工程教育認證背景下焊接冶金學教學內容初探

王立世，卜智翔

(湖北工業(yè)大學 材料與化學工程學院，湖北 武漢 430068)

焊接冶金學是焊接專業(yè)的一門專業(yè)基礎課，它對于理論上理解焊接工藝過程、焊接接頭不同區(qū)域的演化、焊接缺陷的形成機理、出現(xiàn)缺陷可能性的量化方法等具有重要的作用。對于本門課程所涵蓋的核心內容，不同的教材關注點往往有較大的差別。目前，工程教育要求以結果為導向來評價對應的課程體系及相關課程的教學內容。本文結合我校“材料成型及控制工程”專業(yè)通過教育部工程教育認證的經(jīng)歷，擬對中外焊接冶金學經(jīng)典教材的內容進行對比分析，嘗試歸納其特征，以期對焊接冶金學課程教學的內容有所借鑒和取舍。

1 焊接冶金學課程教材

本文參考的教材主要有6本，中文和英文各3本，參見表1。除了上述教材之外，有關焊接冶金學的內容還散見于《ASM金屬手冊，第六卷》(1993)[1]、《ASM金屬手冊，第六卷附卷，Welding fundamentals and processes》(2011)[2]及《焊接手冊(第九版)，第一卷，welding science and technology(第四章)》(2001)[3]等手冊中，在分析過程中，這些經(jīng)典手冊的部分內容也作為參考。

表1 焊接冶金學參考教材

2 參照的焊接冶金學教材內容對比分析

在上述提到的六本焊接冶金學教材中，由于出版時間的差異以及作者的著重點不同，往往造成了不同的編排內容，下面分別對其進行評述和分析。

教材①具有開創(chuàng)性，它介紹熔焊的工藝因素(化學冶金、傳熱和殘余應力)，焊縫金屬和熱影響區(qū)的顯微組織和性能，焊接中的裂紋和缺陷，并配有亞特蘭大·凱蘭特鉆井平臺塌陷原因的詳盡的案例分析，涵蓋熔化焊(熔焊工藝基礎)、焊縫金屬、熱影響區(qū)、裂紋開裂和斷裂四個大的部分。本書的部分內容和圖表在后續(xù)的相關教材和論文中得到了大量的引用。

教材②在國內大學應用非常廣泛，它把焊接材料單獨作為一個章節(jié)列出，有關化學冶金部分進一步具體化。對熔池凝固和固態(tài)相變、熱影響區(qū)，焊接裂紋部分進行了總結。涵蓋化學冶金、焊材、焊縫凝固和固態(tài)相變、熱影響區(qū)、焊接裂紋五個大的部分。與天津大學出版社出版的作者本人的《焊接物理冶金》(1991年8月)一起，構成了國內原來焊接專業(yè)及材料成型及控制工程焊接方向的主導教材。

教材③分為四篇：緒論、熔化區(qū)、部分熔化區(qū)和熱影響區(qū)。本書在對焊接工藝方法及涉及到化學冶金、傳熱和殘余應力進行詳盡的梳理后，把焊接接頭分為焊縫區(qū)、部分熔合區(qū)及熱影響區(qū)，此后洋洋灑灑的對每一部分進行深入的分析和總結，特別是借鑒Robert W.Messler,Jr的教材Principles of welding: Processes,physics chemistry,and metallurgy(1999)的內容結構[10]，但是作者依照自己在鋁合金焊接方面的研究經(jīng)歷和成果，在部分熔化區(qū)、不同類材料焊接后的熱影響區(qū)特征方面的內容非常精彩。

教材④包含焊接工藝方法的冶金特性、傳熱和熱-機械耦合作用、接頭的顯微組織、熔合區(qū)的形成、焊縫金屬的凝固、焊接過程中的固態(tài)相變(加熱及冷卻)、鋼焊接中的淬硬和開裂、鋼接頭的熱處理、焊接接頭冶金方面的破壞和無損檢測方法等內容。其內容非常廣泛，詳細闡述了不同的基體材料在化學、傳熱和熱-機械耦合作用，所導致的組織及性能變化即冶金特性演化，其中的很多插圖和文字描述成為后續(xù)教科書和文章引用的來源。

教材⑤關注點較為廣泛，不同的焊接方法和不同的基體材料在該書中都有一定的涉及，比如固相焊接、粘接和釬焊、陶瓷微聯(lián)接、熔焊工藝及其熱效應、熱循環(huán)的冶金效應、不同材料的焊接(碳鋼和合金鋼奧氏體不銹鋼和高合金鋼、有色金屬)、焊接接頭的服役特性等。

教材⑥內容包括焊接冶金原理、熱裂紋、固態(tài)裂紋、氫致開裂、腐蝕、疲勞和開裂、失效分析、焊接性試驗等。該書作者在出版了《不銹鋼的焊接及焊接性》和《鎳基合金的焊接及焊接性》后[11-12]，于2015年出版了本書。焊接冶金和焊接性這本書的內容詳實，對焊接接頭分區(qū)的歷史、熱裂紋的理論發(fā)展淵源、固相開裂及腐蝕、失效分析等方面均有創(chuàng)新和突破。其中對于偏析機理的解釋清晰、直觀，尤其是提出了與冷裂紋和熱裂紋相對應的溫裂紋(Warm cracking)概念并深入的進行闡述，非常精彩。第五章中對氫致裂紋的脆化機理進行了梳理，其中包含平面壓力理論、表面吸附理論、弱鍵理論、氫增強區(qū)域化塑性理論以及Beachem的應力強度模型。之后歸納了影響氫致裂紋的因素，包含焊縫含氫量、顯微組織、拘束度、溫度，并給出了量化氫致裂紋敏感性的測試方法，包括吉米端部淬火法、受控熱強度試驗、Y型坡口測試、缺口板焊縫測試、插銷試驗、拉伸拘束開裂測試、自身拘束試驗。對氫致裂紋的認定和預防方法，比如碳當量法，AWS方法給出了詳細的說明。第六章腐蝕和第七章疲勞和斷裂數(shù)據(jù)翔實，第八章失效分析中給出了斷口分析方法以及失效分析的詳盡步驟，第九章對國際標準中涉及到的重要焊接性測試方法和相關最新的測試結果進行了分析和介紹。

3 焊接冶金學教學內容的發(fā)展與演化

焊接過程中涉及到的各種冶金現(xiàn)象：熔化、冷卻和凝固、擴散、析出、固態(tài)相變、熱應變和收縮應力，這會產生許多實際的問題，解決這些問題可采用把合適的冶金原理具體應用到實際的焊接工藝過程，但在某些重要方面，焊接冶金與傳統(tǒng)意義上的冶金有一定的差別。有鑒于此，對于焊接冶金學的教學內容如何博采眾長，適應我國的生產發(fā)展、以成果為導向的工程教育的需要是焊接及相關專業(yè)從業(yè)者應該深入思考的問題[13-14]。考慮相關的課程體系結構中焊接相關的課程情況，如何與其它冶金類及焊接方向課程有序的對接[15]；考慮專業(yè)培養(yǎng)人才的需要，依據(jù)不同的人才培養(yǎng)類型，決定焊接冶金學教學內容的合理取舍；考慮冶金原理的發(fā)展情況，借鑒冶金領域內的研發(fā)成果及其知識結構[16-17]，引入到焊接冶金學的教材編寫和教學內容中。