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焊接方法与工艺综合实验
焊接是一种永久性连接金属材料的工艺方法。焊接过程的实质是利用加热或加压等手段，借助金属原子的结合与扩散作用，使分离的金属材料牢固地连接起来。
焊接成型也是一种非常重要的机械加工和成型工艺方法。有许多产品和零部件都有焊接工艺环节，对这类产品来讲，焊接质量就决定了产品的性能和寿命。所以在焊接工序之后进行组织检验是非常重要的一个环节。
钢材焊接后，焊口区域的组织有焊缝金属、热影响区和母材区组成，焊缝金属是经过熔化的金属部分组成，热影响区是母材区和焊缝金属之间发生急热急冷而有组织变化的部分。
本实验是为了使本科生了解几种焊接方法和基本的焊接工艺，并能初步了解焊接的流程，进而增加对焊接过程的理解，最终培养他们的焊接动手能力。

实验一 手工电弧焊工艺实验
一、实验目的
1.了解手工电弧焊的操作方法；
2.了解有药皮焊条对被焊接金属焊缝表面状态的影响；
3.了解手工电弧焊的基本原理、操作过程、焊接参数及其应用范围。
二、实验原理
手工电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法。它利用焊条与焊件之间建立起来的稳定燃烧的电弧，使焊条和焊件熔化，从而获得牢固的焊接接头。
如图1所示，手工电弧焊是一种气体放电现象。接触时焊接回路短路，很快拉起焊条后，焊条与焊件之间的空气在引弧电压作用下电离，发光发热，产生强烈持久的气体放电现象，形成电弧焊的电弧。

图1 手工电弧焊原理
1-药皮；2-焊芯；3-气体保护；4-电弧；5-熔池；6-母材；7-焊缝；8-焊渣； 9-熔渣；10-熔滴

手工电弧焊的焊接过程：如图2所示焊接前，把电焊钳和焊件分别接到手工弧焊输出端的两极，焊件为一个电极，焊条为另一个电极。电弧在焊条和焊件之间形成，通过外加电压燃烧。在电弧热作用下，焊件和焊条的焊芯熔化共同形成熔池。在电弧热的作用下，涂敷于焊芯外面的焊条药皮会分解产生CO2、CO、H2等保护气体，阻止空气与熔池的接触。药皮在电弧焊热的作用下，生成熔渣，浮于熔池表面，对其起保护作用，凝固后在焊缝表面结成渣壳。也就是说，手工电弧焊时，焊接熔池的保护是气体和熔渣的联合保护。液态金属和液态熔渣之间还进行脱氧、去硫、去磷、去氢和渗合金金属等复杂的冶金反应，从而使焊缝金属具有合适的化学成分。
焊接过程中，药皮不断地分解、熔化而生成气体及熔渣，保护焊条端部、电弧、熔池及其附近区域，防止大气对熔化金属的有害污染；焊芯在电弧热作用下不断熔化，进入熔池，成为焊缝的填充金属。

图2 手工电弧焊焊接过程
1-焊件；2-焊条；3-焊钳；4-电焊机；5-焊接电弧；6-熔池；7-焊缝

三、实验仪器、设备及材料
1.设备及工具：手工电弧焊机一台，焊接工作台一台；
2.材料：普通碳钢板若干，普通薄钢板若干，碳钢焊条若干。

四、实验内容及步骤
1.实验教师先使用有药皮焊条焊接一条直缝，观察焊缝的焊后状态；
2.实验教师再将一支焊条的药皮完全去除，在与 “1”同样条件的金属焊件上进行一条直缝焊接，观察焊缝的焊后状态；
3.在实验老师指导下，学生实际操作上述 “1”、 “2”。
五、实验数据及实验结果
1.完整记录焊接实验过程；
2.对比分析有药皮与无药皮焊条对被焊接金属焊缝表面状态的影响；
3.电弧焊的特点及应用范围？
六、思考与讨论
1.讨论焊条药皮的作用？
2.影响电弧焊焊接质量的主要因素有哪些？
七、实验安全纪律
1.在没有得到指导老师同意之前，不得随意触动相关设备的电源部分、以防触电或损坏设备。
2.进入实验区域后，应注意脚下有否电线，并确认是否带电，如果带电应及时告知实验老师，防止实验事故发生；
3.手工电弧焊焊接实验过程中，学生必须在实验老师的示范下，持拿防护罩，以免发生焊接电弧灼伤眼睛，焊渣飞溅烫伤面部、手部及其他身体部位；
4.焊接件焊接完毕后，不得立即用手触碰，防止烫伤；

实验二 碳钢和铸铁的手工电弧焊工艺实验
手工电弧焊属于焊接方法中熔化焊的一种，是将两个分离的金属，在接头处局部加热或加压，或者加热时同时又加压、熔化、冷却后凝固成一个牢固的整体。它是利用电弧热局部熔化焊件和焊条以形成焊缝的一种手工操作焊接方法。
一、实验目的
1、掌握焊接工艺及方法
2、了解碳钢、铸铁的焊接性能
二、实验原理
焊接是一种连接金属或热塑性塑料的制造或雕塑过程。焊接过程中，工件和焊料HYPERLINK "
金属的焊接，按其工艺过程的特点分有熔焊、压焊和钎焊三大类。
熔焊是在焊接过程中将工件接口加热至熔化状态，不加压力完成焊接的方法。熔焊时，热源将待焊两工件接口处迅速加热熔化，形成熔池。熔池随热源向前移动，冷却后形成连续焊缝而将两工件连接成为一体。
压焊是在加压条件下，使两工件在固态下实现原子间结合，又称固态焊接。常用的压焊工艺是电阻对焊，当电流通过两工件的连接端时，该处因电阻很大而温度上升，当加热至塑性状态时，在轴向压力作用下连接成为一体。
钎焊是使用比工件熔点低的金属材料作钎料，将工件和钎料加热到高于钎料熔点、低于工件熔点的温度，利用液态钎料润湿工件，填充接口间隙并与工件实现原子间的相互扩散，从而实现焊接的方法。
三、实验仪器、设备及材料
1、电焊机
2、碳钢，铸铁
3、焊条，切割机
四、实验内容
分组采用电焊机进行碳钢与碳钢、碳钢与铸铁、铸铁与铸铁三种焊接接口方式的焊接实验。

五、实验步骤及方法
了解焊机机械结构、电源及控制系统，熟悉和掌握接线方式、方法，输入电源。
起弧、焊接、手弧。
①引弧。引弧时，首先将焊条与工件接触造成短路，然后提起2～4毫米，使焊条与工件之间形成电弧。
②运条。电弧引燃后，焊条末端要有三个基本动作，即沿焊条中心线均匀地向下送进，以维持电弧长度；沿焊接方向移动，以形成焊缝；作横向摆动，以获得较宽的焊缝。
六、实验报告
1. 记录实验参数，简述焊接工艺过程。
2. 观察焊缝组织，是否存在缺陷，并对其描述。
七、思考题
1. 结合实验过程，讨论焊条药皮在焊接过程中起哪些作用
2. 手工电弧焊设备是否允许若干焊接部位同时工作？
3. 手工电弧焊常见缺陷的种类及其原因？
实验三 钨极氩弧焊工艺实验
一、实验目的
1、了解交氩弧焊机的结构组成
2、熟悉氩弧焊机的工作原理及使用方法
3、练习正确使用钨极氩弧焊机（不接总电源）
二、氩弧焊基本原理
氩弧焊是以氩气作为保护气体的一种直接电弧熔焊方法，它是利用从喷嘴流出的氩气在电弧及焊接熔池的周围形成连续封闭的气流，保护钨极 (或焊丝)和焊接熔池不被氧化，避免了空气对熔化金属的有害作用。同时，由于氩气是惰性气体，它与熔化金属不起化学反应也不溶解于金属，因此，氩弧悍的焊接质量较高。氩弧焊按照电极的不同分为熔化电极 (金属极)和不熔化电极 (钨极)两种，见图1所示，本实验采用钨极氩弧焊。

（1）熔化级氩弧焊 （2）钨级氩弧焊
图1氩弧焊示意图
1-送丝滚轮；2-喷嘴；3-气体；4-焊丝；5-熔池；6-焊缝；7-钨级；8-填充焊丝

三、实验仪器、设备及材料
1、钨级氩弧焊机
2、碳钢，不锈钢，铝板
3、焊丝，切割机
四、实验内容
掌握手工钨极氩弧焊的焊接方法
五、实验步骤及方法
1. 引弧
手工钨极氩弧焊通常采用引弧器进行引弧。这种引弧的优点是钨极与焊件保持一定距离而不接触，就能在施焊点上直接引燃电弧，可使钨极端头保护完整，钨极损耗小，以及引弧处不会产生夹钨缺陷。
没有引弧器时，可用紫铜板或石墨板作引弧板。将引弧板放在焊件接口旁边或接口上面，在其上引弧，使钨极端头加热到一定温度后(约1s)，立即移到待焊处引弧。 这种引弧适宜普通功能的氩弧焊机。但是，在钨极上与紫铜板(或石墨板)接触引弧时，会产生很大的短路电流，很容易烧损钨极端头。
2. 收弧
收弧方法不正确，容易产生弧坑裂纹、气孔和烧穿等缺陷。因此，应采取衰减电流的方法，即电流自动由大到小地逐渐下降，以填满弧坑。
一般氩弧焊机都配有电流自动衰减装置，收弧时，通过焊枪手把上的按钮断续送电来填满弧坑。若无电流衰减装置时，可采用手工操作收弧，其要领是逐渐减少焊件热量，如改变焊枪角度、稍拉长电弧、断续送电等。收弧时，填满弧坑后慢慢提起电弧直至灭弧，不要突然拉断电弧。
当熄弧后，氩气会自动延时几秒钟停气(因焊机具有提前送气和滞后停气的控制装置)，以防止金属在高温下产生氧化。
3. 在铝板上平敷焊
1)焊件与焊丝清理 铝合金材料的表面氧化铝薄膜必须清除干净，尤其是焊件接口处。清理方法有两种：
化学清理法：首先用汽油或丙酮去除油污，然后将焊件和焊丝放在碱性溶液中浸蚀，取出后用热水冲洗，再接焊件和焊丝放在30%~50%的硝酸溶液中进行中和，最后用热水冲洗干净并烘干。
机械清洗法：在去除油污后，用钢丝刷或砂布将焊接处和焊丝表面清理至露出金属光泽。也可用刮刀清除焊件表面的氧化膜。
2)选择焊接工艺参数 选用钨极直径2mm，焊丝直径2mm,焊接电流70~100A，氩气流量6~7L/min。
3)操作方法 电弧引燃后，要保持喷嘴到焊接处一定距离并稍作停留，使母材上形成熔池后，再给送焊丝，焊接方向采用左焊法。焊枪与焊件表面成80°左右的夹角，填充焊丝与焊件表面10°~15°为宜，如图3所示。
图3　焊枪、焊件与焊丝的相对位置

焊接过程中，焊丝的送进方法有两种，一种是左手捏住焊丝的远端，靠左臂移动送进，但送丝时易抖动，不推荐使用。另一种方法是以左手的拇指、食指捏住，并用中指和虎口配合托住焊丝下部(便于操作的部位)。需要送丝时，将弯曲捏住焊丝的拇指和食指伸直，即可将焊丝稳稳地送入焊接区，然后借助中指和虎口托住焊丝，迅速弯曲拇指、食指，向上倒换捏住焊丝，如此重复，直到焊完。填充焊丝时，焊丝的端头切勿与钨极接触，否则焊丝会被钨极沾染，熔入熔池后形成夹钨。焊丝送入熔池的落点应在熔池的前缘上，被熔化后，将焊丝移出熔池，然后再将焊丝重复地送入熔池。但是填充焊丝不能离开氩气保护区，以免灼热的焊丝端头被氧化，降低焊缝质量。若中途停顿或焊丝用完再继续焊接时，要用电弧把起焊处的熔池金属重新熔化，形成新的熔池后再加焊丝，并与原焊道重叠5mm左右。在重叠处要少添加焊丝，以避免接头过高。
在铝合金板的长度方向焊接平敷焊道，焊道与焊道间距为20~30mm。每块焊件焊后要检查焊接质量。焊缝表面要呈清晰和均匀的鱼鳞波纹。
六、实验报告
1. 陈述氩弧焊焊接时，焊接工艺制定的要点；
2. 分析氩弧焊焊接时，规范参数对焊缝成型的影响；
3. 写出实验后的心得体会与建议。
七、讨论题
1. 与一般焊接方法，氩弧焊的优点是什么？
2．氩弧焊焊接过程中，容易出现什么样的焊缝缺陷？

实验四　碳钢的自动埋弧焊工艺实验
自动埋弧焊机是指采用熔剂层下自动焊接的设备，它配用交流焊机作为电弧电源，它适用于水平位置或与水平位置倾斜不大于10度的各种有、无坡口的对接焊缝、搭接焊缝和角焊缝。与普通手工弧焊相比，具有生产效率高、焊缝质量好，节省焊接材料和电能，焊接变形小及改善劳动条件等突出优点。
一、实验目的
要求学生了解埋弧焊的基本原理及操作过程，焊接参数的设定。观察电弧电压及电弧电流对焊缝熔深及熔宽的影响。
二、实验原理
1． 埋弧焊定义：埋弧焊是以金属焊丝与焊件（母材）间所形成的电弧为热源，并以覆盖在电弧周围的颗粒状焊剂及其熔渣作为保护的一种电弧焊方法。埋弧焊是机械化焊接方法，与焊条电弧焊相比，虽然灵活性差一些，但焊接质量好、效率高、成本低，是工业生产中常见的焊接方法之一。
2． 埋弧焊的焊接过程：颗粒状焊剂由给送焊剂导管流出后，均匀地堆敷在装配好的工件上，送丝机构驱动焊丝连续送进，使焊丝端部插入覆盖在焊接区或焊接头的焊剂中，在焊丝与焊件之间引燃电弧。电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化，以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成了一个气泡，电弧就在这个气泡内燃烧。同时熔化的焊剂浮到焊缝表面上形成一层保护熔渣。熔渣层不仅能很好地将空气与电弧和熔池隔离，还能屏蔽有害的弧光辐射。随着电弧的远移，熔池结晶为焊缝，熔渣凝固为渣壳，未熔化的焊剂可回收再用。
3．埋弧焊的特点：
（1）优点：焊缝质量好、生产效率高、节省焊接材料和电能、改善劳动条件。
（2）缺点：施焊位置受限制、不适合焊接易氧化的金属材料、不适于焊接薄板和短焊缝。
4．埋弧焊对外电源的要求：埋弧焊可使用交流电流也可使用直流电流，而且为大电流，一般在600~2000A，且须用具有下降外特性的电源。
5．应用：埋弧焊以其焊缝质量高、熔敷速度快、熔深大以及机械化程度高等特点，特别适用于中厚板大型构件及管道的纵、环缝焊接，且为相对熔池水平的焊接
6．焊接规范：
（1）电压、电流
（2）焊接速度
（3）焊丝直径及伸出程度
（4）焊剂一等。

三、实验仪器、设备及材料
1. 多特性弧焊整流器 1台
2. 钢板试件 若干
3. 焊丝H08A 1盘
4. 焊剂HJ431 一袋
5. 砂纸、铁刷 1把
6. 自动埋弧焊装置
四、实验内容
熟练安装焊丝并正确调整埋弧焊焊接规范，操作焊接小车进行埋弧焊，观察电弧电压及电弧电流对焊缝成型的影响。
五、实验步骤及方法
1．清除工作台上的残留溶剂及残渣。
2．贴着工作台放置钢板焊件。
3．确定电压值及焊接速度。
4．确定焊丝伸出长度，一般为焊丝直径的10~15倍。
5．调节埋弧焊的导电嘴与工件距离，其距离在接触与非接触之间。
6．用铲子将焊剂均匀地堆敷在焊件上。
7．将控制板上的按钮调节到焊接处，焊接开始，此时，调节所需电压与电流。
8．当焊接即将结束时，按关闭按钮，并将焊接按钮调到自动按钮，待离开焊件以后再调至空挡。
9．用刷子扫去焊件表面的焊剂，用改锥使其脱离工作台，用钳子将其取下放在地上。
10．敲除焊接处的表面熔渣，然后测量焊缝尺寸，进行缺陷分析。
注意事项
1.选择成形较好的焊件并将焊接数据记录。
2. 检查是否有气孔、夹渣、咬边等；
3. 记录所选焊件的堆高、熔宽。
4. 实验数据分析
当其他参数不变时，随着电弧电流的增加，熔深显著增加，熔宽稍有增大。同时，堆高相应减小，向下塌。
当其他参数不变时，随着电弧电压的增加，熔宽明显增加，
当其他参数不变时，焊接速度增加时，焊缝的熔深也减小。
对于埋弧焊接，一般不会出现如气孔、夹渣、咬边等缺陷。
六、实验报告
1. 陈述氩弧焊焊接时，焊接工艺制定的要点；
2. 分析氩弧焊焊接时，规范参数对焊缝成型的影响；
3. 写出实验后的心得体会与建议。
七、讨论题
1. 观察焊缝成形、脱渣情况，讨论埋弧焊电弧电压及电弧电流等参数对焊接的影响；
2. 检查焊缝是否有气孔、夹渣等，对可能存在的焊接缺陷进行分析讨论。