路慶良，雷 毅

（1.中國石油大學(xué) 出版社，山東 青島266580；2.中國石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島266580）

高等學(xué)校精品課程建設(shè)是教育部教學(xué)質(zhì)量工程的重要組成部分，也是在新形勢下為提高高等教育教學(xué)質(zhì)量而采取的重大舉措［1-3］。教材是體現(xiàn)教學(xué)大綱、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的知識載體，是教師實施教學(xué)的重要工具，而教材建設(shè)則是課程建設(shè)的核心內(nèi)容。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬焊接從一種傳統(tǒng)的熱加工工藝發(fā)展到了集結(jié)構(gòu)、材料、力學(xué)、電子等多門學(xué)科理論為一體的綜合工程技術(shù)，并向著自動化、柔性化和智能化方向發(fā)展。焊接技術(shù)在石油領(lǐng)域中占有重要的地位［4］。石油化工機(jī)械中各種化工容器、反應(yīng)塔、加熱爐和換熱器的制造與安裝等都需要進(jìn)行大量的焊接工作。油氣儲運設(shè)備中的各種儲油罐、油氣管道、油槽車和油輪等的制造或安裝都以焊接為主要加工手段。在鉆采機(jī)械方面，焊接可用于架體、泵體、鉆桿、抽油桿和鉆頭等各種金屬結(jié)構(gòu)的制造及安裝修理。海洋鉆探及采油平臺、海洋鉆井船的制造等也都離不開焊接技術(shù)。更好地確保石油類高等院校《金屬焊接》的教學(xué)質(zhì)量，需要結(jié)合相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)和課程結(jié)構(gòu)，合理設(shè)置《金屬焊接》教學(xué)內(nèi)容。

一、教材概述

《金屬焊接》是石油類高等院校中過程裝備與控制工程、油氣儲運工程和建筑環(huán)境與設(shè)備工程等相關(guān)專業(yè)的應(yīng)用技術(shù)課程［5］，為了充分發(fā)揮精品課程在人才培養(yǎng)中的作用，突出與石油工業(yè)緊密結(jié)合的特色，中國石油大學(xué)（華東）以《金屬焊接》精品課程建設(shè)為平臺［6］，結(jié)合目前國內(nèi)石油類高等院校相關(guān)專業(yè)的人才培養(yǎng)目標(biāo)，從宏觀、微觀和應(yīng)用三個方面構(gòu)建了金屬焊接教材內(nèi)容中焊接電弧與弧焊電源、常用電弧焊方法、焊接應(yīng)力與變形、焊接冶金原理、典型金屬材料焊接和焊接質(zhì)量檢驗共六大知識模塊。

《金屬焊接》教材中各知識模塊分別代表了焊接技術(shù)領(lǐng)域中的不同研究方向，既相對獨立，又密切聯(lián)系。要使非焊接專業(yè)學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，了解整個金屬焊接的各個要點，這就需要學(xué)生對各知識結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行全面把握。

二、教材結(jié)構(gòu)及內(nèi)容

（一）焊接電弧與弧焊電源

電弧焊是熔化焊中最重要、應(yīng)用最廣泛的一種焊接方法，包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊等。電弧焊是以電弧的形式將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮軄砣刍畛浣饘俸湍覆模纬珊缚p?；『鸽娫词怯脕頌楹附与娀√峁╇娔艿囊环N專用設(shè)備。不同性能的弧焊電源對電弧的燃燒有著不同的影響，從而對整個焊接過程的進(jìn)行和焊接質(zhì)量的影響也不同，而弧焊電源的影響是通過焊接電弧表現(xiàn)出來的。

目前常用的弧焊電源有弧焊變壓器、弧焊整流器、弧焊逆變器等?；『缸儔浩鳛榻涣骰『鸽娫矗且环N具有下降外特性的特殊降壓變壓器。它和普通電力變壓器的主要不同之處在于漏抗較大（或加串聯(lián)電抗器），此外還需要滿足一定的電流調(diào)節(jié)范圍，并有合適的空載電壓。由于交流電弧不如直流電弧穩(wěn)定且不能采用堿性低氫焊條（交直流兩用焊條除外），使弧焊變壓器的應(yīng)用受到了一定程度的限制。直流弧焊發(fā)電機(jī)可克服上述缺點，并且小電流焊接時焊接規(guī)范穩(wěn)定，特別適用重要的焊接結(jié)構(gòu)。但由于它效率低，耗能多，費材料和噪聲大等原因，故由電動機(jī)驅(qū)動的弧焊發(fā)電機(jī)已經(jīng)基本被淘汰，但由內(nèi)燃機(jī)拖動的弧焊發(fā)電機(jī)在無電網(wǎng)施工時仍有一定的使用量。硅弧焊整流器也是一種直流弧焊電源，同直流弧焊發(fā)電機(jī)相比，制造工藝簡單、重量輕、節(jié)省材料、效率高、空載損耗小、噪聲小，使用控制方便。晶閘管式弧焊整流器是目前實際工程中應(yīng)用最多的電子控制弧焊電源之一。晶體管式弧焊電源是繼旋轉(zhuǎn)式弧焊發(fā)電機(jī)、硅弧焊整流器、晶閘管弧焊整流器之后的第四代直流弧焊電源。逆變式弧焊電源是電子化和數(shù)字化的一種新型弧焊電源，近十幾年來發(fā)展較為迅速，它具有更新?lián)Q代的意義。

（二）常用電弧焊方法

在機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品的制造過程中，往往需要把各種各樣加工好的零件按設(shè)計要求連接起來制作為成品，其中焊接就是將這些零件連接起來的一種常用的加工方法。目前，金屬焊接作為機(jī)械設(shè)備制造與維修中一種基本的工藝方法，廣泛應(yīng)用于各工業(yè)部門。在焊接生產(chǎn)過程中，焊接設(shè)備是保證焊接生產(chǎn)過程順利進(jìn)行的基本條件，不同的焊接方法需要借助不同的焊接設(shè)備來實現(xiàn)。

焊接技術(shù)的誕生與發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)千年的歷史。根據(jù)金屬焊接的物理化學(xué)過程，基本焊接方法通常分為三大類：熔化焊接、壓力焊接和釬焊。其中熔化焊接中的電弧焊是目前應(yīng)用最為廣泛的焊接方法。手工焊條電弧焊作為一種傳統(tǒng)的焊接工藝，因其操作靈活和適應(yīng)性強(qiáng)而成為工程建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的一種焊接方法。埋弧自動焊是以焊絲與工件間形成的電弧為熱源，以覆蓋在電弧上面及周圍的顆粒狀焊劑及其熔渣作保護(hù)的自動焊方法，是目前生產(chǎn)效率較高的機(jī)械化焊接方法之一。氣體保護(hù)焊是利用外加氣體作為保護(hù)介質(zhì)的一種電弧焊方法。目前應(yīng)用較多的氣體保護(hù)焊主要是氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，對焊接方法與設(shè)備提出了更高、更嚴(yán)的要求，這就需要焊接方法與設(shè)備向著高效率和高質(zhì)量方向發(fā)展。到目前為止，已有幾十種焊接方法。另外，金屬熱切割、表面堆焊、熱噴涂、碳弧氣刨等也屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域。

（三）焊接應(yīng)力與變形

工程結(jié)構(gòu)焊接后一般都會產(chǎn)生程度不同的變形和應(yīng)力。按照它們存在時間的不同有兩種情況：一是焊接瞬時應(yīng)力和瞬時變形；二是焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。通常所說的焊接應(yīng)力與變形就是指焊接殘余應(yīng)力和殘余變形。

焊接應(yīng)力與變形對結(jié)構(gòu)的制造質(zhì)量和使用性能影響很大。焊接應(yīng)力是引起各種焊接裂紋的主要原因之一，并在一定條件下會影響結(jié)構(gòu)（尤其是低溫及受動載結(jié)構(gòu)）的承載能力，如強(qiáng)度、剛度和受壓穩(wěn)定性。焊接應(yīng)力還會影響結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工精度和尺寸穩(wěn)定性。焊接變形不僅影響結(jié)構(gòu)的尺寸精確度和外形美觀，還可能因降低結(jié)構(gòu)的承載能力而導(dǎo)致事故。結(jié)構(gòu)的焊接變形量若超過允許值就必須通過一定的矯正方法進(jìn)行處理，有些經(jīng)矯正處理后的焊接構(gòu)件雖然達(dá)到了使用要求，但因矯正工作量太大將影響生產(chǎn)效率；而有些因矯正無效或無法矯正的焊接構(gòu)件將導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制定焊接工藝時，應(yīng)允許估計可能產(chǎn)生的應(yīng)力與變形，正確處理二者間的關(guān)系。為此，必須了解焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因、類型、影響因素及控制措施。

（四）焊接冶金原理

焊接冶金學(xué)作為焊接理論的一個重要分支，它研究焊接化學(xué)冶金與焊接物理冶金的基本規(guī)律。熔化焊時，焊接材料和母材被加熱熔化的同時，在液態(tài)金屬的周圍充滿了大量的氣體，有時表面上還覆蓋著熔渣。這些氣體及熔渣在焊接的高溫下與液態(tài)金屬不斷地進(jìn)行一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，如元素的氧化與還原，氣體的熔解與析出以及有害雜質(zhì)的去除等。因此，熔化焊過程中伴隨著金屬熔化、凝固、固態(tài)相變以及形成接頭等過程，而這種焊接區(qū)內(nèi)熔化的金屬、熔渣與氣體三者間所進(jìn)行的一系列反應(yīng)過程，以及金屬結(jié)晶相變過程總稱為焊接冶金過程。

焊接冶金過程對焊縫的化學(xué)成分、性能、焊接質(zhì)量以及焊接工藝性能都有很大的影響。了解各種工藝條件下冶金反應(yīng)與焊縫金屬成分、性能之間的關(guān)系及其變化規(guī)律，對于合理地選擇焊接材料、正確地控制和調(diào)整焊縫金屬的成分和性能具有十分重要的意義。熔化焊時用來形成焊縫的消耗材料，如焊條、焊劑、焊絲和保護(hù)氣體等，統(tǒng)稱為焊接材料。焊接化學(xué)冶金過程中提出的任務(wù)就是依靠它們來完成的。因此，在實際焊接操作過程中弄清各種焊接材料的應(yīng)用特點和選用原則同樣也具有重要意義。

（五）典型金屬材料焊接

人類文明的發(fā)展和社會的進(jìn)步同金屬材料關(guān)系十分密切。繼石器時代之后出現(xiàn)的銅器時代、鐵器時代，均以金屬材料的應(yīng)用為時代的顯著標(biāo)志。在現(xiàn)代工業(yè)中，金屬材料（包括金屬和以金屬為基的合金）是最重要、應(yīng)用最廣泛的工程結(jié)構(gòu)材料，高速行駛的汽車、火車、載重萬噸至幾十萬噸的輪船、耐腐耐壓的化工設(shè)備以及宇宙航行工具等都離不開金屬材料，目前種類繁多的金屬材料已成為人類社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。焊接作為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的工藝，在材料加工領(lǐng)域一直占據(jù)重要地位。因此，了解常用金屬材料的焊接具有重要意義。

金屬材料往往要求具備如高溫、低溫韌性、耐腐蝕性等基本性能，并且要求焊后仍保持這些基本性能。但是，在短短的焊接時間內(nèi)，焊縫和熱影響區(qū)（HAZ）金屬卻要經(jīng)受加熱、冷卻、熔化、結(jié)晶、物理化學(xué)反應(yīng)、固態(tài)相變，以及應(yīng)力、應(yīng)變等一系列復(fù)雜過程。然而，不同的金屬材料表現(xiàn)出不同的焊接性特點，應(yīng)根據(jù)材料的焊接性問題和應(yīng)用要求確定合理的焊接工藝。

（六）焊接質(zhì)量檢驗

焊接結(jié)構(gòu)（件）在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。隨著鍋爐、壓力容器、化工機(jī)械、海洋構(gòu)造物、航空航天器和原子能工程等向高參數(shù)及大型化方向發(fā)展，對焊接技術(shù)與焊接結(jié)構(gòu)（件）提出更高要求。但由于焊接接頭大多數(shù)為性能不均勻體，應(yīng)力分布比較復(fù)雜，而且焊接結(jié)構(gòu)一般都在負(fù)載條件下工作，有時其工作條件還極為惡劣，如需要承受高溫、高壓或各種易燃、有毒介質(zhì)侵蝕等。若不能及時發(fā)現(xiàn)并消除焊接接頭中的嚴(yán)重缺陷，則可能發(fā)生嚴(yán)重事故，造成重大損失。

焊接檢驗?zāi)康脑谟诜乐古c發(fā)現(xiàn)焊接缺陷，以確保結(jié)構(gòu)（件）的安全使用。各類產(chǎn)品都規(guī)定了對焊接接頭質(zhì)量等級的技術(shù)要求。試制新產(chǎn)品或制訂焊接新工藝時，通過焊接檢驗可發(fā)現(xiàn)并解決其質(zhì)量問題，使新產(chǎn)品與新工藝獲得發(fā)展和應(yīng)用。有的產(chǎn)品在使用中還需定期檢驗，以發(fā)現(xiàn)和及時消除在使用中產(chǎn)生而尚未導(dǎo)致破壞的缺陷，從而防止事故的發(fā)生，延長產(chǎn)品的使用壽命。

焊接檢驗是通過采用調(diào)查、檢查、度量、試驗和監(jiān)測等方法，把產(chǎn)品的焊接質(zhì)量同其使用要求不斷相比較的過程。目前在工業(yè)生產(chǎn)中所應(yīng)用的焊接檢驗方法主要包括破壞性檢驗、非破壞性檢驗和聲發(fā)射三大類。

三、教材主要特色

《金屬焊接》涉及到焊接電源、焊接方法和設(shè)備、焊接材料、焊接冶金、焊接工藝、焊接應(yīng)力與變形、焊接質(zhì)量檢驗等內(nèi)容，集電學(xué)、材料學(xué)、冶金學(xué)、力學(xué)等學(xué)科于一體。由于課程內(nèi)容需要濃縮整個焊接領(lǐng)域中的基本知識點和各知識結(jié)構(gòu)的精華部分，因此，課程內(nèi)容主要突出體現(xiàn)了以下幾個特色：

（一）統(tǒng)籌安排，綜合平衡

由于《金屬焊接》課程教學(xué)內(nèi)容的各知識模塊分別代表焊接領(lǐng)域的不同研究方向，但各部分內(nèi)容具有相互滲透和相互影響的作用。如焊接電源是焊接設(shè)備的重要組成部分，不同的焊接方法需要相應(yīng)的焊接設(shè)備來完成。同時焊接過程中又涉及到冶金原理和相關(guān)工藝等。因此，整個教材內(nèi)容需要注重石油類相關(guān)專業(yè)的不同需求，強(qiáng)調(diào)整體優(yōu)化，認(rèn)真處理各部分交叉內(nèi)容，對教材內(nèi)容的各知識模塊的處理需要做到統(tǒng)籌安排和綜合平衡。

（二）突出石油類高校相關(guān)專業(yè)應(yīng)用特點

為了實現(xiàn)“基礎(chǔ)厚、口徑寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，在課程內(nèi)容設(shè)置上應(yīng)充分考慮到石油類高校非焊接專業(yè)學(xué)生相應(yīng)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)應(yīng)用特點，如石油化工機(jī)械主要涉及到各種化工容器、反應(yīng)塔、加熱爐和換熱器的制造與安裝。油氣儲運專業(yè)涉及到各種儲油罐、油氣管道、油槽車和油輪等制造工程。因此，需要從《金屬焊接》課程本身出發(fā)，使課程內(nèi)容與相應(yīng)支持課程內(nèi)容相融合，從而構(gòu)成“學(xué)有基礎(chǔ)、用有對象”的課程知識體系。

（三）保證教材內(nèi)容的先進(jìn)性與實用性

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，焊接已經(jīng)從一種傳統(tǒng)的熱加工工藝發(fā)展到了集結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電子等多門類科學(xué)為一體的綜合工程科學(xué)。近幾十年來，隨著科技的日新月異，焊接設(shè)備和焊接方法得到長足的發(fā)展。受材料、信息學(xué)科新技術(shù)的影響，不僅有數(shù)十種焊接新工藝問世，而且焊接工藝操作正向自動焊、自動化、智能化方向發(fā)展。專業(yè)技術(shù)知識發(fā)展速度越快，學(xué)科交叉越密切。因此，《金屬焊接》課程教材在內(nèi)容上需要大量精簡“深、專、舊”的傳統(tǒng)課程內(nèi)容，保證課程教材內(nèi)容的先進(jìn)性與實用性，力求反映國內(nèi)外最新成就和發(fā)展趨勢，如焊接電弧與弧焊電源部分，增加了電子弧焊電源的內(nèi)容；常用電弧焊方法部分，增加了一些焊接方法的進(jìn)展內(nèi)容，這樣使石油類高校相關(guān)專業(yè)的學(xué)生能夠接受新的科技知識。

四、結(jié)束語

《金屬焊接》課程作為石油類高等院校非焊接專業(yè)開設(shè)的應(yīng)用技術(shù)課程，由于不同專業(yè)具有不同的知識背景和應(yīng)用要求，教學(xué)內(nèi)容均各有側(cè)重點。石油類高等院?！督饘俸附印肪氛n程建設(shè)應(yīng)體現(xiàn)與石油工業(yè)緊密結(jié)合特色，教學(xué)內(nèi)容不僅要滿足相關(guān)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的基本要求，而且在培養(yǎng)方向上應(yīng)立足石油石化工業(yè)，服務(wù)石油石化工業(yè)，增強(qiáng)學(xué)生適應(yīng)工作的能力，進(jìn)一步發(fā)揮《金屬焊接》課程在石油類高等院校人才培養(yǎng)中的重要作用。在國家石油石化工業(yè)不斷發(fā)展的新形勢下，為了真正實現(xiàn)“基礎(chǔ)厚、口徑寬、能力強(qiáng)、素質(zhì)高”的人才培養(yǎng)目標(biāo)，保證人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要進(jìn)行更深層的實踐探索，使課程教材內(nèi)容更突出與石油石化工業(yè)緊密相結(jié)合的特色，充分體現(xiàn)石油石化人才教育的價值取向。

［1］邵敬敏.教材的精品意識與精品課程建設(shè)［J］.中國大學(xué)教學(xué)，2008（5）：89-92.

［2］李輝.以高水平教材建設(shè)工作為基礎(chǔ)全面推動精品課程建設(shè)［J］.中國高教研究，2006（12）：84-85.

［3］陳琳，蔣艷紅，李凡，等.高校教材建設(shè)的時代性要求研究［J］.現(xiàn)代教育技術(shù)，2011，21（10）：20-24.

［4］雷毅，吳斌，宮大猛.焊接技術(shù)在我國石油工程建設(shè)中的應(yīng)用［J］.電焊機(jī)，2012，42（7）：51-54.

［5］雷毅.金屬焊接［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2011：11-13.

［6］雷毅，趙衛(wèi)民，韓濤，等.石油類高等院校《金屬焊接》精品課程建設(shè)［J］.中國石油大學(xué)勝利學(xué)院學(xué)報，2008，22（3）：71-73.