石油类高等院校非焊接专业《金属焊接》的结构与特色

路庆良，雷 毅

（1.中国石油大学 出版社，山东 青岛266580；2.中国石油大学 机电工程学院，山东 青岛266580）

高等学校精品课程建设是教育部教学质量工程的重要组成部分，也是在新形势下为提高高等教育教学质量而采取的重大举措［1-3］。教材是体现教学大纲、教学内容和教学方法的知识载体，是教师实施教学的重要工具，而教材建设则是课程建设的核心内容。随着科学技术的发展，金属焊接从一种传统的热加工工艺发展到了集结构、材料、力学、电子等多门学科理论为一体的综合工程技术，并向着自动化、柔性化和智能化方向发展。焊接技术在石油领域中占有重要的地位［4］。石油化工机械中各种化工容器、反应塔、加热炉和换热器的制造与安装等都需要进行大量的焊接工作。油气储运设备中的各种储油罐、油气管道、油槽车和油轮等的制造或安装都以焊接为主要加工手段。在钻采机械方面，焊接可用于架体、泵体、钻杆、抽油杆和钻头等各种金属结构的制造及安装修理。海洋钻探及采油平台、海洋钻井船的制造等也都离不开焊接技术。更好地确保石油类高等院校《金属焊接》的教学质量，需要结合相关专业的人才培养目标和课程结构，合理设置《金属焊接》教学内容。

一、教材概述

《金属焊接》是石油类高等院校中过程装备与控制工程、油气储运工程和建筑环境与设备工程等相关专业的应用技术课程［5］，为了充分发挥精品课程在人才培养中的作用，突出与石油工业紧密结合的特色，中国石油大学（华东）以《金属焊接》精品课程建设为平台［6］，结合目前国内石油类高等院校相关专业的人才培养目标，从宏观、微观和应用三个方面构建了金属焊接教材内容中焊接电弧与弧焊电源、常用电弧焊方法、焊接应力与变形、焊接冶金原理、典型金属材料焊接和焊接质量检验共六大知识模块。

《金属焊接》教材中各知识模块分别代表了焊接技术领域中的不同研究方向，既相对独立，又密切联系。要使非焊接专业学生通过本门课程的学习，了解整个金属焊接的各个要点，这就需要学生对各知识结构模块进行全面把握。

二、教材结构及内容

（一）焊接电弧与弧焊电源

电弧焊是熔化焊中最重要、应用最广泛的一种焊接方法，包括焊条电弧焊、埋弧焊、气体保护焊等。电弧焊是以电弧的形式将电能转变为热能来熔化填充金属和母材，形成焊缝。弧焊电源是用来为焊接电弧提供电能的一种专用设备。不同性能的弧焊电源对电弧的燃烧有着不同的影响，从而对整个焊接过程的进行和焊接质量的影响也不同，而弧焊电源的影响是通过焊接电弧表现出来的。

目前常用的弧焊电源有弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊逆变器等。弧焊变压器为交流弧焊电源，是一种具有下降外特性的特殊降压变压器。它和普通电力变压器的主要不同之处在于漏抗较大（或加串联电抗器），此外还需要满足一定的电流调节范围，并有合适的空载电压。由于交流电弧不如直流电弧稳定且不能采用碱性低氢焊条（交直流两用焊条除外），使弧焊变压器的应用受到了一定程度的限制。直流弧焊发电机可克服上述缺点，并且小电流焊接时焊接规范稳定，特别适用重要的焊接结构。但由于它效率低，耗能多，费材料和噪声大等原因，故由电动机驱动的弧焊发电机已经基本被淘汰，但由内燃机拖动的弧焊发电机在无电网施工时仍有一定的使用量。硅弧焊整流器也是一种直流弧焊电源，同直流弧焊发电机相比，制造工艺简单、重量轻、节省材料、效率高、空载损耗小、噪声小，使用控制方便。晶闸管式弧焊整流器是目前实际工程中应用最多的电子控制弧焊电源之一。晶体管式弧焊电源是继旋转式弧焊发电机、硅弧焊整流器、晶闸管弧焊整流器之后的第四代直流弧焊电源。逆变式弧焊电源是电子化和数字化的一种新型弧焊电源，近十几年来发展较为迅速，它具有更新换代的意义。

（二）常用电弧焊方法

在机械工业产品的制造过程中，往往需要把各种各样加工好的零件按设计要求连接起来制作为成品，其中焊接就是将这些零件连接起来的一种常用的加工方法。目前，金属焊接作为机械设备制造与维修中一种基本的工艺方法，广泛应用于各工业部门。在焊接生产过程中，焊接设备是保证焊接生产过程顺利进行的基本条件，不同的焊接方法需要借助不同的焊接设备来实现。

焊接技术的诞生与发展经历了数千年的历史。根据金属焊接的物理化学过程，基本焊接方法通常分为三大类：熔化焊接、压力焊接和钎焊。其中熔化焊接中的电弧焊是目前应用最为广泛的焊接方法。手工焊条电弧焊作为一种传统的焊接工艺，因其操作灵活和适应性强而成为工程建设中应用最为广泛的一种焊接方法。埋弧自动焊是以焊丝与工件间形成的电弧为热源，以覆盖在电弧上面及周围的颗粒状焊剂及其熔渣作保护的自动焊方法，是目前生产效率较高的机械化焊接方法之一。气体保护焊是利用外加气体作为保护介质的一种电弧焊方法。目前应用较多的气体保护焊主要是氩弧焊、CO2气体保护焊。随着科学技术的发展，新材料、新结构的不断涌现，对焊接方法与设备提出了更高、更严的要求，这就需要焊接方法与设备向着高效率和高质量方向发展。到目前为止，已有几十种焊接方法。另外，金属热切割、表面堆焊、热喷涂、碳弧气刨等也属于焊接技术领域。

（三）焊接应力与变形

工程结构焊接后一般都会产生程度不同的变形和应力。按照它们存在时间的不同有两种情况：一是焊接瞬时应力和瞬时变形；二是焊接残余应力和残余变形。通常所说的焊接应力与变形就是指焊接残余应力和残余变形。

焊接应力与变形对结构的制造质量和使用性能影响很大。焊接应力是引起各种焊接裂纹的主要原因之一，并在一定条件下会影响结构（尤其是低温及受动载结构）的承载能力，如强度、刚度和受压稳定性。焊接应力还会影响结构的机械加工精度和尺寸稳定性。焊接变形不仅影响结构的尺寸精确度和外形美观，还可能因降低结构的承载能力而导致事故。结构的焊接变形量若超过允许值就必须通过一定的矫正方法进行处理，有些经矫正处理后的焊接构件虽然达到了使用要求，但因矫正工作量太大将影响生产效率；而有些因矫正无效或无法矫正的焊接构件将导致产品报废。因此，在结构设计和制定焊接工艺时，应允许估计可能产生的应力与变形，正确处理二者间的关系。为此，必须了解焊接应力与变形产生的原因、类型、影响因素及控制措施。

（四）焊接冶金原理

焊接冶金学作为焊接理论的一个重要分支，它研究焊接化学冶金与焊接物理冶金的基本规律。熔化焊时，焊接材料和母材被加热熔化的同时，在液态金属的周围充满了大量的气体，有时表面上还覆盖着熔渣。这些气体及熔渣在焊接的高温下与液态金属不断地进行一系列复杂的物理化学反应，如元素的氧化与还原，气体的熔解与析出以及有害杂质的去除等。因此，熔化焊过程中伴随着金属熔化、凝固、固态相变以及形成接头等过程，而这种焊接区内熔化的金属、熔渣与气体三者间所进行的一系列反应过程，以及金属结晶相变过程总称为焊接冶金过程。

焊接冶金过程对焊缝的化学成分、性能、焊接质量以及焊接工艺性能都有很大的影响。了解各种工艺条件下冶金反应与焊缝金属成分、性能之间的关系及其变化规律，对于合理地选择焊接材料、正确地控制和调整焊缝金属的成分和性能具有十分重要的意义。熔化焊时用来形成焊缝的消耗材料，如焊条、焊剂、焊丝和保护气体等，统称为焊接材料。焊接化学冶金过程中提出的任务就是依靠它们来完成的。因此，在实际焊接操作过程中弄清各种焊接材料的应用特点和选用原则同样也具有重要意义。

（五）典型金属材料焊接

人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为时代的显著标志。在现代工业中，金属材料（包括金属和以金属为基的合金）是最重要、应用最广泛的工程结构材料，高速行驶的汽车、火车、载重万吨至几十万吨的轮船、耐腐耐压的化工设备以及宇宙航行工具等都离不开金属材料，目前种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。焊接作为现代制造业必不可少的工艺，在材料加工领域一直占据重要地位。因此，了解常用金属材料的焊接具有重要意义。

金属材料往往要求具备如高温、低温韧性、耐腐蚀性等基本性能，并且要求焊后仍保持这些基本性能。但是，在短短的焊接时间内，焊缝和热影响区（HAZ）金属却要经受加热、冷却、熔化、结晶、物理化学反应、固态相变，以及应力、应变等一系列复杂过程。然而，不同的金属材料表现出不同的焊接性特点，应根据材料的焊接性问题和应用要求确定合理的焊接工艺。

（六）焊接质量检验

焊接结构（件）在现代科学技术和生产中应用广泛。随着锅炉、压力容器、化工机械、海洋构造物、航空航天器和原子能工程等向高参数及大型化方向发展，对焊接技术与焊接结构（件）提出更高要求。但由于焊接接头大多数为性能不均匀体，应力分布比较复杂，而且焊接结构一般都在负载条件下工作，有时其工作条件还极为恶劣，如需要承受高温、高压或各种易燃、有毒介质侵蚀等。若不能及时发现并消除焊接接头中的严重缺陷，则可能发生严重事故，造成重大损失。

焊接检验目的在于防止与发现焊接缺陷，以确保结构（件）的安全使用。各类产品都规定了对焊接接头质量等级的技术要求。试制新产品或制订焊接新工艺时，通过焊接检验可发现并解决其质量问题，使新产品与新工艺获得发展和应用。有的产品在使用中还需定期检验，以发现和及时消除在使用中产生而尚未导致破坏的缺陷，从而防止事故的发生，延长产品的使用寿命。

焊接检验是通过采用调查、检查、度量、试验和监测等方法，把产品的焊接质量同其使用要求不断相比较的过程。目前在工业生产中所应用的焊接检验方法主要包括破坏性检验、非破坏性检验和声发射三大类。

三、教材主要特色

《金属焊接》涉及到焊接电源、焊接方法和设备、焊接材料、焊接冶金、焊接工艺、焊接应力与变形、焊接质量检验等内容，集电学、材料学、冶金学、力学等学科于一体。由于课程内容需要浓缩整个焊接领域中的基本知识点和各知识结构的精华部分，因此，课程内容主要突出体现了以下几个特色：

（一）统筹安排，综合平衡

由于《金属焊接》课程教学内容的各知识模块分别代表焊接领域的不同研究方向，但各部分内容具有相互渗透和相互影响的作用。如焊接电源是焊接设备的重要组成部分，不同的焊接方法需要相应的焊接设备来完成。同时焊接过程中又涉及到冶金原理和相关工艺等。因此，整个教材内容需要注重石油类相关专业的不同需求，强调整体优化，认真处理各部分交叉内容，对教材内容的各知识模块的处理需要做到统筹安排和综合平衡。

（二）突出石油类高校相关专业应用特点

为了实现“基础厚、口径宽、能力强、素质高”的人才培养目标，在课程内容设置上应充分考虑到石油类高校非焊接专业学生相应的基础知识和专业应用特点，如石油化工机械主要涉及到各种化工容器、反应塔、加热炉和换热器的制造与安装。油气储运专业涉及到各种储油罐、油气管道、油槽车和油轮等制造工程。因此，需要从《金属焊接》课程本身出发，使课程内容与相应支持课程内容相融合，从而构成“学有基础、用有对象”的课程知识体系。

（三）保证教材内容的先进性与实用性

随着科学技术的飞速发展，焊接已经从一种传统的热加工工艺发展到了集结构、力学、电子等多门类科学为一体的综合工程科学。近几十年来，随着科技的日新月异，焊接设备和焊接方法得到长足的发展。受材料、信息学科新技术的影响，不仅有数十种焊接新工艺问世，而且焊接工艺操作正向自动焊、自动化、智能化方向发展。专业技术知识发展速度越快，学科交叉越密切。因此，《金属焊接》课程教材在内容上需要大量精简“深、专、旧”的传统课程内容，保证课程教材内容的先进性与实用性，力求反映国内外最新成就和发展趋势，如焊接电弧与弧焊电源部分，增加了电子弧焊电源的内容；常用电弧焊方法部分，增加了一些焊接方法的进展内容，这样使石油类高校相关专业的学生能够接受新的科技知识。

四、结束语

《金属焊接》课程作为石油类高等院校非焊接专业开设的应用技术课程，由于不同专业具有不同的知识背景和应用要求，教学内容均各有侧重点。石油类高等院校《金属焊接》精品课程建设应体现与石油工业紧密结合特色，教学内容不仅要满足相关专业人才培养目标的基本要求，而且在培养方向上应立足石油石化工业，服务石油石化工业，增强学生适应工作的能力，进一步发挥《金属焊接》课程在石油类高等院校人才培养中的重要作用。在国家石油石化工业不断发展的新形势下，为了真正实现“基础厚、口径宽、能力强、素质高”的人才培养目标，保证人才培养质量，需要进行更深层的实践探索，使课程教材内容更突出与石油石化工业紧密相结合的特色，充分体现石油石化人才教育的价值取向。

［1］邵敬敏.教材的精品意识与精品课程建设［J］.中国大学教学，2008（5）：89-92.

［2］李辉.以高水平教材建设工作为基础全面推动精品课程建设［J］.中国高教研究，2006（12）：84-85.

［3］陈琳，蒋艳红，李凡，等.高校教材建设的时代性要求研究［J］.现代教育技术，2011，21（10）：20-24.

［4］雷毅，吴斌，宫大猛.焊接技术在我国石油工程建设中的应用［J］.电焊机，2012，42（7）：51-54.

［5］雷毅.金属焊接［M］.东营：中国石油大学出版社，2011：11-13.

［6］雷毅，赵卫民，韩涛，等.石油类高等院校《金属焊接》精品课程建设［J］.中国石油大学胜利学院学报，2008，22（3）：71-73.