大工15春《焊接与水火成型实验》实验报告答案

李老师

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实验1：焊条电弧焊的引弧及运条
焊条电弧焊是利用焊条与工件间产生的电弧热，将工件熔化而进行焊接的。
电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，电弧热使工件和焊条同时熔化成为熔池，焊条金属熔滴借重力和电弧气体吹力的作用逐渐过渡到熔池当中。
电弧热还使焊条的药皮熔化或燃烧。药皮燃烧后与液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣和气体可防止空气中氧、氮、氢的侵入，起保护熔化金属的作用。
一、实验目的
1、了解焊条电弧焊的设备及操作；
2、掌握引燃电弧和运条的技术要点。
二、实验仪器设备
1、焊机：分为直流焊机和交流焊机，即采用直流电源的焊机和采用交流电源的焊机。
2、焊条：焊条在焊接回路中可以传导电流，作为引燃电弧的一个电极，同时焊条还起着填充金属的作用。在焊接热源的作用下，焊条熔化以熔滴的形式进入熔池，与熔化的母材共同组成焊缝。
焊条的主要分类：
（1）结构钢焊条：用于焊接低碳钢和低合金高强钢；
（2）不锈钢焊条：用于焊接不锈钢和热强钢；
（3）钼和铬钼耐热钢焊条：焊接珠光体耐热钢；
（4）堆焊焊条：用于堆焊工艺，以获得具有红硬性、耐磨性、耐蚀性的堆焊层；
（5）低温钢焊条：用于焊接在低温下工作的焊接构件，其熔敷金属具有不同的低温工作能力；
（6）铸铁焊条：用于焊补铸铁构件；
（7）镍及镍合金焊条：用于焊接镍及其合金；
（8）铜及铜合金焊条：用于焊接铜及铜合金；
（9）铝及铝合金焊条：用于焊接铝及铝合金。
焊条由（        ）和（        ）组成。
（1）焊芯
作为焊缝的填充金属，焊芯的作用之一是作为电极导电，同时它也是形成焊缝金属
的主要材料，因此焊芯的质量直接影响到焊缝的性能，其材料一般是特制的优质钢，其含碳量及硫、磷有害杂质都有极严格的限制。
常见的焊接用焊芯的牌号，如H08、H08MnA、H08Mn2SiA等。其中“H”表示焊条
的“焊”，紧接着的两位数字表示其含碳量的范围，如08表示含碳量为0.08%左右，以后的字母和数字则表示焊芯的主要合金元素名称和含量范围，如H08Mn表示Mn含量在0.8%~1.1%范围内。带有字母“A”的焊芯，表示其S、P含量更低，不超过0.03%，称为优质焊丝。
（2）药皮。
药皮的主要成分及作用包括：
（                                                                     ），常用的有碳酸钾、钾水玻璃、大理石、长石等。
（                                                                     ），常用的有木粉、淀粉、大理石、菱苦土等。
（                                                                     ），常用的有钛铁矿、金红石、大理石、石英砂。
（                                                                   ），焊接钢时，常用的有锰铁、钛铁、硅铁、铝粉等。
（                                                                   ），通常选铁合金或金属粉。
（                                                                   ），常用的是钠水玻璃，或者是钠水玻璃与钾水玻璃的混合溶液。
（                                                                     ），常用的有白泥、云母、钛白粉、糊精等。
3、防护面罩
分为两种：手持型和头盔型
4、敲渣锤
5、角磨机
6、钢板尺
7、试验用的钢板
三、电弧的引燃和运条
1、引弧
引弧是焊接过程中频繁进行的动作，引弧技术直接影响到焊接质量，因此必须认真对待予以重视。焊接开始时，将焊条末端轻轻接触工件，然后迅速离开，保持一定距离后产生电弧的过程称为引弧。
电弧焊时有两种引弧方式，一种是接触式引弧，适用于（               ）方法，另一种是非接触式引弧，适用于（                       ）方法。焊条电弧焊采用接触式引弧法引弧，具体的操作又分为（                                   ）和（                          ）。
（1）直击法引弧
直击引弧法较难掌握，一般容易发生电弧熄灭或短路现象，这是由于没有掌握好焊条离开焊件时的速度和焊条与工件表面的距离而引起的，如果动作太快或焊条提得太高，就不能引燃电弧，或电弧只燃烧一瞬间就熄灭。
（2）划擦法引弧
划擦法引弧与划火柴的动作相似，先将焊条末端对准焊件，然后将焊条在焊件表面划擦一下，当电弧产生后金属还没有熔化的一瞬间，立即拉开电弧，使焊条末端与被焊金属表面的距离维持在3~4mm。
2、运条
常见的运条方法有以下几种：
（1）（                  ）
使用这种方法焊接时，要保持一定的电弧长度，焊条沿焊接方向做不摆动的前移，由于焊条不用横向摆动，电弧比较稳定，所以能获得较大的熔深，但焊缝宽度较小，一般用于3~5mm不开坡口的对接平焊缝、多层焊的第一层焊缝和多层多道焊。
（2）（                  ）
用这种方法焊接时，焊条的末端沿焊缝的纵向做来回的直线形摆动，其特点是焊接速度快，焊缝窄，散热快，适用于薄板和接头间隙较大的多层焊的第一层焊缝的焊接。
（3）（                  ）
    用这种方法焊接时，将焊条的末端做锯齿形连续摆动并向前移动，在焊缝两边稍停片刻以防止产生咬边，焊条的摆动是为了达到必要的焊缝宽度，以及便于控制熔化金属的流动，以及获得较好的焊缝质量。
（4）（                  ）
它是将焊条末端沿着焊接方向做月牙形的左右摆动，摆动的速度要根据焊缝的位置、接头形式、焊缝宽度和电流大小而定，为保证焊缝两侧边缘能够熔透并防止产生咬边现象，必须注意在两侧做片刻的停留，这种方法的适用范围和锯齿形运条法相同，但焊缝的余高较大。
（5）（                  ）
它是将焊条末端做连续的三角形运动，并不断向前移动，根据适用范围的不同分为正三角形和斜三角形两种运条法，正三角形法适用于（
                             ）， 其特点是（                           
），斜三角形运条法只适用于（                                      ），其特点是（                                        ），使焊缝成形良好。
（6）（                  ）
它是将焊缝末端连续的做圆圈形运动，并不断向前移动，这种运条方法可分为正圆形和斜圆形两种方法。
正圆形运条法适用于（                                          ），能使熔化金属有足够高的温度，使溶解在熔池中的氢、氮等气体有足够的时间析出，同时便于熔渣上浮。
斜圆形运条法适用于（                                          ），能够控制熔化金属的温度，避免下淌，有助于焊缝成形。

四、实验步骤
1、        连接实验电路，将试件与直流焊机的电极相连接，交流焊机不区分正负极；
2、        夹持焊条，选择合适的焊条，用焊钳夹持牢固；
3、        打开焊机电源，选择并调节焊接电流；
4、        分别用直击法和划擦法引弧，要求在5秒内引弧成功；
5、        在钢板上进行焊条电弧焊接，焊条与前进方向保持70°~80°的角度，焊条与工件之间的距离应保持在2~4mm，手工送进焊条，试验各种运条方法；
6、        清除焊缝表面熔渣，观察焊缝成形，记录存在的焊接缺陷；
7、        交换焊机类型进行练习；
8、        实验结束后，关闭焊接电源，清理试验现场。

五、思考题
这次实验我们学习了焊条电弧焊的引弧和运条，请同学们认真观察实验并思考以下问题：
1、引弧、运条的操作要点；
2、电弧燃烧状态的描述。




实验2：横焊和立焊
一、实验目的
1、掌握横焊的焊接技术特点及操作；
2、掌握立焊的焊接技术特点及操作。
二、实验仪器设备
实验中所用到的仪器和工具主要包括：
1、焊机：分为直流焊机和交流焊机，即采用直流电源的焊机和采用交流电源的焊机。
2、焊条： 选用J422酸性焊条
3、防护面罩：分为两种：手持型和头盔型
4、敲渣锤
5、角磨机
6、尺
7、试验用的钢板
三、横焊
横焊是焊接（                                  ）方向的焊缝。横焊时，由于熔化金属和熔渣受（                 ）作用下流至下坡口面上，容易形成（                    ）和（                ），并且在上坡口面边缘易产生（              ）。应采用短弧焊接，并选用较小直径焊条以及适当的运条方法。
始焊端为3.2mm，终焊端为4mm，终焊端放大装配间隙的目的是克服试板在焊接过程中由于焊缝横向收缩而使焊缝间隙变小，影响背面焊缝熔深质量。
装配好试件后，在焊缝的始焊端和终焊端20mm内用直径3.2mm的焊条定位焊接，定位焊缝长为10~15mm。
对定位焊缝的焊接质量要求与正式焊缝相同。
打底焊。打底的短弧焊，横焊时由于熔渣极易下淌，严重影响坡口下侧的熔合，同时坡口上侧钝边由于溶化后迅速下坠，从而产生正面、背面焊缝的咬边和内凹，因此控制上侧金属的熔化下坠保护坡口下侧金属熔合良好，是板对接横焊单面焊双面成型的主要难点。
焊条与焊件的夹角为75°~85°，使焊接电弧总是顶着熔池，防止熔渣超越电弧而产生夹渣缺陷。
填充焊，焊前将前焊道焊缝表面打磨平整，焊渣清理干净，第2条焊道为单层填充焊道，施焊时的焊条夹角与打底焊的焊条夹角基本相同。
盖面焊。坡口边缘熔化要均匀，熔合良好，防止焊道下坠产生未熔合缺陷。焊条与焊件的夹角为85°~90°。
四、立焊
立焊是指（                                  ）焊接。立焊时，熔池金属和熔滴因受（                 ）作用具有下坠趋势，和焊件分开，所以容易产生（                  ）。由于熔渣的熔点低、流动性强，熔池金属和熔渣容易分离，不容易产生（                     ）。由于熔池部分脱离熔渣的保护，所以如果操作或运条角度不当时，容易产生（                         ）。
开坡口的立焊。引弧部位在始焊端10~20mm处，电弧引燃后迅速将电弧移到定位焊缝上，预热2~3秒后，将电弧压至坡口根部，听到击穿坡口根部而发出噗噗的声音后，这时迅速提起焊条熄灭电弧，此处所形成的熔池是整条焊道的起点，从这一点开始以后的打底层焊采用两点击穿法焊接。
两点击穿法的操作过程是，当建立了第一个熔池后重新引弧，迅速将电弧移至熔池的左或右前方，靠近根部的坡口面上，压低焊接电弧，以较大的焊条倾角击穿坡口根部，然后迅速灭弧，大约经过1秒后，在上述左或右侧坡口根部熔池尚未完全凝固时再迅速引弧，并迅速将电弧移向第1个熔池的左或右前方靠近根部的坡口面上，压低焊接电弧，以较大的焊条倾角直击坡口根部，然后迅速灭弧。这种连续不断的反复在坡口根部左右两侧交叉击穿的运条方法称为两点击穿法。
断弧焊法每引燃熄灭电弧一次就完成一个焊点的焊接，其节奏应控制在每分钟灭弧45~55次之间，操作者应该根据坡口根部熔化的程度控制电弧的灭弧频率，断弧焊过程中每个焊点与前一个焊点重叠2/3，焊接速度60~70mm/min。
在距焊缝的始焊端10~15mm处引弧，然后将电弧拉回始焊处施焊。施焊采用连弧焊法，以锯齿或月牙形横向摆动运条，施焊时焊条与焊板垂直面的夹角为55~65度，为了防止出现焊缝中间高两侧凹的现象，焊条从坡口一侧摆动到另一侧时应该稍快些，并在坡口两侧稍作停顿。同时焊接电弧要短，防止空气侵入焊缝熔池产生气孔和夹渣。填充层焊完后的焊道表面应该平滑整齐，不得破坏坡口边缘，填充金属表面与母材相差约0.5~1.5mm。
盖面焊采用连弧焊法，用月牙形或锯齿形摆动运条，焊条摆动到坡口边缘时要稳住电弧并稍作停留，将坡口两侧边缘熔化并深入每侧母材1~2mm，待液体金属饱满后，再将电弧运至坡口的另一侧，以避免产生咬边缺陷。焊接的速度要稳定一致，焊点与焊点的搭接要均匀，焊缝的余高差符合技术要求。更换焊条前往熔池中稍填些液态金属，然后迅速更换焊条，在弧坑前10~15mm处引燃电弧，并将电弧引至弧坑处预热，当弧坑重新熔化所形成的熔池延伸进入坡口两侧边缘内各1~2mm时即可进入正常焊接。

五、思考题
通过这次实验我们学习了焊条电弧焊的横焊和立焊，请同学们认真观察实验并思考以下问题：
1、横焊和立焊时容易出现哪些问题？
2、横焊的操作特点？
3、立焊的操作特点？

















实验3、焊接变形的计算及测量
当金属物体的温度发生变化或发生相变时，它的形状和尺寸就要发生变化。焊接是一个温度迅速升高又迅速降低的过程，因此焊接后构件会产生一定的变形，焊接残余变形是指焊后残存于结构中的变形。
船舶制造中大量的焊接工作带来了一系列的问题，其中焊接变形是主要的问题之一，焊接变形严重影响了造船精度，往往需要焊后矫正，浪费人力物力和时间，甚至导致分段合拢的困难，因此必须加以研究和控制。
焊接残余变形主要有以下几种表现形式：
（1）纵向收缩变形  
表现为焊后构件在焊缝长度方向上发生收缩，使长度缩短。
（2）横向收缩变形  
表现为焊后构件在垂直焊缝长度方向上发生收缩。
（3）挠曲变形  
是指构件焊后发生挠曲。挠曲可以由纵向收缩引起，也可以由横向收缩引起。
（4）角变形  
表现为焊后构件的平面围绕焊缝产生角位移。
（5）波浪变形  
指构件的平面焊后呈现出高低不平的波浪形式，这是一种在薄板焊接时易于发生的变形形式。
（6）错边变形  
指由焊接所导致的构件在长度方向或厚度方向上出现错位。
一、实验目的
通过进行钢板的对接焊接实验，测量并计算焊接横向收缩变形和角变形，定量研究焊接结构的变形并分析其原因。
二、实验仪器及设备
实验中所用到的仪器和工具主要包括：
1、焊机：采用直流焊条电弧焊焊机。
2、焊条：采用J422酸性焊条。
3、防护面罩：采用手持型防护面罩
4、敲渣锤
5、角磨机
6、数字式游标卡尺
7、样冲
8、粉笔
9、钢板尺
三、焊接变形的测量及计算
1、焊接变形的测量
实验步骤如下：
（1）用角磨机将焊缝附近1~2cm范围内清理干净，避免油、锈、水带来的不利影响；
（2）把两块需要对接的钢板平放在实验台上，留出1~2mm的间隙；
（3）定位焊。装配好试件后，选择合适的焊条，调整焊接电流参数，在焊缝的始焊端和终焊端20mm内用直径3.2mm的J422焊条进行定位焊接，定位焊缝长为10~15mm。
对定位焊缝的焊接质量要求与正式焊缝相同。
（4）标记钢板的正反面，如图1所示在钢板的正面和背面距离焊缝中心20mm处画线，在所画的线上取关于焊缝对称的8对点并标记，要求焊缝同侧的点的间距相同，正面和背面的样冲眼的位置相同。






图1 测量点的位置

用样冲和锤子在相应的位置上打眼，测量样冲眼之间的横向距离，这是焊前对应点之间的距离，记录在表格1和2中；


（5）完成钢板对接的焊条电弧焊焊接；
（6）焊后敲渣，测量焊缝宽度和板厚，并记录在表格1和2中；
（7）当钢板冷却到100℃以下时测量焊后样冲眼之间的横向距离，记录在表格1和2中；
（8）关闭焊接设备和电源，整理测量工具及其它设备。

表1 焊接前后焊缝正面样冲眼之间的距离
样冲眼的标号        焊前的距离（mm）        焊后的距离（mm）        横向收缩变形量（mm）
1        44.05        42.36       
2        45.11        44.05       
3        45.94        45.09       
4        46.25        44.94       
5        48.03        47.76       
6        47.31        46.54       
7        48.53        47.40       
8        49.11        47.61       

表2 焊接前后焊缝背面样冲眼之间的距离
样冲眼的标号        焊前的距离（mm）        焊后的距离（mm）        横向收缩变形量（mm）
1        41.57        40.75       
2        41.42        40.96       
3        40.68        40.19       
4        40.55        39.30       
5        40.80        39.81       
6        40.51        39.75       
7        39.92        38.39       
8        38.40        37.50       

2、横向收缩变形和角变形的计算
计算过程如下：
如图2所示，焊前样冲眼之间的横向距离记为L0，焊后钢板正面对应样冲眼之间的距离记为LT，焊后钢板背面对应样冲眼之间的距离记为LB。











图2 焊接变形的计算
表3 焊接角变形（板厚16mm）
样冲眼的标号        tan(θ)        角变形θ（°）
1               
2               
3               
4               
5               
6               
7               
8               

则钢板正面横向收缩变形ΔT= L0-LT
钢板背面横向收缩变形ΔB= L0-LB
焊后角变形的角度为θ，则tan(θ)=(LB- LT)/h，其中h是钢板的厚度，由此根据实验测量的数据就可以计算角变形θ，记录在表3中。
3、作图
根据实验测量的数据，计算钢板正面和背面对称位置的样冲眼的横向收缩变形和角变形，并按如下要求作图。
（1）以样冲眼的位置为横坐标，变形量为纵坐标，分别作出钢板正面的横向收缩变形、钢板背面的横向收缩变形和角变形三幅图；
（2）图中标明坐标轴的物理意义和单位；
（3）作图时按照比例作图；
（4）每幅图应配有相应的实验测量数据和计算结果的表格；
（5）角变形作图时应以变形角度为纵坐标，不能用角度的正切值代替。
四、思考题
这次实验我们进行了平板对接焊的横向收缩变形和角变形的测量和计算，请同学们认真观察实验并思考以下问题：
1、焊接变形产生的原因；
2、钢板正面收缩变形和背面收缩变形有什么差异，为什么；
3、根据实验数据分别作出钢板正面的横向收缩变形、钢板背面的横向收缩变形和角变形三幅图。












实验4：平板对接钨极氩弧焊实验
以（              ）材料做电极，在（              ）保护下进行的焊接，称为钨极氩弧焊，又称为TIG (Tungsten Inert Gas)焊或GTAW（Gas Tungsten Arc Welding），是船舶制造中的常用焊接方法之一。
钨极氩弧焊接方法的主要优点有：
（1）（                                                ）。采用惰性气体保护能够避免O2、N2、H2对焊接区的不利影响，电弧在惰性气氛中燃烧稳定、不飞溅、焊缝美观；
（2）（                                                ），适用于薄板及各种空间位置的焊接，是一种精密焊接方法；
（3）（                      ），除了钢铁材料也适用于有色金属材料、合金以及金属基复合材料， 也可以用于钛等难熔金属的焊接。
钨极氩弧焊接方法的缺点：
（1）（                          ），由于钨电极承载电流能力有限，功率受限、熔深浅、焊接速度低；
（2）（                                ），成本高。

一、实验目的
了解钨极氩弧焊设备及基本操作，掌握平板对接钨极氩弧焊技术。
二、钨极氩弧焊的工具及设备
实验中所用到的仪器和工具主要包括：
1、钨极氩弧焊机：焊接电源分为直流电源和交流电源。
电流分为起弧电流、焊接电流和收弧电流。起弧电流是指（
）的电流，收弧电流是指（                     ）的电流，起弧电流、焊接电流和收弧电流都可以根据需要进行选择和设置。
直流电流可以以一定的脉冲形式变化。根据脉冲的频率可以分为（
）和（                                              ）。
直流低频脉冲TIG焊的频率通常在0.5~10Hz，其特点是：
（1）（                                                         ）；
（2）（                                                         ）；
（3）（                                                         ）
  1）峰值电流期间电弧温度和电弧力很高，使难熔金属迅速形成熔池。
  2）基值时间迅速凝固，高温停留时间短。
直流高频脉冲TIG焊的频率通常在20~30kHz，目前多为20kHz，其特点是：
（1）（                                                         ）；
（2）（                                                         ）；
（3）（                                                               ）。
直流高频脉冲TIG焊的应用：
（1）超薄板的焊接：10A以下的小电流区域电弧仍非常稳定，可用于0.5mm以下的薄板焊接，焊缝成形均匀美观；
（2）高速焊接：高速移动下电弧仍有良好的挺直度，焊管作业中焊接速度可提高
一倍；
（3）坡口内焊接熔合良好：
（4）焊缝组织性能好：对熔池金属有强烈的电磁搅拌作用有利于细化金属晶粒，提高焊缝机械性能。
2、自动引弧设备：安置在焊接电源内部，采用高频振荡电路引弧，交流焊时引弧稳弧采用同一套电路。
3、气路：包括（           ）、（           ）、（           ）、（                       ），（                  ），保护气受引弧和熄弧动作的控制而导通或阻断。
氩气是单原子气体，无色无味，比空气重25%，有利于保护焊接区；在空气中含量约1%，价格相对便宜；焊接用氩气的纯度约99.9%-99.999%；氩气是惰性气体，不溶解，不反应，可以避免焊缝中合金元素的烧损（蒸发除外）；氩气导热系数小，燃烧稳定性好（电压可以在8-15V）。
4、水路：大电流下焊枪需水冷，采用电磁阀控制冷却水流量。
5、焊枪：分为自动式和手动式，按照冷却方式可分为空冷式和水冷式，内部结构包括电缆接续、内部水路循环、气路通道、电极夹、电极换装、喷嘴等。
6、焊接面罩：头盔型
7、敲渣锤
8、角磨机
9、尺
10、试验用不锈钢板
三、平板对接的钨极氩弧焊
1、定位焊
将准备好的试板装配成I型对接接头，装配间隙始焊端为1mm，终焊端为2mm。在焊缝的始焊端和终焊端20mm内定位焊接。定位焊缝为10~15mm，对定位焊缝的质量要求与正式焊缝一样，试板定位焊后由于焊缝在厚度方向上的横向收缩不均匀，使两块试板离开原来的位置翘起一个角度，这就是角变形，因此焊前在试板定位焊后，应将试板的变形角向相反的方向做成3度。
2、平板对接的钨极氩弧焊
单面焊双面成型焊接时，通常采用短弧左焊法，首先在焊件右端的始焊端定位焊处起弧，焊枪不移动，也不加焊丝，对焊缝根部进行预热，待焊缝端部及焊缝根部熔化并形成熔池后，再添加焊丝，转入正常施焊。
焊接时钨极伸出喷嘴的长度为4~8mm，焊枪与焊件的夹角为70~80度，焊丝与焊接方向的夹角为15~20度，焊接过程中钨极与焊丝始终保持2~5mm，避免钨极与焊丝接触。
操作时要做到一看，二准。一看要认真观察熔孔的大小，熔孔的大小以电弧能将根部两侧同时熔化为好，熔孔应该深入每侧母材0.5~1.5mm，如果熔孔过大，背面的焊缝高，甚至形成焊瘤或烧穿，熔孔过小时根部两侧容易造成未焊透。
二准，要准确的掌握好熔池形成的尺寸，每一个新的熔点应与前一个焊点搭接2/3，保持焊接电弧的1/3部分在焊件的背面燃烧，以加热和击穿根部。焊丝每加一滴焊滴，都要加在熔池中，焊接中需要更换焊丝时，应先电弧下压，使熔池前方的熔孔稍微扩大些，然后回焊5~10mm，形成斜坡状再熄弧，为下一根焊丝引弧打下良好的接头基础。
重新引弧的位置在原弧坑后面，使焊缝重叠10~20mm，重叠处一般不加焊丝或只加少量的焊丝，重新引弧的熔池要贯穿焊缝根部，以确保接头处熔透，当焊接到焊缝的始焊端，要减小焊枪的角度，将电弧的热量集中在焊丝上，使焊丝的熔化量增大，填满弧坑。然后切断电流开关，焊接电流开始衰减，熔池也在不断的缩小，同时应将焊丝抽离熔池，但又不能使焊丝脱离氩气保护区，在氩气延时3~4秒后再关闭气阀，移开焊枪和焊丝。
焊缝清理。清理焊件表面的焊接飞溅物，焊缝应处于原始状态。

四、思考题
1、钨极氩弧焊中氩气的作用？
2、定位焊时为什么要将试板做出一定角度？
3、焊后为什么氩气要延时3~4秒后再关闭气阀？