焊接方法与设备实验指导书.docx
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焊接方法与设备实验指导书
实验一：
手弧焊焊接参数对焊缝成形的影响
一、实验目的
1.通过实验，掌握手弧焊焊接方法的操作。
2.通过实验，验证焊接参数对焊缝成形的影响。
二、实验原理
1.焊缝的成形
焊缝的形状对焊缝质量和焊件的使用性能有很大影响，因此保证合适的焊缝形状是焊接工艺试验首先要解决的问题。
焊缝的形状通常用熔深H、熔宽B和余高a三个参数表示，其中最重要的是熔深。
合理的焊缝形状要求上述三个参数之间合理的匹配。
在生产上常采用成形系数Φ来表示熔深和熔宽的关系：
Φ＝B/H（式1－1）
Φ值大表示焊缝宽而浅；反之，表示窄而深。
Φ值过大时，焊缝可能焊不透；过少时，熔深中的杂质难以浮出，容易出现焊接缺陷。
手弧焊时，Φ的适宜范围为1～2。
成形系数的大小直接影响热源的使用效率和热影响区的大小，而且影响焊缝金属的结晶的方向，对杂质成分的偏析、成分的不均匀性和裂纹气孔敏感性有着直接影响。
另外改变焊缝的形状可以调整熔合比γ。
在焊接合金钢时，调整熔合比γ常常是防止焊缝冶金缺陷，特别是降低裂纹的敏感性，提高焊缝机械性能的一条重要途径。
2．焊接电流、电弧电压和焊接速度
焊接电流、电弧电压和焊接速度是对焊缝成形影响最大的三个参数，在正常使用的规范范围内，变化规律如下：
焊接电流增大，焊缝的熔深和余高增大，熔宽没有多大变化（或略增大），电弧电压增大，熔宽增大，熔深、余高减小。
焊接速度增大，线能量q/v减小，单位长度焊缝上填充金属量减小，熔宽、熔深、余高均减小。
为了获得良好的焊缝成形，焊接电流、电弧电压和焊接速度要配合得当。
如在增大焊接电流时也要适当提高电弧电压，做到大电流配大电压，小电流配小电压，这样电弧才可能最稳定。
在提高焊接速度时，也要相应的提高焊接电流和电弧电压，这样既可提高生产效率，又能保证焊缝成形。
三、实验装置及实验器材
1．手工电弧焊机一台
2.烘箱一台
3.试板A3钢δ＝16mm若干
4．电焊条E4303（J422）Φ4mm十根
5．游标卡尺一把
四、实验步骤
1.将焊条放入烘箱中加热200℃×20min。
2．根据表1－1推荐的参数，进行平板敷焊。
记录焊接电流、电弧电压和焊接速度，并观察参数稳定性，焊后观察焊缝成形。
表1－1推荐规范参数
参数
焊条直径（mm）
焊接电流
I（A）
焊接电流
U（V）
焊接速度
V（m/h）
4
160～170
21～23
80
3.在上述规范参数的基础上，保持焊接电流、焊接电压不变，在焊接过程中改变焊接速度的大小，取5个数值，每个数值保持焊接100mm，记录焊接速度，观察参数稳定性和焊缝成形。
4．对每条焊缝的每个数值段进行标号，用卡尺测量每段焊缝的B、a测量三个值，取其平均值。
5．用砂轮切割机对焊缝取样，磨试样并腐蚀出焊缝熔合线。
用卡尺测每条焊缝的H。
五、实验报告要求
（一）实验数据整理
将实验中所测数据整理，填入表1－2中。
（二）实验结果分析
1．分析各参数对焊缝形成的影响
2．对实验中观察到的现象进行描述分析。
（三）思考题
1．你测得的数据是否完全符合规律，不符合规律的原因是什么？
2．你焊的焊缝中是否有缺陷，产生的原因是什么？
表1－2实验数据
焊缝
焊接电流
电弧电压
焊接速度
熔宽
余高
熔深
1－1
1－2
1－3
1－4
1－5
2－1
2－2
2－3
2－4
2－5
3－1
3－2
3－3
3－4
3－5
实验二：
埋弧自动焊焊接
一、实验目的
1.了解型埋弧焊机的结构、特点和操作方法。
2.了解型埋弧焊机的自动控制原理。
3．了解埋弧焊规范参数对焊缝成形的影响。
二、实验装置及实验器材
1．埋弧自动焊机一台
2．砂轮切割机一台
3．游标卡尺一把
4．钢板A3钢δ＝16mm若干
5．焊丝（H08AΦ4mm、焊剂431、砂纸、腐蚀剂等
三、实验原理
（一）埋弧焊的自动调节系统和规范参数的调节方法
电弧焊的焊接过程包括引弧、焊接、收弧三个阶段，埋弧自动焊使上述三个阶段实现自动化，焊接时为了保证获得优良的焊缝成形和内在质量，就应合理的选定焊接规范参数，并在焊接过程中使所选定的规范参数数值保持稳定，埋弧焊自动调节系统的作用就是当选定的规范参数受外界因素干扰而发生变化时，能够自动调节，迅速恢复到预定值。
同时，为了达到自动完成埋弧焊的三个阶段，必须有一套程序控制系统。
埋弧焊的弧长调节系统分为两种，即等速送丝调节系统和电弧电压反馈调节系统。
1．等速送丝调节系统
它是利用电弧自身调节作用稳定弧长，主要适用于细焊丝的焊接。
它的电弧静特性是缓升的，电源外特性是缓降、平或微升的，等熔化曲线近似垂直于电流坐标线。
所以调节电压是通过调节电源外特性实现，调节电流是通过调节送丝速度实现。
2．电弧电压反馈调节系统
主要适用于粗焊丝的焊接。
原理是：
当弧长波动而引起焊接规范偏离原来的稳定值时，利用电弧电压作为反馈量，并通过一个自动调节装置使送丝速度发生变化，达到稳定弧长的目的。
在弧压反馈调节系统中，电弧静特性为接近于平行水平轴的直线，而电源外特性是采用陡降外特性。
因此在这种自动电弧焊接过程中，调节焊接电流是通过调节电源外特性实现，调节电弧电压是通过调节送丝速度实现。
3．埋弧焊接过程的程序自动控制
埋弧自动焊可实现空载调整、引弧、稳弧和熄弧过程的程序控制。
引弧一般采用回抽引弧，即先在空载条件下使焊丝与工件接触，启动后，焊丝回抽，引燃电弧。
当弧压达到预定值时，在自身调节作用或弧压反馈作用下，焊丝送进，并继续保持弧压稳定。
熄弧可采用旨在填满弧坑的延时熄弧或小车回走延时熄弧法。
（二）埋弧焊规范参数及其对焊缝成形的影响
1.焊缝的成形
焊缝的形状对焊缝质量和焊件的使用性能有很大影响，因此保证合适的焊缝形状是焊接工艺试验首先要解决的问题。
焊缝的形状通常用熔深H、熔宽B和余高a三个参数表示，其中最重要的是熔深。
合理的焊缝形状要求上述三个参数之间合理的匹配。
在生产上常采用成形系数Φ来表示熔深和熔宽的关系：
Φ＝B/H（式2－1）
成形系数的大小直接影响热源的使用效率和热影响区的大小，而且影响焊缝金属的结晶的方向，对杂质成分的偏析、成分的不均匀性和裂纹气孔敏感性有着直接影响。
埋弧焊时，Φ＞1.3。
另外改变焊缝的形状可以调整熔合比γ。
在焊接合金钢时，调整熔合比γ常常是防止焊缝冶金缺陷，特别是降低裂纹的敏感性，提高焊缝机械性能的一条重要途径。
2．焊接电流、电弧电压和焊接速度
焊接电流、电弧电压和焊接速度是对焊缝成形影响最大的三个参数，在正常使用的规范范围内，变化规律如下：
焊接电流增大，焊缝的熔深和余高增大，熔宽没有多大变化（或略增大），熔深与焊接电流近似于成正比：
H＝Km·I（式2－2）
Km与焊丝直径，电流种类等有关。
电弧电压增大，熔宽增大，熔深、余高减小。
焊接速度增大，线能量q/v减小，单位长度焊缝上填充金属量减小，熔宽、熔深、余高均减小。
为了获得良好的焊缝成形，焊接电流、电弧电压和焊接速度要配合得当。
如在增大焊接电流时也要适当提高电弧电压，做到大电流配大电压，小电流配小电压，这样电弧才可能最稳定。
在提高焊接速度时，也要相应的提高焊接电流和电弧电压，这样既可提高生产效率，又能保证焊缝成形。
四、实验步骤
（一）了解焊接结构，掌握操作使用方法
了解电源结构、送丝系统、小车和自动控制原理，掌握规范参数的调节方法，焊机的空载调整、启动和停止的操作方法。
（二）实验步骤
1．根据表2－1推荐的参数，进行平板敷焊。
记录焊接电流、电弧电压和焊接速度，并观察参数稳定性，焊后观察焊缝成形。
表2－1推荐规范参数
参数
焊丝直径（mm）
焊接电流
I（A）
焊接电流
U（I）
焊接速度
V（m/h）
4
1000
30
20
3.在上述规范参数的基础上，保持焊接电流、焊接电压不变，在焊接过程中改变焊接速度的大小，取5个数值，每个数值保持焊接100mm，记录焊接速度，观察参数稳定性和焊缝成形。
4．对每条焊缝的每个数值段进行标号，用卡尺测量每段焊缝的B、a测量三个值，取其平均值。
5．用砂轮切割机对焊缝取样，磨试样并腐蚀出焊缝熔合线。
用卡尺测每条焊缝的H。
五、实验报告要求
（一）实验数据整理
将实验中所测数据整理，填入表2－2中。
（二）实验结果分析
1．分析各参数对焊缝形成的影响
2．对实验中观察到的现象进行描述分析。
表2－2实验数据
焊缝
焊接电流
电弧电压
焊接速度
熔宽
余高
熔深
1－1
1－2
1－3
1－4
1－5
2－1
2－2
2－3
2－4
2－5
3－1
3－2
3－3
3－4
3－5
实验三：
CO2保护焊焊接参数对焊缝成形的影响
一、实验目的
1．了解CO2焊短路过渡的特点；
2．了解焊接规范参数对CO2焊短路过渡电弧稳定性的影响；
3．了解CO2焊规范参数对焊缝成形的影响；
4．掌握CO2焊机的使用操作方法。
二、实验装置及实验材料
1．CO2气体保护焊焊机及送丝机构一套
2．CO2气瓶、减压阀及流量计一套
3．卡尺一把
4．低碳钢钢板δ＝6～8mm
5．焊丝H08AΦ=1.2mm
三、实验原理
（一）短路过渡特点
短路过渡是在小电流低电压时，熔滴未长成大滴就与熔池短路，在表面张力及电磁收缩力的作用下，熔滴向母材过渡，在这种过渡过程中，电弧燃烧是不连续的，电弧交替的出现燃弧与熄弧，引起焊接电流与电压周期性变化。
（二）CO2焊短路过渡电弧－电源系统与规范的调节方法
1．电弧－电源系统
焊接电弧要稳定工作，必须使电弧静特性与电源外特性相交于稳定工作点。
在CO2焊中，由于所用焊丝一般较细，电流密度较大，加上保护气流对电弧的冷却作用，其电弧工作在U曲线的上升阶段，电源一般采用平特性或缓降从而提高电弧的自调节作用的灵敏度，保证焊接规范的稳定。
2．规范参数调节方法
一个短路过渡周期电压平均值等于电源电压。
因此调节平均弧压主要是靠调节电源外特性来实现，调节电流的大小主要是调节送丝速度。
因此，短路过渡电弧的稳定工作点是电源外特性曲线与送丝速度的交点，但其交点所决定的电弧静特性曲线是短路过渡的平均弧长。
（三）短路过渡电弧的稳定性
1．短路过渡电弧稳定性评定的指标
在短路过渡焊接时，焊接过渡稳定性可用短路频率来表示，短路频率越高，焊接过程越稳定。
因为频率高，意味着每次从焊丝向母材过渡的金属量少，熔滴细小、飞溅少。
因此电弧的稳定性可以用短路过渡频率来衡量。
2．影响电弧稳定性的因素有两方面：
焊接电源特性和焊接规范参数
（1）电源的静、动特性的选择
电源外特性的特性由于CO2焊电弧的静特性是上升的，所以缓降，平硬外特性电源都可以满足电弧——电源系统稳定工作。
目前细丝CO2焊一般采用平特性电源。
因为平特性电源配合等速送丝焊机使用，具有弧长变化时，电弧自调作用强；短路电流大，引弧容易；以及电流、电压可以分别调节，规范参数调节方便等优点。
对电源动特性要求短路过渡时，电弧处于燃弧——短路——再引燃的周期变化中，电源的电参数也需要进行燃弧——短路——空载的快速交替变化，故要求电源有良好的动特性。
电源动特性的主要参数有电流增长速度di/dt，短路电流峰值Im及空载电压恢复速度du/dt。
整流器型的平特性电源具有较大的di/dt及Im值，而du/dt也足够大，能满足焊接要求，但采用不同的工艺条件时对di/dt往往有不同的要求，常采用改变回路电感的办法来调节di/dt。
（2）规范参数的合理选择与匹配
焊接规范主要包括焊接电流、电压、电流的种类与极性、焊接速度、焊丝伸出长度，气流量等。
1）电弧电压
电弧电压标志着弧长的大小，又决定着焊缝的宽度。
CO2焊中，电弧电压的调节是通过调节焊接电源的输出电压来实现的，弧压增加则弧长增加。
若弧压过低，则电弧覆盖面窄且电弧集中，此时熔深窄而深，所得焊道表面过凸；若弧压过高时，则焊缝变宽，余高扁平且熔深变浅。
2）焊接电流
焊接电流不但是加热和熔化焊材的主要因素，而且还决定着焊接的熔深。
它与电弧电压匹配得当时，可获得稳定的焊接过程，且飞溅小，焊缝成形好。
若焊接电流过小，则电弧不稳，且不能熔化焊丝，而此时送丝断续，且使固体焊丝和母材发生抵触，从而堵丝；若焊接电流过大，则会使熔深加大，但却引起严重的飞溅。
3）焊接速度
焊接速度与焊接电压一样，都是决定熔深、焊道形状和熔敷金属量的重要因素。
焊速过慢会发生熔敷金属大量堆积、流动现象，对于薄件易烧穿，焊速过快，将产生未熔合、未焊透现象，焊缝成形高低不平，间断不连续，同时产生咬边和大颗粒飞溅。
焊速的选择受送丝速度的影响，究竟多大，要通过试焊后观察焊道的成形情况来确定。
4）焊丝伸出长度
由于短路过渡焊时所用焊丝直径都比较小，因此焊丝伸出长度产生的电阻热便不可忽略。
若伸出长度过短，则喷嘴至工件距离太近，飞溅金属易堵塞喷嘴，甚至发生焊道与喷嘴粘连；若伸出长度过大，则焊丝易过热而成段熔断，飞溅严重，且使熔深变浅，发生未熔合现象，同时使气体保护效果变差。
根据经验，不同直径的焊丝，其伸出长度由下式决定：
Ls＝10Ds（式3－1）
其中：
Ls——伸出长度；Ds——焊丝直径
5）气体流量
短路焊接气体流量一般在此5～15L/min，在大电流、高速焊、焊丝伸出较长及室外作业等情况下，气体流量应适当增大，以使气体有足够的挺度，提高其抗干扰能力。
但是气体流量过大会使保护气紊乱度增大，反而使外界气体卷入，保护效果变差，气孔增多。
6）电源极性
CO2焊一般采用直流反极性。
因为反极性时飞溅小，电弧稳定，成形好，且焊缝金属含氢量低，熔深大。
（四）短路过渡焊缝成形的特点
短路过渡时由于电弧是在燃弧－熄弧周期性变化之中，电弧的热与力也发生周期性变化。
燃弧阶段电弧热剧烈加热母材，形成熔池，电弧在复燃瞬间，短路峰值电流大，与电流平方成正比的电磁力也很大，对熔池产生冲击力，使熔池下凹。
熄弧阶段电弧热消失，只靠电阻热加热母材，对母材的加热作用减弱，熔池温度降低，产生冷却和凝固、轮廓缩小。
因而使母材在短路过渡焊时处于加热——冷却的交替过程中。
因为CO2焊焊丝熔化速度大，熔化金属多，CO2电弧的弧根收缩对熔池的加热面积小，使得熔池的体积小，温度降低，周期性短路，液体金属流动性差，表面张力大，对固体未熔化金属的润湿性差。
因此短路过渡焊缝成形特点一是熔池小，焊缝熔深浅，适合于焊接薄板及全位置焊；二是焊缝余高大。
当规范匹配不当时，还会出现山峰状突起，使母材与焊缝连接处过渡不圆滑，影响了焊缝质量。
控制和减小余高的主要是规范调节和控制，即提高燃弧时间比η。
提高η的方法有：
提高电弧电压或改变电感值，η有一合适值。
此外，为减小余高，还可以采用缩短焊丝伸长以减小焊丝熔化量以及焊枪前倾等方法。
四、实验方法及实验步骤
（一）了解焊机的使用方法。
（二）焊接
1．根据推荐的参数，进行焊接。
表3－1典型规范参数
板厚
（mm）
焊丝直径
（mm）
电流
（A）
电压
（U）
焊速
（m/min）
干伸长
（mm）
气流量
（L/min）
6
1.2
140
22
15
15
2．焊接时观察电弧及熔滴过渡现象，包括电弧燃烧现象及稳定程度、焊丝端部形状、电弧长度、飞溅形式、颗粒的大小。
3．焊接结束后，观察焊缝成形情况。
（三）工艺试验
在上述规范的基础上，单因素调变一个参数如电压、电流等，固定其他参数，观察其对电弧稳定性的影响，观察其对焊缝成形的影响。
（四）焊缝成形的测定
将所焊焊缝进行编号，用卡尺量出每条焊缝的B、a，每条焊缝测量三次，取平均值。
五、实验报告要求
1．分析各主要参数对短路电弧稳定性的影响。
2．分析各主要参数对焊缝成形的影响。
表4－1实验数据记录
序号
I
（A）
Uf
（V）
飞溅
稳定性
气流量
L/min
V
m/min
B
a
钨极氩弧焊焊接方法
一、实验目的
1．熟悉钨极氩弧焊机的稳弧电路，了解其工作原理；
2．练习钨极氩弧焊的手工操作。
二、实验装置及实验器材
1．交直流钨极氩弧焊焊机
2．氩气瓶，减压器，流量计
3．不锈钢板、不锈钢焊丝、钢丝刷、酒精、面纱等。
三、实验原理
钨极氩弧焊是在惰性气体的保护下，利用钨极与焊件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝（也可以不加填充焊丝），形成焊缝的焊接方法。
焊接时保护气体从焊枪的喷嘴中连续喷出，在电弧周围形成保护层隔绝空气，保护电极和焊接熔池以及临近热影响区，以形成优质的焊接接头。
钨极氩弧焊分为手工和电动两种。
焊接时，用难熔金属钨或钨合金制成的电极基本上不熔化，故容易维持电弧长度的恒定。
填充焊丝在电弧前方添加，当焊接薄焊件时，一般不需开坡口和填充焊丝；还可采用脉冲电流以防止烧穿焊件。
焊接厚大焊件时，也可以将焊丝预热后，再添加到熔池中去，以提高熔敷速度。
四、实验方法及实验步骤
（一）准备工作
1．熟悉电路，将电路的主要元器件与实物对照。
2．通气，调节氩气流量。
3．接通焊机。
4．将钢丝刷、酒精清理干净。
（二）练习操作
将衰减置于“一次”档上，然后将焊枪稍倾斜，使陶瓷喷嘴靠在不锈钢板上，使钨极与不锈钢板保持1～2mm的间隙。
按动手把上的启动按钮，高频引燃电弧；电弧引燃后，松开电钮，电弧继续燃烧，再次按动按钮，则电弧熄灭。
（三）观察钨极氩弧焊特点：
观察不锈钢板上的阴极雾化作用。
五、实验报告要求
1．将实验中观察到的现象记录下来。
2．何谓阴极清理？
为何会产生阴极清理现象？
你观察到了吗？
六、注意事项
注意安全，不要随便用手触动带电的电气元件，尤其应当心高压部件。
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