基于航空特色的金屬材料焊接性課程教學(xué)改革

張占偉　國旭明

[摘 要]為了突出航空特色，適應(yīng)航空科技的發(fā)展和航空企業(yè)對焊接技術(shù)人才的知識結(jié)構(gòu)需求，對焊接技術(shù)與工程專業(yè)的專業(yè)課程金屬材料焊接性進(jìn)行教學(xué)改革。從增加授課內(nèi)容、改進(jìn)教學(xué)方法、理論聯(lián)系實踐、建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺等方面進(jìn)行綜合改革與探索，實現(xiàn)課程的航空特色化改革，加強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力培養(yǎng)，整體提升教學(xué)質(zhì)量。

[關(guān)鍵詞]金屬材料焊接性；航空特色；教學(xué)改革

[中圖分類號] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）12-0033-03

沈陽航空航天大學(xué)是一所以航空宇航為特色，以工為主的多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的高等院校。焊接技術(shù)是航空航天工業(yè)的重要連接技術(shù)，在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)中處于重要地位。金屬材料焊接性是焊接技術(shù)與工程專業(yè)的核心課程，具有很強(qiáng)的理論性和綜合性，知識點涉及金屬學(xué)與熱處理、焊接結(jié)構(gòu)學(xué)、焊接冶金學(xué)原理、焊接設(shè)備與方法等多門課程，是學(xué)生專業(yè)課程學(xué)習(xí)和應(yīng)用的落腳點，其教學(xué)質(zhì)量的好壞對學(xué)生在今后工作中能否正確運用專業(yè)知識解決實際問題具有決定性作用。服務(wù)航空，為祖國的航空事業(yè)培養(yǎng)高級應(yīng)用型技術(shù)人才是我校的定位之一[1]。因此，在教學(xué)過程中需要結(jié)合航空材料、航空構(gòu)件的焊接問題對金屬材料焊接性課程進(jìn)行特色化教學(xué)改革。同時，采用先進(jìn)的教學(xué)手段和理論聯(lián)系實踐的教學(xué)舉措，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維。

一、增加凸顯航空特色的授課內(nèi)容

傳統(tǒng)的金屬材料焊接性課程講授內(nèi)容一般包括：金屬材料焊接性及其實驗評定，合金結(jié)構(gòu)鋼的焊接，不銹鋼及耐熱鋼的焊接，鑄鐵的焊接，有色金屬的焊接等。其中有色金屬部分對鋁及鋁合金、鈦及鈦合金的焊接只做簡單介紹。授課內(nèi)容以鋼鐵材料的焊接為重點，缺乏航空特色[2]。對此，可以針對常用航空材料的焊接增加如下教學(xué)內(nèi)容。

（一）高溫合金的焊接性與焊接技術(shù)

高溫合金主要用于航空發(fā)動機(jī)的熱端部件，也是航天、能源、交通運輸和化學(xué)工業(yè)的重要材料，是20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的新型航空金屬材料，可在600℃～1100℃的氧化和燃?xì)飧g條件下，承受復(fù)雜應(yīng)力，能長期可靠地工作[3]。該部分主要介紹高溫合金的分類及在航空工業(yè)的應(yīng)用，重點講解變形高溫合金的焊接技術(shù)。變形高溫合金是指可用壓力加工方法使毛坯成形的合金，為滿足航空或其他發(fā)動機(jī)熱端部件對材料高溫力學(xué)性能、抗氧化能力極易熱膨脹系數(shù)等要求，一般含有較多的Nb、Al、Ti等合金元素，因此熔化焊接時存在裂紋傾向，包括焊縫結(jié)晶裂紋和熱影響區(qū)微裂紋，應(yīng)從焊接材料和焊接工藝兩個方面采取措施，防止裂紋的產(chǎn)生。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生對航空用高溫合金有一定的認(rèn)識，掌握高溫合金的分類及變形高溫合金的焊接性，為高溫合金航空構(gòu)件（如機(jī)匣、環(huán)件及軸類等）的焊接工藝制定奠定基礎(chǔ)。

（二）先進(jìn)航空鈦合金的焊接性與焊接技術(shù)

鈦合金作為一種輕金屬合金材料，具有高比強(qiáng)度、高比模量、高韌性、耐腐蝕以及易加工等優(yōu)良的綜合性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天及其發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)中。隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，鈦合金用量和所占比例顯著增大，很多情況下都要涉及鈦合金本身或與其他材料的連接問題，而焊接作為一種優(yōu)質(zhì)、高效的連接手段是鈦合金連接技術(shù)的首選。該部分介紹鈦合金的分類和應(yīng)用，重點講解鈦合金的焊接，包括中強(qiáng)鈦合金、高強(qiáng)鈦合金及高溫鈦合金的焊接性分析，并以中強(qiáng)鈦合金TA14、高強(qiáng)鈦合金TC18及高溫鈦合金TC25為例，講解其氬弧焊和電子束焊接技術(shù)。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解鈦合金在航空發(fā)動機(jī)中的重要作用，掌握常用鈦合金的分類及焊接性，能夠合理選擇焊接方法并制定焊接工藝。

二、引入航空焊接結(jié)構(gòu)教學(xué)案例

金屬材料焊接性課程具有知識點多、理論性強(qiáng)的特點。不同材料的焊接性既有相似之處又有其自身特點。同時，該課程與工程實踐結(jié)合緊密，材料的焊接性除了與母材的化學(xué)成分、熱物理性能有直接關(guān)系外，還與具體焊接結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸、約束、施工環(huán)境、熱處理狀態(tài)等密切相關(guān)。然而由于學(xué)生缺乏工程實踐經(jīng)驗，對焊接方法和工藝措施無法做到整體把握，只能分散的、孤立的記憶知識點，導(dǎo)致對很多問題模棱兩可，在面對具體焊接結(jié)構(gòu)時束手無策。

案例教學(xué)以具體的應(yīng)用實例為知識載體，一方面能有效激發(fā)學(xué)生的好奇心，能在教師的啟發(fā)引導(dǎo)下積極思考，加深學(xué)生對理論知識的理解；另一方面，以解決主要矛盾為目的典型案例分析，原本孤立的焊接方法、工藝措施被有效統(tǒng)一，能夠培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題和靈活運用專業(yè)知識的能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。對此，可以結(jié)合課程內(nèi)容引入以下典型航空焊接結(jié)構(gòu)作為教學(xué)案例，進(jìn)行案例教學(xué)方法的改革。

（一）超高強(qiáng)度鋼焊接案例分析——飛機(jī)起落架TIG焊工藝

起落架是飛機(jī)上重要而特別的部件，盡管它不參與機(jī)體的結(jié)構(gòu)和性能，卻極大地影響飛機(jī)的使用與安全。我國飛機(jī)起落架材質(zhì)主要是低合金超高強(qiáng)度鋼，主要牌號有30CrMnSiNi2A和40CrNi2Si2MoVA。由于強(qiáng)度較高其焊接性較差，主要表現(xiàn)為焊縫及熱影響區(qū)易出現(xiàn)焊接裂紋。以某飛機(jī)起落支架外筒為例分析其焊接性，起落架牌號為30CrMnSiNi2A，焊接部位壁厚8mm，試件在焊前經(jīng)涂漆、除銹處理，然后開70°V型坡口，鈍邊2mm，進(jìn)行單面對接焊，添加材料分別選用HGH41和H18CrMoA焊絲。分析焊接電流、預(yù)熱溫度、回火溫度對接頭性能和顯微組織的影響[4]。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生運用所學(xué)知識分析超高強(qiáng)鋼的焊接性，討論焊接方法、焊接工藝、焊接材料對接頭性能、焊接缺陷的影響及防止措施。

（二）高性能航空鋁合金焊接案例分析——運載火箭燃料儲箱焊接

鋁合金具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、加工性能好、成本低等優(yōu)點，是飛機(jī)主要結(jié)構(gòu)材料之一，一般占機(jī)體結(jié)構(gòu)重量的50%以上。2219鋁合金在低溫和高溫狀態(tài)下均具有良好的力學(xué)性能，同時具有良好的斷裂韌性和焊接性能、耐蝕性能等顯著特點，在航空航天領(lǐng)域運用廣泛?？梢阅尺\載火箭燃料儲箱用2219鋁合金的焊接作為鋁合金焊接的教學(xué)案例，分別介紹電子束焊、鎢極氬弧焊、攪拌摩擦焊三種焊接方法，對比分析焊接參數(shù)對焊縫組織、接頭硬度、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性的影響，分析不同工藝條件下缺陷產(chǎn)生及性能變化機(jī)理。通過該案例，引導(dǎo)學(xué)生討論、歸納鋁合金焊接的特點，明確氣孔、裂紋、未熔合等鋁合金主要焊接缺陷產(chǎn)生的原因，并能從焊接工藝、焊接材料等角度出發(fā)合理控制焊接缺陷。通過學(xué)習(xí)，使學(xué)生對航空鋁合金焊接性有更為深刻的認(rèn)識，加深其對鋁合金焊接特點、焊接工藝的認(rèn)識和掌握。

（三）高溫合金焊接案例分析——發(fā)動機(jī)渦輪盤摩擦焊接

GH4169合金在航空發(fā)動機(jī)上應(yīng)用廣泛，在-253℃～700℃溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能，650℃以下的屈服強(qiáng)度居變形高溫合金的首位，并具有良好的抗疲勞、抗氧化、耐腐蝕的特點，在航空和航天發(fā)動機(jī)上用于制造各種靜止件和轉(zhuǎn)動件，如盤、環(huán)件、機(jī)匣、軸等和焊接結(jié)構(gòu)件[5]。以某GH4169發(fā)動機(jī)渦輪盤慣性摩擦焊為例，分析轉(zhuǎn)速、軸向壓力、熔化長度等參數(shù)對焊縫及熱影響區(qū)組織及性能的影響。通過學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)特點、性能要求及材料選擇的認(rèn)識。同時，拓展學(xué)生思維，使其了解焊接方法的多樣性，并能根據(jù)產(chǎn)品要求選擇合理的、低成本的焊接方法。

三、理論聯(lián)系實踐

（一）將課程教學(xué)和生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合

根據(jù)焊接技術(shù)與工程專業(yè)培養(yǎng)計劃，金屬材料焊接性為第六學(xué)期課程，該學(xué)期穿插為期3周的專業(yè)生產(chǎn)實習(xí)，實習(xí)基地之一為某航空發(fā)動機(jī)制造單位，主要實習(xí)場地包括精鑄、精鍛、盤軸、板焊、噴嘴、葉片等航空發(fā)動機(jī)零部件生產(chǎn)廠。為了增強(qiáng)課程的航空特色，將課程教學(xué)和生產(chǎn)實習(xí)相結(jié)合。實習(xí)之前，先對實習(xí)內(nèi)容做簡要的介紹，并結(jié)合實習(xí)內(nèi)容，提出與課程相關(guān)的問題供學(xué)生思考，如發(fā)動機(jī)葉片的材質(zhì)種類有哪些？TIG焊可用于哪些產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)的焊接？渦輪盤的材質(zhì)及焊接工藝是什么？渦輪工作葉片可以用哪些方法修復(fù)？機(jī)匣的材質(zhì)及修復(fù)方法有哪些？真空焊可用于哪些航空結(jié)構(gòu)的焊接等。實習(xí)期間，讓學(xué)生帶著一系列和焊接技術(shù)相關(guān)的問題去實習(xí)車間，這一方面能讓學(xué)生通過直觀感受建立焊接技術(shù)在航空制造領(lǐng)域占有重要地位的認(rèn)識；另一方面可以通過讓學(xué)生參觀生產(chǎn)一線的產(chǎn)品和查閱技術(shù)資料尋找問題的答案，加深其對航空材料、發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)及相關(guān)焊接技術(shù)的理解。實習(xí)期間的所見、所聞及由問題引發(fā)的思考，對課學(xué)生續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和掌握有極大的促進(jìn)作用，有助于培養(yǎng)學(xué)生的航空情懷。

（二）將課內(nèi)實驗與學(xué)科競賽相結(jié)合

學(xué)科競賽是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐能力的重要手段，是傳統(tǒng)課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充[6]，對學(xué)生綜合素質(zhì)的提升具有重要作用。對此，我院通過“一院一賽”項目組織開展了多項大學(xué)生競賽項目，如焊接創(chuàng)新大賽、金相大賽、鑄造大賽等。通過校級比賽培育項目、鍛煉隊伍，擇優(yōu)推薦參加省級、國家級學(xué)科競賽。金屬材料焊接性課內(nèi)實驗共6學(xué)時，以往的實驗內(nèi)容是對低合金鋼、不銹鋼和鋁合金焊接工藝及焊縫組織的分析，由于是驗證性實驗，學(xué)生的積極性不高。對此，將課內(nèi)實驗與學(xué)科競賽相結(jié)合，將與課程相關(guān)的競賽題目、相關(guān)要求布置給學(xué)生，學(xué)生分組完成后并進(jìn)行評比。這一方面提高了學(xué)生的參與積極性，同時能借此機(jī)會將課程理論與實踐相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新思維，并能為大賽選拔優(yōu)秀的參賽隊伍。如2018第三屆全國大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽的固定題目之一為“復(fù)合板沖擊韌性”，要求在Q235基板上制備高強(qiáng)層，并且高強(qiáng)層的HV值在350-700 之間，在滿足上述要求的基礎(chǔ)上考察復(fù)合板的沖擊韌性。學(xué)生只有在焊接冶金學(xué)和金屬材料焊接性方面具備一定的理論知識，才能正確地選擇材料、合理制定焊接工藝、正確分析顯微組織等。經(jīng)過校內(nèi)選拔擇優(yōu)推薦4支隊伍參加全國大學(xué)生焊接創(chuàng)新大賽，最終我校取得了一等獎兩名、二等獎兩名的優(yōu)異成績。學(xué)科競賽讓學(xué)生切身體會到專業(yè)知識的魅力和學(xué)以致用的樂趣，極大地鼓舞了他們的學(xué)習(xí)熱情，逐步形成了“以賽促學(xué)，以學(xué)助賽”的良好氛圍。

四、建設(shè)課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺，開展網(wǎng)絡(luò)互動教學(xué)

當(dāng)前，在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時代背景下，教育信息化已經(jīng)成為促進(jìn)教育發(fā)展、提高教育質(zhì)量的重要途徑和有效措施，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺在教學(xué)信息化中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的支撐作用[7]。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺能夠為教師優(yōu)化教學(xué)資源、豐富教學(xué)模式、學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)以及師生交流互動提供支撐，從而提高教師教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。截至目前，我校金屬材料焊接性網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)已完成如下功能的建設(shè)并投入運行。

（一）創(chuàng)建并豐富了教學(xué)資源

目前，我校金屬材料焊接性課程上傳到網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的教學(xué)資源主要包括：課程介紹、教學(xué)日歷、教學(xué)大綱、電子參考書、多媒體課件、教學(xué)錄像、章節(jié)重點難點分析、練習(xí)題、思考題、作業(yè)等，結(jié)合教學(xué)進(jìn)度逐步向?qū)W生開放。另外，我院將教師承擔(dān)的航空科學(xué)基金項目和與航空企業(yè)合作的服務(wù)項目成果結(jié)合教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行收集整理，將最新的研究進(jìn)展共享到網(wǎng)絡(luò)平臺，使學(xué)生不但能自主獲取與課程相關(guān)的基礎(chǔ)知識，同時還能及時、準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)代科技發(fā)展動態(tài)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。此外，收集并上傳相關(guān)視頻、動畫資料，以便學(xué)生拓展學(xué)習(xí)，加深對知識點的理解。如講到鋁及鋁合金的焊接時，將當(dāng)前的研究熱點鋁鋰合金的焊接，如攪拌摩擦焊、電子束焊等的最新研究成果同學(xué)生分享。另外，上傳不同焊接方法焊接鋁合金的視頻，如MIG焊、電阻點焊、電子束焊、攪拌摩擦焊、激光焊等，通過觀看視頻學(xué)生能夠較直觀的認(rèn)識不同焊接方法焊接鋁合金時的特點，并能深刻理解焊接方法對材料焊接性的影響。

（二）開展網(wǎng)絡(luò)互動教學(xué)

開展網(wǎng)絡(luò)互動教學(xué)，充分發(fā)揮課程網(wǎng)絡(luò)平臺對課堂教學(xué)的輔助作用。主要方式包括：一是設(shè)立專題討論，要求學(xué)生查閱相關(guān)資料，圍繞某一主題進(jìn)行討論，從而讓學(xué)生學(xué)會如何通過團(tuán)隊合作收集、總結(jié)有用信息；二是利用平臺的相關(guān)功能，加強(qiáng)師生間的交流互動。如學(xué)生可以隨時將學(xué)習(xí)過程中遇到的問題發(fā)送給教師，教師應(yīng)積極回應(yīng)并做出解答，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。利用平臺的簽到、提交作業(yè)、測驗、考試等功能，不僅節(jié)約了課堂時間，還有利于實現(xiàn)對課程過程監(jiān)控，實現(xiàn)線上線下互動教學(xué)。

五、結(jié)語

在金屬材料焊接性課程的教學(xué)改革中，教學(xué)內(nèi)容增加了高溫合金的焊接性與焊接技術(shù)和鈦合金的焊接性與焊接技術(shù)，教學(xué)方法以典型航空焊接結(jié)構(gòu)為教學(xué)案例引入案例教學(xué)法，并緊密結(jié)合生產(chǎn)實習(xí)，實現(xiàn)了課程的航空特色化改革。同時，結(jié)合學(xué)科競賽和課程網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺建設(shè)，加強(qiáng)了學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，提高了教師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，以更好地適應(yīng)航空企業(yè)對焊接人才的需求。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：陳 明]