《金属焊接实验》课件

金属焊接实验本课程将系统介绍金属焊接的基本理论、实验方法和实际操作技能通过理论学习与实践相结合的方式，学生将掌握各种焊接技术的原理、工艺参数优化以及质量检测方法金属焊接发展历史1古代锻焊时期公元前年，人类开始使用火焰加热金属进行锻造焊接，这是最早3000的金属连接技术2电弧焊诞生年，俄国科学家本那尔多夫发明了碳极电弧焊，标志着现代焊接1881技术的开始3现代焊接革命世纪中期，气体保护焊、埋弧焊等技术相继出现，焊接质量和效率20大幅提升4智能化发展焊接基本概念焊接定义焊接分类焊接是通过加热、加压或两者并按照工艺特点可分为熔焊、压焊用，使两个或多个金属工件达到和钎焊三大类熔焊通过加热使原子间结合的连接方法这种连焊件接缝处金属熔化而实现连接方式能够保持材料的连续性和接，是最常用的焊接方法完整性接头形式常见的焊接接头包括对接接头、搭接接头、形接头和角接头每种接头T形式适用于不同的工程结构和受力要求金属焊接性基础化学成分裂纹敏感性材料的碳含量、合金元素含量直接影响焊接性能和焊缝质材料在焊接过程中产生热裂纹热影响区性能量和冷裂纹的倾向性评估工艺适应性焊接过程中高温对母材组织和性能的影响，是评价焊接性的材料对不同焊接方法和工艺参重要指标数的适应能力和要求金属材料焊接性评判热裂纹试验通过焊接试验观察焊缝和热影响区是否出现结晶裂纹，评估材料的高温裂纹敏感性试验温度范围通常在材料熔点的

0.7-

0.9倍之间冷裂纹试验在焊接冷却过程中检测氢致裂纹的产生情况常用的试验方法包括斜坡口试验和插销试验，重点关注焊后小时内的裂Y24-48纹发展韧性评估通过冲击试验和弯曲试验评估焊接接头的韧性测试焊缝金属、热影响区和母材的冲击功，判断焊接对材料韧性的影响程度焊接材料介绍碳钢不锈钢有色金属碳含量的铁碳合金，是最含铬量不少于的合金钢，具有优异铝合金、铜合金等有色金属具有特殊的

0.02%-

2.11%

10.5%常用的焊接材料低碳钢焊接性良好，的耐腐蚀性能焊接时需要控制热输物理化学性质导热性强、易氧化，需中碳钢需要预热，高碳钢焊接难度较入，防止晶间腐蚀和热裂纹要采用特殊的焊接工艺和保护措施大•Q

235、Q345等常用牌号•奥氏体、铁素体、马氏体类型•铝合金需要交流电源焊接•焊接性随碳含量增加而降低•需要氩气保护背面成形•铜合金预热温度要求较高•广泛应用于建筑和机械制造•化工和食品设备常用材料•航空航天和电子工业应用焊接材料实验前准备表面清理使用砂纸、钢丝刷或化学清洗剂彻底清除试件表面的油污、锈蚀和氧化皮清理质量直接影响焊缝质量，必须达到金属光泽状态清理范围应延伸至焊缝两侧各25mm试样设计根据焊接方法和检测要求设计试样尺寸和坡口形状对接接头试样厚度一般为，长度坡口角度通常为，钝6-20mm150-300mm60°-70°边留量，确保焊透1-2mm参数确定查阅材料标准，确定化学成分、机械性能等基础数据制定焊接工艺规程，包括焊接方法、焊接材料、预热温度、焊接参数等关键工艺要素，为实验提供技术支撑焊接设备概览现代焊接设备种类繁多，从传统的手工电弧焊机到先进的激光焊接系统，每种设备都有其特定的应用领域和技术特点设备的选择需要根据焊接材料、接头形式、生产效率和质量要求等因素综合考虑常用焊接设备操作要点电源参数设定保护气体配置根据材料厚度和焊接位置选择气体保护焊需要根据材料类型合适的焊接电流平焊位置电选择合适的保护气体碳钢使流可适当增大，立焊和仰焊需用或混合气，不CO2Ar+CO2要减小电流以防止熔池下垂锈钢使用纯氩或混合Ar+H2气安全检查焊接前必须检查设备接地、气路密封、电缆完好性等安全要素确保通风良好，佩戴合适的防护用品，建立安全操作环境焊接工艺参数与影响工艺参数主要影响调节原则注意事项焊接电流熔深、熔宽厚度越大电流过大易烧穿越大电弧电压熔池形状适中保持稳定过高易产生气电弧孔焊接速度热输入量保证充分熔合过快易未熔合保护气流量保护效果根据风速环境过大形成紊流调节手工电弧焊基本原理电弧物理高温电离气体通道焊条作用提供填充金属和保护药皮功能脱氧、造渣、稳弧熔池形成金属熔化与凝固过程手工电弧焊是利用电弧热能熔化焊条和母材形成焊缝的方法电弧在焊条与工件间产生，温度可达℃焊条药皮在电弧作用下分6000-8000解，产生保护气体和熔渣，防止熔池金属氧化，保证焊缝质量手工电弧焊实验流程设备准备引弧操作检查焊机接线正确性，调节焊接电流，采用划擦法或直击法引燃电弧，保持2-选择合适直径的焊条并烘干弧长稳定燃烧4mm质量检查运条技术观察焊缝外观成型，检查是否存在咬掌握直线形、锯齿形、月牙形等运条方边、夹渣等缺陷法，控制焊接速度气体保护焊基础焊特点焊优势保护原理自动化应用MIG MAG采用惰性气体保护，适使用活性气体保护，焊保护气体排除空气接易于实现自动化和机械用于有色金属焊接，焊接效率高，适合大批量触，防止氧化和氮化，化，焊接参数稳定可缝质量高，变形小，但生产，广泛应用于钢结确保焊缝金属纯净度和控，是现代制造业的主设备成本较高构制造机械性能流焊接方法气体保护焊实验示范气体调节设定保护气流量为8-15L/min参数设置调节电压、送丝速度匹配焊枪操作保持适当的焊枪角度和距离成型检查观察焊缝表面光滑度和渗透气体保护焊实验重点在于掌握气体流量控制和焊枪操作技巧实验过程中需要注意保护气体的预流和延流时间设置，确保起弧和收弧位置得到充分保护焊接过程中观察熔池状态，及时调整工艺参数埋弧焊简介及实验焊剂准备选择合适粒度的焊剂并充分烘干焊丝配置安装焊丝盘并调节送丝机构自动焊接启动自动焊接程序执行焊接埋弧焊是一种高效的自动化焊接方法，焊丝在颗粒状焊剂覆盖下燃烧，电弧被焊剂完全埋没这种方法焊接质量稳定，效率高，特别适用于厚板焊接和大型结构件制造实验中重点掌握焊剂的选择和使用方法电子束焊原理及实验15kV

0.1mm加速电压焊缝宽度典型的电子束加速电压范围精密焊接可达到的最小焊缝宽度100mm焊透能力单道焊接可达到的最大焊透深度电子束焊接利用高速电子束轰击工件表面产生的热能进行焊接电子在真空中被加速到很高速度，具有极高的功率密度，可实现深熔透焊接这种技术特别适用于精密零件和难焊材料的连接，在航空航天领域应用广泛新型焊接技术简介激光焊接摩擦搅拌焊增材制造焊接利用激光束的高能量密度实现精密焊利用摩擦热和机械搅拌作用实现固相连打印技术中的金属熔化沉积过程通3D接焊接速度快，热影响区小，适用于接无熔化过程，接头质量优良，特别过逐层堆积实现复杂几何形状的制造，薄板和精密零件在汽车制造、电子工适用于铝合金等轻质材料的焊接代表了未来制造业的发展方向业中应用日益广泛•英国TWI技术发明•选择性激光熔化SLM•CO2激光器和光纤激光器•焊接温度低于熔点•电子束选区熔化EBM•功率密度可达10^6W/cm²•航空航天首选工艺•直接金属激光烧结DMLS•可实现异种材料焊接金属焊接实验设计要求实验室管理与安全个人防护通风防护必须佩戴焊接面罩、防护手实验室必须具备良好的通风系套、工作服和安全鞋焊接面统，及时排除焊接烟尘和有害罩滤光片应根据焊接电流选择气体在密闭空间焊接时，应合适的遮光号，防止电弧辐射设置强制通风装置，确保空气伤害眼睛和皮肤质量符合安全标准消防安全配备干粉灭火器、二氧化碳灭火器等消防设备焊接区域应清除易燃易爆物品，设置防火隔离措施建立应急预案，定期进行消防演练金属焊接预处理实验机械清理使用砂纸、钢丝刷或抛光机去除表面氧化皮、锈蚀和旧漆层清理深度应达到金属光泽，清理宽度延伸至焊缝两侧25-50mm范围化学清洗采用适当的脱脂剂和酸洗液清除油污和深层氧化物不锈钢可用硝酸和氢氟酸混合液酸洗，铝合金使用碱性清洗剂和酸性溶液处理预热处理对于厚截面或高碳钢材料，焊前需要进行预热处理预热温度一般为℃，采用火焰加热或电加热方式，确保温度均匀100-300分布实验操作指导

（一）电弧焊引弧技术掌握采用划擦法引弧时，焊条与工件成度角快速划过表面后立即提起15-202-直击法适用于厚焊条，垂直接触后迅速提起引弧成功的标志是4mm电弧稳定燃烧，发出均匀的嗞嗞声运条方法选择根据焊缝位置和厚度选择合适的运条方法平焊多采用直线形或小幅摆动，立焊使用锯齿形运条，仰焊采用小电流直线运条运条速度要均匀，避免停顿造成夹渣缺陷收弧质量控制收弧时不能突然拉断电弧，应在弧坑处稍作停留，填满弧坑后缓慢拉长电弧直至熄灭正确的收弧方法可以避免弧坑裂纹和缩孔等缺陷的产生实验操作指导

（二）气体保护焊气体选择要点焊枪角度控制熔池观察技巧碳钢焊接推荐使用推焊法时焊枪前倾10-15度，通过观察熔池的颜色、形80%Ar+20%CO2混合气体，拉焊法时后倾5-10度平状和流动性判断焊接质量既保证良好的电弧稳定性，焊位置可以任选，立焊和正常的熔池应呈银白色，又获得理想的焊缝成形仰焊建议采用推焊法焊边缘清晰，后拖长度适中纯CO2成本低但飞溅大，枪与工件表面的垂直距离熔池过大说明热输入过高，纯氩气保护效果好但成本保持在15-25mm过小则可能焊透不足高焊接节奏把握保持均匀的焊接速度，避免忽快忽慢造成焊缝不均匀多层焊时注意层间温度控制，每层焊完后适当冷却，防止过热影响组织性能实验操作指导

（三）电子束焊聚焦系统调节通过调节聚焦电流改变电子束的焦点位置和束斑直径焦点位于工件表面时获得最大功率密度，适合深熔透焊接离焦状态下束斑增大，适合薄板焊接和表面处理束流参数优化加速电压决定电子束的穿透能力，一般在15-60kV范围内调节束流强度影响热输入量，需要根据材料厚度和焊接速度进行匹配参数设置遵循先低后高的原则真空系统管理真空度直接影响电子束的传输效率和焊接质量工作真空度应保持在10^-3Pa以下，抽真空时间根据工件大小确定定期检查真空泵油位和密封件状态过程监控要点利用光学观察系统实时监控焊接过程，注意观察熔池形态和蒸汽羽流状态异常现象包括飞溅过大、熔池不稳定等，需要及时调整工艺参数或停机检查焊缝成型与质量影响标准焊接接头设计对接接头搭接接头最常用的接头形式，适用于受力制造简单，但应力集中明显，主较大的结构坡口形式包括要用于次要受力结构焊脚尺寸V形、形、形等形坡口适用应根据板厚和受力情况确定，一X UV于厚度的板材，形坡口般取较薄板厚度的倍双面搭6-20mm X

0.7用于厚板焊接以减少焊接变形接可提高接头强度形接头T广泛应用于框架结构和管道连接根据受力要求可采用单面焊或双面焊完全熔透的形接头具有较高的疲劳强度，适用于重要承载结构T焊接常见缺陷分析

（一）热裂纹特征在焊接高温阶段形成，裂纹沿晶界分布，表面氧化严重主要出现在焊缝中心和熔合线附近，与材料的化学成分和冷却速度密切相关冷裂纹识别在焊后冷却过程中产生，裂纹相对较直，表面较新鲜多发生在热影响区，与氢含量、约束应力和组织脆化有关延迟性特征明显检测方法目视检查、渗透检测、磁粉检测和超声波检测等方法表面裂纹用渗透或磁粉检测，内部裂纹采用超声波或射线检测预防措施控制化学成分，合理选择焊接材料，适当预热和缓冷，减少焊接应力对于裂纹敏感材料应制定专门的焊接工艺焊接常见缺陷分析

（二）未熔合夹渣缺陷焊缝与母材间或焊道间未完全熔化结合熔渣残留在焊缝金属中形成的缺陷•热输入不足•焊条药皮脱落•坡口角度过小•多层焊清渣不净•焊接速度过快•焊接位置不当气孔形成咬边现象气体在焊缝金属中来不及逸出形成的空焊缝边缘母材被熔化形成的沟槽洞•电流过大•保护不良•运条不当•材料含氢量高•焊条角度不正确•电弧长度过长焊缝金属的力学性能拉伸试验按照GB/T228标准制备试样，测定抗拉强度、屈服强度和延伸率试样尺寸精度要求高，表面粗糙度Ra≤

1.6μm冲击试验采用夏比V型缺口试样，在-20℃、0℃、20℃等温度下测试冲击功评估焊缝金属的韧脆转变温度和低温韧性弯曲试验包括面弯、背弯和侧弯试验，检验焊缝的塑性和致密性弯曲角度一般为180°，弯曲半径根据材料厚度确定硬度测试测量焊缝、热影响区和母材的硬度分布，评估焊接热循环对材料组织和性能的影响程度焊接接头结构性能实验宏观金相实验试样制备在焊缝横截面切取金相试样，尺寸一般为切割时使用冷20×15×10mm却液防止过热影响组织用砂纸从粗到细逐级打磨至，最后抛光2000#至镜面状态化学腐蚀根据材料类型选择合适的腐蚀剂碳钢常用硝酸酒精溶液，不锈4%钢使用王水或氯化铁溶液腐蚀时间控制在秒，以清晰显示组10-30织界限为准组织观察在体视显微镜下观察焊缝宏观形貌，识别焊缝区、熔合线、热影响区和母材区测量焊缝几何尺寸，检查是否存在裂纹、夹渣等宏观缺陷微观组织分析焊接接头的微观组织呈现明显的区域性特征焊缝区为铸造组织，具有柱状晶和等轴晶；热影响区经历了不同程度的加热，组织发生相应变化；熔合线是焊缝与母材的分界线，组织过渡明显微观组织直接影响接头的力学性能和使用性能焊接实验数据整理测试项目试样编号测试结果标准要求评定结论抗拉强度T-1,T-2,T-3485,478,492MPa≥460MPa合格冲击功-20℃V-1,V-2,V-368,72,65J≥47J合格面弯试验B-1,B-2无裂纹无裂纹合格射线检测RT-1II级≤II级合格实验数据的规范整理是科学研究的重要环节建立完整的数据记录体系，包括原始数据、计算过程、统计分析和结论评定数据处理应遵循统计学原理，剔除异常值，计算平均值和标准差实验误差与改进系统误差控制仪器校准和标准化操作随机误差分析多次测量和统计处理方法人为误差识别操作规范和技能培训要求环境因素影响温度湿度和振动控制措施实验误差的有效控制是保证结果可靠性的关键通过规范操作流程、加强人员培训、改善实验环境等措施，可以显著提高实验精度建立质量控制体系，定期进行能力验证和比对试验实验报告撰写标准摘要部分简明扼要地概述实验目的、方法、主要结果和结论字数控制在200-300字，突出创新点和重要发现实验方法详细描述材料规格、设备型号、工艺参数和检测方法内容应具有可重现性，他人能够按照描述重复实验结果分析客观呈现实验数据，采用图表形式直观展示对异常数据进行合理解释，分析产生原因和影响因素结论建议基于实验结果得出科学结论，提出改进建议和进一步研究方向避免超出实验范围的推断实验过程疑难问题解答电弧不稳定可能原因包括焊条受潮、电流过小、电缆接触不良等解决方法烘干焊条、适当增大电流、检查接线牢固性电弧长度保持为宜2-4mm焊缝成形不良表现为焊缝过宽、过窄或不均匀调整焊接参数，改进运条手法，控制焊接速度多层焊时注意层间清理和温度控制出现裂纹缺陷分析裂纹类型和产生原因，调整化学成分、预热温度和冷却速度对于裂纹敏感材料，制定专门的焊接工艺规程安全操作问题强化安全意识教育，规范个人防护用品使用定期检查设备安全状况，建立应急处理预案发生意外时立即停机并报告焊接接头性能提升方法工艺参数优化热处理调控材料匹配选择通过正交试验法确定最佳焊合理的预热和后热处理可以选择与母材匹配的焊接材接参数组合考虑电流、电显著改善接头性能预热降料，优化化学成分设计采压、速度等因素的交互作低冷却速度，减少裂纹倾用低氢型焊条或添加合金元用，建立工艺参数与性能的向；后热处理消除应力，改素，提高焊缝金属的综合性数学模型，实现精确控制善韧性能振动时效处理利用振动时效技术消除焊接残余应力，提高尺寸稳定性该方法成本低、效果好，特别适用于大型焊接结构件。