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焊接的发展史

2018-11-13 13:06:00
陆启蒙
原创
3501

焊接技术可以追溯到几千年前的青铜器时代,在人类早期工具制造中,无论是中国还是当时的埃及等文明地区, 都能看到焊接技术的雏形。 古代的 焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。中国商朝(公元前 1600年—公元前 1046年)制造的铁刃铜钺就是铁和铜的铸焊件, 其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折, 接合良好。 春秋战国时期(公元前 770 年—公元前 221年)曾侯乙墓中的建鼓铜座上的盘龙是分段钎焊连接而成的, 与现代软钎料成分相近。 战国时期制造的刀剑一般是加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》记载:中国古代将铜和铁一起入炉加热,经锻打制造刀、斧;用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上,分段锻焊大型船锚。在古埃及和地中海地区,公元前 1000 年人们就已经能够通过搭接的方法制造金盒及铁质工具。 到中世纪(约公元 476 年—公元 1453 年),早叙利亚大马士革曾用锻焊方法打造兵器。 但古代焊接技术长期停留在较原始的水平, 使用的热源都是炉火,温度低、能源不集中,无法用于大截面、长焊缝工件的焊件,只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。近代真正意义上的焊接技术起源于 1880年左右 电弧焊方法的问世。表 1.1 列出了 现代焊接史上重要方法和技术的出现时间、发明人及所属国家。


表 1.1 主要焊接方法的发明时间、发明人及所属国家


注:表中的发明时间以焊接方法首次具有工业实现意义为起点, 而非该方法的原理初次被发现。

纵观现代焊接方法和技术发展史, 与其工业革命的发展息息相关, 可根据方法的起源时间,将其归纳为两个重要的发展阶段。


(1)起源于 19 世纪 70 年代的第二次工业革命,这一阶段的重要标志是电力 的发展和应用。工业应用最为广泛的电弧焊、电阻焊方法正是起源于这一阶段。 虽然目前工业上使用的这两类焊接方法已有了很大进步, 但不容置疑的是这一阶 段奠定了焊接技术发展的第一块基石。


在 1881 年的巴黎“首次世界电器展”上,法国 Cabot 实验室的学生,俄罗斯 人 Nikolai Benardos 在碳极和工件引弧,填充金属棒使其熔化,首次展示了电 弧焊的方法。 1890 年,Benardos 用金属棒代替碳棒作为电极并获得专利。但瑞 典人 Oscar Kjellberg 在使用该方法修理船上的蒸汽锅炉时注意到, 焊接金属上 到处是气孔和小缝, 焊缝不能隔绝空气, 根本不可能让焊缝防水。 为了改善方法, 他发明了涂层焊条,,于 1907 年 6 月 29 日获得专利(瑞典专利号 27152),大大 改善了焊接质量, 是手工电弧焊进入了实用阶段。 随后,美国的诺布尔里用电弧 电压控制焊条送给速度, 制成自动电弧焊机, 从而成为焊接机械化、 自动化的开 端。在电弧焊的基础上,能产生更集中、更炙热能源的等离子焊接也被发明,利 用它可以提高焊接速度, 减少线能量。 在随后的发展中, 电弧焊方法得到不断创 新和改进。 1930 年美国的罗宾洛夫发明使用焊丝和焊剂的 埋弧焊,焊机机械化 得到进一步的发展。 20 世纪四十年代,在第二次世界大战期间,为适应航空界 铝、镁合金的合金钢焊接的需要, 钨极和熔化极惰性 气体保护焊相继问世。 1953 年,苏联的 Lyubavskii 和 Novoshilov 发明二氧化碳气体保护焊, 促进了气体保 护焊的应用和发展。 随后如混合气体保护焊、 药芯焊丝气体保护焊和自保护焊也 相继诞生。


首例电阻焊要追溯到 1856 年。James Joule 成功用电阻加热法对一捆铜丝进 行了熔化焊接。 1887 年,电阻焊被美国的汤姆森发明,并且应用于薄板的缝焊 以及点焊; 20 世纪 20 年代由于闪光对焊方法焊接棒材和链条的出现,电阻焊真 正进入了实用阶段,。1964 年 Unimation 生产的首批用于 电阻点焊机器人在通 用汽车公司使用。


在此阶段,人们还发明了氧炔焊和铝热焊, 作为早期电力技术不成熟时重要的 焊接方法,目前上述方法在特定场合仍得到应用和发展。大约 1900 年,Edmund Fouche 和 Charles Picard 造出了第一支焊炬, 目前仍在铁路轨道等的焊接上得 到应用。


(2)第二个重要发展阶段出现在 20世纪四五十年代的第三次工业革命, 这阶 段在能源、微电子技术、航天技术等领域取得重大突破, 推动了焊接技术的发展, 1950 年后成为又一次焊接方法迅速发展的时期,在这个阶段各个国家的焊接工 作者开发了不少崭新的焊接方法。


1951 年苏联的巴顿电焊研究院发明电渣焊, 成为大厚度工件的高效焊接方法。 1957年美国的盖奇发明了等离子弧焊; 20 世纪 40 年代德国和法国科学家发明的 电子束焊,也在 20世纪 50 年代得到了应用和进一步发展; 20 世纪 60 年代又出 现了 激光焊。 等离子、电子束和 激光焊接方法的出现, 标志着高能量密度熔焊的 新发展,大大改善了材料的焊接性, 使得许多难以用其他方法焊接的材料和结构 得以焊接。 1956 年,美国的琼斯发明超声波焊;苏联的丘季科夫发明摩擦焊; 1959年,美国斯坦福研究所成功研究出爆炸焊; 20世纪 50 年代末苏联又研制出 真空扩散焊设备。


1991 年,TWI获得搅拌摩擦焊专利权。 这种焊接方法对轻合金和适用, 不用熔 化就能接合并形成高质量焊缝。该工艺不使用耗材,能源消耗少,是 20 世纪最 重要的焊接创新之一。到此为止,目前使用的大多数 焊接工艺都已发明


1.5 我国焊接行业的发展及现状

我国焊接技术的真早发展开始于解放后, 1955 年左右,在当时苏联专家的帮 助下,经过第一批留苏人员的艰苦努力, 我国开始建立自己的焊接专业, 培养焊 接人才,这标志着我国焊接事业的真正起步。 而我国焊接专业的快速发展, 还是 改革开放后, 在经济腾飞和工业发展的巨大推动力下获得的。 目前,经过焊接工 作者的努力,基本掌握了各项先进的焊接生产技术,并将其应用于工业生产中, 极大地推动了我国经济的快速发展。


1.5.1 焊接技术在国民工业上的应用级技术水平现状

我国在实行改革开放政策以来,在大型焊接钢结构的开发与应用方面创造了 1949年以来的最高水平,有的已经成为世界第一。例如国家大剧院、大吨位原 油船舶、核电站反应器、神舟飞船的返回舱、长江大桥等。世界关注的长江三峡 水利工程,其水电站的水轮机转轮直径 10.7m,高 5.4m,重达 440t,成为世界 最大、最重的 不锈钢焊接转轮。 这些焊接技术在国民工业的成功应用, 也说明了 我国焊接制造技术已经得到很大发展,得到世界的瞩目。


大量先进技术在我国航空航天、 电子工业、 交通运输、 大型工程及设备等行业 的应用,使我国的焊接技术得到突飞猛进的发展。 为了完成诸多的重要焊接任务, 我国先后自行研制、 开发和引进了一些先进的 焊接设备、 技术和材料。 目前国际 上在生产中已经采用的成熟焊接方法与装备在我国也都有所应用。 我国制造企业 通过消化吸收, 已经掌握了先进的焊接技术和焊接方法 (其中不乏一些特种焊接 技术),并在应用的过程中创新发展,诸如电子束焊接、搅拌摩擦焊、激光焊接、 单丝或双丝窄间隙埋弧焊、水射流切割、 4 丝高速埋弧焊、等离子焊接、精细等 离子切割、焊接柔性生产线、 STT焊接热源、变极性焊接热源和全数字化焊接电 源等先进的焊接技术和设备。


虽然我国焊接工作者积极努力追赶国际先进水平, 但是也该认识到, 我国在焊 接方法和工艺的原始创新上, 要赶上世界先进水平还有一段很长的路要走。 因此, 需要加强新的焊接共性技术的研究与开发。 在新焊接技术的研发与推广应用、 新 型热源在焊接方法上的应用、 高效优质自动化焊接技术、 焊接生产与质量管理的 信息化等方面,应加快研究与应用开发。


1.5.2 我国焊接专业教育的发展和现状

我国早期焊接专业教学模式起源于前苏联, 当时我国第一批焊接专家编写了第 一套自己的焊接专业教材, 并在随后的使用中不断改善、 更新,满足了当时的教 学要求。但应该注意到,我国从 1998 年开始,高等学校取消了各单独的热加工 专业,并合成材料加工工程专业,实行了通才教育。自 2000 年开始,我国开始 进行较大范围的教学改革和教材建设工作, 一批适应专业改革的教材逐渐走向大 学生的课堂,大大改善了我国焊接专业教材建设滞后的问题。

随着新教材的推行和实践, 在肯定其优点的同时, 教育者也认识到教育的层次 和目标的不同, 带来对高等教育需求的差异。 高等院校应有不同的层次, 有以培 养科研人才为主,也有以培养广大企业需要的工程技术人才为主 , 两者的培养方 法和教学内容要各具特色。 工科的高等教育应重点培养能适合在现代企业工作的 工程师。这是人数最多, 对发展焊接制造有深远影响的群体。 焊接专业的教育现 状对教学模式、培养方案、教材体系的建设提出更高要求。对企业来说,需要能 尽快承担专业工作的 “专才”要求我国的高等教育体系应能适应不同层次的社会 需求




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