賈征，喻兵，王芷茁，于永治，牛建平，邵一川

（沈陽大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110044）

0 引言

焊接技術(shù)與工程專業(yè)是培養(yǎng)具有扎實(shí)焊接專業(yè)知識、素質(zhì)高、行動力強(qiáng)及能夠利用所學(xué)知識解決實(shí)際工程問題的人才，學(xué)生畢業(yè)后能夠在航天航空、交通車輛、電力電器等領(lǐng)域從事與焊接相關(guān)工程的科學(xué)研究［1-3］。該專業(yè)的發(fā)展融合了眾多學(xué)科的科技成果，涉及的學(xué)科領(lǐng)域較為廣泛，隨著科技的進(jìn)步，焊接知識體系也在不斷完善，對于焊接，人們有了進(jìn)一步的認(rèn)知，國內(nèi)外對焊接專業(yè)人才培養(yǎng)也開始變得炙手可熱［4］。在國外諸多的焊接專業(yè)教育中，其中以美國高校最具代表性。在美國高校，焊接專業(yè)的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)受到高度重視，其本科生的課程設(shè)置和學(xué)習(xí)方式上也體現(xiàn)出高度的靈活性［5］。也正是由于焊接技術(shù)本身涉及的學(xué)科領(lǐng)域較多，應(yīng)用范圍較廣，這也使得焊接專業(yè)逐漸形成了跨學(xué)科的培養(yǎng)方式。在麻省理工學(xué)院（MIT），焊接專業(yè)課程高度重視理論與科技實(shí)踐相結(jié)合，學(xué)生培養(yǎng)計劃中具有獨(dú)立活動期，在此期間學(xué)生可以進(jìn)行獨(dú)立的學(xué)習(xí)和研究，開設(shè)的課程中也并沒有定期的上課安排，學(xué)生可以根據(jù)自己的需要自主選擇課程補(bǔ)充知識，這充分地給予了學(xué)生個性發(fā)展的機(jī)會［6-7］。此外，MIT的焊接培養(yǎng)計劃中要求學(xué)生要有一定的學(xué)習(xí)成果，例如，在焊接方法及設(shè)備課程中，學(xué)生在完成基礎(chǔ)知識的考核后，需要利用所學(xué)的知識設(shè)計一些實(shí)驗(yàn)及項(xiàng)目，并得出結(jié)論。

在美國高校，焊接課程與科技實(shí)踐結(jié)合的學(xué)習(xí)方法已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際［8-10］。例如，學(xué)生可以在“焊接機(jī)器人”的課程中學(xué)會用TekBots寫下程序，還能觀察機(jī)器人是否能在自己寫下的程序中運(yùn)行，這個過程不會有教師的參與，完全由學(xué)生自主學(xué)習(xí)，之后學(xué)生還能依靠自己設(shè)計的程序參加比賽。此外，在焊接教學(xué)的過程中美國高校非常注重學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和自我檢討，這主要是考查學(xué)生對于所學(xué)知識的吸收情況以及是否能夠靈活運(yùn)用。近年來，焊接工程專業(yè)得到了迅速的發(fā)展，我國開設(shè)焊接專業(yè)的院校更是多達(dá)50 余所?？梢灶A(yù)見，開設(shè)焊接本科專業(yè)，隨著人們對焊接認(rèn)識的不斷深入，必將在國內(nèi)教育界形成熱潮。隨著教育教學(xué)改革的不斷深入以及卓越工程師教育培養(yǎng)計劃的有力實(shí)施，焊接技術(shù)與工程專業(yè)在學(xué)生培養(yǎng)、師資力量建設(shè)、教學(xué)改革等方面都取得了重大的成果。由于“中國制造2025”發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和新工科建設(shè)要求，焊接專業(yè)不得不發(fā)生轉(zhuǎn)型［11-14］。金屬焊接性課程正是焊接專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程之一，在焊接專業(yè)建設(shè)中具有重要的支撐作用，主要是培養(yǎng)學(xué)生能夠靈活利用所學(xué)知識分析材料的焊接性，從而正確采用焊接工藝。但是，由于本課程接觸實(shí)際偏多，學(xué)生理解起來非常困難，因此，本課程制定了若干個實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。但是實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)往往不被重視，如驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)很少涉及學(xué)生的主觀思考能力，只是讓學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證書本上的知識點(diǎn)，如果將“大賽”與專業(yè)實(shí)驗(yàn)深入融合，以專業(yè)實(shí)驗(yàn)室為“大賽”平臺，以“大賽”促進(jìn)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生主動愿意去探索創(chuàng)新，從而培養(yǎng)出更多的創(chuàng)新性人才。

以焊接技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目之一“異種材料焊接性分析”教學(xué)實(shí)驗(yàn)為例，是專門為焊接技術(shù)與工程專業(yè)學(xué)生開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目［15］。這個項(xiàng)目一共分為3 步：選擇材料、焊接工藝及檢測分析，本實(shí)驗(yàn)的目的是讓學(xué)生通過焊接手段了解并掌握異種材料的焊接性與焊接工藝。但是，由于專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程時間非常有限，嚴(yán)重限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。因此，通過“課程教學(xué)-大賽實(shí)驗(yàn)-探索分析-創(chuàng)新能力培養(yǎng)”的教學(xué)方法，將大賽項(xiàng)目與焊接技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深度融合。每年專業(yè)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)大賽項(xiàng)目6～7項(xiàng)，并以專業(yè)實(shí)驗(yàn)為拓展進(jìn)行承擔(dān)大賽項(xiàng)目，形成以大賽項(xiàng)目為依托的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。下面將從“大賽”的實(shí)驗(yàn)過程開始，在專業(yè)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，讓學(xué)生具備科技創(chuàng)新思維，這也對焊接技術(shù)人才的培養(yǎng)具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計與實(shí)施

1.1 實(shí)驗(yàn)背景

隨著焊接技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)打破傳統(tǒng)意義上的焊接就是用焊條進(jìn)行焊接的舊思維，今天的焊接技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，例如，與其他學(xué)科相結(jié)合的焊接機(jī)器人技術(shù)，就需要進(jìn)行軟件編程、運(yùn)動控制，并且與周邊設(shè)備相結(jié)合形成智能化系統(tǒng)。因此，對于專業(yè)人才的綜合素質(zhì)有著很高的要求。相應(yīng)地，當(dāng)大學(xué)生的基礎(chǔ)知識達(dá)到一定程度時，讓其參加與專業(yè)相關(guān)的競賽、項(xiàng)目等活動時，可以有效地培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和思維創(chuàng)新能力，實(shí)行“學(xué)中想”和“做中學(xué)”，對于提升本科生創(chuàng)新素質(zhì)培養(yǎng)的效果具有積極的意義，本文中就以鋁銅焊接為例進(jìn)行說明。

銅及其合金性能優(yōu)良，在電氣設(shè)施、電器開關(guān)、電線和電纜等電子電氣材料方面得到廣泛應(yīng)用［16-17］。但銅及其合金價格比較昂貴，從而導(dǎo)致電氣工程領(lǐng)域的相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)成本不斷提高。因此，材料科學(xué)工作者在不斷尋求以鋁代銅的方法。在用鋁代銅的相關(guān)產(chǎn)品中，最重要莫屬鋁-銅的連接。如果想要得到質(zhì)量較高的鋁-銅連接件，首先需要突破鋁-銅連接的困難以及了解鋁-銅連接的結(jié)合機(jī)理，從而才能在實(shí)際的生產(chǎn)中得到應(yīng)用［18-19］。眾所周知，要使銅鋁焊接在一起是較為不易的，因?yàn)殂~鋁之間的熔點(diǎn)相差423 ℃，非常難熔［20-21］。此外，高溫下，鋁容易發(fā)生氧化，為了保證焊接焊頭的優(yōu)異性必須防止氧化去除熔池中的氧化物。因此，學(xué)生在學(xué)習(xí)了鋁／銅焊接性基礎(chǔ)上，開設(shè)了異種材料焊接性分析實(shí)驗(yàn)課，并在此基礎(chǔ)上，參與了一項(xiàng)全國大學(xué)生焊接大賽項(xiàng)目“鋁-銅異種材料的焊接材料制備”。在本次大賽中，選用材料為工業(yè)純鋁及工業(yè)純銅板材，將其進(jìn)行焊接，考察其焊接工藝，最后測試其力學(xué)性能。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)采用釬焊焊接，釬焊通常以采用的熱源命名，主要包括：火焰釬焊、浸漬釬焊、電阻釬焊、爐中釬焊、感應(yīng)釬焊，學(xué)生們經(jīng)過查閱資料和分析，最后采用火焰釬焊方法進(jìn)行焊接。所謂火焰釬焊是指將可燃?xì)怏w與氧氣相混合利用燃燒出的火焰進(jìn)行加熱釬焊，其應(yīng)用較為廣泛且容易操作［22-25］?；鹧驸F焊在空氣中完成，不需要保護(hù)氣體，通常需要使用釬劑；釬料的選擇范圍寬，從低溫的銀基釬料到高溫的鎳和銅基釬料，都可以應(yīng)用，并且對釬料的形狀幾乎沒有要求，絲狀、片狀、預(yù)成形或膏狀形式的釬料都可以應(yīng)用在火焰釬焊中［26］。需要注意的是鋁比較活潑，焊接時表面會生成一層化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的致密氧化物。這層氧化物是鋁和銅釬焊時的有害物質(zhì)，因此必須除去這層氧化膜?？梢栽阡X和銅釬焊時使用釬料清除表面氧化膜降低釬料與板材的界面張力。焊接時需要注意避免直接加熱釬料，采用多孔焊嘴還原性火焰均勻加熱，防止母材氧化，讓焊接過程順利進(jìn)行，以獲得高質(zhì)量的焊縫。本次試驗(yàn)采用丁烷作為燃料進(jìn)行軟釬焊，丁烷燃燒的火焰溫度約為500 ℃。

1.3 鋁銅材料的焊接實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述設(shè)計，鋁銅表面的氧化皮可以用砂紙進(jìn)行打磨，然后在試驗(yàn)臺上需要放一塊不銹鋼墊板，不銹鋼墊板的作用是隔熱，由于不銹鋼熱導(dǎo)率比較低，所以減少了鋁銅加熱時的熱量散失。將鋁銅試板放置在不銹鋼墊板上，鋁板在下面，銅板在上面，最后用夾具固定。用丁烷噴槍對搭接面進(jìn)行加熱，主要是加熱銅板，順帶加熱鋁板，待加熱到釬料熔點(diǎn)（450 ℃）以上，釬料從縫隙中慢慢滑過，釬料熔化流入間隙中，使鋁銅結(jié)合到一起。本次試驗(yàn)用釬焊焊接的試件共有3個，將3個試件按圖1 理論尺寸用線切割機(jī)進(jìn)行切割，線切割之后的試件見圖2，3 個試件的實(shí)際尺寸見表1。

圖1 鋁銅焊接試件拉伸試樣尺寸（mm）

圖2 鋁銅焊接試件拉伸試樣

表1 鋁銅焊接試件的實(shí)際尺寸 mm

2 焊接性能分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

針對上面實(shí)驗(yàn)結(jié)果，學(xué)生進(jìn)一步進(jìn)行分析，將切割后的試件放置在拉力機(jī)上進(jìn)行拉伸，緩慢加載的過程中，發(fā)現(xiàn)鋁板發(fā)生了縮頸，釬焊焊縫部位未發(fā)生明顯變化。1 號試件與3 號試件斷于鋁板，2 號試件在安裝在拉力機(jī)夾頭的過程中發(fā)生了斷裂，其斷于釬焊焊縫，從斷后的釬焊焊縫可以看出搭接區(qū)內(nèi)的釬料成分較少，且釬料并沒有與鋁銅產(chǎn)生很好的熔合，沒有形成冶金結(jié)合。斷裂后的試件見圖3。

圖3 鋁銅焊接試件拉伸斷裂后試樣

測定的材料的力學(xué)性能如表2 所示。純鋁的抗拉強(qiáng)度處于90～120 MPa 之間，試驗(yàn)所得鋁銅釬焊試件的抗拉強(qiáng)度除2 號試件外均大于純鋁的抗拉強(qiáng)度。

表2 鋁銅釬焊拉伸試件的伸長率及抗拉強(qiáng)度

2.2 結(jié)合界面顯微分析

在焊縫處用線切割取樣，使用砂紙依次打磨到3 000＃。隨后先用絨布進(jìn)行拋光，最后在麂皮上拋光。在絨布與麂皮上拋光時所用的拋光劑為氧化鎂溶液，所用的氧化鎂溶液為鋁銅軋制試樣拋光時所用溶液的殘留溶液。氧化鎂溶液長時間放置后發(fā)生了沉淀，用藥匙攪拌后進(jìn)行過濾，過濾后才可以使用。拋光后在水龍頭下清洗，用烘干機(jī)烘干之后放置在電子顯微鏡上觀察，放大到400 倍觀察到鋅鋁釬料與銅結(jié)合的界面見圖4（a），左側(cè)為鋅鋁釬料，右側(cè)為銅；鋁與鋅鋁釬料結(jié)合的界面見圖4（b），從左到右分別是鋁和鋅鋁釬料。顯微鏡下調(diào)到100 倍觀察到的鋁、鋅鋁釬料和銅結(jié)合的整體界面如圖5 所示。在圖5（a）中1 線左側(cè)為鋁，1 線與2 線之間為鋅鋁釬料，2 線右側(cè)是銅，由圖可以看出界面之間結(jié)合較好。在圖5（b）中鋁在1 線左側(cè)，2 線與3 線之間為鋅鋁釬料，3 線右側(cè)為銅，由圖可以看出1 線與2 線之間存在空隙，這表明鋁與鋅鋁釬料連接處強(qiáng)度較低，從而降低了鋁銅釬焊焊接件的強(qiáng)度。

圖4 鋁銅與釬料結(jié)合的界面

圖5 鋁、鋅鋁釬料和銅結(jié)合的整體界面

3 大賽項(xiàng)目與專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合的體會

本科生開展的科技實(shí)踐活動一般來說是課程體系之外的，要將其與課程相結(jié)合需要學(xué)生投入更多的精力，在實(shí)踐的過程中還需要面對許多難以處理的的問題，但提升大學(xué)生的創(chuàng)新思維以及科研素養(yǎng)是十分必要的。因此，探索本科生專業(yè)學(xué)習(xí)與科技競賽、科研項(xiàng)目需求之間的關(guān)系，確保本科生專業(yè)學(xué)習(xí)完整性，研究本科生在創(chuàng)新實(shí)踐過程中促進(jìn)專業(yè)學(xué)習(xí)的機(jī)制，可以使專業(yè)學(xué)習(xí)與科技實(shí)踐活動形成相互促進(jìn)、相互彌補(bǔ)的良性機(jī)制。在同一專業(yè)內(nèi)，大學(xué)生之間存在著明顯的個性差異，如在興趣愛好、思維方式等方面。在創(chuàng)新能力培養(yǎng)過程中其知識面、動手能力、創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展程度也各不相同。相應(yīng)地，焊接專業(yè)涉及多學(xué)科之間的交叉，對學(xué)生的各種特長都能夠提供極大的發(fā)揮空間。在有限的教學(xué)資源條件下，也需要注意結(jié)合本科生個體差異實(shí)施個性化培養(yǎng)，使學(xué)生能夠不拘一格地發(fā)揮自身優(yōu)勢，找到適合自身特點(diǎn)的發(fā)展方向。

而焊接技術(shù)與工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)不同于基礎(chǔ)學(xué)科，注重拓展學(xué)生們的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生們對于焊接技術(shù)的創(chuàng)新能力。以前，焊接技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中大多采用驗(yàn)證性操作試驗(yàn)，其思維模式較為固定，而大賽項(xiàng)目是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維最好的學(xué)習(xí)方式。因此“大賽”以專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為依托，避免了學(xué)生立項(xiàng)沒有依據(jù)，想進(jìn)行研究而沒有理論知識的心理，讓學(xué)生更加愿意去思考問題，深入探究書本上知識的來龍去脈，深入理解并發(fā)現(xiàn)更新的問題從而加以解決，且能大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。焊接技術(shù)與工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)與“大賽”深度融合，可以起到更好的教學(xué)效果，可充分利用學(xué)?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的濃厚興趣，還可將“大賽”成果反饋實(shí)驗(yàn)教學(xué)，很大程度上調(diào)動與發(fā)揮學(xué)生的求知欲，契合新工科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的培養(yǎng)目標(biāo)。

4 結(jié)語

依托科研實(shí)踐活動開展本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)，從而進(jìn)行科技實(shí)踐活動與焊接工程專業(yè)深度融合的研究與實(shí)踐在國內(nèi)外已經(jīng)成為一種趨勢。對于實(shí)踐性極強(qiáng)的焊接專業(yè)，確實(shí)需要尋求新的人才培養(yǎng)方式。但相對于國外，國內(nèi)的教育方式和科技水平與國外相比具有很大差異，國外的很多經(jīng)驗(yàn)并不適用于國內(nèi)。因此，有必要開展積極的研究與探索，參照國家發(fā)展戰(zhàn)略和我國高等教育的環(huán)境和特點(diǎn)，探索科技實(shí)踐競賽與焊接工程專業(yè)深度融合的研究與實(shí)踐培養(yǎng)焊接專業(yè)本科生創(chuàng)新能力的新思路和有效做法，這可為國家和社會培養(yǎng)高素質(zhì)的人才。而焊接專業(yè)的本科生創(chuàng)新人才培養(yǎng)，可將科技競賽、科研項(xiàng)目等實(shí)踐活動緊密結(jié)合，探索有效的長線育才機(jī)制。培養(yǎng)的方式是以社會需求為指引，以學(xué)生的全面發(fā)展為著眼點(diǎn)，有效地拓寬大學(xué)生的知識面和實(shí)踐能力，為社會培養(yǎng)、輸送綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強(qiáng)的創(chuàng)新型人才。提出以梯隊(duì)形式實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)傳承和知識積累，能夠有效避免當(dāng)前教師任務(wù)繁重、頻繁面對新生培訓(xùn)將難以應(yīng)對的窘?jīng)r。將科研項(xiàng)目與科技競賽相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)長線的持續(xù)培養(yǎng)，在國內(nèi)高校并不多見。項(xiàng)目組基于對科技競賽、學(xué)生參加科研項(xiàng)目的深刻認(rèn)識，提出了點(diǎn)線結(jié)合、長線培養(yǎng)的方法，形成學(xué)科之間交叉融合的知識體系以及求創(chuàng)新的人才培養(yǎng)模式。此外，必須建立設(shè)備齊全的焊接實(shí)驗(yàn)室，即建立一個面向科研實(shí)踐需求的具有國內(nèi)一流水平的開放式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。打造出先進(jìn)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺。依據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能和應(yīng)用屬性，建立以“科學(xué)性、系統(tǒng)性、先進(jìn)性、實(shí)用性”為指導(dǎo)思想的模塊化管理機(jī)制，利用焊接創(chuàng)新實(shí)踐平臺，為學(xué)生學(xué)習(xí)、理解焊接專業(yè)知識及參加大賽及科研項(xiàng)目提供支撐，可保證焊接大賽和科研項(xiàng)目的順利進(jìn)行。

焊接技術(shù)與工程專業(yè)以大賽項(xiàng)目為導(dǎo)向，將大賽更好地融合到課堂實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，讓更多學(xué)生參與進(jìn)來，深度融合結(jié)果不僅將優(yōu)秀教學(xué)資源高效整合，使教學(xué)更生動，而且可讓學(xué)生深入理解焊接專業(yè)對應(yīng)知識點(diǎn)，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和積極探索能力，對培養(yǎng)應(yīng)用型人才意義重大。專業(yè)實(shí)驗(yàn)取得的階段性成果，可為下一階段大賽提供理論依據(jù)與支撐，對于同類高校以及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)提供一定的參考。

在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，包括一些應(yīng)用科技領(lǐng)域，要尊重科學(xué)研究靈感瞬間性、方式隨意性、路徑不確定性的特點(diǎn)，允許科學(xué)家自由暢想、大膽假設(shè)、認(rèn)真求證。不要以出成果的名義干涉科學(xué)家的研究，不要用死板的制度約束科學(xué)家的研究活動。很多科學(xué)研究要著眼長遠(yuǎn)，不能急功近利，欲速則不達(dá)。

——習(xí)近平在全國科技創(chuàng)新大會上講話