工程教育認(rèn)證背景下焊接冶金學(xué)教學(xué)內(nèi)容初探

王立世，卜智翔

(湖北工業(yè)大學(xué) 材料與化學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢 430068)

焊接冶金學(xué)是焊接專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，它對于理論上理解焊接工藝過程、焊接接頭不同區(qū)域的演化、焊接缺陷的形成機(jī)理、出現(xiàn)缺陷可能性的量化方法等具有重要的作用。對于本門課程所涵蓋的核心內(nèi)容，不同的教材關(guān)注點(diǎn)往往有較大的差別。目前，工程教育要求以結(jié)果為導(dǎo)向來評價對應(yīng)的課程體系及相關(guān)課程的教學(xué)內(nèi)容。本文結(jié)合我校“材料成型及控制工程”專業(yè)通過教育部工程教育認(rèn)證的經(jīng)歷，擬對中外焊接冶金學(xué)經(jīng)典教材的內(nèi)容進(jìn)行對比分析，嘗試歸納其特征，以期對焊接冶金學(xué)課程教學(xué)的內(nèi)容有所借鑒和取舍。

1 焊接冶金學(xué)課程教材

本文參考的教材主要有6本，中文和英文各3本，參見表1。除了上述教材之外，有關(guān)焊接冶金學(xué)的內(nèi)容還散見于《ASM金屬手冊，第六卷》(1993)[1]、《ASM金屬手冊，第六卷附卷，Welding fundamentals and processes》(2011)[2]及《焊接手冊(第九版)，第一卷，welding science and technology(第四章)》(2001)[3]等手冊中，在分析過程中，這些經(jīng)典手冊的部分內(nèi)容也作為參考。

表1 焊接冶金學(xué)參考教材

2 參照的焊接冶金學(xué)教材內(nèi)容對比分析

在上述提到的六本焊接冶金學(xué)教材中，由于出版時間的差異以及作者的著重點(diǎn)不同，往往造成了不同的編排內(nèi)容，下面分別對其進(jìn)行評述和分析。

教材①具有開創(chuàng)性，它介紹熔焊的工藝因素(化學(xué)冶金、傳熱和殘余應(yīng)力)，焊縫金屬和熱影響區(qū)的顯微組織和性能，焊接中的裂紋和缺陷，并配有亞特蘭大·凱蘭特鉆井平臺塌陷原因的詳盡的案例分析，涵蓋熔化焊(熔焊工藝基礎(chǔ))、焊縫金屬、熱影響區(qū)、裂紋開裂和斷裂四個大的部分。本書的部分內(nèi)容和圖表在后續(xù)的相關(guān)教材和論文中得到了大量的引用。

教材②在國內(nèi)大學(xué)應(yīng)用非常廣泛，它把焊接材料單獨(dú)作為一個章節(jié)列出，有關(guān)化學(xué)冶金部分進(jìn)一步具體化。對熔池凝固和固態(tài)相變、熱影響區(qū)，焊接裂紋部分進(jìn)行了總結(jié)。涵蓋化學(xué)冶金、焊材、焊縫凝固和固態(tài)相變、熱影響區(qū)、焊接裂紋五個大的部分。與天津大學(xué)出版社出版的作者本人的《焊接物理冶金》(1991年8月)一起，構(gòu)成了國內(nèi)原來焊接專業(yè)及材料成型及控制工程焊接方向的主導(dǎo)教材。

教材③分為四篇：緒論、熔化區(qū)、部分熔化區(qū)和熱影響區(qū)。本書在對焊接工藝方法及涉及到化學(xué)冶金、傳熱和殘余應(yīng)力進(jìn)行詳盡的梳理后，把焊接接頭分為焊縫區(qū)、部分熔合區(qū)及熱影響區(qū)，此后洋洋灑灑的對每一部分進(jìn)行深入的分析和總結(jié)，特別是借鑒Robert W.Messler,Jr的教材Principles of welding: Processes,physics chemistry,and metallurgy(1999)的內(nèi)容結(jié)構(gòu)[10]，但是作者依照自己在鋁合金焊接方面的研究經(jīng)歷和成果，在部分熔化區(qū)、不同類材料焊接后的熱影響區(qū)特征方面的內(nèi)容非常精彩。

教材④包含焊接工藝方法的冶金特性、傳熱和熱-機(jī)械耦合作用、接頭的顯微組織、熔合區(qū)的形成、焊縫金屬的凝固、焊接過程中的固態(tài)相變(加熱及冷卻)、鋼焊接中的淬硬和開裂、鋼接頭的熱處理、焊接接頭冶金方面的破壞和無損檢測方法等內(nèi)容。其內(nèi)容非常廣泛，詳細(xì)闡述了不同的基體材料在化學(xué)、傳熱和熱-機(jī)械耦合作用，所導(dǎo)致的組織及性能變化即冶金特性演化，其中的很多插圖和文字描述成為后續(xù)教科書和文章引用的來源。

教材⑤關(guān)注點(diǎn)較為廣泛，不同的焊接方法和不同的基體材料在該書中都有一定的涉及，比如固相焊接、粘接和釬焊、陶瓷微聯(lián)接、熔焊工藝及其熱效應(yīng)、熱循環(huán)的冶金效應(yīng)、不同材料的焊接(碳鋼和合金鋼奧氏體不銹鋼和高合金鋼、有色金屬)、焊接接頭的服役特性等。

教材⑥內(nèi)容包括焊接冶金原理、熱裂紋、固態(tài)裂紋、氫致開裂、腐蝕、疲勞和開裂、失效分析、焊接性試驗(yàn)等。該書作者在出版了《不銹鋼的焊接及焊接性》和《鎳基合金的焊接及焊接性》后[11-12]，于2015年出版了本書。焊接冶金和焊接性這本書的內(nèi)容詳實(shí)，對焊接接頭分區(qū)的歷史、熱裂紋的理論發(fā)展淵源、固相開裂及腐蝕、失效分析等方面均有創(chuàng)新和突破。其中對于偏析機(jī)理的解釋清晰、直觀，尤其是提出了與冷裂紋和熱裂紋相對應(yīng)的溫裂紋(Warm cracking)概念并深入的進(jìn)行闡述，非常精彩。第五章中對氫致裂紋的脆化機(jī)理進(jìn)行了梳理，其中包含平面壓力理論、表面吸附理論、弱鍵理論、氫增強(qiáng)區(qū)域化塑性理論以及Beachem的應(yīng)力強(qiáng)度模型。之后歸納了影響氫致裂紋的因素，包含焊縫含氫量、顯微組織、拘束度、溫度，并給出了量化氫致裂紋敏感性的測試方法，包括吉米端部淬火法、受控?zé)釓?qiáng)度試驗(yàn)、Y型坡口測試、缺口板焊縫測試、插銷試驗(yàn)、拉伸拘束開裂測試、自身拘束試驗(yàn)。對氫致裂紋的認(rèn)定和預(yù)防方法，比如碳當(dāng)量法，AWS方法給出了詳細(xì)的說明。第六章腐蝕和第七章疲勞和斷裂數(shù)據(jù)翔實(shí)，第八章失效分析中給出了斷口分析方法以及失效分析的詳盡步驟，第九章對國際標(biāo)準(zhǔn)中涉及到的重要焊接性測試方法和相關(guān)最新的測試結(jié)果進(jìn)行了分析和介紹。

3 焊接冶金學(xué)教學(xué)內(nèi)容的發(fā)展與演化

焊接過程中涉及到的各種冶金現(xiàn)象：熔化、冷卻和凝固、擴(kuò)散、析出、固態(tài)相變、熱應(yīng)變和收縮應(yīng)力，這會產(chǎn)生許多實(shí)際的問題，解決這些問題可采用把合適的冶金原理具體應(yīng)用到實(shí)際的焊接工藝過程，但在某些重要方面，焊接冶金與傳統(tǒng)意義上的冶金有一定的差別。有鑒于此，對于焊接冶金學(xué)的教學(xué)內(nèi)容如何博采眾長，適應(yīng)我國的生產(chǎn)發(fā)展、以成果為導(dǎo)向的工程教育的需要是焊接及相關(guān)專業(yè)從業(yè)者應(yīng)該深入思考的問題[13-14]。考慮相關(guān)的課程體系結(jié)構(gòu)中焊接相關(guān)的課程情況，如何與其它冶金類及焊接方向課程有序的對接[15]；考慮專業(yè)培養(yǎng)人才的需要，依據(jù)不同的人才培養(yǎng)類型，決定焊接冶金學(xué)教學(xué)內(nèi)容的合理取舍；考慮冶金原理的發(fā)展情況，借鑒冶金領(lǐng)域內(nèi)的研發(fā)成果及其知識結(jié)構(gòu)[16-17]，引入到焊接冶金學(xué)的教材編寫和教學(xué)內(nèi)容中。