焊接的發(fā)展史

              2018-11-13 13:06:00
              陸啟蒙
              原創(chuàng)
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              焊接技術可以追溯到幾千年前的青銅器時代,在人類早期工具制造中,無論是中國還是當時的埃及等文明地區(qū), 都能看到焊接技術的雛形。 古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊。中國商朝(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)國時期(公元前 770 年—公元前 221年)曾侯乙墓中的建鼓銅座上的盤龍是分段釬焊連接而成的, 與現(xiàn)代軟釬料成分相近。 戰(zhàn)國時期制造的刀劍一般是加熱鍛焊而成的。據(jù)明朝宋應星所著《天工開物》記載:中國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)能夠通過搭接的方法制造金盒及鐵質工具。 到中世紀(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。 但古代焊接技術長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,無法用于大截面、長焊縫工件的焊件,只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。近代真正意義上的焊接技術起源于 1880年左右電弧焊方法的問世。表 1.1 列出了現(xiàn)代焊接史上重要方法和技術的出現(xiàn)時間、發(fā)明人及所屬國家。


              表 1.1 主要焊接方法的發(fā)明時間、發(fā)明人及所屬國家


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

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


              (1)起源于 19 世紀 70 年代的第二次工業(yè)革命,這一階段的重要標志是電力的發(fā)展和應用。工業(yè)應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步, 但不容置疑的是這一階段奠定了焊接技術發(fā)展的第一塊基石。


              在 1881 年的巴黎“首次世界電器展”上,法國 Cabot 實驗室的學生,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 27152),大大改善了焊接質量, 是手工電弧焊進入了實用階段。 隨后,美國的諾布爾里用電弧電壓控制焊條送給速度, 制成自動電弧焊機, 從而成為焊接機械化、 自動化的開端。在電弧焊的基礎上,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。 1930 年美國的羅賓洛夫發(fā)明使用焊絲和焊劑的埋弧焊,焊機機械化得到進一步的發(fā)展。 20 世紀四十年代,在第二次世界大戰(zhàn)期間,為適應航空界鋁、鎂合金的合金鋼焊接的需要, 鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。 1953年,蘇聯(lián)的 Lyubavskii 和 Novoshilov 發(fā)明二氧化碳氣體保護焊, 促進了氣體保護焊的應用和發(fā)展。 隨后如混合氣體保護焊、 藥芯焊絲氣體保護焊和自保護焊也相繼誕生。


              首例電阻焊要追溯到 1856 年。James Joule 成功用電阻加熱法對一捆銅絲進行了熔化焊接。 1887 年,電阻焊被美國的湯姆森發(fā)明,并且應用于薄板的縫焊以及點焊; 20 世紀 20 年代由于閃光對焊方法焊接棒材和鏈條的出現(xiàn),電阻焊真正進入了實用階段,。1964 年 Unimation 生產(chǎn)的首批用于電阻點焊機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, 作為早期電力技術不成熟時重要的焊接方法,目前上述方法在特定場合仍得到應用和發(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用。


              (2)第二個重要發(fā)展階段出現(xiàn)在 20世紀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、航天技術等領域取得重大突破, 推動了焊接技術的發(fā)展,1950 年后成為又一次焊接方法迅速發(fā)展的時期,在這個階段各個國家的焊接工作者開發(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年美國的蓋奇發(fā)明了等離子弧焊; 20 世紀 40 年代德國和法國科學家發(fā)明的電子束焊,也在 20世紀 50 年代得到了應用和進一步發(fā)展; 20 世紀 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構得以焊接。 1956 年,美國的瓊斯發(fā)明超聲波焊;蘇聯(lián)的丘季科夫發(fā)明摩擦焊;1959年,美國斯坦福研究所成功研究出爆炸焊; 20世紀 50 年代末蘇聯(lián)又研制出真空擴散焊設備。


              1991 年,TWI獲得攪拌摩擦焊專利權。 這種焊接方法對輕合金和適用, 不用熔化就能接合并形成高質量焊縫。該工藝不使用耗材,能源消耗少,是 20 世紀最重要的焊接創(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 我國焊接行業(yè)的發(fā)展及現(xiàn)狀

              我國焊接技術的真早發(fā)展開始于解放后, 1955 年左右,在當時蘇聯(lián)專家的幫助下,經(jīng)過第一批留蘇人員的艱苦努力, 我國開始建立自己的焊接專業(yè), 培養(yǎng)焊接人才,這標志著我國焊接事業(yè)的真正起步。 而我國焊接專業(yè)的快速發(fā)展, 還是改革開放后, 在經(jīng)濟騰飛和工業(yè)發(fā)展的巨大推動力下獲得的。 目前,經(jīng)過焊接工作者的努力,基本掌握了各項先進的焊接生產(chǎn)技術,并將其應用于工業(yè)生產(chǎn)中,極大地推動了我國經(jīng)濟的快速發(fā)展。


              1.5.1 焊接技術在國民工業(yè)上的應用級技術水平現(xiàn)狀

              我國在實行改革開放政策以來,在大型焊接鋼結構的開發(fā)與應用方面創(chuàng)造了1949年以來的最高水平,有的已經(jīng)成為世界第一。例如國家大劇院、大噸位原油船舶、核電站反應器、神舟飛船的返回艙、長江大橋等。世界關注的長江三峽水利工程,其水電站的水輪機轉輪直徑 10.7m,高 5.4m,重達 440t,成為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉輪。 這些焊接技術在國民工業(yè)的成功應用, 也說明了我國焊接制造技術已經(jīng)得到很大發(fā)展,得到世界的矚目。


              大量先進技術在我國航空航天、 電子工業(yè)、 交通運輸、 大型工程及設備等行業(yè)的應用,使我國的焊接技術得到突飛猛進的發(fā)展。 為了完成諸多的重要焊接任務,我國先后自行研制、 開發(fā)和引進了一些先進的焊接設備、 技術和材料。 目前國際上在生產(chǎn)中已經(jīng)采用的成熟焊接方法與裝備在我國也都有所應用。 我國制造企業(yè)通過消化吸收, 已經(jīng)掌握了先進的焊接技術和焊接方法 (其中不乏一些特種焊接技術),并在應用的過程中創(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的焊接技術和設備。


              雖然我國焊接工作者積極努力追趕國際先進水平, 但是也該認識到, 我國在焊接方法和工藝的原始創(chuàng)新上, 要趕上世界先進水平還有一段很長的路要走。 因此,需要加強新的焊接共性技術的研究與開發(fā)。 在新焊接技術的研發(fā)與推廣應用、 新型熱源在焊接方法上的應用、 高效優(yōu)質自動化焊接技術、 焊接生產(chǎn)與質量管理的信息化等方面,應加快研究與應用開發(fā)。


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

              我國早期焊接專業(yè)教學模式起源于前蘇聯(lián), 當時我國第一批焊接專家編寫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,滿足了當時的教學要求。但應該注意到,我國從 1998 年開始,高等學校取消了各單獨的熱加工專業(yè),并合成材料加工工程專業(yè),實行了通才教育。自 2000 年開始,我國開始進行較大范圍的教學改革和教材建設工作, 一批適應專業(yè)改革的教材逐漸走向大學生的課堂,大大改善了我國焊接專業(yè)教材建設滯后的問題。

              隨著新教材的推行和實踐, 在肯定其優(yōu)點的同時, 教育者也認識到教育的層次和目標的不同, 帶來對高等教育需求的差異。 高等院校應有不同的層次, 有以培養(yǎng)科研人才為主,也有以培養(yǎng)廣大企業(yè)需要的工程技術人才為主 , 兩者的培養(yǎng)方法和教學內容要各具特色。 工科的高等教育應重點培養(yǎng)能適合在現(xiàn)代企業(yè)工作的工程師。這是人數(shù)最多, 對發(fā)展焊接制造有深遠影響的群體。 焊接專業(yè)的教育現(xiàn)狀對教學模式、培養(yǎng)方案、教材體系的建設提出更高要求。對企業(yè)來說,需要能盡快承擔專業(yè)工作的 “專才”要求我國的高等教育體系應能適應不同層次的社會需求。




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