基于航空特色的金屬材料焊接性課程教學改革

張占偉　國旭明

[摘 要]為了突出航空特色，適應航空科技的發展和航空企業對焊接技術人才的知識結構需求，對焊接技術與工程專業的專業課程金屬材料焊接性進行教學改革。從增加授課內容、改進教學方法、理論聯系實踐、建設課程網絡教學平臺等方面進行綜合改革與探索，實現課程的航空特色化改革，加強學生的創新思維和實踐能力培養，整體提升教學質量。

[關鍵詞]金屬材料焊接性；航空特色；教學改革

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0033-03

沈陽航空航天大學是一所以航空宇航為特色，以工為主的多學科協調發展的高等院校。焊接技術是航空航天工業的重要連接技術，在飛機、發動機的研制和生產中處于重要地位。金屬材料焊接性是焊接技術與工程專業的核心課程，具有很強的理論性和綜合性，知識點涉及金屬學與熱處理、焊接結構學、焊接冶金學原理、焊接設備與方法等多門課程，是學生專業課程學習和應用的落腳點，其教學質量的好壞對學生在今后工作中能否正確運用專業知識解決實際問題具有決定性作用。服務航空，為祖國的航空事業培養高級應用型技術人才是我校的定位之一[1]。因此，在教學過程中需要結合航空材料、航空構件的焊接問題對金屬材料焊接性課程進行特色化教學改革。同時，采用先進的教學手段和理論聯系實踐的教學舉措，激發學生的學習興趣、培養學生的實踐能力和創新思維。

一、增加凸顯航空特色的授課內容

傳統的金屬材料焊接性課程講授內容一般包括：金屬材料焊接性及其實驗評定，合金結構鋼的焊接，不銹鋼及耐熱鋼的焊接，鑄鐵的焊接，有色金屬的焊接等。其中有色金屬部分對鋁及鋁合金、鈦及鈦合金的焊接只做簡單介紹。授課內容以鋼鐵材料的焊接為重點，缺乏航空特色[2]。對此，可以針對常用航空材料的焊接增加如下教學內容。

（一）高溫合金的焊接性與焊接技術

高溫合金主要用于航空發動機的熱端部件，也是航天、能源、交通運輸和化學工業的重要材料，是20世紀40年代發展起來的新型航空金屬材料，可在600℃～1100℃的氧化和燃氣腐蝕條件下，承受復雜應力，能長期可靠地工作[3]。該部分主要介紹高溫合金的分類及在航空工業的應用，重點講解變形高溫合金的焊接技術。變形高溫合金是指可用壓力加工方法使毛坯成形的合金，為滿足航空或其他發動機熱端部件對材料高溫力學性能、抗氧化能力極易熱膨脹系數等要求，一般含有較多的Nb、Al、Ti等合金元素，因此熔化焊接時存在裂紋傾向，包括焊縫結晶裂紋和熱影響區微裂紋，應從焊接材料和焊接工藝兩個方面采取措施，防止裂紋的產生。通過學習，使學生對航空用高溫合金有一定的認識，掌握高溫合金的分類及變形高溫合金的焊接性，為高溫合金航空構件（如機匣、環件及軸類等）的焊接工藝制定奠定基礎。

（二）先進航空鈦合金的焊接性與焊接技術

鈦合金作為一種輕金屬合金材料，具有高比強度、高比模量、高韌性、耐腐蝕以及易加工等優良的綜合性質，被廣泛應用于航空航天及其發動機結構中。隨著航空工業的不斷發展，鈦合金用量和所占比例顯著增大，很多情況下都要涉及鈦合金本身或與其他材料的連接問題，而焊接作為一種優質、高效的連接手段是鈦合金連接技術的首選。該部分介紹鈦合金的分類和應用，重點講解鈦合金的焊接，包括中強鈦合金、高強鈦合金及高溫鈦合金的焊接性分析，并以中強鈦合金TA14、高強鈦合金TC18及高溫鈦合金TC25為例，講解其氬弧焊和電子束焊接技術。通過學習，使學生了解鈦合金在航空發動機中的重要作用，掌握常用鈦合金的分類及焊接性，能夠合理選擇焊接方法并制定焊接工藝。

二、引入航空焊接結構教學案例

金屬材料焊接性課程具有知識點多、理論性強的特點。不同材料的焊接性既有相似之處又有其自身特點。同時，該課程與工程實踐結合緊密，材料的焊接性除了與母材的化學成分、熱物理性能有直接關系外，還與具體焊接結構的形狀、尺寸、約束、施工環境、熱處理狀態等密切相關。然而由于學生缺乏工程實踐經驗，對焊接方法和工藝措施無法做到整體把握，只能分散的、孤立的記憶知識點，導致對很多問題模棱兩可，在面對具體焊接結構時束手無策。

案例教學以具體的應用實例為知識載體，一方面能有效激發學生的好奇心，能在教師的啟發引導下積極思考，加深學生對理論知識的理解；另一方面，以解決主要矛盾為目的典型案例分析，原本孤立的焊接方法、工藝措施被有效統一，能夠培養學生分析問題、解決問題和靈活運用專業知識的能力，激發學生的創新思維。對此，可以結合課程內容引入以下典型航空焊接結構作為教學案例，進行案例教學方法的改革。

（一）超高強度鋼焊接案例分析——飛機起落架TIG焊工藝

起落架是飛機上重要而特別的部件，盡管它不參與機體的結構和性能，卻極大地影響飛機的使用與安全。我國飛機起落架材質主要是低合金超高強度鋼，主要牌號有30CrMnSiNi2A和40CrNi2Si2MoVA。由于強度較高其焊接性較差，主要表現為焊縫及熱影響區易出現焊接裂紋。以某飛機起落支架外筒為例分析其焊接性，起落架牌號為30CrMnSiNi2A，焊接部位壁厚8mm，試件在焊前經涂漆、除銹處理，然后開70°V型坡口，鈍邊2mm，進行單面對接焊，添加材料分別選用HGH41和H18CrMoA焊絲。分析焊接電流、預熱溫度、回火溫度對接頭性能和顯微組織的影響[4]。通過該案例，引導學生運用所學知識分析超高強鋼的焊接性，討論焊接方法、焊接工藝、焊接材料對接頭性能、焊接缺陷的影響及防止措施。

（二）高性能航空鋁合金焊接案例分析——運載火箭燃料儲箱焊接

鋁合金具有密度小、比強度和比剛度高、加工性能好、成本低等優點，是飛機主要結構材料之一，一般占機體結構重量的50%以上。2219鋁合金在低溫和高溫狀態下均具有良好的力學性能，同時具有良好的斷裂韌性和焊接性能、耐蝕性能等顯著特點，在航空航天領域運用廣泛。可以某運載火箭燃料儲箱用2219鋁合金的焊接作為鋁合金焊接的教學案例，分別介紹電子束焊、鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊三種焊接方法，對比分析焊接參數對焊縫組織、接頭硬度、抗拉強度、沖擊韌性的影響，分析不同工藝條件下缺陷產生及性能變化機理。通過該案例，引導學生討論、歸納鋁合金焊接的特點，明確氣孔、裂紋、未熔合等鋁合金主要焊接缺陷產生的原因，并能從焊接工藝、焊接材料等角度出發合理控制焊接缺陷。通過學習，使學生對航空鋁合金焊接性有更為深刻的認識，加深其對鋁合金焊接特點、焊接工藝的認識和掌握。

（三）高溫合金焊接案例分析——發動機渦輪盤摩擦焊接

GH4169合金在航空發動機上應用廣泛，在-253℃～700℃溫度范圍內具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕的特點，在航空和航天發動機上用于制造各種靜止件和轉動件，如盤、環件、機匣、軸等和焊接結構件[5]。以某GH4169發動機渦輪盤慣性摩擦焊為例，分析轉速、軸向壓力、熔化長度等參數對焊縫及熱影響區組織及性能的影響。通過學習，增強學生對發動機結構特點、性能要求及材料選擇的認識。同時，拓展學生思維，使其了解焊接方法的多樣性，并能根據產品要求選擇合理的、低成本的焊接方法。

三、理論聯系實踐

（一）將課程教學和生產實習相結合

根據焊接技術與工程專業培養計劃，金屬材料焊接性為第六學期課程，該學期穿插為期3周的專業生產實習，實習基地之一為某航空發動機制造單位，主要實習場地包括精鑄、精鍛、盤軸、板焊、噴嘴、葉片等航空發動機零部件生產廠。為了增強課程的航空特色，將課程教學和生產實習相結合。實習之前，先對實習內容做簡要的介紹，并結合實習內容，提出與課程相關的問題供學生思考，如發動機葉片的材質種類有哪些？TIG焊可用于哪些產品或結構的焊接？渦輪盤的材質及焊接工藝是什么？渦輪工作葉片可以用哪些方法修復？機匣的材質及修復方法有哪些？真空焊可用于哪些航空結構的焊接等。實習期間，讓學生帶著一系列和焊接技術相關的問題去實習車間，這一方面能讓學生通過直觀感受建立焊接技術在航空制造領域占有重要地位的認識；另一方面可以通過讓學生參觀生產一線的產品和查閱技術資料尋找問題的答案，加深其對航空材料、發動機結構及相關焊接技術的理解。實習期間的所見、所聞及由問題引發的思考，對課學生續內容的學習和掌握有極大的促進作用，有助于培養學生的航空情懷。

（二）將課內實驗與學科競賽相結合

學科競賽是培養學生創新思維和實踐能力的重要手段，是傳統課堂教學的重要補充[6]，對學生綜合素質的提升具有重要作用。對此，我院通過“一院一賽”項目組織開展了多項大學生競賽項目，如焊接創新大賽、金相大賽、鑄造大賽等。通過校級比賽培育項目、鍛煉隊伍，擇優推薦參加省級、國家級學科競賽。金屬材料焊接性課內實驗共6學時，以往的實驗內容是對低合金鋼、不銹鋼和鋁合金焊接工藝及焊縫組織的分析，由于是驗證性實驗，學生的積極性不高。對此，將課內實驗與學科競賽相結合，將與課程相關的競賽題目、相關要求布置給學生，學生分組完成后并進行評比。這一方面提高了學生的參與積極性，同時能借此機會將課程理論與實踐相結合，培養學生的實踐能力和創新思維，并能為大賽選拔優秀的參賽隊伍。如2018第三屆全國大學生焊接創新大賽的固定題目之一為“復合板沖擊韌性”，要求在Q235基板上制備高強層，并且高強層的HV值在350-700 之間，在滿足上述要求的基礎上考察復合板的沖擊韌性。學生只有在焊接冶金學和金屬材料焊接性方面具備一定的理論知識，才能正確地選擇材料、合理制定焊接工藝、正確分析顯微組織等。經過校內選拔擇優推薦4支隊伍參加全國大學生焊接創新大賽，最終我校取得了一等獎兩名、二等獎兩名的優異成績。學科競賽讓學生切身體會到專業知識的魅力和學以致用的樂趣，極大地鼓舞了他們的學習熱情，逐步形成了“以賽促學，以學助賽”的良好氛圍。

四、建設課程網絡教學平臺，開展網絡互動教學

當前，在“互聯網+”的時代背景下，教育信息化已經成為促進教育發展、提高教育質量的重要途徑和有效措施，網絡教學平臺在教學信息化中發揮著基礎性的支撐作用[7]。網絡教學平臺能夠為教師優化教學資源、豐富教學模式、學生進行自主學習以及師生交流互動提供支撐，從而提高教師教學質量和學生的學習效率。截至目前，我校金屬材料焊接性網絡教學平臺建設已完成如下功能的建設并投入運行。

（一）創建并豐富了教學資源

目前，我校金屬材料焊接性課程上傳到網絡教學平臺的教學資源主要包括：課程介紹、教學日歷、教學大綱、電子參考書、多媒體課件、教學錄像、章節重點難點分析、練習題、思考題、作業等，結合教學進度逐步向學生開放。另外，我院將教師承擔的航空科學基金項目和與航空企業合作的服務項目成果結合教學內容進行收集整理，將最新的研究進展共享到網絡平臺，使學生不但能自主獲取與課程相關的基礎知識，同時還能及時、準確地掌握現代科技發展動態，提高學生的學習積極性。此外，收集并上傳相關視頻、動畫資料，以便學生拓展學習，加深對知識點的理解。如講到鋁及鋁合金的焊接時，將當前的研究熱點鋁鋰合金的焊接，如攪拌摩擦焊、電子束焊等的最新研究成果同學生分享。另外，上傳不同焊接方法焊接鋁合金的視頻，如MIG焊、電阻點焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、激光焊等，通過觀看視頻學生能夠較直觀的認識不同焊接方法焊接鋁合金時的特點，并能深刻理解焊接方法對材料焊接性的影響。

（二）開展網絡互動教學

開展網絡互動教學，充分發揮課程網絡平臺對課堂教學的輔助作用。主要方式包括：一是設立專題討論，要求學生查閱相關資料，圍繞某一主題進行討論，從而讓學生學會如何通過團隊合作收集、總結有用信息；二是利用平臺的相關功能，加強師生間的交流互動。如學生可以隨時將學習過程中遇到的問題發送給教師，教師應積極回應并做出解答，促進學生的學習積極性。利用平臺的簽到、提交作業、測驗、考試等功能，不僅節約了課堂時間，還有利于實現對課程過程監控，實現線上線下互動教學。

五、結語

在金屬材料焊接性課程的教學改革中，教學內容增加了高溫合金的焊接性與焊接技術和鈦合金的焊接性與焊接技術，教學方法以典型航空焊接結構為教學案例引入案例教學法，并緊密結合生產實習，實現了課程的航空特色化改革。同時，結合學科競賽和課程網絡教學平臺建設，加強了學生實踐能力和創新思維的培養，提高了教師的教學質量和學生的學習效率，以更好地適應航空企業對焊接人才的需求。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 齊義文，盧艷軍，劉利秋，高云紅.具有航空航天特色的控制工程基礎課程體系建設[J].大學教育，2016（12）：165-166.

[2] 陳玉華.金屬材料焊接課程的特色化教學改革[J].中國冶金教育，2012 （1）：32-33.

[3] 黃乾堯，李漢康，等.高溫合金[M].北京：冶金工業出版社，2002.

[4] 郭必新，祝長春.飛機起落架的TIG焊工藝[J].航空制造技術，2008（3）：89-91.

[5] 李曉紅，熊華平，張學軍，等.先進航空材料焊接技術[M].北京：國防工業出版社，2012.

[6] 藺永政，朱紅巖.學科競賽促進計算機類創新型人才培養和深化實踐教學改革的探討[J].大學教育，2013（7）：114-115.

[7] 荊全忠，邢鵬.“互聯網+”背景下高校教學模式創新研究[J].教育探索，2015（9）：98-100.

[責任編輯：陳 明]