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焊接的發(fā)展史

2018-11-13 13:06:00
陸啟蒙
原創(chuàng)
23254

焊接技術(shù)可以追溯到幾千年前的青銅器時(shí)代,在人類早期工具制造中,無(wú)論是中國(guó)還是當(dāng)時(shí)的埃及等文明地區(qū), 都能看到焊接技術(shù)的雛形。 古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊。中國(guó)商朝(公元前 1600年—公元前 1046年)制造的鐵刃銅鉞就是鐵和銅的鑄焊件, 其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折, 接合良好。 春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期(公元前 770 年—公元前 221年)曾侯乙墓中的建鼓銅座上的盤(pán)龍是分段釬焊連接而成的, 與現(xiàn)代軟釬料成分相近。 戰(zhàn)國(guó)時(shí)期制造的刀劍一般是加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應(yīng)星所著《天工開(kāi)物》記載:中國(guó)古代將銅和鐵一起入爐加熱,經(jīng)鍛打制造刀、斧;用黃泥或篩細(xì)的陳久壁土撒在接口上,分段鍛焊大型船錨。在古埃及和地中海地區(qū),公元前 1000 年人們就已經(jīng)能夠通過(guò)搭接的方法制造金盒及鐵質(zhì)工具。 到中世紀(jì)(約公元 476 年—公元 1453 年),早敘利亞大馬士革曾用鍛焊方法打造兵器。 但古代焊接技術(shù)長(zhǎng)期停留在較原始的水平, 使用的熱源都是爐火,溫度低、能源不集中,無(wú)法用于大截面、長(zhǎng)焊縫工件的焊件,只能用以制作裝飾品、簡(jiǎn)單的工具和武器。近代真正意義上的焊接技術(shù)起源于 1880年左右電弧焊方法的問(wèn)世。表 1.1 列出了現(xiàn)代焊接史上重要方法和技術(shù)的出現(xiàn)時(shí)間、發(fā)明人及所屬國(guó)家。


表 1.1 主要焊接方法的發(fā)明時(shí)間、發(fā)明人及所屬國(guó)家


注:表中的發(fā)明時(shí)間以焊接方法首次具有工業(yè)實(shí)現(xiàn)意義為起點(diǎn), 而非該方法的原理初次被發(fā)現(xiàn)。

縱觀現(xiàn)代焊接方法和技術(shù)發(fā)展史, 與其工業(yè)革命的發(fā)展息息相關(guān), 可根據(jù)方法的起源時(shí)間,將其歸納為兩個(gè)重要的發(fā)展階段。


(1)起源于 19 世紀(jì) 70 年代的第二次工業(yè)革命,這一階段的重要標(biāo)志是電力的發(fā)展和應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的電弧焊、電阻焊方法正是起源于這一階段。雖然目前工業(yè)上使用的這兩類焊接方法已有了很大進(jìn)步, 但不容置疑的是這一階段奠定了焊接技術(shù)發(fā)展的第一塊基石。


在 1881 年的巴黎“首次世界電器展”上,法國(guó) Cabot 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生,俄羅斯人 Nikolai Benardos 在碳極和工件引弧,填充金屬棒使其熔化,首次展示了電弧焊的方法。 1890 年,Benardos 用金屬棒代替碳棒作為電極并獲得專利。但瑞典人 Oscar Kjellberg 在使用該方法修理船上的蒸汽鍋爐時(shí)注意到, 焊接金屬上到處是氣孔和小縫, 焊縫不能隔絕空氣, 根本不可能讓焊縫防水。 為了改善方法,他發(fā)明了涂層焊條,,于 1907 年 6 月 29 日獲得專利(瑞典專利號(hào) 27152),大大改善了焊接質(zhì)量, 是手工電弧焊進(jìn)入了實(shí)用階段。 隨后,美國(guó)的諾布爾里用電弧電壓控制焊條送給速度, 制成自動(dòng)電弧焊機(jī), 從而成為焊接機(jī)械化、 自動(dòng)化的開(kāi)端。在電弧焊的基礎(chǔ)上,能產(chǎn)生更集中、更炙熱能源的等離子焊接也被發(fā)明,利用它可以提高焊接速度, 減少線能量。 在隨后的發(fā)展中, 電弧焊方法得到不斷創(chuàng)新和改進(jìn)。 1930 年美國(guó)的羅賓洛夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊,焊機(jī)機(jī)械化得到進(jìn)一步的發(fā)展。 20 世紀(jì)四十年代,在第二次世界大戰(zhàn)期間,為適應(yīng)航空界鋁、鎂合金的合金鋼焊接的需要, 鎢極和熔化極惰性氣體保護(hù)焊相繼問(wèn)世。 1953年,蘇聯(lián)的 Lyubavskii 和 Novoshilov 發(fā)明二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊, 促進(jìn)了氣體保護(hù)焊的應(yīng)用和發(fā)展。 隨后如混合氣體保護(hù)焊、 藥芯焊絲氣體保護(hù)焊和自保護(hù)焊也相繼誕生。


首例電阻焊要追溯到 1856 年。James Joule 成功用電阻加熱法對(duì)一捆銅絲進(jìn)行了熔化焊接。 1887 年,電阻焊被美國(guó)的湯姆森發(fā)明,并且應(yīng)用于薄板的縫焊以及點(diǎn)焊; 20 世紀(jì) 20 年代由于閃光對(duì)焊方法焊接棒材和鏈條的出現(xiàn),電阻焊真正進(jìn)入了實(shí)用階段,。1964 年 Unimation 生產(chǎn)的首批用于電阻點(diǎn)焊機(jī)器人在通用汽車公司使用。


在此階段,人們還發(fā)明了氧炔焊和鋁熱焊, 作為早期電力技術(shù)不成熟時(shí)重要的焊接方法,目前上述方法在特定場(chǎng)合仍得到應(yīng)用和發(fā)展。大約 1900 年,EdmundFouche 和 Charles Picard 造出了第一支焊炬, 目前仍在鐵路軌道等的焊接上得到應(yīng)用。


(2)第二個(gè)重要發(fā)展階段出現(xiàn)在 20世紀(jì)四五十年代的第三次工業(yè)革命, 這階段在能源、微電子技術(shù)、航天技術(shù)等領(lǐng)域取得重大突破, 推動(dòng)了焊接技術(shù)的發(fā)展,1950 年后成為又一次焊接方法迅速發(fā)展的時(shí)期,在這個(gè)階段各個(gè)國(guó)家的焊接工作者開(kāi)發(fā)了不少嶄新的焊接方法。


1951 年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究院發(fā)明電渣焊, 成為大厚度工件的高效焊接方法。1957年美國(guó)的蓋奇發(fā)明了等離子弧焊; 20 世紀(jì) 40 年代德國(guó)和法國(guó)科學(xué)家發(fā)明的電子束焊,也在 20世紀(jì) 50 年代得到了應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展; 20 世紀(jì) 60 年代又出現(xiàn)了激光焊。 等離子、電子束和激光焊接方法的出現(xiàn), 標(biāo)志著高能量密度熔焊的新發(fā)展,大大改善了材料的焊接性, 使得許多難以用其他方法焊接的材料和結(jié)構(gòu)得以焊接。 1956 年,美國(guó)的瓊斯發(fā)明超聲波焊;蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明摩擦焊;1959年,美國(guó)斯坦福研究所成功研究出爆炸焊; 20世紀(jì) 50 年代末蘇聯(lián)又研制出真空擴(kuò)散焊設(shè)備。


1991 年,TWI獲得攪拌摩擦焊專利權(quán)。 這種焊接方法對(duì)輕合金和適用, 不用熔化就能接合并形成高質(zhì)量焊縫。該工藝不使用耗材,能源消耗少,是 20 世紀(jì)最重要的焊接創(chuàng)新之一。到此為止,目前使用的大多數(shù)焊接工藝都已發(fā)明。


1.5 我國(guó)焊接行業(yè)的發(fā)展及現(xiàn)狀

我國(guó)焊接技術(shù)的真早發(fā)展開(kāi)始于解放后, 1955 年左右,在當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)專家的幫助下,經(jīng)過(guò)第一批留蘇人員的艱苦努力, 我國(guó)開(kāi)始建立自己的焊接專業(yè), 培養(yǎng)焊接人才,這標(biāo)志著我國(guó)焊接事業(yè)的真正起步。 而我國(guó)焊接專業(yè)的快速發(fā)展, 還是改革開(kāi)放后, 在經(jīng)濟(jì)騰飛和工業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)力下獲得的。 目前,經(jīng)過(guò)焊接工作者的努力,基本掌握了各項(xiàng)先進(jìn)的焊接生產(chǎn)技術(shù),并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中,極大地推動(dòng)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。


1.5.1 焊接技術(shù)在國(guó)民工業(yè)上的應(yīng)用級(jí)技術(shù)水平現(xiàn)狀

我國(guó)在實(shí)行改革開(kāi)放政策以來(lái),在大型焊接鋼結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用方面創(chuàng)造了1949年以來(lái)的最高水平,有的已經(jīng)成為世界第一。例如國(guó)家大劇院、大噸位原油船舶、核電站反應(yīng)器、神舟飛船的返回艙、長(zhǎng)江大橋等。世界關(guān)注的長(zhǎng)江三峽水利工程,其水電站的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑 10.7m,高 5.4m,重達(dá) 440t,成為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉(zhuǎn)輪。 這些焊接技術(shù)在國(guó)民工業(yè)的成功應(yīng)用, 也說(shuō)明了我國(guó)焊接制造技術(shù)已經(jīng)得到很大發(fā)展,得到世界的矚目。


大量先進(jìn)技術(shù)在我國(guó)航空航天、 電子工業(yè)、 交通運(yùn)輸、 大型工程及設(shè)備等行業(yè)的應(yīng)用,使我國(guó)的焊接技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。 為了完成諸多的重要焊接任務(wù),我國(guó)先后自行研制、 開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了一些先進(jìn)的焊接設(shè)備、 技術(shù)和材料。 目前國(guó)際上在生產(chǎn)中已經(jīng)采用的成熟焊接方法與裝備在我國(guó)也都有所應(yīng)用。 我國(guó)制造企業(yè)通過(guò)消化吸收, 已經(jīng)掌握了先進(jìn)的焊接技術(shù)和焊接方法 (其中不乏一些特種焊接技術(shù)),并在應(yīng)用的過(guò)程中創(chuàng)新發(fā)展,諸如電子束焊接、攪拌摩擦焊、激光焊接、單絲或雙絲窄間隙埋弧焊、水射流切割、 4 絲高速埋弧焊、等離子焊接、精細(xì)等離子切割、焊接柔性生產(chǎn)線、 STT焊接熱源、變極性焊接熱源和全數(shù)字化焊接電源等先進(jìn)的焊接技術(shù)和設(shè)備。


雖然我國(guó)焊接工作者積極努力追趕國(guó)際先進(jìn)水平, 但是也該認(rèn)識(shí)到, 我國(guó)在焊接方法和工藝的原始創(chuàng)新上, 要趕上世界先進(jìn)水平還有一段很長(zhǎng)的路要走。 因此,需要加強(qiáng)新的焊接共性技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。 在新焊接技術(shù)的研發(fā)與推廣應(yīng)用、 新型熱源在焊接方法上的應(yīng)用、 高效優(yōu)質(zhì)自動(dòng)化焊接技術(shù)、 焊接生產(chǎn)與質(zhì)量管理的信息化等方面,應(yīng)加快研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)。


1.5.2 我國(guó)焊接專業(yè)教育的發(fā)展和現(xiàn)狀

我國(guó)早期焊接專業(yè)教學(xué)模式起源于前蘇聯(lián), 當(dāng)時(shí)我國(guó)第一批焊接專家編寫(xiě)了第一套自己的焊接專業(yè)教材, 并在隨后的使用中不斷改善、 更新,滿足了當(dāng)時(shí)的教學(xué)要求。但應(yīng)該注意到,我國(guó)從 1998 年開(kāi)始,高等學(xué)校取消了各單獨(dú)的熱加工專業(yè),并合成材料加工工程專業(yè),實(shí)行了通才教育。自 2000 年開(kāi)始,我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行較大范圍的教學(xué)改革和教材建設(shè)工作, 一批適應(yīng)專業(yè)改革的教材逐漸走向大學(xué)生的課堂,大大改善了我國(guó)焊接專業(yè)教材建設(shè)滯后的問(wèn)題。

隨著新教材的推行和實(shí)踐, 在肯定其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí), 教育者也認(rèn)識(shí)到教育的層次和目標(biāo)的不同, 帶來(lái)對(duì)高等教育需求的差異。 高等院校應(yīng)有不同的層次, 有以培養(yǎng)科研人才為主,也有以培養(yǎng)廣大企業(yè)需要的工程技術(shù)人才為主 , 兩者的培養(yǎng)方法和教學(xué)內(nèi)容要各具特色。 工科的高等教育應(yīng)重點(diǎn)培養(yǎng)能適合在現(xiàn)代企業(yè)工作的工程師。這是人數(shù)最多, 對(duì)發(fā)展焊接制造有深遠(yuǎn)影響的群體。 焊接專業(yè)的教育現(xiàn)狀對(duì)教學(xué)模式、培養(yǎng)方案、教材體系的建設(shè)提出更高要求。對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō),需要能盡快承擔(dān)專業(yè)工作的 “專才”要求我國(guó)的高等教育體系應(yīng)能適應(yīng)不同層次的社會(huì)需求。




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