工程教育认证背景下焊接冶金学教学内容初探

王立世，卜智翔

(湖北工业大学 材料与化学工程学院，湖北 武汉 430068)

焊接冶金学是焊接专业的一门专业基础课，它对于理论上理解焊接工艺过程、焊接接头不同区域的演化、焊接缺陷的形成机理、出现缺陷可能性的量化方法等具有重要的作用。对于本门课程所涵盖的核心内容，不同的教材关注点往往有较大的差别。目前，工程教育要求以结果为导向来评价对应的课程体系及相关课程的教学内容。本文结合我校“材料成型及控制工程”专业通过教育部工程教育认证的经历，拟对中外焊接冶金学经典教材的内容进行对比分析，尝试归纳其特征，以期对焊接冶金学课程教学的内容有所借鉴和取舍。

1 焊接冶金学课程教材

本文参考的教材主要有6本，中文和英文各3本，参见表1。除了上述教材之外，有关焊接冶金学的内容还散见于《ASM金属手册，第六卷》(1993)[1]、《ASM金属手册，第六卷附卷，Welding fundamentals and processes》(2011)[2]及《焊接手册(第九版)，第一卷，welding science and technology(第四章)》(2001)[3]等手册中，在分析过程中，这些经典手册的部分内容也作为参考。

表1 焊接冶金学参考教材

2 参照的焊接冶金学教材内容对比分析

在上述提到的六本焊接冶金学教材中，由于出版时间的差异以及作者的着重点不同，往往造成了不同的编排内容，下面分别对其进行评述和分析。

教材①具有开创性，它介绍熔焊的工艺因素(化学冶金、传热和残余应力)，焊缝金属和热影响区的显微组织和性能，焊接中的裂纹和缺陷，并配有亚特兰大·凯兰特钻井平台塌陷原因的详尽的案例分析，涵盖熔化焊(熔焊工艺基础)、焊缝金属、热影响区、裂纹开裂和断裂四个大的部分。本书的部分内容和图表在后续的相关教材和论文中得到了大量的引用。

教材②在国内大学应用非常广泛，它把焊接材料单独作为一个章节列出，有关化学冶金部分进一步具体化。对熔池凝固和固态相变、热影响区，焊接裂纹部分进行了总结。涵盖化学冶金、焊材、焊缝凝固和固态相变、热影响区、焊接裂纹五个大的部分。与天津大学出版社出版的作者本人的《焊接物理冶金》(1991年8月)一起，构成了国内原来焊接专业及材料成型及控制工程焊接方向的主导教材。

教材③分为四篇：绪论、熔化区、部分熔化区和热影响区。本书在对焊接工艺方法及涉及到化学冶金、传热和残余应力进行详尽的梳理后，把焊接接头分为焊缝区、部分熔合区及热影响区，此后洋洋洒洒的对每一部分进行深入的分析和总结，特别是借鉴Robert W.Messler,Jr的教材Principles of welding: Processes,physics chemistry,and metallurgy(1999)的内容结构[10]，但是作者依照自己在铝合金焊接方面的研究经历和成果，在部分熔化区、不同类材料焊接后的热影响区特征方面的内容非常精彩。

教材④包含焊接工艺方法的冶金特性、传热和热-机械耦合作用、接头的显微组织、熔合区的形成、焊缝金属的凝固、焊接过程中的固态相变(加热及冷却)、钢焊接中的淬硬和开裂、钢接头的热处理、焊接接头冶金方面的破坏和无损检测方法等内容。其内容非常广泛，详细阐述了不同的基体材料在化学、传热和热-机械耦合作用，所导致的组织及性能变化即冶金特性演化，其中的很多插图和文字描述成为后续教科书和文章引用的来源。

教材⑤关注点较为广泛，不同的焊接方法和不同的基体材料在该书中都有一定的涉及，比如固相焊接、粘接和钎焊、陶瓷微联接、熔焊工艺及其热效应、热循环的冶金效应、不同材料的焊接(碳钢和合金钢奥氏体不锈钢和高合金钢、有色金属)、焊接接头的服役特性等。

教材⑥内容包括焊接冶金原理、热裂纹、固态裂纹、氢致开裂、腐蚀、疲劳和开裂、失效分析、焊接性试验等。该书作者在出版了《不锈钢的焊接及焊接性》和《镍基合金的焊接及焊接性》后[11-12]，于2015年出版了本书。焊接冶金和焊接性这本书的内容详实，对焊接接头分区的历史、热裂纹的理论发展渊源、固相开裂及腐蚀、失效分析等方面均有创新和突破。其中对于偏析机理的解释清晰、直观，尤其是提出了与冷裂纹和热裂纹相对应的温裂纹(Warm cracking)概念并深入的进行阐述，非常精彩。第五章中对氢致裂纹的脆化机理进行了梳理，其中包含平面压力理论、表面吸附理论、弱键理论、氢增强区域化塑性理论以及Beachem的应力强度模型。之后归纳了影响氢致裂纹的因素，包含焊缝含氢量、显微组织、拘束度、温度，并给出了量化氢致裂纹敏感性的测试方法，包括吉米端部淬火法、受控热强度试验、Y型坡口测试、缺口板焊缝测试、插销试验、拉伸拘束开裂测试、自身拘束试验。对氢致裂纹的认定和预防方法，比如碳当量法，AWS方法给出了详细的说明。第六章腐蚀和第七章疲劳和断裂数据翔实，第八章失效分析中给出了断口分析方法以及失效分析的详尽步骤，第九章对国际标准中涉及到的重要焊接性测试方法和相关最新的测试结果进行了分析和介绍。

3 焊接冶金学教学内容的发展与演化

焊接过程中涉及到的各种冶金现象：熔化、冷却和凝固、扩散、析出、固态相变、热应变和收缩应力，这会产生许多实际的问题，解决这些问题可采用把合适的冶金原理具体应用到实际的焊接工艺过程，但在某些重要方面，焊接冶金与传统意义上的冶金有一定的差别。有鉴于此，对于焊接冶金学的教学内容如何博采众长，适应我国的生产发展、以成果为导向的工程教育的需要是焊接及相关专业从业者应该深入思考的问题[13-14]。考虑相关的课程体系结构中焊接相关的课程情况，如何与其它冶金类及焊接方向课程有序的对接[15]；考虑专业培养人才的需要，依据不同的人才培养类型，决定焊接冶金学教学内容的合理取舍；考虑冶金原理的发展情况，借鉴冶金领域内的研发成果及其知识结构[16-17]，引入到焊接冶金学的教材编写和教学内容中。