1-材料成型及控制工程实验指导书.doc
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材料成型及控制工程
实验指导书
赵玉梅彭道衡王金凤编写
材料工程系
2000年修订
目录
1、冶金综合性能实验
（二）…………………………………………1
2、CO2气体保护焊工艺及设备实验……………………………7
3、焊条配制综合性试验……………………………………………10
4、热轧低合金结构钢斜Y型坡口焊接性试验……………………14
5、弧焊变压器结构及交流电弧波形测试…………………………18
6、弧焊整流器结构及电源外特性测试……………………………22
7、钨极氩弧焊工艺及设备实验
（一）……………………………26
8、钨极氩弧焊工艺及设备实验
（二）……………………………29
9、埋弧自动焊机工艺及设备实验………………………………32
10、钎焊工艺实验
（一）……………………………………………35
11、钎焊工艺实验（二………………………………………………39
12、点焊工艺实验……………………………………………………43
13、CO2气体保护焊工艺实验………………………………46
14、交流式点焊工艺实验…………………………………………49
15、激光焊接工艺实验……………………………………………52
冶金综合性能实验
（二）
实验学时
8h
实验性质
综合性
实验要求
必做
所属课程
材料成型原理
本实验综合了《焊接冶金学》焊接化学冶金原理、焊接缺陷、焊接金相组织,《材料成型原理》课程中的金属凝固原理、焊缝及热影响区的组织和性能应用等知识；使学生综合运用以上知识对焊接冶金学及金相组织及性能的影响因素进行综合分析，提高学生的动手能力和综合分析能力。
一、实验目的
1、掌握堆焊、角接、坡口对接及单层单道焊、多层多道焊的焊接技术；
2、掌握手工电弧焊焊缝常见缺陷及实验时形成该缺陷的原因；
3、掌握金相试样制取技术，观察焊接接头的微观组织，且能分析焊缝组织产生的机理；
4、分析母材、焊材、焊接方法、预热温度、焊接层数在堆焊、角接、坡口对接等焊接方法对焊缝组织性能、焊接接头质量的影响；
二、要求
1、根据给定实验条件，应用所学的实验优化设计的知识，设计正交实验表，选择实验方法。
2、给定条件：
①母材：
45钢、Q235；②焊材：
J507（φ3.2、φ4.0）、J422（φ3.2、φ4.0）③焊接方法：
堆焊、坡口对接、角接；④温度：
室温、160℃预热、270℃预热；⑤焊接层数：
单层单道焊、多层多道焊；如表1所示。
3、用砂轮切割机将焊接接头沿图示虚线切开，在砂轮机上粗磨后，再在金相砂纸研磨、抛光。
到金相显微镜下观察不同焊接条件金相组织间的差异；
三、实验设备及实验材料
1、交流电弧焊机BX1-300
2、硅整流式弧焊机ZXG-400、ZDK-500、
3、逆变式弧焊机WSM-315
4、弧焊发电机AX4-400
5、抛光机P-2A
6、金相显微镜XJX-1
7、电焊条J507、J422，直径φ3.2、φ4.0等。
8、典型金相图片、金相砂纸、吹风机、平板玻璃、脱脂棉、硝酸酒精等。
四、实验过程及步骤
（一）实验准备
1、每2人一组从实验指导教师处领取实验所需钢板及焊条。
2、坡口对接时先进行点固，两板间留2mm间隙。
点固前在间隙下面垫上φ2.5mm焊丝头，将间隙处抬高，预留反变形余量。
3、角接时也要进行点固，实验时不可进行船型位置焊接，应严格按角焊缝位置焊接。
4、堆焊时在试件一端焊30×60×20（mm）的焊缝，另一端作为切割夹持端。
5、焊45钢用J507φ3.2、φ4.0焊条，采用直流焊机；焊Q235用J422φ3.2、φ4.0焊条，采用交流焊机。
6、单层单道坡口焊时，用φ3.2焊条100A左右电流打底后再进行单层焊。
焊接时采用上坡焊技术，即将试件一端垫高，从低向高处焊。
100mm长焊道用4根φ4.0焊条200A左右电流将坡口分四段填满；多层多道焊时也要用φ3.2焊条100A左右电流打底，采用水平位置平焊、每道焊后必须清渣，以免形成夹渣。
同时要防止咬边，焊接时采用短弧焊且焊接角度正确（70˚～90˚）的方法将焊缝焊满。
150 100100
100
80100
2010
δ=20用于堆焊和对接δ=10用于角接
图1板材尺寸
（二）焊接试件
1、按正交实验选定的焊接方案进行焊接准备；
2、调节好焊接规范（做好记录）；
3、根据选择的焊接方案，将钢板分别进行预热或不预热处理，然后再采用：
①单层单道焊②多层焊③堆焊等焊接方式焊接试件。
要求焊缝的每层厚度不小于3㎜；
4、焊接完毕在室温下冷却，等待切割。
60～90°
≤2
0-2.0
（1）坡口对接
A单层单道B多层多道
（2）堆焊
（3）角接
图2焊接方法
（三）金相试样分析
1、将焊接后的试件沿图示方向切开，准备制取金相试样（如图3）。
切割试样时，应注意夹紧试样，按下切割手柄时用力均匀，始终用水冷却切割试样。
注意不要敲击砂轮片，实验人员不要站在砂轮旋转的切线方向，以免砂轮及试样飞出伤人。
（1）坡口对接
（2）堆焊
（1）
（3）角接
图3试样切割部位（虚线位置为切割部位）
2、在粗砂轮机上打磨金相试样后，再在较细砂轮机上进一步打磨。
此时注意不要戴手套，应站在砂轮机侧面均匀用力，将磨削面磨平；打磨时注意及时用水冷却试样；
3、采用280#、360#、540#和精磨砂纸按次序将试样磨光（注意换砂纸时将试样的打磨方向与原打磨方向垂直），直到试样划痕很浅很细后，才能在抛光机上抛光；
4、将抛光后的试样先用酒精擦洗，再用3%的硝酸酒精溶液腐蚀几秒钟至试样表面变暗后，用水冲洗干净，用酒精棉擦干，最后将试样吹干；
5、在金相显微镜下观察试样的金相组织；
6、分析母材、焊材、焊接方法、预热温度、焊接层数在堆焊、角焊、坡口对接等焊接方法下对焊缝组织性能、焊接接头质量的影响；
五、实验思考题
1、试述手工电弧焊焊缝常见缺陷及实验时形成该缺陷的原因；
2、叙述对本组实验方案制定的目的；
3、分析母材、焊材、焊接方法、预热温度、焊接层数在堆焊、角接、坡口对接等焊接方法对焊缝组织性能、焊接接头质量的影响；
表1给定实验条件
母材
焊条
牌号、
直径
焊接
方法
温度
条件
焊接
层数
45钢
J507
φ4.0
坡口对接
室温
单层单道焊
φ3.2
多层焊
堆焊
角焊
160℃预热
单层单道焊
多层焊
270℃预热
单层单道焊
多层焊
Q235
J422
φ4.0
坡口对接
室温
单层单道焊
φ3.2
多层焊
堆焊
角焊
表2参考方案
序号
母材
焊条牌号、直径
焊接方法
温度条件
焊接层数
1
45钢
J507、φ4.0
坡口对接
室温
单层单道焊
2
45钢
J507、φ3.2
坡口对接
室温
多层焊
3
45钢
J507、φ4.0
堆焊
室温
多层焊
4
45钢
J507、φ4.0
角焊
室温
多层焊
5
45钢
J507、φ4.0
坡口对接
160℃预热
单层单道焊
6
45钢
J507、φ3.2
坡口对接
160℃预热
多层焊
7
45钢
J507、φ4.0
堆焊
160℃预热
多层焊
8
45钢
J507、φ4.0
角焊
160℃预热
多层焊
9
45钢
J507、φ4.0
坡口对接
270℃预热
单层单道焊
10
45钢
J507、φ3.2
坡口对接
270℃预热
多层焊
11
45钢
J507、φ4.0
堆焊
270℃预热
多层焊
12
45钢
J507、φ4.0
角焊
270℃预热
多层焊
13
Q235
J422、φ4.0
坡口对接
室温
单层单道焊
14
Q235
J422、φ3.2
坡口对接
室温
多层焊
15
Q235
J422、φ4.0
堆焊
室温
多层焊
16
Q235
J422、φ4.0
角焊
室温
多层焊
六、实验预习报告要点
1、查阅手工电弧焊焊缝常见缺陷及形成原因。
2、查阅焊接接头质量的一般影响因素。
评分标准
项目
分值
占总成绩的比例
评分内容
评分标准
预习
10
25%
1、预习手工电弧焊焊缝常见缺陷及产生原因；
2、预习单层单道焊、多层多道焊和堆焊焊接工艺方法；
3、预习手工电弧焊的操作技术及金相试样制取技术；
4、对实验步骤、方案有自己的设计与见解，并有预习笔记和预习报告；
5、对教师的口头提问能回答出要点。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
操作
10
25%
1、实验前先在废钢板上预习焊接单层单道焊、多层多道焊和堆焊焊接工艺方法；
2、实验时按实验指导书要求焊接、解剖及分析试件；
3、熟练掌握金相试样制备技术，且能分析焊缝金相组织；
4、正确详细的实验记录，且经教师签字认可；
5、实验结束，实验仪器还归原位，室内卫生清扫。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
实验报告
10
50%
1、实验报告格式规范，字迹工整，认真；
2、准确分析焊缝内、外部焊接缺陷及产生焊缝原因；
3、金相组织观察准确，且能分析焊缝组织产生的机理；
4、思考题的回答必须与实验数据相结合，理论联系实际回答思考题
5、实验报告、心得体会与建议有自己的见解，不得与他人雷同。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
CO2气体保护焊工艺实验
实验学时
4h
实验性质
综合性
实验要求
必做
所属课程
材料成型工艺
本实验综合了《弧焊电源》中弧焊整流器结构；《电弧焊》CO2气体保护焊焊控制电路原理、CO2气体保护焊工艺参数、熔滴过渡方式等知识。
使学生综合运用以上知识对CO2气体保护焊工艺进行综合研究，提高学生的动手能力和综合分析能力。
一、实验目的和要求
1、了解XⅢ－500PS型熔化极自动CO2气体保护焊焊机及TPS－4000全数字化脉冲焊机的结构特点；熟悉焊机各控制按钮、旋纽、开关的作用及使用方法；初步掌握焊机的使用方法及其注意事项。
2、掌握焊接规范对熔滴过渡、飞溅、电弧稳定性、焊缝成型的影响。
3、对试焊焊接规范比较，找出合适规范，焊出合格的焊接接头。
二、实验设备、仪器及材料
XⅢ－500PS型熔化极自动CO2气体保护焊焊机1台
TPS－4000全数字化脉冲焊机1台
CO2气体1瓶
频率计1台
双踪示波器1台
H08Mn2Si焊丝若干；
工具一套；腐蚀剂一小瓶、药棉若干、镊子一把。
三、实验内容及步骤
1、在教师带领下了解XⅢ－500PS型熔化极自动CO2气体保护焊焊机及TPS－4000全数字化脉冲焊机的结构特点；熟悉焊机各控制按钮、旋纽、开关的作用及使用方法；初步掌握焊机的使用方法及其注意事项。
2、选择焊接规范，分别在2㎜、2.5㎜、3㎜、8㎜钢板上试焊，得到2㎜、2.5㎜、3㎜、8㎜板厚的合适焊接规范。
3、再依据合适的焊接规范焊接2㎜、2.5㎜、3㎜、8㎜各一组对接试样。
必须评价焊接规范对熔滴过渡、飞溅、电弧稳定性、焊缝尺寸和成型的影响，将结果填入附表。
4、横向切割2㎜、2.5㎜、3㎜、8㎜试件，用砂轮打磨焊缝断面，腐蚀焊缝断面，测量焊缝的熔深、焊缝宽度、余高，用以比较不同焊接规范对焊缝成型的影响，通过分析焊缝尺寸的优缺点来改善焊接工艺。
5、整理并检查实验记录，交指导教师审阅。
6、切断一切电源、水源，清理实验场地。
四、注意事项
1、对焊机的操作规程进行详细了解，对焊机接线详细检查，并经教师批准后方可合闸进行实验；
2、整机通电以后，应检查焊机的运转情况，认为一切正常后才能开始实验；
3、严防焊机输出端短路；
4、双踪示波器的接线要注意选好公共端；
5、规范参数及数据的记录要及时、准确；现象观察要仔细，记录要详尽。
五、实验预习要点
1、复习教材中CO2气体保护焊设备、规范参数对熔滴过渡影响等有关知识；
2、预习实验指导书，明确本实验的目的，掌握实验步骤和方法。
六、实验报告及其要求
1、在“实验结果”一栏中，应该用表格方式列出焊接规定参数试验的有关数据和现象；据此绘出有关特性曲线；
2、在“现象、分析与结论”一栏中，重点阐述、分析以下两个问题：
3、CO2气体焊接时，焊接工艺制定的要点；
4、分析CO2气体焊接时，规范参数对焊缝成型的影响；
5、写出实验后的心得体会与建议。
附录规范参数试验记录表
试验
参数
熔滴
过渡
飞溅
情况
电弧
稳定性
焊缝尺寸
及成型
评分标准
项目
分值
占总成绩的比例
评分内容
评分标准
预习
10
25%
1、预习XⅢ－500PS，TPS－4000CO2气体保护焊焊机结构特点，WSM－315型焊机结构特点，各部分协同动作极外部接线；
2、预习CO2气体保护焊熔滴过渡方式；
3、预习焊接规范对熔滴过渡、飞溅、电弧稳定性以及焊缝成型的影响；
4、对实验步骤有自己的见解与设计，并有预习笔记和预习报告；
5、对教师的口头提问能回答出要点。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
操作
10
25%
1、积极参与分工协作，掌握焊机结构，外部接线；
2、XⅢ－500PS，TPS－4000CO2气体保护焊焊机使用方法，焊接工艺参数调节及参数的设置；
3、仔细观察两种熔滴过渡方式的焊接现象与焊接工艺参数以及切割试件、打磨试件、腐蚀试件方法正确；
4、有正确详细的实验记录，且经教师签字认可；
5、实验结束，实验仪器回归原位，室内卫生清扫。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
实验报告
10
50%
1、实验报告格式规范，字迹工整，认真；
2、用方格表列出焊接规范参数有关的实验数据和现象；
3、绘制有关特性曲线；
4、思考题回答必须与实验数据相结合，理论联系实际回答问题；
5、实验报告、心得体会与建议有自己的见解。
逐项内容按：
1、完全符合要求不扣分；
2、某项基本符合要求扣1分；
3、某项完全不符合要求不得分
焊条配制综合性实验
实验学时
12h
实验性质
综合性
实验要求
必做
所属课程
焊接冶金学
本实验综合了《焊接冶金学》中焊条化学冶金过程、焊条药皮配方设计及焊条制造，焊条金属的加热与熔化特性、过渡特性。
学生通过综合运用以上知识对焊接焊条配制方法及焊条实验方法的掌握，进一步提高学生的动手能力和综合分析能力。
一、实验目的
1、了解焊条的药皮成分对焊条的工艺性能、冶金性能以及对焊接接头质量（气孔、裂纹、夹杂等）的影响，以加强对焊接化学冶金的感性认识。
2、熟悉焊条配制的一般原则和制造工艺。
3、熟悉焊条对比实验的步骤和方法。
二、要求
1、以J507（符合GB5117-85，E5015）和J422（E4303）两种常用典型焊条配方为例，了解焊条药皮中各种成分对焊条的工艺性能、冶金性能以及对焊接接头质量的影响。
2、在教师指导下，由学生对焊条药皮配方进行改进性调整，通过实验进行论证，以增强分析问题和解决问题的能力。
3、学会焊条配制的一般原则和制造工艺，重视对原材料的要求。
4、对配制好的焊条进行下列实验：
焊条工艺性能（稳弧、脱渣、成型、飞溅等）试验；抗气孔、裂纹试验。
5、对试验所得结果结合课堂知识进行综合分析，写出完整的实验报告，由教师记入平时成绩。
三、实验过程
（一）按以下给定的参考配方设计实验配方。
J507参考配方（g）
大理石
萤石
石英石
钛白粉
钛铁
中碳
锰铁
45#
硅铁
纯碱
稀土
30～50
20～30
5～8
1～2
9～15
2～5
2～4
1～2
1～2
J422参考配方（g）
金红石
钛白粉
大理石
长石
云母
高岭土（陶土）
白云石
中碳锰铁
30～36
7～10
6～8
4～7
8～11
10～15
7～12
12～15
H08A、Φ3.2，重量系数约30%，钾钠混合水玻璃、浓度为45波美度。
烘干温度J507350～450℃×1.5h
J422200～250℃×1.5h
（二）分组及调制配方方法
按班级人数平分成两大组，第一大组调试J422配方，第二大组调试J507配方。
调J507配方时，2人调大理石，2人调萤石；其余每2人调一个成分，每2人设计3～5个配方。
调J422配方时，2人调金红石，2人调大理石，其余每2人调一个成分，每2人设计3～5个配方。
调制配方方法是：
将指定要调的成分由下限到上限以0.5g、1g、2g、3g、4g、5g为等差级数分组，其余成分取上下限平均数。
（三）手工搓制焊条试验
1、按每组设计出的3～5个配方，称药粉50g（半组配方），倒入研钵混合均匀后，加入适量水玻璃搅拌成面团（干湿一定要适度），在玻璃板上按5等分分割，用潮布覆盖好。
取出H08焊芯，将1/5面团均匀敷在焊芯上，像擀面条一样轻轻搓制，外表光滑后，将一端约15～20mm药皮去掉留出夹持端，做好标记晾在焊条架上，自然干燥后按烘干温度进烘干箱烘干。
2、每人领取烘干后的焊条，选用合适的焊机（J507焊条采用直流反接，J422焊条采用交流焊机），调整好规范，根据焊条工艺性能要求，仔细观察试焊结果，做好记录，把自己认为性能最佳配方确定下来。
3、按照最佳配方称重150g粉（一组半配方），倒入研钵搅拌均匀，加入水玻璃和出干湿适度面团，15等分后搓出15根焊条，自然干燥后按要求烘干待用。
（四）对比实验
1、去本组配方焊条1～2根，再取市售焊条1～2根，在普通钢板上焊接，分析焊接现象，填下表：
焊条工艺性能
焊条
名称
裂纹总长度（mm）
焊瘤（处）
夹渣（处）
表面气孔（个）
飞溅
大小
脱渣性
焊缝
成型
稳弧性
市售
试验
2、焊条效率，金属回收率和熔敷系数的测定（每2人一组进行试验）
（1）领取两块钢板并称其重量；H08光焊芯5根称其重量。
焊市售焊条钢板=（g）
焊试验焊条钢板=（g）
H08光焊芯=（g）
（2）调好焊接规范
（3）在试板上堆焊，连续烧5根焊条，并测定电弧燃烧时间（扣除换焊条时间）
市售焊条5根总燃烧时间=（h）
试验焊条5
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