在一般情況下我們做不到，為什么？因為即使把這兩個要結(jié)合的表面采用精加工的辦法，我們用顯微鏡，從微觀上來看，這個表面上依然是凹凸不平的，尤其重要的是由于材料在大氣當中受到大氣里邊氧氣的化學作用，材料放在空氣中，不要幾秒鐘，就會在表面形成氧化膜，隨著時間的延長這個氧化膜會不斷的增厚，同時材料表面上也很難做到?jīng)]有其他的雜物，比方講有水分，有雜質(zhì)，有油，形成附加層，這種氧化膜和附加層極大地阻礙材料的連接。
因此焊接的基本原理就是采用施加外部能量的辦法，促使分離材料的原子接近，形成原子鍵的結(jié)合，在這個同時，又能去除掉一切阻礙原子鍵結(jié)合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，實際上我們在焊接技術(shù)里邊，常常采用的施加外部能量的方法，就是一、加熱，把材料加熱到熔化狀態(tài)，或者把材料加熱到塑性狀態(tài)，二、加壓，使這個材料產(chǎn)生塑性流動。
這張畫面，我想給同學們來介紹幾種形成焊接接頭的機理，大家看到這個箭頭，第一個焊接接頭大家很清楚，是熔化焊的焊接接頭，那么這是個典型的熔化焊的焊接接頭,這個部分是熔化焊縫，外面是熱影響區(qū)，兩邊是母材，這種焊接接頭的形成機理，大體上可以說是這么幾個過程，首先用外部的熱源把材料和填充材料熔化，在熔池當中，產(chǎn)生物理化學反應，這種物理化學反應就是能夠去除它的一切雜質(zhì)和氧化膜附加層，然后再結(jié)晶，相變， 最后形成一個鍵結(jié)合。
第二種類型就是塑性變形連接，你們看這個焊接接頭沒有熔化焊接頭那個熔池斷面，它基本上看不出有接頭，這種連接機理是兩邊加大的壓力，使這個材料產(chǎn)生塑性變形，塑性變形會擠出里邊接合面的雜質(zhì)，實現(xiàn)緊密連接，經(jīng)過擴散和化學作用形成一個塑性變形為主的連接接頭。
第三種類型就是兩個分離的元件采用擴散的辦法來進行連接，實際上采用擴散的辦法有時候看不到焊縫，看不到接頭，它的過程是首先進行接觸，加壓，然后加熱到高溫，加熱到多少溫度，看不同材料來定，然后經(jīng)過長時間的擴散，原子之間互相滲透最后形成鍵連接，這就是擴散連接的機理。
第四種，就是釬焊連接的機理，它是采用一種比母材低熔點的第三種金屬，把這個金屬加熱,利用表面張力把它潤濕到要被焊的表面上，這個潤濕的金屬和要被結(jié)合的面產(chǎn)生化學反應，實現(xiàn)去除氧化膜、氧化皮等等，同時利用毛細管的填縫作用，也就是利用表面張力的吸附作用，這個熔化的第三種金屬會填縫，鉆到這兩個接合面的中間去，形成一個接頭，這個就是釬焊的接頭。
當然，焊接接頭的形成機理還有一些，但是我想，比較初步的了解焊接，這四種連接機理是比較典型的?？赡芡瑢W們也都知道，一個優(yōu)秀的焊工是非常不容易的，要經(jīng)過很高成本的培訓，看起來一個焊工操作一根焊條來進行焊接并不復雜，實際上要求焊工眼睛要看著熔池，好的焊工能夠觀測出來熔池里邊的一些反應，比方講如果有夾渣夾在里面，好的焊工就能發(fā)現(xiàn)，能夠通過一些手法把夾渣熔出來，他還能夠發(fā)現(xiàn)氣孔，二氧化碳氣孔、氫氣孔，他也能夠用熔化的辦法，用多停留的辦法把這個氣孔排出來。
手操作著焊條，要操作得非常穩(wěn)，使它的弧長要保持高度的一致，焊條往前移動的速度要非常均勻，焊槍的角度要把握得非常準確，等等。還要用耳朵聽聲音，有經(jīng)驗的焊工就能聽出來焊接過程是否平穩(wěn)，飛濺是不是多了，等等。因此，手工焊對焊工的要求是非常高的，同樣一個焊條，同樣一種材料，不同的焊工焊出來的結(jié)果可能會天差地別。
手工焊條焊接的方法，它最大的優(yōu)點是非常高的靈活性，手工焊接可以平焊，還可以仰焊，還可以立焊，立焊里邊還可以從上往下焊，也可以從下往上焊。但是，這些不同位置，不同材料的焊接都需要采用不同的焊條。到目前為止，按照我國國家標準，能生產(chǎn)出來的焊條已經(jīng)達到三百多種。手工焊盡管有非常好的靈活性，也很容易實現(xiàn)，但是它從總體上來講還有很多致命的弱點，因為這種手工操作很難保證質(zhì)量的均勻性，尤其是在大規(guī)模生產(chǎn)當中，人很容易受到各種各樣的干擾因素，情緒不好了，身體不好了，都會影響他的焊接質(zhì)量。因此，自動焊是焊接發(fā)展的一個方向。
下面我想介紹一下埋弧自動焊，埋弧自動焊是在1940年發(fā)明的一種新的焊接方法，它和前面的手工焊相同的地方是它還是采用渣保護，但是這個渣不是焊條的藥皮，是專門熔煉出來的焊藥。這個焊藥系統(tǒng)由一個漏斗裝的焊藥通過一個管道輸送到要焊接的前面。第二個不同是不采用焊條，采用焊絲，因為焊絲可以連續(xù)送給；焊條，我們燒完一根焊條總得有一個焊條頭就給扔了，而且操作得停下來，換焊條然后再焊。改成焊絲以后，用送焊絲的裝置和焊絲盤，連續(xù)地送給焊絲，這種焊接方法是連續(xù)送進的焊絲，在可熔化的顆粒狀的焊劑覆蓋下引燃電弧，使焊絲、母材和焊劑的一部分熔化和蒸發(fā)構(gòu)成一個空腔，電弧是在空腔里面穩(wěn)定燃燒，所以把它稱之為埋弧自動焊。電弧是埋在空腔里邊的，這種方法，第一個優(yōu)點是完全實現(xiàn)了自動化；第二個優(yōu)點，它是在埋弧底下進行焊接，所以它的熱交換和保護性能比較強，焊接出來的質(zhì)量比較高；第三個優(yōu)點，由于埋弧自動焊中電弧埋在焊藥底下，所以它可以采用大電流，焊接效率比較高，最近我們國家正在進行的西氣東輸管道工程，管道是一種高強鋼，這種管道在工廠里邊先預制成一段，然后再拿到工地上，在野外焊接，這種管道在工廠制作的焊接的工藝就是采用埋弧焊，現(xiàn)在埋弧焊已經(jīng)發(fā)展成為，有雙絲埋弧焊，還有多絲埋弧焊，效率更進一步提高。
電弧焊的另外一種類型，就是氣體保護焊，氣體保護焊的道理很容易理解，我們前面講的是采用渣來進行保護，使熔池和焊縫金屬能夠得到一個優(yōu)良的品質(zhì)，后來人家就發(fā)現(xiàn)了采用氣體來進行保護有更多的優(yōu)越性。這張畫面，就是氣體保護焊的原理圖，它仍然是電弧的燃燒形成熔池，只是在電極的外面，通過焊嘴輸送氣體，一般的情況下我們采用惰性氣體，也就是采用氬氣，因為氬氣和其他一些元素都不發(fā)生任何化學反應，而且氬氣比較重，它能夠比較干凈地排除掉空氣，當然現(xiàn)在有些地方也采用活性氣體，所謂活性氣體就是叫“Active”的氣體，就是在氬氣中間加3%到5％的二氧化碳。加了這部分的二氧化碳以后，氣體就不是完全具有惰性氣體的這種性能，它還帶有一部分的活性，這種活性氣體作用下，能夠使黑色金屬在焊接的時候，焊縫看起來很漂亮、很舒展。
激光焊也是最近這些年發(fā)展起來的一種高能量的焊接方法，它是用激光來加熱，所以它可以穿透透明介質(zhì)，能夠焊到透明介質(zhì)容器的里邊去，這是其他焊接方法難以做到的，這種方法也被利用到醫(yī)學里邊，比方講我們有些患者視網(wǎng)膜脫落，視網(wǎng)膜是在眼球的后面，視網(wǎng)膜脫落以后眼睛就會失明，現(xiàn)在就用激光的辦法，透過眼球焊到眼球后面，把這個視網(wǎng)膜和眼球焊起來，這個已經(jīng)是很成功的手術(shù)了。第二個它的優(yōu)點是不需要真空保護，因此，現(xiàn)在得到了非常廣泛的應用。
下面我想給大家放一段錄像，機器人激光切割、機器人激光焊接和機器人激光雕刻，這就是激光光刻，這是集成電路片上面刻它的廠名和它的型號，采用激光光刻，可以防偽。激光還可以做藝術(shù)加工，激光在切割銅，激光在焊首飾，是手工操作的，所以可能技術(shù)要求很高，上邊是激光光源，這是銀焊絲，是把金剛石焊到首飾上面去。
第四，現(xiàn)代焊接技術(shù)的發(fā)展，就是極限環(huán)境下的焊接正在開展，水下焊接，因為現(xiàn)在近海油田，水下建筑，水下管道越來越多，所以水下焊接已經(jīng)有迫切需要，現(xiàn)在焊接技術(shù)，已經(jīng)能夠解決一部分水下焊接的問題，水下焊接一般還是采用弧焊的辦法，分為兩種，一種是干法，一種是濕法。所謂濕法，就是潛水員下去，拿了焊條在水下進行焊接，靠電弧產(chǎn)生的熱量，能夠排出一部分水，產(chǎn)生氣體，形成一個空泡，然后在空泡里面進行焊接，但是這樣的深度，一般在幾十米深度。還有一種是干法的水下焊接，就是有一個裝置容器，潛下去以后把水排開，然后進行焊接?，F(xiàn)在西方國家已經(jīng)能夠焊到三百米水深，我們國家能夠達到二百米左右。
還有一個就是空間焊接，這張圖就是1970年前蘇聯(lián)的宇航員在聯(lián)盟號空間站人類第一次在空間站進行焊接實驗，手里邊拿著這把焊槍是一把經(jīng)過特制的電子束焊槍，這個宇航員是位女同志，是位女宇航員，現(xiàn)在人類在空間的活動越來越多，空間站是個方向。我們國家現(xiàn)在也在往這個方向走，但是空間站幾百噸重的空間站，不可能一次用運載火箭發(fā)射上去，所以都是采用螞蟻搬家的辦法，一次發(fā)射一塊，一次發(fā)射一塊，然后在空間把它連接起來，因此焊接就成為一個需要的一種工藝，再加上空間站現(xiàn)在要求壽命越來越高，一般空間站現(xiàn)在要求能夠在空間的壽命要超過25年，在穿梭對接時發(fā)生碰撞，在宇宙空間有各種各樣的粒子流的撞擊，空間站本身的變形、維修、堵漏，也是一個很現(xiàn)實的問題。所以現(xiàn)在世界各國都在開展空間焊接。美國現(xiàn)在是趨向于采用激光，因為美國的激光研究是領(lǐng)先的，它想采用激光的辦法來進行焊接。日本現(xiàn)在也在進行研究，日本的研究是采用電弧焊的辦法，就是咱們說的氣體保護焊，它把鎢極，打個孔，是一種空心鎢極的氬弧焊方法。我們國家現(xiàn)在也在開始這方面的實驗。因此，極限環(huán)境下的焊接已成為目前發(fā)展的一個熱點。
這個就是日本北海道的一個裝置，空間焊接必須要在地面進行模擬，那么在地面模擬空間的溫度變化等都容易進行。問題就是失重的模擬很困難，俄羅斯采用飛機來俯沖，俯沖過程當中有一段失重來進行實驗，日本現(xiàn)在采用自由落體的實驗辦法，它在北海道，利用了一口710米深的廢礦井，經(jīng)過改裝以后來做失重的模擬實驗，這是它的失重裝置，焊機就放在這里頭，這個裝置，自由落體，落下來，中間大概有十幾秒鐘的失重狀態(tài)，然后就要減速、剎車、再停下來。
我們現(xiàn)在焊接專業(yè)和國家實驗室正在跟俄羅斯、烏克蘭和日本共同探討進行協(xié)作，把中國的空間焊接的研究也能開展起來。
回顧上一個世紀焊接技術(shù)的發(fā)展，在金屬材料的廣泛應用和大工業(yè)批生產(chǎn)的推動下，已經(jīng)發(fā)明了許多新的焊接方法，現(xiàn)在可以說，所有的金屬材料都能進行焊接，而且焊接的性能越來越好。焊接是一項應用技術(shù)，它是在多門基礎學科，比如物理、化學、冶金學、電學等基礎上發(fā)展起來的，在焊接過程中，存在著許多科學規(guī)律問題，所以焊接是一門多學科的融合，目前焊接學主要由三個部分構(gòu)成，焊接方法學，焊接材料學和焊接結(jié)構(gòu)學，我剛才給大家介紹的只是涉及到焊接方法學的一部分，隨著信息科學的發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)正在發(fā)生巨大的變化，信息科學的許多裝備和產(chǎn)品需要用焊接技術(shù)來制造，但是信息科學又正在改變焊接技術(shù)本身，使它成為一個高科技的加工手段。21世紀是材料多元化的時代，傳統(tǒng)的金屬材料仍然會唱主角，但是非金屬材料會快速發(fā)展，比如像陶瓷、高強塑料、復合材料等等，非金屬材料的連接目前已成為迫切需要。因此展望21世紀，由于非金屬材料的廣泛應用，必定會產(chǎn)生一系列新的連接方法，這就為我們焊接，特別是我們中國的焊接工作者，尤其是在座的各位年輕的焊接工作者提供了一個非常巨大的發(fā)展空間，希望我們在這個世紀，能夠在焊接技術(shù)上，對世界焊接技術(shù)做出越來越大的貢獻，謝謝大家。
|
