焊接大赛与金属焊接性课程实验深度融合的研究
时间：2023-03-11 12:55:09 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
贾征，喻兵，王芷茁，于永治，牛建平，邵一川
（沈阳大学机械工程学院，沈阳 110044）
焊接技术与工程专业是培养具有扎实焊接专业知识、素质高、行动力强及能够利用所学知识解决实际工程问题的人才，学生毕业后能够在航天航空、交通车辆、电力电器等领域从事与焊接相关工程的科学研究［1-3］。该专业的发展融合了众多学科的科技成果，涉及的学科领域较为广泛，随着科技的进步，焊接知识体系也在不断完善，对于焊接，人们有了进一步的认知，国内外对焊接专业人才培养也开始变得炙手可热［4］。在国外诸多的焊接专业教育中，其中以美国高校最具代表性。在美国高校，焊接专业的创新型人才培养受到高度重视，其本科生的课程设置和学习方式上也体现出高度的灵活性［5］。也正是由于焊接技术本身涉及的学科领域较多，应用范围较广，这也使得焊接专业逐渐形成了跨学科的培养方式。在麻省理工学院（MIT），焊接专业课程高度重视理论与科技实践相结合，学生培养计划中具有独立活动期，在此期间学生可以进行独立的学习和研究，开设的课程中也并没有定期的上课安排，学生可以根据自己的需要自主选择课程补充知识，这充分地给予了学生个性发展的机会［6-7］。此外，MIT的焊接培养计划中要求学生要有一定的学习成果，例如，在焊接方法及设备课程中，学生在完成基础知识的考核后，需要利用所学的知识设计一些实验及项目，并得出结论。
在美国高校，焊接课程与科技实践结合的学习方法已经应用于实际［8-10］。例如，学生可以在“焊接机器人”的课程中学会用TekBots写下程序，还能观察机器人是否能在自己写下的程序中运行，这个过程不会有教师的参与，完全由学生自主学习，之后学生还能依靠自己设计的程序参加比赛。此外，在焊接教学的过程中美国高校非常注重学生的自主学习和自我检讨，这主要是考查学生对于所学知识的吸收情况以及是否能够灵活运用。近年来，焊接工程专业得到了迅速的发展，我国开设焊接专业的院校更是多达50 余所。可以预见，开设焊接本科专业，随着人们对焊接认识的不断深入，必将在国内教育界形成热潮。随着教育教学改革的不断深入以及卓越工程师教育培养计划的有力实施，焊接技术与工程专业在学生培养、师资力量建设、教学改革等方面都取得了重大的成果。由于“中国制造2025”发展战略目标和新工科建设要求，焊接专业不得不发生转型［11-14］。金属焊接性课程正是焊接专业重要的基础课程之一，在焊接专业建设中具有重要的支撑作用，主要是培养学生能够灵活利用所学知识分析材料的焊接性，从而正确采用焊接工艺。但是，由于本课程接触实际偏多，学生理解起来非常困难，因此，本课程制定了若干个实验内容。但是实验环节往往不被重视，如验证型实验很少涉及学生的主观思考能力，只是让学生利用实验验证书本上的知识点，如果将“大赛”与专业实验深入融合，以专业实验室为“大赛”平台，以“大赛”促进专业实验教学，让学生主动愿意去探索创新，从而培养出更多的创新性人才。
以焊接技术与工程专业实验项目之一“异种材料焊接性分析”教学实验为例，是专门为焊接技术与工程专业学生开设的实验项目［15］。这个项目一共分为3 步：选择材料、焊接工艺及检测分析，本实验的目的是让学生通过焊接手段了解并掌握异种材料的焊接性与焊接工艺。但是，由于专业实验课程时间非常有限，严重限制了学生的创新思维和实践能力。因此，通过“课程教学-大赛实验-探索分析-创新能力培养”的教学方法，将大赛项目与焊接技术与工程专业实验进行深度融合。每年专业实验室承担大赛项目6～7项，并以专业实验为拓展进行承担大赛项目，形成以大赛项目为依托的专业实验教学。下面将从“大赛”的实验过程开始，在专业实验基础上，让学生具备科技创新思维，这也对焊接技术人才的培养具有重要意义。
1.1 实验背景
随着焊接技术的不断发展，已经打破传统意义上的焊接就是用焊条进行焊接的旧思维，今天的焊接技术是一项复杂的技术，例如，与其他学科相结合的焊接机器人技术，就需要进行软件编程、运动控制，并且与周边设备相结合形成智能化系统。因此，对于专业人才的综合素质有着很高的要求。相应地，当大学生的基础知识达到一定程度时，让其参加与专业相关的竞赛、项目等活动时，可以有效地培养学生的动手能力和思维创新能力，实行“学中想”和“做中学”，对于提升本科生创新素质培养的效果具有积极的意义，本文中就以铝铜焊接为例进行说明。
铜及其合金性能优良，在电气设施、电器开关、电线和电缆等电子电气材料方面得到广泛应用［16-17］。但铜及其合金价格比较昂贵，从而导致电气工程领域的相关企业的生产成本不断提高。因此，材料科学工作者在不断寻求以铝代铜的方法。在用铝代铜的相关产品中，最重要莫属铝-铜的连接。如果想要得到质量较高的铝-铜连接件，首先需要突破铝-铜连接的困难以及了解铝-铜连接的结合机理，从而才能在实际的生产中得到应用［18-19］。众所周知，要使铜铝焊接在一起是较为不易的，因为铜铝之间的熔点相差423 ℃，非常难熔［20-21］。此外，高温下，铝容易发生氧化，为了保证焊接焊头的优异性必须防止氧化去除熔池中的氧化物。因此，学生在学习了铝／铜焊接性基础上，开设了异种材料焊接性分析实验课，并在此基础上，参与了一项全国大学生焊接大赛项目“铝-铜异种材料的焊接材料制备”。在本次大赛中，选用材料为工业纯铝及工业纯铜板材，将其进行焊接，考察其焊接工艺，最后测试其力学性能。
1.2 实验设计
试验采用钎焊焊接，钎焊通常以采用的热源命名，主要包括：火焰钎焊、浸渍钎焊、电阻钎焊、炉中钎焊、感应钎焊，学生们经过查阅资料和分析，最后采用火焰钎焊方法进行焊接。所谓火焰钎焊是指将可燃气体与氧气相混合利用燃烧出的火焰进行加热钎焊，其应用较为广泛且容易操作［22-25］。火焰钎焊在空气中完成，不需要保护气体，通常需要使用钎剂；
钎料的选择范围宽，从低温的银基钎料到高温的镍和铜基钎料，都可以应用，并且对钎料的形状几乎没有要求，丝状、片状、预成形或膏状形式的钎料都可以应用在火焰钎焊中［26］。需要注意的是铝比较活泼，焊接时表面会生成一层化学性质稳定的致密氧化物。这层氧化物是铝和铜钎焊时的有害物质，因此必须除去这层氧化膜。可以在铝和铜钎焊时使用钎料清除表面氧化膜降低钎料与板材的界面张力。焊接时需要注意避免直接加热钎料，采用多孔焊嘴还原性火焰均匀加热，防止母材氧化，让焊接过程顺利进行，以获得高质量的焊缝。本次试验采用丁烷作为燃料进行软钎焊，丁烷燃烧的火焰温度约为500 ℃。
1.3 铝铜材料的焊接实验
根据上述设计，铝铜表面的氧化皮可以用砂纸进行打磨，然后在试验台上需要放一块不锈钢垫板，不锈钢垫板的作用是隔热，由于不锈钢热导率比较低，所以减少了铝铜加热时的热量散失。将铝铜试板放置在不锈钢垫板上，铝板在下面，铜板在上面，最后用夹具固定。用丁烷喷枪对搭接面进行加热，主要是加热铜板，顺带加热铝板，待加热到钎料熔点（450 ℃）以上，钎料从缝隙中慢慢滑过，钎料熔化流入间隙中，使铝铜结合到一起。本次试验用钎焊焊接的试件共有3个，将3个试件按图1 理论尺寸用线切割机进行切割，线切割之后的试件见图2，3 个试件的实际尺寸见表1。
图1 铝铜焊接试件拉伸试样尺寸（mm）
图2 铝铜焊接试件拉伸试样
表1 铝铜焊接试件的实际尺寸 mm
2.1 断口宏观形貌分析
针对上面实验结果，学生进一步进行分析，将切割后的试件放置在拉力机上进行拉伸，缓慢加载的过程中，发现铝板发生了缩颈，钎焊焊缝部位未发生明显变化。1 号试件与3 号试件断于铝板，2 号试件在安装在拉力机夹头的过程中发生了断裂，其断于钎焊焊缝，从断后的钎焊焊缝可以看出搭接区内的钎料成分较少，且钎料并没有与铝铜产生很好的熔合，没有形成冶金结合。断裂后的试件见图3。
图3 铝铜焊接试件拉伸断裂后试样
测定的材料的力学性能如表2 所示。纯铝的抗拉强度处于90～120 MPa 之间，试验所得铝铜钎焊试件的抗拉强度除2 号试件外均大于纯铝的抗拉强度。
表2 铝铜钎焊拉伸试件的伸长率及抗拉强度
2.2 结合界面显微分析
在焊缝处用线切割取样，使用砂纸依次打磨到3 000＃。随后先用绒布进行抛光，最后在麂皮上抛光。在绒布与麂皮上抛光时所用的抛光剂为氧化镁溶液，所用的氧化镁溶液为铝铜轧制试样抛光时所用溶液的残留溶液。氧化镁溶液长时间放置后发生了沉淀，用药匙搅拌后进行过滤，过滤后才可以使用。抛光后在水龙头下清洗，用烘干机烘干之后放置在电子显微镜上观察，放大到400 倍观察到锌铝钎料与铜结合的界面见图4（a），左侧为锌铝钎料，右侧为铜；
铝与锌铝钎料结合的界面见图4（b），从左到右分别是铝和锌铝钎料。显微镜下调到100 倍观察到的铝、锌铝钎料和铜结合的整体界面如图5 所示。在图5（a）中1 线左侧为铝，1 线与2 线之间为锌铝钎料，2 线右侧是铜，由图可以看出界面之间结合较好。在图5（b）中铝在1 线左侧，2 线与3 线之间为锌铝钎料，3 线右侧为铜，由图可以看出1 线与2 线之间存在空隙，这表明铝与锌铝钎料连接处强度较低，从而降低了铝铜钎焊焊接件的强度。
图4 铝铜与钎料结合的界面
图5 铝、锌铝钎料和铜结合的整体界面
本科生开展的科技实践活动一般来说是课程体系之外的，要将其与课程相结合需要学生投入更多的精力，在实践的过程中还需要面对许多难以处理的的问题，但提升大学生的创新思维以及科研素养是十分必要的。因此，探索本科生专业学习与科技竞赛、科研项目需求之间的关系，确保本科生专业学习完整性，研究本科生在创新实践过程中促进专业学习的机制，可以使专业学习与科技实践活动形成相互促进、相互弥补的良性机制。在同一专业内，大学生之间存在着明显的个性差异，如在兴趣爱好、思维方式等方面。在创新能力培养过程中其知识面、动手能力、创新意识和科学素养的发展程度也各不相同。相应地，焊接专业涉及多学科之间的交叉，对学生的各种特长都能够提供极大的发挥空间。在有限的教学资源条件下，也需要注意结合本科生个体差异实施个性化培养，使学生能够不拘一格地发挥自身优势，找到适合自身特点的发展方向。
而焊接技术与工程专业实验不同于基础学科，注重拓展学生们的专业知识，培养学生们对于焊接技术的创新能力。以前，焊接技术与工程实验教学中大多采用验证性操作试验，其思维模式较为固定，而大赛项目是培养学生创新思维最好的学习方式。因此“大赛”以专业实验教学为依托，避免了学生立项没有依据，想进行研究而没有理论知识的心理，让学生更加愿意去思考问题，深入探究书本上知识的来龙去脉，深入理解并发现更新的问题从而加以解决，且能大大提高学生的学习兴趣。焊接技术与工程实验教学与“大赛”深度融合，可以起到更好的教学效果，可充分利用学校现有的实验条件，调动学生学习的浓厚兴趣，还可将“大赛”成果反馈实验教学，很大程度上调动与发挥学生的求知欲，契合新工科专业实验教学的培养目标。
依托科研实践活动开展本科生创新能力培养，从而进行科技实践活动与焊接工程专业深度融合的研究与实践在国内外已经成为一种趋势。对于实践性极强的焊接专业，确实需要寻求新的人才培养方式。但相对于国外，国内的教育方式和科技水平与国外相比具有很大差异，国外的很多经验并不适用于国内。因此，有必要开展积极的研究与探索，参照国家发展战略和我国高等教育的环境和特点，探索科技实践竞赛与焊接工程专业深度融合的研究与实践培养焊接专业本科生创新能力的新思路和有效做法，这可为国家和社会培养高素质的人才。而焊接专业的本科生创新人才培养，可将科技竞赛、科研项目等实践活动紧密结合，探索有效的长线育才机制。培养的方式是以社会需求为指引，以学生的全面发展为着眼点，有效地拓宽大学生的知识面和实践能力，为社会培养、输送综合素质高、创新能力强的创新型人才。提出以梯队形式实现经验传承和知识积累，能够有效避免当前教师任务繁重、频繁面对新生培训将难以应对的窘况。将科研项目与科技竞赛相结合，实现长线的持续培养，在国内高校并不多见。项目组基于对科技竞赛、学生参加科研项目的深刻认识，提出了点线结合、长线培养的方法，形成学科之间交叉融合的知识体系以及求创新的人才培养模式。此外，必须建立设备齐全的焊接实验室，即建立一个面向科研实践需求的具有国内一流水平的开放式创新实验室系统。打造出先进的创新实验平台。依据实验设备功能和应用属性，建立以“科学性、系统性、先进性、实用性”为指导思想的模块化管理机制，利用焊接创新实践平台，为学生学习、理解焊接专业知识及参加大赛及科研项目提供支撑，可保证焊接大赛和科研项目的顺利进行。
焊接技术与工程专业以大赛项目为导向，将大赛更好地融合到课堂实验的教学中，让更多学生参与进来，深度融合结果不仅将优秀教学资源高效整合，使教学更生动，而且可让学生深入理解焊接专业对应知识点，增强学生的创新能力和积极探索能力，对培养应用型人才意义重大。专业实验取得的阶段性成果，可为下一阶段大赛提供理论依据与支撑，对于同类高校以及实验室的建设提供一定的参考。
在基础研究领域，包括一些应用科技领域，要尊重科学研究灵感瞬间性、方式随意性、路径不确定性的特点，允许科学家自由畅想、大胆假设、认真求证。不要以出成果的名义干涉科学家的研究，不要用死板的制度约束科学家的研究活动。很多科学研究要着眼长远，不能急功近利，欲速则不达。
——习近平在全国科技创新大会上讲话
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