焊接的發展史

2018-11-13 13:06:00
陸啟蒙
原創
8269

焊接技術可以追溯到幾千年前的青銅器時代,在人類早期工具制造中,無論是中國還是當時的埃及等文明地區, 都能看到焊接技術的雛形。 古代的焊接方法主要是鑄焊、釬焊和鍛焊。中國商朝(公元前 1600年—公元前 1046年)制造的鐵刃銅鉞就是鐵和銅的鑄焊件, 其表面銅與鐵的熔合線蜿蜒曲折, 接合良好。 春秋戰國時期(公元前 770 年—公元前 221年)曾侯乙墓中的建鼓銅座上的盤龍是分段釬焊連接而成的, 與現代軟釬料成分相近。 戰國時期制造的刀劍一般是加熱鍛焊而成的。據明朝宋應星所著《天工開物》記載:中國古代將銅和鐵一起入爐加熱,經鍛打制造刀、斧;用黃泥或篩細的陳久壁土撒在接口上,分段鍛焊大型船錨。在古埃及和地中海地區,公元前 1000 年人們就已經能夠通過搭接的方法制造金盒及鐵質工具。 到中世紀(約公元 476 年—公元 1453 年),早敘利亞大馬士革曾用鍛焊方法打造兵器。 但古代焊接技術長期停留在較原始的水平, 使用的熱源都是爐火,溫度低、能源不集中,無法用于大截面、長焊縫工件的焊件,只能用以制作裝飾品、簡單的工具和武器。近代真正意義上的焊接技術起源于 1880年左右電弧焊方法的問世。表 1.1 列出了現代焊接史上重要方法和技術的出現時間、發明人及所屬國家。


表 1.1 主要焊接方法的發明時間、發明人及所屬國家


注:表中的發明時間以焊接方法首次具有工業實現意義為起點, 而非該方法的原理初次被發現。

縱觀現代焊接方法和技術發展史, 與其工業革命的發展息息相關, 可根據方法的起源時間,將其歸納為兩個重要的發展階段。


(1)起源于 19 世紀 70 年代的第二次工業革命,這一階段的重要標志是電力的發展和應用。工業應用最為廣泛的電弧焊、電阻焊方法正是起源于這一階段。雖然目前工業上使用的這兩類焊接方法已有了很大進步, 但不容置疑的是這一階段奠定了焊接技術發展的第一塊基石。


在 1881 年的巴黎“首次世界電器展”上,法國 Cabot 實驗室的學生,俄羅斯人 Nikolai Benardos 在碳極和工件引弧,填充金屬棒使其熔化,首次展示了電弧焊的方法。 1890 年,Benardos 用金屬棒代替碳棒作為電極并獲得專利。但瑞典人 Oscar Kjellberg 在使用該方法修理船上的蒸汽鍋爐時注意到, 焊接金屬上到處是氣孔和小縫, 焊縫不能隔絕空氣, 根本不可能讓焊縫防水。 為了改善方法,他發明了涂層焊條,,于 1907 年 6 月 29 日獲得專利(瑞典專利號 27152),大大改善了焊接質量, 是手工電弧焊進入了實用階段。 隨后,美國的諾布爾里用電弧電壓控制焊條送給速度, 制成自動電弧焊機, 從而成為焊接機械化、 自動化的開端。在電弧焊的基礎上,能產生更集中、更炙熱能源的等離子焊接也被發明,利用它可以提高焊接速度, 減少線能量。 在隨后的發展中, 電弧焊方法得到不斷創新和改進。 1930 年美國的羅賓洛夫發明使用焊絲和焊劑的埋弧焊,焊機機械化得到進一步的發展。 20 世紀四十年代,在第二次世界大戰期間,為適應航空界鋁、鎂合金的合金鋼焊接的需要, 鎢極和熔化極惰性氣體保護焊相繼問世。 1953年,蘇聯的 Lyubavskii 和 Novoshilov 發明二氧化碳氣體保護焊, 促進了氣體保護焊的應用和發展。 隨后如混合氣體保護焊、 藥芯焊絲氣體保護焊和自保護焊也相繼誕生。


首例電阻焊要追溯到 1856 年。James Joule 成功用電阻加熱法對一捆銅絲進行了熔化焊接。 1887 年,電阻焊被美國的湯姆森發明,并且應用于薄板的縫焊以及點焊; 20 世紀 20 年代由于閃光對焊方法焊接棒材和鏈條的出現,電阻焊真正進入了實用階段,。1964 年 Unimation 生產的首批用于電阻點焊機器人在通用汽車公司使用。


在此階段,人們還發明了氧炔焊和鋁熱焊, 作為早期電力技術不成熟時重要的焊接方法,目前上述方法在特定場合仍得到應用和發展。大約 1900 年,EdmundFouche 和 Charles Picard 造出了第一支焊炬, 目前仍在鐵路軌道等的焊接上得到應用。


(2)第二個重要發展階段出現在 20世紀四五十年代的第三次工業革命, 這階段在能源、微電子技術、航天技術等領域取得重大突破, 推動了焊接技術的發展,1950 年后成為又一次焊接方法迅速發展的時期,在這個階段各個國家的焊接工作者開發了不少嶄新的焊接方法。


1951 年蘇聯的巴頓電焊研究院發明電渣焊, 成為大厚度工件的高效焊接方法。1957年美國的蓋奇發明了等離子弧焊; 20 世紀 40 年代德國和法國科學家發明的電子束焊,也在 20世紀 50 年代得到了應用和進一步發展; 20 世紀 60 年代又出現了激光焊。 等離子、電子束和激光焊接方法的出現, 標志著高能量密度熔焊的新發展,大大改善了材料的焊接性, 使得許多難以用其他方法焊接的材料和結構得以焊接。 1956 年,美國的瓊斯發明超聲波焊;蘇聯的丘季科夫發明摩擦焊;1959年,美國斯坦福研究所成功研究出爆炸焊; 20世紀 50 年代末蘇聯又研制出真空擴散焊設備。


1991 年,TWI獲得攪拌摩擦焊專利權。 這種焊接方法對輕合金和適用, 不用熔化就能接合并形成高質量焊縫。該工藝不使用耗材,能源消耗少,是 20 世紀最重要的焊接創新之一。到此為止,目前使用的大多數焊接工藝都已發明。


1.5 我國焊接行業的發展及現狀

我國焊接技術的真早發展開始于解放后, 1955 年左右,在當時蘇聯專家的幫助下,經過第一批留蘇人員的艱苦努力, 我國開始建立自己的焊接專業, 培養焊接人才,這標志著我國焊接事業的真正起步。 而我國焊接專業的快速發展, 還是改革開放后, 在經濟騰飛和工業發展的巨大推動力下獲得的。 目前,經過焊接工作者的努力,基本掌握了各項先進的焊接生產技術,并將其應用于工業生產中,極大地推動了我國經濟的快速發展。


1.5.1 焊接技術在國民工業上的應用級技術水平現狀

我國在實行改革開放政策以來,在大型焊接鋼結構的開發與應用方面創造了1949年以來的最高水平,有的已經成為世界第一。例如國家大劇院、大噸位原油船舶、核電站反應器、神舟飛船的返回艙、長江大橋等。世界關注的長江三峽水利工程,其水電站的水輪機轉輪直徑 10.7m,高 5.4m,重達 440t,成為世界最大、最重的不銹鋼焊接轉輪。 這些焊接技術在國民工業的成功應用, 也說明了我國焊接制造技術已經得到很大發展,得到世界的矚目。


大量先進技術在我國航空航天、 電子工業、 交通運輸、 大型工程及設備等行業的應用,使我國的焊接技術得到突飛猛進的發展。 為了完成諸多的重要焊接任務,我國先后自行研制、 開發和引進了一些先進的焊接設備、 技術和材料。 目前國際上在生產中已經采用的成熟焊接方法與裝備在我國也都有所應用。 我國制造企業通過消化吸收, 已經掌握了先進的焊接技術和焊接方法 (其中不乏一些特種焊接技術),并在應用的過程中創新發展,諸如電子束焊接、攪拌摩擦焊、激光焊接、單絲或雙絲窄間隙埋弧焊、水射流切割、 4 絲高速埋弧焊、等離子焊接、精細等離子切割、焊接柔性生產線、 STT焊接熱源、變極性焊接熱源和全數字化焊接電源等先進的焊接技術和設備。


雖然我國焊接工作者積極努力追趕國際先進水平, 但是也該認識到, 我國在焊接方法和工藝的原始創新上, 要趕上世界先進水平還有一段很長的路要走。 因此,需要加強新的焊接共性技術的研究與開發。 在新焊接技術的研發與推廣應用、 新型熱源在焊接方法上的應用、 高效優質自動化焊接技術、 焊接生產與質量管理的信息化等方面,應加快研究與應用開發。


1.5.2 我國焊接專業教育的發展和現狀

我國早期焊接專業教學模式起源于前蘇聯, 當時我國第一批焊接專家編寫了第一套自己的焊接專業教材, 并在隨后的使用中不斷改善、 更新,滿足了當時的教學要求。但應該注意到,我國從 1998 年開始,高等學校取消了各單獨的熱加工專業,并合成材料加工工程專業,實行了通才教育。自 2000 年開始,我國開始進行較大范圍的教學改革和教材建設工作, 一批適應專業改革的教材逐漸走向大學生的課堂,大大改善了我國焊接專業教材建設滯后的問題。

隨著新教材的推行和實踐, 在肯定其優點的同時, 教育者也認識到教育的層次和目標的不同, 帶來對高等教育需求的差異。 高等院校應有不同的層次, 有以培養科研人才為主,也有以培養廣大企業需要的工程技術人才為主 , 兩者的培養方法和教學內容要各具特色。 工科的高等教育應重點培養能適合在現代企業工作的工程師。這是人數最多, 對發展焊接制造有深遠影響的群體。 焊接專業的教育現狀對教學模式、培養方案、教材體系的建設提出更高要求。對企業來說,需要能盡快承擔專業工作的 “專才”要求我國的高等教育體系應能適應不同層次的社會需求。




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