主講人簡 介
吳林，哈爾濱工業大學焊接教研室主任、教授、博士生導師，現代焊接生產技術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，在國內外發表學術論文200余篇，獲國家、部委、省科技進步獎18項。
內容簡介
今天我在這里向大家簡單介紹一下，一項重要的制造技術，就是現代焊接技術?？赡苡行┤艘惶岬胶附樱蜁羞@樣的印象，在一些街道或者城鎮的旁邊，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，實際上不是這樣的，經過一個多世紀的發展，焊接技術已經從古代的一種手工藝逐漸發展成為現代的焊接技術。
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，形成原子鍵的結合。在這個同時，又能去除掉一切阻礙原子鍵結合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優質的焊接接頭。
回顧上一個世紀焊接技術的發展，在金屬材料的廣泛應用和大工業批生產的推動下，已經發明了許多新的焊接方法，現在可以說，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展空間，希望我們在這個世紀，能夠在焊接技術上，對世界焊接技術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，就是現代焊接技術?？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，實際上不是這樣的，經過一個多世紀的發展，焊接技術已經從古代的一種手工藝逐漸發展成為現代的焊接技術。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，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；以及石油化工企業大型的球罐，批量生產的汽車車身等等都采用的是全焊結構。所以可以這么說，現在全世界所有大工業的產業，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電機組，采用的是全焊結構?，F在正在進行的幾千公里長的西氣東輸的管道工程，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，如果焊接質量要出現問題，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，是焊接質量問題，韓國的漢江大橋突然斷裂，也是焊接質量問題。所以，焊接是一項要求極為嚴格的制造技術，它有許多規定的標準，所有的焊接工程師和焊工要上崗焊接，需要經過嚴格的考試和發證，而且現在正在逐漸制定世界標準。因此，焊接技術現在還有很多的科學規律需要探索，還有很多的一些技術問題需要去創新，它是一項現在正在發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代焊接方法；第三個問題，我想談一談現代焊接技術的若干新發展。
什么是焊接？焊接是現代制造技術的重要內容。我們都知道，制造技術是人類創造財富的基本手段，是生產力的核心內容，也是國強民富的技術基礎。制造技術有很多種，我想現在簡單地可以歸納一下，制造技術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，一個軸承沒有經過熱處理，可能只能運行幾百個小時，經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的連接，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，因為它的優點非常突出，它連接的部件和材料能夠實現高性能，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，安全地工作。它有非常高的適應性，焊接在各種環境下，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的，現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，焊接完全適應大規模的批生產。因此這種方法出現之后，就受到了科學工作者和技術工作者的注意，它的應用面，已經涉及到機器制造業的所有部門，而且現在正在往其他領域擴張，比方講醫療領域等等。
下面，我想舉一個數字來說明焊接的應用，西方國家尤其是西方的發達國家，它每年鋼產量的50％到60％需要進行焊接加工，我們國家去年2001年，鋼產量達到1.3億噸，在這個1.3億噸生產出來的鋼材中，據初步統計，四千萬噸需要焊接，因此焊接已經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業。
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沒有其他的雜物，比方講有水分，有雜質，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，形成原子鍵的結合，在這個同時，又能去除掉一切阻礙原子鍵結合的一切表面膜和吸附層，以形成一個優質的焊接接頭，實際上我們在焊接技術里邊，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，或者把材料加熱到塑性狀態，二、加壓，使這個材料產生塑性流動。
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，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和氧化膜附加層，然后再結晶，相變， 最后形成一個鍵結合。
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，使這個材料產生塑性變形，塑性變形會擠出里邊接合面的雜質，實現緊密連接，經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合的面產生化學反應，實現去除氧化膜、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，一個優秀的焊工是非常不容易的，要經過很高成本的培訓，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，好的焊工就能發現，能夠通過一些手法把夾渣熔出來，他還能夠發現氣孔，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，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，有經驗的焊工就能聽出來焊接過程是否平穩，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果可能會天差地別。
手工焊條焊接的方法，它最大的優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，能生產出來的焊條已經達到三百多種。手工焊盡管有非常好的靈活性，也很容易實現，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量的均勻性，尤其是在大規模生產當中，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量。因此，自動焊是焊接發展的一個方向。
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，連續地送給焊絲，這種焊接方法是連續送進的焊絲，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構成一個空腔，電弧是在空腔里面穩定燃燒，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，第一個優點是完全實現了自動化；第二個優點，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，焊接出來的質量比較高；第三個優點，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，現在埋弧焊已經發展成為，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良的品質，后來人家就發現了采用氣體來進行保護有更多的優越性。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，能夠焊到透明介質容器的里邊去，這是其他焊接方法難以做到的，這種方法也被利用到醫學里邊，比方講我們有些患者視網膜脫落，視網膜是在眼球的后面，視網膜脫落以后眼睛就會失明，現在就用激光的辦法，透過眼球焊到眼球后面，把這個視網膜和眼球焊起來，這個已經是很成功的手術了。第二個它的優點是不需要真空保護，因此，現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，現代焊接技術的發展，就是極限環境下的焊接正在開展，水下焊接，因為現在近海油田，水下建筑，水下管道越來越多，所以水下焊接已經有迫切需要，現在焊接技術，已經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，靠電弧產生的熱量，能夠排出一部分水，產生氣體，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在西方國家已經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年前蘇聯的宇航員在聯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射上去，所以都是采用螞蟻搬家的辦法，一次發射一塊，一次發射一塊，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，再加上空間站現在要求壽命越來越高，一般空間站現在要求能夠在空間的壽命要超過25年，在穿梭對接時發生碰撞，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，也是一個很現實的問題。所以現在世界各國都在開展空間焊接。美國現在是趨向于采用激光，因為美國的激光研究是領先的，它想采用激光的辦法來進行焊接。日本現在也在進行研究，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。我們國家現在也在開始這方面的實驗。因此，極限環境下的焊接已成為目前發展的一個熱點。
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，然后就要減速、剎車、再停下來。
我們現在焊接專業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的發展，在金屬材料的廣泛應用和大工業批生產的推動下，已經發明了許多新的焊接方法，現在可以說，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，它是在多門基礎學科，比如物理、化學、冶金學、電學等基礎上發展起來的，在焊接過程中，存在著許多科學規律問題，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成，焊接方法學，焊接材料學和焊接結構學，我剛才給大家介紹的只是涉及到焊接方法學的一部分，隨著信息科學的發展，現代制造業正在發生巨大的變化，信息科學的許多裝備和產品需要用焊接技術來制造，但是信息科學又正在改變焊接技術本身，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，傳統的金屬材料仍然會唱主角，但是非金屬材料會快速發展，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展空間，希望我們在這個世紀，能夠在焊接技術上，對世界焊接技術做出越來越大的貢獻，謝謝大家。
|
