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焊接试验指导书

机电工程系机电一体化专业

焊接技术

实

训

指

导

书

编写人：

王万斌

目录

实验一焊条设计、配制及其工艺性能实验4

实验二平板中心堆焊焊接应力测试实验9

实验三T型结构焊接变形与火焰矫正综合性实验12

实验四斜Y型坡口裂纹17

实验五灰口铸铁焊接工艺20

实验六焊接电弧静特性23

实验七焊接电源外特性24

实验八弧焊变压器、弧焊整流器内部结构及使用操作25

实验九晶闸管弧焊整流器、弧焊逆变器内部结构及使用操作26

实验十CO2气体保护焊短路过渡电弧的稳定性27

实验十一氩弧焊工艺参数及对焊缝成形的影响32

实验十二角焊缝接头金相组织及硬度评定综合性实验34

实验十三对接接头拉伸、弯曲、冲击性能评定37

实验一焊条设计、配制及其工艺性能实验

一、实验内容

1.设计一种焊条配方，制作焊条样品。

2.观察、测试、对比焊条工艺性能。

二、实验目的及要求

1.熟悉常用的焊条药皮组成物及其作用，了解焊条配方设计及配方调整的基本方法。

2.熟悉焊条生产流程，掌握焊条手工搓制或小型压涂机制作技术。

3.了解焊条工艺性能的评定指标、评定方法及影响因素。

三、实验条件及要求

（一）焊条设计及制作用设备及材料

1.焊条烘干箱2.天平3.瓷钵、瓷棒4.玻璃板5.量筒

6.焊条压涂机7.焊芯H08A，φ3.2mm8.各种焊条药皮辅料，水玻璃

（二）焊条工艺性能分析用设备及材料

1.自制焊条，E4303、E5015焊条，φ4mm，φ3.2mm

2.Q235钢板若干块，14×100×400mm，14×100×150mm，14×200×400mm，

14×200×250mm，280×50×20mm，400×150×14mm

3.紫铜板两块，500×500×3mm，1500×400×1mm

4.碳棒5.秒表6.天平7.直尺

8.铁球，2Kg9.交流焊机10.直流焊机

（三）实验要求

独立设计、操作，制作的焊条样品外表均匀光滑，无裂纹、脱落，焊条偏心率小，工艺性能较好；实验数据记录准确，分析合理，实验报告完整、清晰。

四、实验相关知识点

1.焊条设计及制作

焊条是焊条电弧焊方法的焊接材料，由焊芯、药皮两部分组成，药皮与焊芯的重量比称为焊条的药皮重量系数。

焊芯起导电和填充金属的作用，碳钢焊条最常用的焊芯是H08A，焊条规格根据焊芯直径划分，常用的有φ2.0mm、φ2.5mm、φ3.2mm、φ4.0mm、φ5.0mm、φ5.8mm等几种，而焊条的外径各厂家各不相同，主要取决于焊条药皮重量系数及药皮配方，如某厂E4303焊条相应上述规格的焊条外径分别为：

3.3~3.45mm，4.2~4.5mm，5.2~5.4mm，6.3~6.5mm，7.8~8.0mm，9.1~9.3mm。

焊条药皮有保护作用、冶金作用、改善焊条工艺性能三个方面的作用，根据药皮组成的不同，焊条分为氧化钛型、氧化钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、纤维素型、低氢型、石墨型、盐基型八种类型。

焊条药皮原材料有矿物类、金属及铁合金类、化工产品类、有机物类四类物质，其作用可分为稳弧、造渣、造气、脱氧、合金化、粘结、成形七个方面。

焊条设计就是选用合适的焊芯、药皮类型、渣系及药皮配方，其主要依据是被焊母材的化学成分与力学性能指标、被焊工件的工作条件、现场设备及施工条件、焊条生产设备及工艺条件等。

E4303焊条药皮中一般含有30%以上的TiO2，20%以下的碳酸盐，30%左右的硅酸盐，4%以下的有机物和9%~15%的锰铁等，含有以TiO2为主要成分的原料有：

天然金红石、人造金红石、钛白粉、还原钛铁矿、钛铁矿等，根据加入的TiO2所使用的主要原料不同，可以分为四大体系：

人造金红石体系、还原钛铁矿体系、钛铁矿+钛白粉体系、钛铁矿+金红石体系，各体系典型配方见表1。

E5015焊条药皮主要由碳酸盐、氟化物、硅酸盐（可用TiO2代替部分硅酸盐）和铁合金4类物质组成，碳酸盐与氟化物的总量约60%~70%，硅酸盐一般小于12%，铁合金约15%~25%，典型配方见表2。

焊条生产制造工艺流程见教材图2-4。

主要包括焊芯制造、药皮原材料粉末制造、水玻璃制造、干粉配料搅拌、加水玻璃湿搅拌、压涂焊条、磨头磨尾、烘干、检验等工序。

焊条一般采用机械的方法制造，但在小型的科研、试制工作中，为了节省原材料和时间，可采用手工方法制造，本试验使学生基本掌握手工搓制焊条的技术。

2.焊条工艺性能

焊条的工艺性能是指焊条在焊接操作用的性能，是衡量焊条质量的重要指标之一。

焊条的工艺性能主要包括：

焊接电弧的稳定性，焊缝成形，各种位置焊接的适应性，飞溅，脱渣性，焊条的熔化速度，药皮发红的程度，焊接发尘量等。

影响焊条工艺性能的因素很多，如焊条焊芯成分、药皮成分、焊条制造方法及质量、焊接工艺规范、焊接操作技术等，目前焊条工艺性能的评定还缺乏严格的实验手段，只能作定性的或半定量的判断，我国焊条行业常采用的评定方法和标准如下：

（1）电弧稳定性测定

a.灭弧、喘息次数测定：

在14×100×400mm的Q235钢板上，用E5015在直流焊机上、E4303在交流焊机上各施焊三根焊条，每根焊条焊一条焊道，焊条尾端余50mm，记录每根焊条的灭弧、喘息次数，取三根焊条的平均值。

折合灭弧次数=灭弧次数+1/2喘息次数

b.断弧长度测定：

用E4303和E5015焊条（φ4mm）各三根，将焊条垂直夹持在固定于14×100×150mm钢板的支架上，焊条引弧端面距钢板2.5mm，接通电源，用碳棒引弧，焊条自行断弧后，轻轻敲去熔渣，用钢尺测量焊条端部至焊缝顶部的垂直距离，即为该根焊条的断弧长度。

取三根焊条平均值为该焊条断弧长度。

（2）再引弧性能测定

用E4303和E5015焊条在14×200×400mm的Q235钢板上焊接15秒后断弧，立即在14×200×250mm的Q235钢板上再引弧，记录断弧后至再引弧之间的间隔时间为1、2、3、4、5、6、7秒，每一时间间隔用一根焊条进行实验，每次再引弧应在钢板的冷点上进行，每一时间间隔重复三次，引弧成功两次或两次以上者判为再引弧通过。

再引弧时以焊条熔化端与钢板接触为准，不得做敲击动作，不得破坏焊条套筒。

（3）飞溅的测定

用280×50×20mm的Q235钢板，竖直放在厚3mm的紫铜板上，用1mm厚、400mm高的紫铜板围成椭圆形直筒，加以屏蔽。

在钢板上面用φ4mm焊条进行单道焊，每根焊条熔化350mm，焊后将其筒内飞溅（渣和铁珠）收集（钢板和焊缝上的飞溅可忽略不计），用天平称其重量。

共焊三根焊条（三根焊条可在同一块试板上焊接，每焊完一根焊条将试板水冷、去渣，试板温度低于100℃可继续施焊）。

飞溅率（%）=飞溅量（g）/（焊前焊条重-焊后焊条重）×100

（4）熔化系数、熔敷系数、焊条效率的测定

将280×50×20mm钢板称重，用φ4mm的E4303焊条利用交流焊机焊接，焊接电流200±5A，焊接过程中用电流表测其电流值，焊条熔化长度350mm，用秒表记录时间。

焊条熔化系数（g/Ah）=（焊前焊芯重g-焊后焊芯重g）/（焊接电流A×焊接时间h）

焊条熔敷系数（g/Ah）=（焊后板重g-焊前板重g）/（焊接电流A×焊接时间h）

焊条效率（%）=焊条熔敷金属重量g/熔化焊芯的重量g

（5）焊缝成形及流动性

Q235钢试板尺寸为400×150×14mm，与水平面成10度角放置，用E4303和E5015焊条进行上坡焊和下坡焊，上坡焊时焊条与母材成10度角，下坡焊时焊条与母材成80度角。

焊接过程中观察熔渣流动性是否适宜，有无赶渣情况等。

焊后脱渣，观察其焊缝成形，看焊缝两边是否整齐，波纹是否均匀美观，焊缝宽窄是否一致。

（6）脱渣性

在两块400×100×14mm的Q235钢板间开70。

坡口，用φ4mm的E4303焊条在坡口中间焊一层长250mm的焊缝，焊接电流200±10A，焊好后将试板的焊缝向下放于锤击台板上，并用卡具将试件固定，焊后一分钟内将2Kg的铁球由高1.3m处自由下落锤击试板中心，连续锤击5次，缓冷至室温再锤击5次，即第一层共锤击两回，每回5次。

冷却至室温时，再焊第二层，第二层是在第一层焊缝上焊长为200mm的焊缝。

每层施焊熔化焊条长度均为350mm。

第二层焊缝在焊后1分钟内连续锤击5次。

脱渣长度测量可分三种情况：

a.未脱渣：

渣完全未脱，呈焊后原始状态。

b.严重沾渣，渣表面已脱落，但仍有薄渣层，未露出金属表面。

c.轻微沾渣：

焊缝两侧有粘渣，中间部分已全露出焊缝金属。

未脱渣总长=未脱渣长度+0.5×严重粘渣长度+0.2×轻微粘渣长度

脱渣率=（焊缝总长-未脱渣总长）/焊缝总长×100%

第一层脱渣率=（第一层第一回脱渣率+第一层第二回脱渣率）/2

五、实验实施步骤

（一）焊条设计及制作

1.参考下列配方设计一种钛钙型或低氢型焊条配方

表1E4303焊条参考配方

金

红

石

钛

白

粉

还

原

钛

铁

矿

钛

铁

矿

钛

铁

中碳锰铁

木

粉

大

理

石

菱

苦

土

白

云

石

白

泥

长

石

云

母

石

英

合

计

1

30

8

-

-

-

12

-

12.4

7

-

14

8.6

7

-

100

2

-

7.5

42.3

-

-

10.2

-

5.6

-

13.2

13.2

1.1

5.6

1.4

100.1

3

14.4

5.8

-

22.2

6.9

9.1

1

9.6

5.8

-

9.6

8

7.7

-

100.1

4

-

20.8

-

22.6

-

15.1

-

14.2

-

-

13.2

7.6

6.6

-

100.1

表2E5015焊条参考配方

大理石

萤石

钛铁

低度

硅铁

锰铁

石英

钛白粉

云母

纯碱

合计

1

54

15

12

5

5

9

-

-

-

100

2

44

24

12.5

2.5

4

5

5

2

1

100

2.焊条样品制作

（1）用砂纸将焊芯打磨去锈，校直，用天平称出一根焊芯的重量。

（2）取药皮重量系数Kb=0.4，计算每种焊条所需药皮的重量，参考表1、表2的配方设计E4303、E5015，称取各种药皮辅料。

（3）干混将称出的各种辅料放入瓷钵，用瓷棒搅拌均匀，要求药粉颜色一致，不得有块状、粒状存在，不得将干粉撒出。

为防止搓制焊条时药皮粘玻璃板，可留出少量干粉，但搓制后期必须全部用到焊条上。

（4）湿混逐渐加入水玻璃，轻轻搅拌，直至可以形成“面团状”。

（实验时可一滴一滴地加入水玻璃，切不可一次加入过多。

）

（5）搓制将湿混好的湿粉沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊芯上，再用双手使焊芯在玻璃板上轻轻滚动，使药皮逐渐均匀牢固地粘在焊芯上，注意焊芯的一端留出20mm左右的无药皮夹持端，非夹持端要漏出焊芯，不要形成包头。

（6）烘干搓好的焊条经24小时晾干，然后再放入烘箱内烘干，E4303在180~220℃烘干2小时，E5015在350~400℃烘干2小时。

（7）检验烘干后的焊条，需要磨头、检查质量，如药皮有裂缝、剥落即为不合格。

（二）焊条工艺性能分析

利用自制焊条及市售E4303、E5015进行焊接，观察并分析焊接电弧的稳定性、焊缝成形、飞溅、脱渣性、焊接发尘量等工艺性能。

具体方法参见实验理论基础部分。

六、思考问题

1.E4303药皮类型属于哪种？

指出其配方中主要的造渣剂、造气剂、脱氧剂各是什么？

2.E5015药皮类型属于哪种？

指出其配方中主要的造渣剂、造气剂、脱氧剂各是什么？

3.E4303、E5015选择脱氧剂有何不同？

为什么？

4.影响焊条脱渣性的因素有哪些？

5.为什么E4303可用交流焊机焊接，而E5015只能用直流焊机焊接？

七、实验成绩评定办法

主要评分点：

原理描述、实验流程、动手能力、解决问题的能力，制作焊条的外观质量。

工艺性能数据记录、分析讨论，实验报告完整性、正确性。

实验二平板中心堆焊焊接应力测试实验

一、实验目的

1.了解三维磁测仪的工作原理及操作步骤；

2.掌握焊接平板堆焊三维应力变化规律；

3.熟悉焊接设备及焊接工艺参数的选择。

二、实验原理

一般磁性材料的磁畴在内部，由于其分布没有规律，对外不呈现磁性。

当材料焊接后，由于焊接应力的存在。

磁畴将沿着应力分布排列，次畴的变化表现在电流的变化。

经研究焊接平面应力与电流成正比。

磁测仪根据这一原理计算出焊接平面应力的大小和主应力夹角。

三、实验设备及材料

BX3-315，KZ21应力测试仪，角磨机等，实验材料E4303、Q235。

四、实验步骤：

1.选择8×200×200mmQ235B材料，在板中心堆焊接，记录焊接参数见表1；

2.用角磨机打磨50×150宽的表面；

3.划间距15mm的方格5×9格；

4.用三维磁力测试仪测量各点电流变化值见表2；

5.输入数值并打印结果。

表1焊接参数

电流

/A

电压

/V

焊接时间

/S

焊缝长度

mm

焊接速度mm/s

线能量KJ/mm

五.、实验数据

表2电流数值

点坐标探头位置

0°

45°

90°

X0Y0

X0Y1

X0Y2

X1Y0

X1Y1

X1Y2

X2Y0

X2Y1

X2Y2

X3Y0

X3Y1

X3Y2

X4Y0

X4Y0

X4Y1

X4Y2

X5Y0

X5Y1

X5Y2

X6Y0

X6Y1

X6Y2

X7Y0

X7Y1

X7Y2

X8Y0

X8Y1

X8Y2

X9Y1

六、实验结果分析：

1.绘出焊接应力分布曲线。

2.分析说明平板焊接平面应力变化趋势？

3.焊接参数是如何影响平板堆焊平面应力分布的？

4.说明平板堆焊焊接应力分布。

2030

实验三T型结构焊接变形与火焰矫正综合性实验

一、实验原理

焊接残余变形是焊接后残存在于结构中的变形。

它包括纵向收缩变形、横向收缩变形、弯曲变形、角变形等，其中纵向、横向收缩变形是导致其他变形的主要原因。

而影响纵向收缩变形量主要是焊件截面积、焊逢长度、焊接线能量、剖口形式等。

影响横向收缩变形的主要因数有线能量、焊件厚度、焊件剖口形式等。

焊接构件产生弯曲变形主要原因是焊缝位置偏离焊接构件的中心层，焊缝纵向收缩或焊缝横向收缩所至。

火焰矫正法是利用氧乙炔混合气体燃烧放出的热量对焊接构件反方向的加热，使火焰加热产生的收缩变形抵消焊接过程中产生的收缩变形。

因此，火焰矫正变形即可以减少焊接残余变形，又可以减少焊接残余应力。

但火焰矫正控制不当又会产生新的变形。

因此，火焰矫正的关键一是选择好加热位置，二是控制好加热温度。

常用的结构钢加热温度为600～800℃。

实际操作根据钢铁的颜色进行判断。

表1不同温度下金属颜色

颜色

温度/℃

颜色

温度/℃

颜色

温度/℃

深褐色

550～580

暗樱红色

650～730

淡樱红色

800～830

褐红色

580～650

深樱红色

730～770

亮樱红色

830～960

二、实验目的及要求

1.掌握焊接构件纵向、横向收缩引起弯曲变形的规律；

2.熟悉调节NBC-250、BX3-315焊机的焊接工艺参数和提高电弧焊技术的动手能力；

3.比较弯曲变形理论计算与实际测定焊接构件弯曲变形量的差别。

4.掌握弯曲变形火焰矫正的基本原理及其规律及火焰矫正操作步骤；

5.了解低碳钢火焰矫正加热温度、速度对火焰矫正效率的影响；

6.比较各种火焰矫正方法矫正效率。

7.熟悉氧乙炔火焰气割操作技能；

8.了解火焰气割的安全知识。

三、实验条件及要求

设备：

焊接操作胎具，NBC-250、BX-315交流焊机，测量平台，钳流表，钢尺、锤等。

氧-乙炔气割成套设备。

材料：

焊条E4303-φ3.2mm、φ4.0mm，筋板：

Q235等—100×50×6mm，

底板：

Q235等—600×100×6mm。

四、实验设计及步骤

1.焊接弯曲变形实验

（1）选择焊接材料，异种材料或同种材料，并测量各零件尺寸规格，并按图1所示画好筋板装配位置线；

图1筋板与底板装配位置

（2）接好钳流表，调整定位焊电流将焊接构件按图2所示装配，并检查垂直度，装配应尽量做到弯曲变形为零，以消除测量误差；

（3）选择焊接设备：

手工电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、CO2焊等。

根据设备选择焊接工艺参数：

手工电弧焊根据焊条直径和板厚的不同选择不同的电流范围：

一般为100-200A；二氧化碳根据焊丝直径和送丝速度不同选择电流范围：

一般为150-250A。

图2筋板与底板装配示意图

（4）确定焊接工艺参数电流，选择不同的焊接顺序和焊接方向对比，焊接顺序可参考图3所示也可自行选择方案；

图3筋板与底板焊接顺序

（5）同种材料对比不同的焊接顺序，异种材料比较相同参数的变形量，试件焊完待焊接件冷至室温，把焊件放置测量平台，测量变形尺寸以5点为焊接件中心点，每点间隔50mm,共取10个测试点。

2.火焰矫正实验

（1）选择火焰矫正方法及矫正工艺。

根据变形的大小确定火焰矫正方法，并选择矫正位置和矫正面积。

表2火焰矫正工艺参数

加热位置

1

2

3

4

5

加热面积mm2

加热时间t

单位面积热输入J/mm2

加热方式

（2）背面水冷后，测量各点变形量；

（3）绘出火焰矫正前后的变形曲线。

五、实验数据

表3图3（a）实验焊接工艺规范记录

焊接

参数

焊道

位置

电流

I/A

电压

U/V

焊缝长度

L/mm

焊接时间t/s

焊接速度V/mm·s-1

线能量E

KJ/mm

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

焊机效率：

η=0.85

表4图3（b）实验焊接工艺规范记录

焊接

参数

焊道

位置

电流

I/A

电压

U/V

焊缝长度S/mm

焊接时间t/S

焊接速度v/mm·min-1

线能量q/J

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

表5弯曲变形测量数据记录

测点

距离mm

试件

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

图3（a）装配后

图3（a）焊接后

图3（b）装配后

图3（b）焊接后

六、实验结果分析

1.绘出焊接弯曲变形曲线：

图4焊接前后T形结构弯曲曲线

表6火焰矫正前、后各点变形量

测点

距离mm

试件

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

图3（a）矫正前

图3（a）矫正后

图3（b）矫正前

图3（b）矫正后

2.绘出火焰矫正前后的弯曲变形曲线：

图5火焰矫正前后各点弯曲变形曲线

七、思考题

1.结合实验结果谈谈影响弯曲变形的因素有哪些？

2.焊接顺序为什么会影响构件弯曲变形量？

3.不同焊接线能量对同一焊接顺序有何影响？

4.结合实验结果谈谈火焰矫正焊接横向收缩引起的弯曲变形有何特点？

5.火焰加热顺序与方法为什么会影响焊接构件矫正效率？

八、实验成绩评定办法

表6综合性实验成绩评分标准

序号

主要评分点

单项总分10

合计100

1

方案论证与设计

2

方案实施

3

调试过程

4

数据记录

5

解决问题的能力

6

资料搜集、

7

实验结果

8

实验效果

9

实验态度

10

实验报告

实验四斜Y型坡口裂纹

一、实验内容

1、实验理论方面

通过斜Y型坡口裂纹实验，解决合金钢中不同的碳当量开裂倾向不同，合金钢中不同的含碳当量开裂倾向不同，钢结构中不同的拘束度、不同的钢板厚度裂纹倾向不同。

2、实验教学方面

焊接斜Y型坡口试样，解剖实验焊缝，检查表面裂纹率、断面裂纹率、根部裂纹率，通过调整预热温度、采用不同的焊条减小裂纹率，提高对合金钢搞焊接性实验的意义。

二、实验目的及要求

1、实验目的

斜Y型坡口实验是检测被焊材料冷裂纹实验的方法，通过实验掌握斜Y型坡口实验的方法和步骤，对实验中出现的各种问题要正确的解决，懂得焊缝在应力集中、拘束状态下以及粗晶区脆化造成焊缝的开裂，掌握预热缓冷可防止冷裂纹。

2、要求

要求同学在实验前了解实验板材的成分和力学性能。

焊接中会出现的问题，如何通过调整焊接工艺和工艺参数，解决出现的问题。

懂得坡口质量好与坏对实验结果的影响。

三、实验条件及要求

（一）实验设备

1、焊接设备和焊条烘干箱

焊机牌号：

BX—315；焊条烘干箱：

ZYH—10

2、预热设备

氧气体、减压阀、乙炔体、减压阀、H01—20焊炬一套、1000℃温度计等。

3、解剖设备

无齿剧、线切割机、手工锯。

（