关于航空特色的金属材料焊接性课程教学改革
来源: | 作者:qujianfeng999 | 发布时间: 2019-01-08 | 46 次浏览 | 分享到:
 [摘 要]为了突出航空特色,适应航空科技的发展和航空企业对焊接技术人才的知识结构需求,对焊接技术与工程专业的专业课程金属材料焊接性進行教学改革。从增加授课内容、改进教学方法、理论联系实践、建设课程网络教学平台等方面进行综合改革与探索,实现课程的航空特色化改革,加强学生的创新思维和实践能力培养,整体提升教学质量。
 一、增加凸显航空特色的授课内容
  传统的金属材料焊接性课程讲授内容一般包括:金属材料焊接性及其实验评定,合金结构钢的焊接,不锈钢及耐热钢的焊接,铸铁的焊接,有色金属的焊接等。其中有色金属部分对铝及铝合金、钛及钛合金的焊接只做简单介绍。授课内容以钢铁材料的焊接为重点,缺乏航空特色[2]。对此,可以针对常用航空材料的焊接增加如下教学内容。
  (一)高温合金的焊接性与焊接技术
  高温合金主要用于航空发动机的热端部件,也是航天、能源、交通运输和化学工业的重要材料,是20世纪40年代发展起来的新型航空金属材料,可在600℃~1100℃的氧化和燃气腐蚀条件下,承受复杂应力,能长期可靠地工作[3]。该部分主要介绍高温合金的分类及在航空工业的应用,重点讲解变形高温合金的焊接技术。变形高温合金是指可用压力加工方法使毛坯成形的合金,为满足航空或其他发动机热端部件对材料高温力学性能、抗氧化能力极易热膨胀系数等要求,一般含有较多的Nb、Al、Ti等合金元素,因此熔化焊接时存在裂纹倾向,包括焊缝结晶裂纹和热影响区微裂纹,应从焊接材料和焊接工艺两个方面采取措施,防止裂纹的产生。通过学习,使学生对航空用高温合金有一定的认识,掌握高温合金的分类及变形高温合金的焊接性,为高温合金航空构件(如机匣、环件及轴类等)的焊接工艺制定奠定基础。
  (二)先进航空钛合金的焊接性与焊接技术
  钛合金作为一种轻金属合金材料,具有高比强度、高比模量、高韧性、耐腐蚀以及易加工等优良的综合性质,被广泛应用于航空航天及其发动机结构中。随着航空工业的不断发展,钛合金用量和所占比例显著增大,很多情况下都要涉及钛合金本身或与其他材料的连接问题,而焊接作为一种优质、高效的连接手段是钛合金连接技术的首选。该部分介绍钛合金的分类和应用,重点讲解钛合金的焊接,包括中强钛合金、高强钛合金及高温钛合金的焊接性分析,并以中强钛合金TA14、高强钛合金TC18及高温钛合金TC25为例,讲解其氩弧焊和电子束焊接技术。通过学习,使学生了解钛合金在航空发动机中的重要作用,掌握常用钛合金的分类及焊接性,能够合理选择焊接方法并制定焊接工艺。
  二、引入航空焊接结构教学案例
  金属材料焊接性课程具有知识点多、理论性强的特点。不同材料的焊接性既有相似之处又有其自身特点。同时,该课程与工程实践结合紧密,材料的焊接性除了与母材的化学成分、热物理性能有直接关系外,还与具体焊接结构的形状、尺寸、约束、施工环境、热处理状态等密切相关。然而由于学生缺乏工程实践经验,对焊接方法和工艺措施无法做到整体把握,只能分散的、孤立的记忆知识点,导致对很多问题模棱两可,在面对具体焊接结构时束手无策。
  案例教学以具体的应用实例为知识载体,一方面能有效激发学生的好奇心,能在教师的启发引导下积极思考,加深学生对理论知识的理解;另一方面,以解决主要矛盾为目的典型案例分析,原本孤立的焊接方法、工艺措施被有效统一,能够培养学生分析问题、解决问题和灵活运用专业知识的能力,激发学生的创新思维。对此,可以结合课程内容引入以下典型航空焊接结构作为教学案例,进行案例教学方法的改革。
  (一)超高强度钢焊接案例分析——飞机起落架TIG焊工艺
  起落架是飞机上重要而特别的部件,尽管它不参与机体的结构和性能,却极大地影响飞机的使用与安全。我国飞机起落架材质主要是低合金超高强度钢,主要牌号有30CrMnSiNi2A和40CrNi2Si2MoVA。由于强度较高其焊接性较差,主要表现为焊缝及热影响区易出现焊接裂纹。以某飞机起落支架外筒为例分析其焊接性,起落架牌号为30CrMnSiNi2A,焊接部位壁厚8mm,试件在焊前经涂漆、除锈处理,然后开70°V型坡口,钝边2mm,进行单面对接焊,添加材料分别选用HGH41和H18CrMoA焊丝。分析焊接电流、预热温度、回火温度对接头性能和显微组织的影响[4]。通过该案例,引导学生运用所学知识分析超高强钢的焊接性,讨论焊接方法、焊接工艺、焊接材料对接头性能、焊接缺陷的影响及防止措施。
  (二)高性能航空铝合金焊接案例分析——运载火箭燃料储箱焊接
  铝合金具有密度小、比强度和比刚度高、加工性能好、成本低等优点,是飞机主要结构材料之一,一般占机体结构重量的50%以上。2219铝合金在低温和高温状态下均具有良好的力学性能,同时具有良好的断裂韧性和焊接性能、耐蚀性能等显著特点,在航空航天领域运用广泛。可以某运载火箭燃料储箱用2219铝合金的焊接作为铝合金焊接的教学案例,分别介绍电子束焊、钨极氩弧焊、搅拌摩擦焊三种焊接方法,对比分析焊接参数对焊缝组织、接头硬度、抗拉强度、冲击韧性的影响,分析不同工艺条件下缺陷产生及性能变化机理。通过该案例,引导学生讨论、归纳铝合金焊接的特点,明确气孔、裂纹、未熔合等铝合金主要焊接缺陷产生的原因,并能从焊接工艺、焊接材料等角度出发合理控制焊接缺陷。通过学习,使学生对航空铝合金焊接性有更为深刻的认识,加深其对铝合金焊接特点、焊接工艺的认识和掌握。 (三)高温合金焊接案例分析——发动机涡轮盘摩擦焊接
  GH4169合金在航空发动机上应用广泛,在-253℃~700℃溫度范围内具有良好的综合性能,650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位,并具有良好的抗疲劳、抗氧化、耐腐蚀的特点,在航空和航天发动机上用于制造各种静止件和转动件,如盘、环件、机匣、轴等和焊接结构件[5]。以某GH4169发动机涡轮盘惯性摩擦焊为例,分析转速、轴向压力、熔化长度等参数对焊缝及热影响区组织及性能的影响。通过学习,增强学生对发动机结构特点、性能要求及材料选择的认识。同时,拓展学生思维,使其了解焊接方法的多样性,并能根据产品要求选择合理的、低成本的焊接方法。
  三、理论联系实践
  (一)将课程教学和生产实习相结合
  根据焊接技术与工程专业培养计划,金属材料焊接性为第六学期课程,该学期穿插为期3周的专业生产实习,实习基地之一为某航空发动机制造单位,主要实习场地包括精铸、精锻、盘轴、板焊、喷嘴、叶片等航空发动机零部件生产厂。为了增强课程的航空特色,将课程教学和生产实习相结合。实习之前,先对实习内容做简要的介绍,并结合实习内容,提出与课程相关的问题供学生思考,如发动机叶片的材质种类有哪些?TIG焊可用于哪些产品或结构的焊接?涡轮盘的材质及焊接工艺是什么?涡轮工作叶片可以用哪些方法修复?机匣的材质及修复方法有哪些?真空焊可用于哪些航空结构的焊接等。实习期间,让学生带着一系列和焊接技术相关的问题去实习车间,这一方面能让学生通过直观感受建立焊接技术在航空制造领域占有重要地位的认识;另一方面可以通过让学生参观生产一线的产品和查阅技术资料寻找问题的答案,加深其对航空材料、发动机结构及相关焊接技术的理解。实习期间的所见、所闻及由问题引发的思考,对课学生续内容的学习和掌握有极大的促进作用,有助于培养学生的航空情怀。
  (二)将课内实验与学科竞赛相结合
  学科竞赛是培养学生创新思维和实践能力的重要手段,是传统课堂教学的重要补充[6],对学生综合素质的提升具有重要作用。对此,我院通过“一院一赛”项目组织开展了多项大学生竞赛项目,如焊接创新大赛、金相大赛、铸造大赛等。通过校级比赛培育项目、锻炼队伍,择优推荐参加省级、国家级学科竞赛。金属材料焊接性课内实验共6学时,以往的实验内容是对低合金钢、不锈钢和铝合金焊接工艺及焊缝组织的分析,由于是验证性实验,学生的积极性不高。对此,将课内实验与学科竞赛相结合,将与课程相关的竞赛题目、相关要求布置给学生,学生分组完成后并进行评比。这一方面提高了学生的参与积极性,同时能借此机会将课程理论与实践相结合,培养学生的实践能力和创新思维,并能为大赛选拔优秀的参赛队伍。如2018第三届全国大学生焊接创新大赛的固定题目之一为“复合板冲击韧性”,要求在Q235基板上制备高强层,并且高强层的HV值在350-700 之间,在满足上述要求的基础上考察复合板的冲击韧性。学生只有在焊接冶金学和金属材料焊接性方面具备一定的理论知识,才能正确地选择材料、合理制定焊接工艺、正确分析显微组织等。经过校内选拔择优推荐4支队伍参加全国大学生焊接创新大赛,最终我校取得了一等奖两名、二等奖两名的优异成绩。学科竞赛让学生切身体会到专业知识的魅力和学以致用的乐趣,极大地鼓舞了他们的学习热情,逐步形成了“以赛促学,以学助赛”的良好氛围。
  四、建设课程网络教学平台,开展网络互动教学
  当前,在“互联网+”的时代背景下,教育信息化已经成为促进教育发展、提高教育质量的重要途径和有效措施,网络教学平台在教学信息化中发挥着基础性的支撑作用[7]。网络教学平台能够为教师优化教学资源、丰富教学模式、学生进行自主学习以及师生交流互动提供支撑,从而提高教师教学质量和学生的学习效率。截至目前,我校金属材料焊接性网络教学平台建设已完成如下功能的建设并投入运行。
  (一)创建并丰富了教学资源
  目前,我校金属材料焊接性课程上传到网络教学平台的教学资源主要包括:课程介绍、教学日历、教学大纲、电子参考书、多媒体课件、教学录像、章节重点难点分析、练习题、思考题、作业等,结合教学进度逐步向学生开放。另外,我院将教师承担的航空科学基金项目和与航空企业合作的服务项目成果结合教学内容进行收集整理,将最新的研究进展共享到网络平台,使学生不但能自主获取与课程相关的基础知识,同时还能及时、准确地掌握现代科技发展动态,提高学生的学习积极性。此外,收集并上传相关视频、动画资料,以便学生拓展学习,加深对知识点的理解。如讲到铝及铝合金的焊接时,将当前的研究热点铝锂合金的焊接,如搅拌摩擦焊、电子束焊等的最新研究成果同学生分享。另外,上传不同焊接方法焊接铝合金的视频,如MIG焊、电阻点焊、电子束焊、搅拌摩擦焊、激光焊等,通过观看视频学生能够较直观的认识不同焊接方法焊接铝合金时的特点,并能深刻理解焊接方法对材料焊接性的影响。
  (二)开展网络互动教学
  开展网络互动教学,充分发挥课程网络平台对课堂教学的辅助作用。主要方式包括:一是设立专题讨论,要求学生查阅相关资料,围绕某一主题进行讨论,从而让学生学会如何通过团队合作收集、总结有用信息;二是利用平台的相关功能,加强师生间的交流互动。如学生可以随时将学习过程中遇到的问题发送给教师,教师应积极回应并做出解答,促进学生的学习积极性。利用平台的签到、提交作业、测验、考试等功能,不仅节约了课堂时间,还有利于实现对课程过程监控,实现线上线下互动教学。
  五、结语
  在金属材料焊接性课程的教学改革中,教学内容增加了高温合金的焊接性与焊接技术和钛合金的焊接性与焊接技术,教学方法以典型航空焊接结构为教学案例引入案例教学法,并紧密结合生产实习,实现了课程的航空特色化改革。同时,结合学科竞赛和课程网络教学平台建设,加强了学生实践能力和创新思维的培养,提高了教师的教学质量和学生的学习效率,以更好地适应航空企业对焊接人才的需求。
  [ 参 考 文 献 ]
  [1] 齐义文,卢艳军,刘利秋,高云红.具有航空航天特色的控制工程基础课程体系建设[J].大学教育,2016(12):165-166.
  [2] 陈玉华.金属材料焊接课程的特色化教学改革[J].中国冶金教育,2012 (1):32-33.
  [3] 黄乾尧,李汉康,等.高温合金[M].北京:冶金工业出版社,2002.
  [4] 郭必新,祝长春.飞机起落架的TIG焊工艺[J].航空制造技术,2008(3):89-91.
  [5] 李晓红,熊华平,张学军,等.先进航空材料焊接技术[M].北京:国防工业出版社,2012.
  [6] 蔺永政,朱红岩.学科竞赛促进计算机类创新型人才培养和深化实践教学改革的探讨[J].大学教育,2013(7):114-115.
  [7] 荆全忠,邢鹏.“互联网+”背景下高校教学模式创新研究[J].教育探索,2015(9):98-100.