淺談焊接科學(xué)與工程的創(chuàng)新創(chuàng)造

王文先 閆志峰 董鵬 張婷婷

摘要：結(jié)合焊接技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀，梳理了焊接科學(xué)、焊接技術(shù)和焊接工程的基礎(chǔ)問題和實現(xiàn)目標(biāo)，及其三者之間發(fā)展的緊密關(guān)聯(lián);論述了焊接科學(xué)發(fā)現(xiàn)思維，焊接技術(shù)創(chuàng)新思路，焊接工程創(chuàng)造方法。結(jié)合焊接材料、工藝和結(jié)構(gòu)等因素，提出了“從1+1到微積分”的創(chuàng)新思路和創(chuàng)造方法。從焊接創(chuàng)新的內(nèi)容、興趣、動力、目的，描述了數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)理論對焊接科學(xué)和工程創(chuàng)新創(chuàng)造的支撐作用，并從多元多維多尺度的材料連接空間概念，敘述了焊接創(chuàng)新創(chuàng)造的思維和途徑，進(jìn)一步表明焊接學(xué)科是交叉融合、開放共享、富于創(chuàng)新的學(xué)科體系。

關(guān)鍵詞：焊接科學(xué)與工程;材料連接基因組;創(chuàng)新思路;從1+1到微積分

中圖分類號：TG47? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2020）09-0170-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.17

1 焊接歷史與發(fā)展

焊接最早是采用薪火加熱或煤炭加熱配合以錘鍛，之后是采用烙鐵轉(zhuǎn)移熱量實現(xiàn)了低熔點(diǎn)錫鉛合金釬焊，而后是采用乙炔氣體等加熱實現(xiàn)了高熔點(diǎn)材料的釬焊和熔化焊。隨著電的發(fā)明，電阻加熱和電弧加熱成為主流熱源，產(chǎn)生了焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護(hù)焊、電阻焊、電渣焊、等離子弧焊、高頻焊、擴(kuò)散焊，并借助電力的驅(qū)動實現(xiàn)了超聲波焊和摩擦焊，進(jìn)一步實現(xiàn)了高能量密度的激光焊和電子束焊。而如何直接利用太陽能作為熱源進(jìn)行焊接也成為焊接工作者所追逐的目標(biāo)。

由此可見，新的焊接方法總是伴隨著新的加熱熱源而出現(xiàn)的，從而建立了焊接技術(shù)與工程的理論體系，創(chuàng)造了眾多的宏偉的“陸、海、空、天”構(gòu)造物。

2 焊接內(nèi)涵與外延

經(jīng)典的焊接定義是“采用加熱、加壓或兩者共同作用，使兩個分離的物體接近到原子力可以相互作用的范圍，即接近到原子間的距離，實現(xiàn)永久連接的一種技術(shù)”。

對焊接最直接的認(rèn)識就是將兩個分離的物體連接在一起，用數(shù)學(xué)概念表示就是實現(xiàn)“1+1”的過程，而焊接工程的概念就是將N個分離物體連接在一起，做成產(chǎn)品，可以用數(shù)學(xué)描述為“1+∑N ”或“N+N”。分離的物體可大可小，大到可以做成萬噸油輪，小到可以做成微納器件。

如果被焊接物體的數(shù)量再增加，可以做乘法、乘方、階乘甚至微積分，微積分又可以做線積分、面積分和體積分。增材制造是個很廣義的概念[1-2]，如果把增材制造的過程想象成數(shù)學(xué)運(yùn)算，那么可以將宏觀焊接、微觀連接、再制造、3D打印、復(fù)合結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料分別表達(dá)成數(shù)學(xué)公式，如表1所示。

宏觀焊接、微觀連接和再制造技術(shù)是公認(rèn)的焊接技術(shù)內(nèi)容，而基于材料連接基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)、復(fù)合結(jié)構(gòu)制造和復(fù)合材料制備同樣是焊接技術(shù)的內(nèi)容。

3D打印技術(shù)是典型的微積分的過程。首先是將其物理模型數(shù)值化，劃分為有限網(wǎng)格，也即將數(shù)學(xué)模型離散化（微分過程），然后依靠熱源和數(shù)控裝備將離散化的材料重新堆積為所設(shè)計的產(chǎn)品（積分過程）。從行走的路線來看，這就是一個一維積分（線積分）的過程。

復(fù)合結(jié)構(gòu)的制造如層狀復(fù)合板材、蜂窩狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，都離不開板材與板材之間的連接，是板材的有序疊加。從薄板與薄板部分焊接的形狀和尺寸來看，這就是一個二維積分（面積分）的過程。蜂窩狀復(fù)合結(jié)構(gòu)制造過程如圖1所示。

顆粒狀復(fù)合材料制備技術(shù)更好地反映了其典型的微積分加工過程。先將塊體材料制成粉末顆粒（微分過程），再將粉末按照成分比例混合放入模具中進(jìn)行燒結(jié)（積分過程），制造成所需要的材料和形狀。從微觀角度來看，其粉末顆粒之間連接實際上就是焊接的過程，從連接界面的形狀和尺寸來看，這就是一個三維積分（體積分）的過程，如圖2所示。

由此可見，無論是宏觀焊接、微觀連接、再制造技術(shù)，還是3D打印技術(shù)、復(fù)合結(jié)構(gòu)制造和復(fù)合材料制備，就其分離的物體永久性連接在一起的特征，仍是焊接范疇，是傳統(tǒng)焊接的拓展和外延。其微觀連接機(jī)制仍然離不開熔化、擴(kuò)散、塑性變形的連接行為，而其產(chǎn)品最關(guān)鍵的問題仍然是連接界面性能和服役行為。

3 焊接科學(xué)與工程

3.1 焊接科學(xué)發(fā)現(xiàn)

依據(jù)焊接的定義，焊接科學(xué)研究內(nèi)容是兩個分離物體的原子能否接近到原子間的距離，這與材料種類、材料尺度、材料的相互作用機(jī)制有直接關(guān)系，即與材料元素種類、原子大小和電負(fù)性有關(guān)系，如圖3所示。焊接科學(xué)就是遵循熱力學(xué)規(guī)律，研究連接界面接合機(jī)制，如熔化凝固、潤濕擴(kuò)散、塑性變形等，考察的目標(biāo)是連接界面接合機(jī)制與服役行為的關(guān)系。

焊接科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是探索對于多元材料、多維方向、多尺度層面上如何實現(xiàn)最好的材料原子間的接合，并在服役環(huán)境中的保持形狀和性能不變。

3.2 焊接技術(shù)發(fā)明

焊接技術(shù)研究內(nèi)容是如何給被焊母材提供能量，即熱源種類、力源種類、以及外加的物理場，如電場、磁場、電磁場、超聲場等，研究復(fù)合多能場與材料的作用機(jī)理、產(chǎn)熱和塑性變形對微觀連接的影響規(guī)律，如圖4所示。

焊接技術(shù)發(fā)明就是尋找產(chǎn)熱和施壓的方法，探索加熱和加壓的效率，形成新的焊接方法和技術(shù)，如熔化焊、壓力焊、釬焊、高能束焊、超聲復(fù)合焊、攪拌摩擦焊等，以及探索它們有效組合的多物理場焊接方法。

3.3 焊接工程創(chuàng)造

焊接工程研究內(nèi)容是研究填充材料方式、熱源行走軌跡及其驅(qū)動方法，以及對焊接接頭的結(jié)構(gòu)性和功能性的影響規(guī)律，考慮用什么樣的填充材料、什么形式的行走軌跡，行走過程是否機(jī)械化、自動化和智能化，是否實現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計所要求的結(jié)構(gòu)和功能目標(biāo)，如圖5所示。

焊接工程創(chuàng)造就是依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的形狀，探討生產(chǎn)效率和結(jié)構(gòu)力學(xué)的問題，來形成“陸、海、空、天”應(yīng)用裝備，并考察其服役行為和終身壽命。

3.4 材料連接基因組

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一純金屬、單一合金及單一材料已經(jīng)很難滿足工程應(yīng)用的需求，通過焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料應(yīng)運(yùn)而生。“復(fù)合”即意味著兩種以上金屬或合金或異質(zhì)材料的連接，而連接即意味著存在界面。最微小界面連接（要素）行為會直接影響到復(fù)合結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料的宏觀性能，這就具有了基因的遺傳屬性。而最微小連接界面能否形成或形成好壞又取決于被連接材料的匹配效應(yīng)（基因組），也即來自于被連接材料的成分與組織遺傳。正如同人類基因的結(jié)合與繁衍，材料連接同樣都具有這個遺傳屬性，因此材料連接基因組是焊接科學(xué)研究的最基礎(chǔ)的科學(xué)問題，也是最需要發(fā)展的科學(xué)研究問題。

按照材料種類、材料尺度、材料性能和材料排序來組合，其組合數(shù)量將是一個龐大的數(shù)據(jù)庫，如果僅靠試驗來完成，這將是一個人力、物力、財力的巨大消耗。材料連接基因組的建立主要是研究材料連接匹配，并經(jīng)過數(shù)值模擬和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，形成材料連接基因庫，如圖6所示。

3.5 焊接科學(xué)與工程

如果將焊接知識或?qū)W科體系比作一顆大樹，那么科學(xué)發(fā)現(xiàn)研究是“根”， 是學(xué)科存在的根本;技術(shù)創(chuàng)新研究是“枝”，是學(xué)科壯大的途徑;工程應(yīng)用研究是“葉”，是學(xué)科茂盛的表現(xiàn);“葉”對“根”又有能量反饋的作用。因此，焊接學(xué)科發(fā)展必須從“根”做起，科學(xué)、技術(shù)和工程三者之間有著不可分離的關(guān)系，如圖7所示，既要頂天（基礎(chǔ)理論）也要立地（工程應(yīng)用）。

在新思維、新技術(shù)、新材料、新領(lǐng)域不斷出現(xiàn)，尤其是提出“從0到1”的“顛覆性技術(shù)”發(fā)展的當(dāng)代[3]，焊接科學(xué)、技術(shù)、工程如何有機(jī)結(jié)合、并行發(fā)展，是值得進(jìn)一步探討的。

4 焊接創(chuàng)新與創(chuàng)造

4.1 焊接創(chuàng)新的種子

焊接的定義聚焦于“1+1”的概念，但在實際應(yīng)用和研究過程中，更多地傾向于組合的概念，焊接材料的組合（異質(zhì)材料連接）、焊接方法的組合（復(fù)合熱源焊接）、焊接控制的組合（人工智能焊接）。

如果按照材料排列組合的概念來計算，如材料種類按單質(zhì)100種元素、材料組元按5種匹配且有相互反應(yīng)，材料尺度按照納米、微米、毫米、米4種尺度而言，材料維度按照一維～三維考慮，至少將會有360億個組合。這為廣大焊接工作者提供了創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)造和創(chuàng)業(yè)的巨大空間，如圖8所示，任何一個組合都將是一個創(chuàng)新點(diǎn)。

上述仍然是“加法”和“乘法”的思維，如果進(jìn)一步用“微積分思維”數(shù)學(xué)概念表達(dá)焊接定義或增材制造的定義，這就給了我們更大的想象空間，即創(chuàng)意、創(chuàng)新和創(chuàng)造的空間。充分利用好增材制造的定義和微積分的概念，正如表1所示，從焊接、連接、再制造，到3D打印成型、復(fù)合結(jié)構(gòu)制造和復(fù)合材料制備，其內(nèi)涵都將是材料連接及其界面行為的研究范疇和應(yīng)用領(lǐng)域。

同時，焊接熱源也可以進(jìn)行微積分式的組合。復(fù)合熱源研究目前越來越廣泛，多種熱源的組合對材料連接界面性能和焊接構(gòu)件生產(chǎn)效率有大幅度的提高，例如以激光為主的各種能源的復(fù)合，如光、電、磁、電磁、超聲等的組合，即“激光+”實現(xiàn)了許多焊接技術(shù)的創(chuàng)新。

4.2 焊接創(chuàng)新的土壤

材料連接的基礎(chǔ)知識是物理、化學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)、動力學(xué)、力學(xué)等，研究目的是其連接界面的服役行為，這就形成了焊接科學(xué)基礎(chǔ)。焊接創(chuàng)新的科學(xué)土壤是有數(shù)學(xué)建模理論支撐（如微積分），有物理體系理論支持（如力學(xué)和功能性要求），有化學(xué)鍵合理論基礎(chǔ)（原子層面），再有從微觀連接到宏觀結(jié)構(gòu)的空間遐想（從1+1到微積分），最終成就了焊接的創(chuàng)新創(chuàng)造。

4.3 焊接創(chuàng)新的思維

科研工作是從0→1→無窮大的持續(xù)接力過程，但“從0到1”無疑最重要、最基本，因為它意味著無中生有、前無古人，也意味著原始創(chuàng)新，要敢于假設(shè)、提出猜想[4]。大膽猜想、小心求證、得出結(jié)論，是“從0到1”的三部曲。想都不敢想、猜都不敢猜，“從0到1”就無從談起。因此“從0到1”關(guān)鍵在人，在人的創(chuàng)新思維。

具體來說，焊接創(chuàng)新的歷程就是“遐想→科學(xué)幻想→創(chuàng)新→原創(chuàng)→顛覆性技術(shù)”的過程。有了技術(shù)的種子，有了科學(xué)的土壤，焊接科學(xué)與工程就可以發(fā)芽、成長、壯大。如關(guān)橋院士提出的狹義增材制造和廣義增材制造，如圖9所示[2，5]，可以看到每一個技術(shù)離不開材料連接及其界面行為的支持。

5 焊接創(chuàng)新的案例

5.1 攪拌摩擦焊技術(shù)FSW

縱觀國內(nèi)外焊接領(lǐng)域研究現(xiàn)狀，攪拌摩擦焊成為學(xué)者們研究的首選，其可稱之為里程碑式的焊接方法，足可以證明其創(chuàng)新的特征。粗略統(tǒng)計，僅中國的相關(guān)專業(yè)研究者可達(dá)上百人，專利幾百件，論文數(shù)千篇。

其實攪拌摩擦焊與常規(guī)摩擦焊一樣，也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源，其創(chuàng)新點(diǎn)是借助了第三方的攪拌針來產(chǎn)生熱量和塑性變形，如圖10所示[6]，避免了傳統(tǒng)摩擦焊的工件相對運(yùn)動，所以其優(yōu)勢顯著，得到了廣泛認(rèn)可和研究。攪拌摩擦焊技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)是熱源與加壓方式的創(chuàng)新組合。

5.2 金屬3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)已經(jīng)成為先進(jìn)制造技術(shù)的代表，如圖11所示[7]。這一技術(shù)尤其是激光選區(qū)熔化金屬3D打印技術(shù)和金屬絲材電弧3D打印技術(shù)，都具有焊接技術(shù)的影子，傳統(tǒng)的堆焊技術(shù)、噴焊技術(shù)和再制造技術(shù)就是3D打印技術(shù)的前身。其創(chuàng)新的本質(zhì)是堆焊技術(shù)與機(jī)電自動化、軟件開發(fā)、智能控制的創(chuàng)新組合。

5.3 放電等離子燒結(jié)技術(shù)SPS

近年來出現(xiàn)了一種新的復(fù)合材料制備方法，即放電等離子燒結(jié)技術(shù)SPS，以相對溫度較低、燒結(jié)速度較快、復(fù)合材料質(zhì)量較高、且適用于高溫硬質(zhì)材料制備等優(yōu)勢，受到復(fù)合材料制備者的青睞。筆者自應(yīng)用之日起就研究SPS的燒結(jié)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)它就是對粉末制坯直接通電，產(chǎn)生粉末顆粒之間的電弧熱、電阻熱和塑性變形，實現(xiàn)微區(qū)熔化焊、釬焊、擴(kuò)散焊的連接機(jī)制，如圖12所示。其創(chuàng)新的本質(zhì)是多元、多維、多尺度粉末顆粒的直接通電同時連接。

5.4 創(chuàng)新的思路來源

在目前來看，以上三項技術(shù)都是“從0到1”的創(chuàng)新，都是“顛覆性”的技術(shù)。深入分析后可以發(fā)現(xiàn)，它們都是焊接技術(shù)的延伸和拓展，都需要將材料連接在一起實現(xiàn)原子間的永久接合，微觀材料連接界面行為都會影響其宏觀結(jié)構(gòu)的性能，都符合焊接傳統(tǒng)定義和范疇，是焊接從“1+1”到微積分等數(shù)學(xué)方法在工程中的具體應(yīng)用。

6 結(jié)論

科技部與教育部《推進(jìn)高校加強(qiáng)“從0到1”基礎(chǔ)研究行動方案》[3]，提出了優(yōu)化高校原始創(chuàng)新環(huán)境、組織實施原始創(chuàng)新長期項目、強(qiáng)化國家科技計劃原創(chuàng)導(dǎo)向等舉措，為解決我國基礎(chǔ)研究缺少“從0到1”原創(chuàng)性成果的問題提供了現(xiàn)實路徑，也為科技人員提供了“大膽假設(shè)、勇于猜想”的勇氣。

由傳統(tǒng)焊接概念的“1+1”到復(fù)合材料制備概念的“微積分”，預(yù)示了焊接科學(xué)與工程學(xué)科的發(fā)展方向和發(fā)展空間，為焊接工作者提供了創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)造、創(chuàng)業(yè)的思路?！安牧线B接+”就蘊(yùn)含了“從0到1”的巨大機(jī)遇，是未來制造業(yè)的突破點(diǎn)和增長點(diǎn)。

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Innovation and creation of welding science and engineering

WANG Wenxian， YAN Zhifeng， DONG Peng， ZHANG Tingting

（School of Material Science and Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China）

Abstract： Welding technology is a traditional subject， but with the rapid and comprehensive development of science and technology， welding technology will be given new connotation and extensive extension. Combining with the development history and research status of welding technology， this paper combs the basic problems and realization goals of welding science， welding technology and welding engineering， as well as the close relationship between the development of the three; discusses the thinking of scientific discovery of welding， innovative ideas of welding technology， and the creation method of welding process. Combined with the factors of welding material， process and structure， the innovative ideas and methods of "from 1 + 1 to calculus" are put forward. From the content， interest， motive force and purpose of welding innovation， this paper describes the supporting role of mathematics， physics and chemistry theory on welding science and engineering innovation and creation， and describes the thinking and ways of welding innovation creation from the concept of multi-dimensional and multi-scale material connection space， and further shows that welding discipline is an interdisciplinary， open sharing and innovative discipline system.

Key words： welding science and engineering; materials connecting genome; innovative ideas; from 1 + 1 to calculus