高強(qiáng)度鋼板電阻焊研究進(jìn)展

岑耀東，陳芙蓉

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.包鋼（集團(tuán)）公司集團(tuán)管理部，內(nèi)蒙古包頭014010）

高強(qiáng)度鋼板電阻焊研究進(jìn)展

岑耀東1，2，陳芙蓉1

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051；2.包鋼（集團(tuán)）公司集團(tuán)管理部，內(nèi)蒙古包頭014010）

高強(qiáng)度鋼板具有高屈服強(qiáng)度、高韌性及較高的能量吸收率和疲勞強(qiáng)度，以及優(yōu)良的成型性能和高烘烤硬化性能、防撞凹性能等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于汽車外殼及車體結(jié)構(gòu)件的制造。高強(qiáng)度鋼板工業(yè)生產(chǎn)線的批量生產(chǎn)及汽車組裝過(guò)程多采用電阻焊，隨著鋼板強(qiáng)度化的提高，焊接難度加大，限制了高強(qiáng)度鋼板的大范圍應(yīng)用。從薄板連續(xù)退火及連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線中的頭-尾連接、汽車用同種鋼板焊接、汽車用異種材質(zhì)焊接三種不同工藝形式方面闡述了高強(qiáng)度鋼板電阻點(diǎn)焊、縫焊的研究進(jìn)展，指出異種材質(zhì)的電阻焊研究及電阻縫焊數(shù)值模擬研究還有待加強(qiáng)，同時(shí)展望了未來(lái)高強(qiáng)度鋼板電阻焊的發(fā)展方向。

高強(qiáng)度鋼板；電阻焊；數(shù)值模擬；相變誘導(dǎo)塑性鋼；雙相鋼

0　前言

近年來(lái)，在國(guó)際汽車輕量化大趨勢(shì)的影響下，高強(qiáng)度鋼板成為汽車用首選鋼板（結(jié)構(gòu)件）[1]。隨著汽車制造技術(shù)的快速發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板發(fā)展迅速[2]，已從普通高強(qiáng)度鋼板（屈服強(qiáng)度180～300 MPa）發(fā)展為現(xiàn)在的超高強(qiáng)度鋼板（屈服強(qiáng)度大于等于600MPa）。目前，德國(guó)蒂森克虜伯公司已開(kāi)發(fā)出890～1100MPa不同級(jí)別系列的高強(qiáng)度鋼板[3]，日本JFE鋼鐵公司已開(kāi)發(fā)出強(qiáng)度級(jí)別為580～980 MPa的高強(qiáng)度鋼板，并著力研究與開(kāi)發(fā)1 470 MPa及以上的高強(qiáng)度鋼板[4]。電阻焊與其他焊接方式相比，具有成本低、焊接效率高等優(yōu)點(diǎn)，一直是汽車用板的最佳焊接方式，廣泛應(yīng)用于冷軋薄板連續(xù)熱鍍鋅、連續(xù)退火及冷軋硅鋼等工業(yè)生產(chǎn)線中頭和尾的連接及汽車組裝過(guò)程中的焊接。但是，目前對(duì)高強(qiáng)度鋼板電阻焊的研究遠(yuǎn)滯后于對(duì)鋼板強(qiáng)度的研究，現(xiàn)有的電阻焊技術(shù)越來(lái)越難以適應(yīng)汽車制造產(chǎn)業(yè)對(duì)高強(qiáng)度鋼板高效率、高質(zhì)量的焊接發(fā)展需求。目前國(guó)外已實(shí)現(xiàn)了對(duì)980 MPa及以下高強(qiáng)度鋼板的電阻焊焊接，而對(duì)980 MPa以上高強(qiáng)度鋼板多用脈沖點(diǎn)焊或激光焊的方式，脈沖點(diǎn)焊需對(duì)焊縫進(jìn)行回火處理，工藝較復(fù)雜[5]，且作業(yè)時(shí)間較長(zhǎng)，而采用激光焊成本又太高。我國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼板研究與開(kāi)發(fā)比國(guó)外晚，近5年來(lái)鞍鋼、寶鋼等國(guó)內(nèi)較早開(kāi)發(fā)汽車板的大型生產(chǎn)企業(yè)已成功研制了980MPa不同類別的高強(qiáng)度鋼板[6]，寶鋼還研究成功了1 180 MPa級(jí)雙相鋼板用于國(guó)產(chǎn)汽車的制造[7]。但受高強(qiáng)度鋼板焊接難度大、工藝復(fù)雜、焊接缺陷不易控制等因素影響，對(duì)這類鋼板的電阻點(diǎn)焊、縫焊工藝研究的報(bào)道不多見(jiàn)。電阻焊作為當(dāng)前高強(qiáng)度鋼板的主要焊接方式，研究技術(shù)的滯后一定程度上制約了高強(qiáng)度鋼板在汽車制造領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用[8]。

在此總結(jié)國(guó)內(nèi)外汽車用高強(qiáng)度鋼板電阻點(diǎn)焊、縫焊的研究現(xiàn)狀，指出目前尚不明確仍需研究的內(nèi)容和方向，以期推動(dòng)我國(guó)高強(qiáng)度鋼板電阻焊技術(shù)的發(fā)展。

1　高強(qiáng)度鋼板的電阻焊特點(diǎn)

目前，不同的國(guó)家和機(jī)構(gòu)對(duì)高強(qiáng)度鋼板有不同的定義，大多學(xué)者認(rèn)為抗拉強(qiáng)度為270～700 MPa的鋼板稱為傳統(tǒng)高強(qiáng)度鋼板（HSS），當(dāng)前先進(jìn)高強(qiáng)度鋼板（AHSS）和超高強(qiáng)度鋼板（UHSS）的抗拉強(qiáng)度為500～1 600 MPa[9]。高強(qiáng)度鋼板由于具有高的減重潛力、高的碰撞吸收能、高的疲勞強(qiáng)度、高的成形性和低的平面各向異性等優(yōu)點(diǎn)，能很好地滿足汽車制造用板的各項(xiàng)技術(shù)要求，特別是近年來(lái)在汽車輕量化趨勢(shì)的引導(dǎo)下，高強(qiáng)度鋼板市場(chǎng)需求量大增，發(fā)展?jié)摿薮蟆＝鼇?lái)開(kāi)發(fā)的DP鋼（雙相鋼）和TRIP鋼（相變誘導(dǎo)塑性鋼）強(qiáng)度級(jí)別為600～1 180 MPa，TWIP鋼（孿晶誘導(dǎo)塑性鋼）強(qiáng)度級(jí)別在1 000 MPa或更高，QP鋼（淬火-配分鋼）強(qiáng)度級(jí)別在1 000 MPa以上，已成功用于高端汽車板的生產(chǎn)。

電阻焊具有冶金過(guò)程簡(jiǎn)單、能量集中、焊接接頭變形小及焊接過(guò)程易于操作等特點(diǎn)，非常適合于薄板焊接，其中點(diǎn)焊工藝因成本低及易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化等特點(diǎn)，成為當(dāng)前汽車組裝過(guò)程中的主要焊接工藝；縫焊工藝因焊接接頭搭接量少，在碾壓輪作用下焊縫余高小、接頭的應(yīng)力分布均勻，且焊接效率高，廣泛應(yīng)用于汽車用冷軋板的連續(xù)退火、連續(xù)鍍鋅機(jī)組中。但是，隨著汽車用高強(qiáng)度鋼板技術(shù)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼板電阻焊質(zhì)量問(wèn)題逐步凸顯出來(lái)，這是因?yàn)楦邚?qiáng)鋼中的Si、Mn等合金元素較普通碳素鋼含量高，極易導(dǎo)致焊縫處變硬、變脆。另外，在對(duì)高強(qiáng)度鋼板進(jìn)行電阻焊時(shí)，由于所需電流較大，熔化后的金屬粒極容易向外飛濺而掉入焊縫處，影響焊接質(zhì)量[10]。

2　高強(qiáng)度鋼板電阻焊研究

目前國(guó)內(nèi)外高強(qiáng)度鋼板的電阻焊研究熱點(diǎn)主要是對(duì)各種高強(qiáng)度鋼板的可焊性、焊接參數(shù)對(duì)焊縫組織性能影響的研究，以及焊接工藝優(yōu)化和焊接質(zhì)量控制等方面。

2.1高強(qiáng)度鋼板連續(xù)退火及連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線頭-尾連接

窄搭接焊機(jī)是電阻縫焊機(jī)的一種，是薄板連續(xù)退火、連續(xù)鍍鋅及冷軋硅鋼生產(chǎn)機(jī)組中的重要設(shè)備，它的功能主要是保證開(kāi)卷機(jī)在換卷過(guò)程中，在較短的時(shí)間內(nèi)完成先行鋼卷的帶尾與后行鋼卷帶頭的焊接，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組的連續(xù)生產(chǎn)。受生產(chǎn)節(jié)奏及焊接時(shí)間的限制，搭接焊必須在短時(shí)間內(nèi)焊接成功且符合質(zhì)量要求，才能不影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和保證焊縫在后序運(yùn)行中不至于發(fā)生斷帶事故。

為了提高焊接質(zhì)量及焊縫組織性能，近年來(lái)相關(guān)專家進(jìn)行了大量的技術(shù)研究。文獻(xiàn)[11]對(duì)800 MPa級(jí)TRIP鋼窄搭接焊接工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)杯凸試驗(yàn)、表面質(zhì)量觀察、焊縫金相組織分析，研究工藝參數(shù)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響規(guī)律。采用低電流、低焊接速度的合理匹配，并投入后退火工藝，焊縫熔合線區(qū)金相組織為貝氏體，可獲得合格的杯凸試驗(yàn)結(jié)果和優(yōu)異的焊縫表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[12]對(duì)汽車用冷軋高強(qiáng)雙相鋼板（780DP鋼）與深沖用普碳鋼板（DC04鋼）進(jìn)行窄搭接焊接試驗(yàn)，分析窄搭接焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響規(guī)律，認(rèn)為焊接質(zhì)量對(duì)電極輪壓力最為敏感，對(duì)焊接電流和焊接速度的敏感性依次降低，同時(shí)，還分析了焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能。

由于高強(qiáng)度鋼板含有Mn、Cr、Mo等淬硬性元素，連續(xù)退火、連續(xù)鍍鋅及冷軋硅鋼生產(chǎn)線中窄搭接焊接的一個(gè)重要問(wèn)題是焊后焊縫存在淬硬線，因淬硬線的熔核組織是高硬度的馬氏體，極易發(fā)生脆性斷裂。Jason Dobson[13]采用后加熱工序，通過(guò)降低焊縫冷卻速度，有效減少了脆性斷裂。法國(guó)學(xué)者M(jìn)imer M[14]通過(guò)試驗(yàn)提出通過(guò)焊后回火工藝來(lái)改進(jìn)高強(qiáng)鋼焊縫性能的方法。伊朗學(xué)者Jahandideh[15]對(duì)熔核進(jìn)行通電，使馬氏體組織回火，提高了焊縫的韌性。但通電回火存在的問(wèn)題是熔核軟化使焊接接頭的剪切拉伸強(qiáng)度下降，為獲得良好的回火效果，文獻(xiàn)[16]在焊后通電前進(jìn)行1 s左右的冷卻，有效提高了剪切拉伸強(qiáng)度，但同時(shí)也延長(zhǎng)了焊接時(shí)間，并使工序復(fù)雜化。日本學(xué)者采用脈沖點(diǎn)焊技術(shù)[17]，通電時(shí)間比通電回火方法短，可以有效提高電阻點(diǎn)焊焊接接頭的十字拉伸強(qiáng)度，且不降低剪切拉伸強(qiáng)度，但能否用于連續(xù)退火、連續(xù)鍍鋅及冷軋硅鋼生產(chǎn)線中的電阻縫焊，尚需進(jìn)一步研究。脆性斷裂問(wèn)題仍然是當(dāng)前電阻縫焊研究領(lǐng)域亟待解決的難題。

2.2汽車用同種高強(qiáng)度鋼板焊接

汽車用同種高強(qiáng)度鋼板的電阻焊工藝，在保證獲得要求的熔核直徑和接頭強(qiáng)度的同時(shí)，還需要求焊接過(guò)程的穩(wěn)定性（robustness）。日本學(xué)者[18]Otani，Tadayuki等人系統(tǒng)研究了超細(xì)晶粒高強(qiáng)度鋼的電阻點(diǎn)焊特性，發(fā)現(xiàn)由于高強(qiáng)度鋼在高溫下的電阻率和強(qiáng)度不同于低碳鋼，在電阻點(diǎn)焊時(shí)獲得同樣大小的熔核尺寸需要的焊接電流比低碳鋼板更大；并且研究發(fā)現(xiàn)[19]，這種鋼板的碳當(dāng)量很低，雖然焊后熔核的主要組織是馬氏體，但由于低碳成分限制了熔核硬化，因此這種材料的點(diǎn)焊接頭不經(jīng)過(guò)回火就能得到高的拉剪強(qiáng)度和垂直拉伸強(qiáng)度。文獻(xiàn)[20]針對(duì)超高強(qiáng)度熱成形鋼板，利用SORPAS軟件建立了描述點(diǎn)焊熔核形成過(guò)程的軸對(duì)稱有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究，揭示了熱成形鋼點(diǎn)焊過(guò)程中溫度場(chǎng)、熔核直徑等變化規(guī)律。但總體來(lái)說(shuō)，對(duì)高強(qiáng)度板的數(shù)值模擬研究較少，特別是縫焊方面。

在汽車鋼板向高強(qiáng)度化發(fā)展的同時(shí)，鋼板組合也出現(xiàn)多樣化，有時(shí)部件還需要板厚差異化焊接。由于在不同厚比的高強(qiáng)鋼板組合焊接時(shí)，為獲得厚板-薄板間要求的熔核，一般需采用較大的焊接電流，這時(shí)產(chǎn)生的焊接飛濺物易附著在焊縫處，影響焊縫質(zhì)量。針對(duì)不同厚比鋼板組合焊接時(shí)存在的厚板-薄板間熔核難于形成的問(wèn)題，文獻(xiàn)[21]研究了差厚差強(qiáng)三層鋼板（DC04、DP600、DP780）電阻點(diǎn)焊與膠接的復(fù)合連接工藝過(guò)程，通過(guò)建立熔核形成過(guò)程的有限元模型，揭示了差強(qiáng)差厚三層鋼板熔核形成機(jī)理及熔核偏移的內(nèi)在原因。文獻(xiàn)[22]提出了一種智能點(diǎn)焊技術(shù)，可以對(duì)過(guò)去不能焊接的大厚比鋼板組合進(jìn)行焊接，并且放寬了板厚比的限制，減少了焊接次數(shù)，在板厚比規(guī)定的范圍內(nèi)，不需要采用大電流就可以獲得厚板-薄板間要求的熔核，能有效抑制飛濺的發(fā)生。

在高強(qiáng)度鋼板焊接時(shí)都不可避免地碰到焊接熱影響區(qū)軟化問(wèn)題，如雙相鋼是由低碳鋼或低碳微合金鋼通過(guò)兩相區(qū)的熱處理或控軋控冷得到，這是在焊接過(guò)程中由于焊接熱輸入而使馬氏體回火分解所造成[23]。熱影響區(qū)軟化使焊接接頭的剪切拉伸強(qiáng)度下降，而且焊接接頭容易產(chǎn)生裂紋缺陷，相對(duì)于電阻點(diǎn)焊，電阻縫焊的這種熱影響區(qū)軟化問(wèn)題更加顯著。文獻(xiàn)[24]采用氬弧焊修復(fù)裂紋缺陷，使超高強(qiáng)度鋼電阻縫焊單點(diǎn)抗剪低問(wèn)題及裂紋缺陷得到有效控制。

2.3汽車用高強(qiáng)異種材質(zhì)電阻焊研究

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)于汽車用高強(qiáng)鋼的電阻焊研究主要集中在同種高強(qiáng)鋼之間，隨著汽車制造技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)異種材質(zhì)的焊接產(chǎn)品的需求量越來(lái)越大。目前，應(yīng)用范圍較廣、且比較典型的異種材質(zhì)焊接主要是對(duì)鍍鋅層鋼板的電阻焊接。

近幾年來(lái)，隨著汽車制造產(chǎn)業(yè)對(duì)鋼板耐腐蝕性能要求的不斷提高，耐腐蝕性優(yōu)良且成本低廉的鍍鋅板逐漸成為汽車行業(yè)普遍采用的板材，因此，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，不論何種高強(qiáng)度鋼板，其化學(xué)成分都應(yīng)滿足表面鍍層處理的基本要求。由于表面鍍鋅層的物理性能和電阻率不同于碳鋼基板，所以鍍鋅層鋼板的電阻焊性能與同種無(wú)鍍層鋼板的電阻焊性能相比有較大的區(qū)別，特別是基板為高強(qiáng)度鋼板的鍍鋅層鋼板，其焊接難度遠(yuǎn)大于無(wú)鍍層高強(qiáng)度鋼板。

目前，對(duì)鍍鋅層普通低碳鋼板的電阻焊研究日趨成熟，但對(duì)高強(qiáng)度鍍鋅層鋼板電阻焊的焊接性研究仍是一個(gè)難點(diǎn)，近年來(lái)各國(guó)焊接工作者針對(duì)高強(qiáng)鍍鋅鋼板的焊接性，從焊接工藝參數(shù)、組織性能及質(zhì)量缺陷方面進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[25]對(duì)比分析了熱鍍鋅雙相鋼與熱鍍鋅普通低碳鋼板的電阻點(diǎn)焊工藝區(qū)別；文獻(xiàn)[26]研究DP590GA熱鍍鋅雙相鋼電阻點(diǎn)焊接頭組織性能，并分析焊接接頭正拉強(qiáng)度和拉剪強(qiáng)度隨焊接電流的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[27]對(duì)580 MPa高強(qiáng)鍍鋅鋼板電阻點(diǎn)焊的可焊性進(jìn)行了研究，分析焊接接頭裂紋缺陷的產(chǎn)生原因；文獻(xiàn)[28]還研究了超高強(qiáng)度硼鋼板與鍍鋅雙相鋼板的電阻點(diǎn)焊接頭質(zhì)量缺陷及其產(chǎn)生原因；文獻(xiàn)[29]研究了汽車油箱用電鍍鋅鋼板的電阻縫焊過(guò)程中晶粒尺寸大小與焊縫脆性斷裂的關(guān)系。

總體來(lái)說(shuō)，目前各國(guó)對(duì)高強(qiáng)鍍鋅鋼板的電阻焊研究大多停留在對(duì)電阻點(diǎn)焊的研究上，對(duì)于電阻縫焊的研究報(bào)道并不多見(jiàn)。國(guó)際上對(duì)高強(qiáng)鍍鋅鋼板的電阻縫焊研究尚存在一些問(wèn)題需要解決，如焊接過(guò)程中產(chǎn)生飛濺或滾輪電極與鋼板、鋅粘連，以及滾輪電極的使用壽命等。進(jìn)一步的研究方向可在對(duì)電阻點(diǎn)焊的研究工作基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，例如在電阻點(diǎn)焊方面，部分焊接研究人員通過(guò)對(duì)電極的低溫處理[30]或采用彌散強(qiáng)化銅合金等措施[31]來(lái)提高電極的使用壽命，取得了一定的成效，但能否用于電阻縫焊相關(guān)問(wèn)題的解決，需要進(jìn)一步研究。

除此之外，對(duì)異種材質(zhì)的電阻焊還包括異種鋼的焊接、異種金屬的焊接。對(duì)異種鋼的電阻焊研究主要集中在不銹鋼和低碳鋼之間[32-34]，或高強(qiáng)度鋼與較低強(qiáng)度鋼之間[35]；對(duì)異種金屬的電阻焊研究主要集中在高強(qiáng)度鋼和有色金屬之間，目前研究較熱的是對(duì)高強(qiáng)度鋼板與鋁合金板的焊接，由于異種金屬之間的物理性能及電阻率存在顯著的差異，特別是在對(duì)高強(qiáng)度鋼和鋁合金電阻焊接時(shí)，因Fe在Al中的固溶度極低，導(dǎo)致焊接性變差，焊接接頭中容易產(chǎn)生硬脆的金屬間化合物并伴隨有縮孔、裂紋等缺陷，使得焊接接頭的力學(xué)性能降低，這一問(wèn)題成為當(dāng)前制約高強(qiáng)度鋼板與鋁合金板電阻焊工藝在汽車制造中廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一。文獻(xiàn)[36]較為系統(tǒng)地研究了高強(qiáng)度鋼板和鋁合金板電阻點(diǎn)焊過(guò)程中電流大小、焊接時(shí)間和電極壓力等參數(shù)對(duì)焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律，認(rèn)為高強(qiáng)度鋼板與鋁合金熔合區(qū)存在厚度不均勻的金屬間化合物層界面，而且在界面區(qū)硬度的分布也是不均勻的。文獻(xiàn)[37]還采用三相次級(jí)整流電阻焊機(jī)對(duì)鎂和高強(qiáng)度鋼進(jìn)行了電阻點(diǎn)焊，研究確定工藝參數(shù)范圍和最佳數(shù)值，并觀察顯微組織特征，分析焊接接頭的組織性能，認(rèn)為鋼側(cè)最高硬度出現(xiàn)在鋼板的中心，而鎂側(cè)離熔合線越近硬度越高。

3　結(jié)論

（1）解決高強(qiáng)度鋼板搭接焊脆性斷裂這一關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，是今后電阻焊重要的研究方向。

（2）對(duì)高強(qiáng)度鋼板的電阻焊數(shù)值模擬技術(shù)研究較少，應(yīng)大力開(kāi)發(fā)對(duì)高強(qiáng)度鋼板電阻焊特別是電阻縫焊方面的數(shù)值模擬研究。

（3）板厚比差較大的電阻焊接及異種材質(zhì)的電阻焊技術(shù)研究還有待加強(qiáng)。

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[19]Otani，Tadayuki，Sasabe.Characteristicsofweldsofhighstrength steel sheets with ultra-fine

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Research development in resistance welding of high strength steel sheet

CEN Yaodong1，2，CHEN Furong1
（1.Institute of Materials Science and Engineering of Inner Mongolia University of Technology，Inner Mongolia Hohhot 010051，China；2.Group management department of Baotou Steel（Group）Corp.，Baotou 014010，China）

High strength steel plate，is widely used in manufacturing car shell and its body structure，with advantages of high strength and formability，super energy absorption and fatigue strength，good bake hardening property and great anti-collision concave performance. The resistance welding technology is used in batch production of industrial production line of high strength steel plates and assembly process of cars.A wide range of application of high strength steel plates is restricted since the higher strength of steel plates，the more difficult of welding.In this paper，three different process forms in continuous annealing and continuous galvanizing line of sheets are analyzed：head-end connections，the same plate welding of cars and different material of steel plate welded of cars.The paper expounds the research progress of resistance seam welding of high strength steel plates，indicates that it remains to be strengthened of numerical simulation research of resistance seam welding and the welding research of different materials,prospects the direction development of resistance welding of high strength steel plates in the future.

high strength steel sheet；resistance welding；numerical simulation；trip steel；dual phase steel

TG453+.9

C

1001－2303（2016）04－0067-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.04.14

2015-07-19；

2015-10-20

岑耀東（1982—），男，內(nèi)蒙古土默特左旗人，工程師，博士，主要從事焊接工藝及性能的研究。