焊接技术及自动化实验指导书

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（0A自动化）焊接技

术及自动化实验指导

书

焊接技术及自动化专业

实验指导书

材料成型及控制教研室主编

«CBE模式下焊接技术及自动化专业学生实践能

力培养体系的改革研究》课题组参编

目录

一、《金属学及热处理》实验指导书

1.实验一金相显微镜的使用及金相试样的制备......1

2.实验二铁碳合金平衡组织的显微分析...........7

3.实验三碳钢的热处理.......................9

二、《焊接冶金与金属焊接性》实验指导书

1.实验一焊缝金属中扩散氢的测定.............13

2.实验二斜Y型坡口焊缝裂纹实验.............17

3.实验三插销实验........................19

三、《焊接结构》实验指导书

1.实验一不同焊接参数下平板变形量测量与分析...23

2.实验二不同焊接方法下平板变形量测量与分析...25

3.实验三不同焊接位置下平板变形量的分析......26

4.实验四焊接变形的矫正...................27

四、《焊接方法与设备》实验指导书

1.实验一不同的酸碱度焊条的焊接工艺性........29

2.实验二埋弧自动焊焊接................32

3.实验三C02保护焊焊接参数对焊缝成形的影响.....36

4.实验四铝极氮弧焊焊接方法...............41

5.实验五焊条电弧焊实训项目................43

五、《弧焊电源》实验指导书

1•实验一弧焊电源外特性和调节性能的测定......45

2.实验二弧焊电源的结构认识与观察...........48

3.实验三弧焊整流器的结构认识与观察.........50

六、《Pro/E造型及模具设计》实验指导书

1.实验一基于Pro/EWirdfire设计软件初步练习...52

2.实验二Pro/E截面草绘功能练习..............53

3.实验三Pro/E基本成型特征功能练习............57

4.实验四Pro/E基准特征建模功能练习...........61

5.实验五Pro/E零件建模工程特征功能练习........63

6.实验六Pro/E实体特征编辑功能练习...........65

7.实验七Pro/E曲面造型功能练习...............68

8.实验八Pro/E装配图功能练习.................71

9.实验九Pro/E工程图功能练习.................73

10.实验十基于Pro/E塑料模具设计综合练习......76

七、《快速成型技术及应用》实验指导书

1.实验一激光快速成形原理及成型系统观摩......80

2.实验二三维实体的STL格式转化及切片........81

八、《金属结构腐蚀与防护》实验指导书

1•实验一金属耐腐蚀性能的评定..............83

九、《压力焊》实验指导书

1.实验一点焊工艺及设备...................85

十、《先进连接技术》实验指导书

1,实验一先进连接技术原理及设备观摩..........89

十一、《焊接检验》实验指导书

1.实验一超声波仪器性能的测定..............92

2.实验二磁粉探伤........................95

3.实验三着色法无损探伤...................97

十二、《焊接工装及变位机械》实验指导书

1.实验一常用焊接工装操作..................99

《金属学及热处理》实验指导书

实验一金相显微镜的使用及金相试样的制备

一、实验目的

1.了解普通金相显微镜的构造与使用方法。

2.了解金相试样的制备方法。

3.学习使用金相显微镜观察金相组织。

二、实验仪器、设备和材料

1.设备：XJP-3C金相显微镜、M3030砂轮机、PG-2抛光

机、吹风机、玻璃板、培养皿、银子。

2.材料：金相试样、砂纸一套、抛光液（AI2O31腐蚀剂（4%

硝酸酒精溶液I药棉。

三、实验原理

在现代金相显微分析中，使用的主要仪器有光学显微镜和电

子显微镜两大类。光学显微镜的放大倍数在100~2000这个范围，

如果要求更高的放大倍数，只能借助于电子显微镜了。这里仅对

常用的光学显微镜作一般介绍。

1.显微镜的成像原理。

大家都知道，放大镜就是种用一块会聚透镜（凸透镜）把物

体放大的一种简单的光学仪器，其成像原理如图lo

图1放大镜光学原理

当物体AB置于透镜焦距f以外时彳导到倒立的放大实像AB

（图I（a））,它的位置在2倍焦距之外。如果物体AB在透镜焦

距之内，就可得到一个放大了的正虚像A'B'（图I（b））,

A'B'/AB就是放大镜的放大倍数。由于放大镜到物体之间的距

离a近似等于透镜的焦距（a=f）,而放大镜到像间的距离b近似

相当于人眼的明视距离（250mm）,故放大镜的放大倍数为：

N=b/a=250/f（1）

由（1）式可知，透镜的焦f越短，则放大镜放大倍数越大。

一般采用的放大镜焦距在10—100毫米之间，即放大倍数在

2.5~25倍之间。如进一步提高放大倍数，将会由于透镜的焦距缩

短和表面曲率过分增大而使映象模糊不清。为了得到更高的放大

倍数，就要采用显微镜，它的放大倍数可达到1500~2000倍。

显微镜是由两组透镜所组成。靠近被观察物体的透镜叫物镜。

而靠近人眼的透镜叫目镜。借助物镜和目镜的两次放大，就能将

的体放大到很高的倍数（~2000倍），图n所示是在显微镜中得到

放大物像的光学原理图。

被观察的物体AB放在物镜之前距其焦距略远处，由物体反射

的光线穿过物镜。经折射后得到一个放大了的倒立实像AB,再

经目镜将实像AB放大成倒立虚像A"B"O这就是人们在显微镜下

研究实物时所观察到的经过二次放大后的物像。

在显微镜设计时，让目镜的焦点位置与物镜放大所成的实像

位置接近，并使最终的倒立虚像在距眼睛250毫米（约是人眼的

正常明视距离）处成像，这样就可以看得最为清晰。

显微镜质量的好坏，主要取决于：①放大倍数；②透镜的质

量；③显微镜的鉴别能力。

2.显微镜的放大倍数：图n

物镜的放大倍数：N物=1_/臼

目镜的放大倍数：N目=口仟2

显微镜的总放大倍数应为物镜放大倍数与目镜放大倍数的乘

积，即：

其中：L---------显微镜的光学筒长度（物镜后焦点与目镜前焦

点的距离\

D---------明视距离（250mm）

FL一物镜焦距。

F2-——目镜焦距。

3.透镜成象的质量

单个透镜在成象过程中，由于几何光学条件的限制，映象会

变得模糊不清或发生畸变，这种缺陷称为象差。象差主要包括球

面明差和色象差。

球面差的产生是由于透镜的表面呈球曲形。通过透镜中心及

边缘的光线折射以后不能交于一点，而形成几个映象前后分布。

有校正球面象差的采用多片透镜组成透镜组，即将凸透镜和凹透

镜组合在一起（称为复合透镜），由于两种透镜有性质相反的球面

象差，因此可以相互抵消。

色象差的产生是由于组成白光的各种不同波长的光线在穿过

透镜时折射率不同。这些光在平面上成的象不能集中于一点，而

呈现带有彩边的光环。通常采用单色光源（或加滤光片X也可使

用复合透镜来消除色象差。

4.显微镜的鉴别能力

显微镜的鉴别能力是显微镜也是物镜最重要的特性，它是指

显微镜对于试样上最细微部分，能获得最清晰映象的能力。

通常用可以辨别的物体上两点间的最小距离d来表示。被分

辨的距离越短，表示显微镜的鉴别能力越高。

显微镜的鉴别能力可由下式求得：

式中：A一入射光源的波长

N*A一物镜的数值孔径，表示物镜的聚光能力

数值孔径可由下式求出：

式中：

0——物镜与物体间介质的折射率。

①——通过物镜边缘的光线与物镜轴线所成的角度。

一般情况物镜与物体之间的介质是空气，光线在空气中的折

射率0=1,若一物镜的角孔径为60。。则其数值孔径为：

若在物镜与试样之间滴入一种松柏油（0=1.52）,则其数值孔

径为：N*A=L52*Sin30°=0.76,可用这种方法提高显微镜的鉴

别能力。图2所示为不同介质对物镜聚光能力的比较。

物镜的数值孔径与放大倍数一起刻在镜头的外壳上，例如镜头

上刻有25/0。50或在65x的下面刻有0.75等数字，这个0.50

或。

头用

四、

使用

（1）显优（填应取1图2不同介质对物镜聚光能力的比较

(2)在使用显微镜以前必须将手上污物洗净擦干。

(3)旋转显微镜支柱上的粗调螺丝或细调螺丝可调节焦距。

先放置粗调螺丝，当呈现出模糊的映象时，再转动细调螺丝，直

到所观察的象清晰为止。在旋转粗调或细调螺丝时，必须缓慢，

不可骤然上升或下降。

(4)移动样品的位置，可推移载物盘。

(5)物镜或目镜不得用手指或其它粗糙物品接触，其玻璃部

分如附有污物应以擦镜低或细绒布抹擦之，但不得使用酒精，以

防透镜被溶解。

(6)在调节焦距时，应先旋转粗调螺丝降低载物台。使样品

很接近物镜，但切勿与之相碰，防止物镜损坏，然后再先后放置

粗调和细调螺丝，使载物台缓慢上移，并在目镜中观察图象。

(7)显微镜上所装各种部件不得取下。

(8)金相样品的观察面不得用手指抚摸。当样品不在显微镜

上观察时，应将观察面朝上。

2.金相样品制备规程

制备显微试样包括取样、磨光、抛光及浸蚀四个步骤。本实

验只进行金相样品的磨光、抛光和浸蚀。

(1)取样

取样时应根据被分析材料或零件的特点。选择有代表性的部

分。例如研究零件破裂原因时，应在破裂部位及正常部位取样，

进行比较分析。试样最适合的尺寸是直径为12mm,高为10mm

的圆柱体或面积为12x12x10mm的长方体。

根据材料性质不同，可用手锯、用车床切削、用锤子击碎以

及用砂轮切割等方法截取试样。在取样过程中应注意防止试样受

热组织发生变化。

取得试样后，应将试样表面制成平面，同时边缘要倒成圆角

（如分析化学热处理表面组织时则不能倒角1

⑵磨光

试样抹平后，须用清水冲洗干净并擦干，然后进行磨光，磨

光可用手工或机械两种方法。

①手工磨光手工磨光是在不同号数的金相砂纸上进行。砂

纸号数由01,02,03,04四种。01砂纸最粗，04号砂纸最细。

磨光时所用砂纸从粗到细顺序进行，磨光过程中，磨削压力不宜

过大，用力要均匀。

在一张砂纸上磨好后，应将试样冲洗干净，然后将试样转90。

换细一号的砂纸再磨。这样，又粗到细依次磨削，磨好后将试样

洗净，然后在抛光机上抛光。

②机械磨光一般是在YM-2A预磨机上进行，即把砂纸用

水玻璃粘在预磨盘上使用，试样易从粗砂纸到细砂纸依次分别进

行磨光。

⑶抛光

抛光的目的是除去试样表面的细磨痕，最后得到一个光亮的

镜面。抛光分为机械抛光、电机抛光和化学抛光三种方法，其中

以机械抛光应用最广。

机械抛光是在抛光机上进行。抛光机是由电机和水平抛光盘

（直径200〜250mm）组成。抛光盘上铺有固紧的抛光织物，抛

光钢试样时一般使用细呢绒，抛光铸铁时则使用如帆布、白色的

确良等绒毛较短的抛光织物，以防止灰口铸铁中的石墨脱落，抛

光铝、镁、铜等有色金属可用细丝绒。

在抛光过程中，应不断将抛光也洒在抛光盘上，抛光液是由

抛光粉与水配成细的悬浮液。抛光钢和铸铁使用的抛光粉为氧化

铝和氧化铝，有色金属等软材料可用细粒度的氧化镁。

抛光时压力不宜过大，抛光时间取决于试样表面磨光的质量,

一般约为5〜15分钟。

金相试样经抛光后，其磨面应光亮无痕，且石墨或夹杂物等

不应抛掉或有拽尾现象。这时试样先用清水冲洗，在用无水酒精

清洗磨面，然后用吹风机吹干。

（4）显微试样的浸蚀

金相试样经抛光后，在显微镜下观察只能看到光亮的表面和

夹杂物、石墨、孔洞、裂纹等。要观察金属的组织，必须经过适

当的腐蚀，使显微组织能正确的显示出来。浸蚀方法有化学浸蚀

方法和电解法两种。

化学浸蚀是将抛光好的试样磨面在化学浸蚀剂（常用酸、碱、

盐的酒精或水溶液）中浸润或拭擦一定时间。由于金属材料中各

相的化学成分和结构不同，故具有不同的电极电位，在浸蚀剂中

就构成了许多微电池，电极电位的相位为阳极而被溶解，电极电

位高的相位阴极而保持不变。故浸蚀后就形成凹凸不平的表面，

在显微镜下，由于光线在各处的反射清款不同，就能观察到金属

的组织特征。

纯金属及单相合金浸蚀时由于晶界原子排列较乱，缺陷及杂

质较多，具有较多的能量，故晶界易被浸蚀而呈沟壑。在显微镜

下观察时，使光线在晶界处被浸射而不能进入物镜，因次显示出

一条条黑色的晶界。

应当指出，纯金属与单相合金中各个晶粒的成分虽然相同，

但由于其原子排列位相不同，也会使磨面上个晶粒的浸蚀程度不

一致，在垂直光线照射下，个个经历就呈现出明暗不一的颜色。

化学浸蚀剂的种类很多，浸蚀剂的选用是根据试剂材料的性质及

浸蚀的目的来决定。对于碳钢及铸钢，最常用的浸蚀剂为4%硝酸

酒精溶液或4%苦味酒精溶液。

浸湿时，应将试样浸入一盛有浸蚀剂的容器内，并不断的轻

微移动。待浸蚀适度后取出试样，迅速用水冲洗，再用无水酒精

冲洗，然后用吹风机吹干，其表面须严格保持清洁。

浸蚀时间取决于金属的性质、浸蚀剂的浓度以及显微镜下观

察时的放大倍数。总之，浸蚀时间以在显微镜下能清晰地揭示出

组织的细节为准。若浸蚀不足，可再继续进行浸蚀，但一旦浸蚀

过度。试样则需要重新抛光再进行浸蚀。

五、实验报告要求：

1.说明本次实验的目的；

2.简述本次实验的实验原理；

3.实验材料与实验内容；

4.写出试样制备的实验步骤；

5.画出金相试样浸蚀后的显微组织示意图（画显微组织时应

选择其典型区域，并抓住其组织特征X

实验二铁碳合金平衡组织的显微分析

一、实验目的

1.观察和分析铁碳合金（碳钢和白口铸铁）在平衡状态下的

显微组织，

2.结合课堂内容了解含碳量对铁碳合金中的相及组织组成物

的本质、状态和相对量的影响。

3.熟悉金相显微镜的基本原理、构造及使用。

二、实验仪器、设备和材料

1.XJP-3C金相显微镜

2.纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚共晶铸铁、共晶

铸铁、过共晶铸铁等铁碳合金平衡组织金相图谱

3.几种铁碳合金（纯铁、亚共析钢、共析钢、过共析钢、亚

共晶铸铁、共晶铸铁、过共晶铸铁）平衡组织的显微样品

三、实验原理

铁碳合金的显微组织是研究和分析钢铁材料性能的基础。所

谓平衡状态的显微组织是指合金在极为缓慢的冷却条件下（如实

际生产中的退火状态，即接近平衡状态）所得到的组织。根据课

堂讲授的Fe-Fe3c相图中可以看出，所有碳钢和白口铸铁的室温

组织均由铁素体（）和渗碳体（）的这两个基本相组成。但

FFe3C

由于含碳量不同，铁素体和渗碳体的相对量、析出条件以及分布

情况均有所不同，因而呈现各种不同的组织形态。

各种不同成分的铁碳合金在室温下（接近平衡状态得到的试

样的显微组织见表2-1、

用浸蚀显露的碳钢和白口铸铁，在金相显微镜下具有下面几

种基本组成物。

①铁素体（F）——用3~4%硝酸酒精溶液浸蚀后，在显微

镜下呈现明亮的等轴晶粒；亚共析钢中铁素体呈块状分布，当含

碳量接近于共析成分时，铁素体则呈断续的网状分布于珠光体周

围。

②渗碳体（Fe3C）一是Fe与C的化合物，含量为6.69%,

质硬而脆，耐腐蚀。经3-4%硝酸酒精溶液浸蚀后，Fe3c呈亮白

色；若用苦味酸钠浸蚀，则Fe3c被染成暗黑色或综红色。按成分

和形成条件的不同,Fe3c可呈现不同的形态。一次Fe3a或Fe3Cr）

是直接从液体中析出的，故在白口铸铁中呈粗大的条件片状；二

次Fe3C（或Fe3cli）是从奥氏体中析出的，往往呈网络状沿奥氏

体晶界分布；三次Fe3c是由铁素体中析出，通常呈不边疆薄片状

存在于铁素体晶界处，数量极微，可忽略不计。

③珠光体（P）——是F与Fe3c的机械混合物，在一般退火

处理情况下（近于平衡状态）是由铁素体与渗碳体相互混合交替

排列形成的层片状组织。经硝酸酒精溶液浸蚀后，在不同放大倍

数的显微镜下可以看到具有不同特征的珠光体组织（如图2-1所

示X在高倍放大时能清楚地看到珠光体中平行相间的宽条铁素体

和细条渗碳体；当放大倍数较低时，由于显微镜的鉴别能力小于

渗碳体片厚度，这时珠光体中的渗碳体就吸能看到是一条黑线，

当组织较细或放大倍数再低时，珠光体的片层就不能分辩，而呈

黑色。

莱氏体（Ld）一是在室温时珠光体及二次渗碳体和渗碳体

组成的机械混合物。如含碳量为4.3%的共晶白口铸铁在1147℃

时形成由奥氏体和渗碳体组成的共晶体，其中奥氏体冷却时析出

FesCn,并在727。（：以下分解为珠光体。莱氏体的显微组织特征是

在亮白色的渗碳体基低上相间地分布着暗黑色斑点及细条状的珠

光体。二次渗碳体和共晶渗碳体连在一起，从形态上难以区分。

四、实验步骤

1.在本实验中，学生应根据Fe-Fe3c相图分析各类成分合金

的组织形成过程，并通过对铁碳合金平衡组织的观察和分析，熟

悉钢和铸铁的金相组织和形态特征，以进一步建立成分与组织之

间相互关系的概念。

2.实验前学生应复习讲课中的有关部分并阅读实验指导书,

为实验做好的理论方面的准备。

3.在XJP-3C金相显微镜下对各种试样进行观察和分析，并

确定其所属类型。画出所观察到的显微组织图，抓住组织形态的

特征，并在图中表示出来。

4.根据显微组织近似地确定亚共析钢（20钢或45钢）中的

平均含碳量。

五、实验报告要求

1.说明本次实验的目的。

2.画出所观察过的组织，并注明材料名称、含碳量、（浸蚀

剂）和放大倍样。显微组织图画在直径为30mm的园内，并装组

织组成物名称以箭头引出标明。

3.根据所观察的显微组织近似地确定和估算一种亚共析钢

（20钢或45钢）的含碳量。

实验三碳钢的热处理

一、实验目的

1.了解碳钢的基本热处理（正火、淬火及回火）工艺方法；

2.掌握冷却条件与钢性能的关系；

3.分析正火、淬火及回火温度对钢性能的影响。

二、实验仪器、设备和材料

1.实验材料：20钢，45钢，T12钢；

2.实验设备：箱式实验电阻炉（型号：SX2-8-12、SX2-4-10.

SX2-8-16等1控温仪表、hrss-150洛氏硬度机、水银温度计；

3.淬火介质：水，油（使用温度约20℃X

三、实验原理

1.钢的退火和正火

钢的退火通常是把钢加热到临界温度Aci或AC3以上，保温

一段时间，然后缓慢地随炉冷却。此时奥氏体在低于Ari温度以

下的高温区发生分解而得到比较接近平衡状态的组织。

一般中碳钢（如40、45钢）经退火后组织稳定，硬度较低

（HB180-22）有利于下一步进行切削加工。

正火是将钢加热到AC3或Acm以上30〜50。（：保温后进行空

冷。由于冷却速度稍快，与退火组织相比，组织中的珠光体相对

量较多，且片层较细密；对低碳钢来说，正火后提高硬度可改善

切削加工性；对高碳钢则正火可消除网状渗碳体，为下一步球化

退火及淬火做准备。

2.钢的淬火

淬火是将钢加热到临界温度以上30~50T,保温后淬入各种

不同的冷却介质中快速冷却以获得淬火马氏体或下贝氏体组织。

碳钢经淬火后得到淬火马氏体、下贝氏体和少量的残余奥氏体组

织。为了正确地进行钢的淬火，必须考虑下列三个重要因素：淬

火加热温度、保温时间和冷却速度。

3.钢的回火

回火是将淬火后的钢加热到临界点（Ac。以下的某一温度，保

温一定时间后以适当的冷却速度冷却到室温的热处理工艺。

钢经淬火后得到的淬火马氏体组织是亚稳相，有转变为其它

组织的趋势，同时淬火使工件内部产生很大的内应力，导致工件

变形甚至开裂。特别是一些精密的零件在使用过程中将会引起尺

寸变化而失去精度，因此淬火钢必须进行回火处理。不同的回火

工艺可以使钢获得所需的各种不同性能。对碳钢来说，回火工艺

的选择主要是考虑回火温度和保温时间这两个因素。在实际生产

中通常以图纸上所要求的硬度要求作为选择回火温度的依据，各

种钢材的回火温度与硬度之间的关系曲线可从有关手册中查阅。

四、实验内容

本次实验为综合性实验，包括正火实验、淬火实验及回火实

验。

1.同一加热温度不同材料（含碳量）的正火实验；

2.同一材料（含碳量），同一冷却条件（水冷）不同加热温度

的淬火实验；

3.同一材料(含碳量)，同一加热温度不同冷却介质冷却的淬

火实验；

4.同一加热温度，同一冷却介质冷却(水冷或油冷)，不同材

料(含碳量)的淬火实验；

5.同一材料(45钢)相同淬火条件不同温度的回火实验。

五、实验步骤

1.淬火和正火实验步骤：

根据淬火条件不同，淬火和正火实验分五个小组进行，见表lo

(1)将试样分类，编号，以免热处理过程中混淆;

(2)加热前先将全部试样测定硬度。为便于比较，一律用洛氏

硬度测定；

(3)将电炉升温至表1规定的温度，根据试样钢号，按照表1

规定的淬火和正火加热温度加热，保温时间按表2确定；

(4)各组将淬火及正火后的试样表面用砂纸(或砂轮)去掉氧化

皮并磨平，测出硬度值(HRC)分别填入表1中。

表1淬火与正火实验

组SU加热温冷却方20钢45钢T12钢

度式处理前硬处理后处理前处理后处理前处理后

(℃)度(HRC)硬硬硬硬硬

度(HRC)度(HRC)度(HRC)度(HRC)度

(HRC)

11000水冷

2750水冷

3860空冷

4860油冷

5860水冷

注1~4组每种钢号各一块；5组除20、T12钢各一块外，45钢取6

块，其中5块供回火用。

表2碳钢在箱式电阻炉中加热时间的确定

工件形状

加热温度

圆柱形方形板形

(℃)

分钟/毫米直径分钟唇米厚度分钟/毫米厚度

7001.52.22

8001.01.52

9000.81.21.6

10000.40.60.8

2.回火实验步骤：

⑴将已经正常淬火并测过硬度的45钢试样分五个小组(见表

3)，做好记录；

(2)各小组试样分别放入表3规定温度的炉内加热，保温30

分钟，然后取出空冷；

(3)用砂纸磨光试样表面，分别在洛氏硬度机上测定硬度值，

将测定的硬度值分别填入表3中。

表3回火实验

组别12345

回火温度(°C)200300400500600

回火前硬度

(HRC)

回火后硬度

(HRC)

六、注意事项

1.本实验加热所用加热炉为电炉，由于炉内电阻丝距离炉膛

较近，容易漏电，所以电炉一定要接地，在放、取试样时必须先

切断电源;

2.往炉中放、取试样必须使用夹钳，夹钳必须擦干，不得沾

有油和水。开关炉门要迅速，炉门打开时间不宜过长；

3.试样由炉中取出淬火时，动作要迅速，以免温度下降，影

响淬火质量；

4.试样在淬火液中应不断搅动，否则试样表面会由于冷却不

均而出现软点；

5.淬火时水温应保持20〜30T左右，水温过高要及时换水；

6.淬火或回火后的试样均要用砂纸打磨表面，去氧化皮后再

测定硬度值。

七、实验报告要求

1.明确本次实验目的；

2.简述本次实验的实验原理；

3.实验材料与实验内容；

4.实验步骤；

5.分析化学成分(C%)、加热温度与冷却速度对钢性能的影响

并加以讨论；

6.绘制出45钢回火温度与硬度的关系曲线图并加以讨论；

7.分析实验中存在的问题；

8.实验结论。

《焊接冶金与金属焊接性》实验指导书

实验一焊舞金属中扩散氢的测定

焊缝金属中的氢是造成气孔和冷裂纹等焊接缺陷的主要原因

之一，因此，控制焊缝金属的含氢量是个较为重要的问题。

一、实验目的

1.掌握焊缝金属中扩散氢的测定方法；

2.了解焊条干湿度对焊缝金属中扩散氢含量的影响。

3.了解HD-4扩散氢测定仪使用方法。

二、实验设备、仪器和材料

1、实验设备、仪器

ZX7-400逆变直流手工焊机（1台）；HD-4扩散氢测定仪（1

台）；烘箱（1台）；架盘天平、吹风机、秒表、干湿温度计等（各

2、实验材料

焊条E4303和E5015若干；Q235钢试样

（40mmx25mmx12mm,30块）；氢气（1瓶）；氮气（1瓶1

三、实验原理

本实验采用HD-4扩散氢测定仪以气相色谱热导方法测量焊

缝金属扩散氢容量。HD-4扩散氢测定仪包含取样器和分析器。分

析器为一专用气相色谱仪，以纯氮气作载气。待测试样储于取样

器的试样筒中，经过一定时间后试样中的扩散氢扩散出并保留在

试样筒中。用氮载气将试样筒中的气体载入气相色谱系统进行分

离，分离出的氢气由热导池进行检测，检测信号用微机进行处理、

计算并打印出焊缝金属中扩散的氢气量（ml）。

根据测得的扩散氢的含量，按下式计算出焊缝金属试样（熔

敷金属）中扩散氢的含量：

HDM=VS/（W2-WI）xlOO

式中HDM——熔敷金属中扩散氢含量（ml/100g）;

Vs——测得的扩散氢在标准状态下的体积量（ml）;Wi——试

块重量（g）;W2——试块和熔敷金属总重（gX

在校正和分析时计算机进行如下计算：

（1）将校正氢气的体积从现场气压和室温计算到标准状况。

Vo=PiVi/TixTo/Po

式中Vo--校正氢气（剂量腔在校正时注入的氢气）在标准

状况下的体积（ml）;P1--现场气压（hPa）;V1--校正氢气

在室温和现场气压下的体积,即校正阀剂量腔的容积（ml）;Ti

--室温（K）;To--273K;Po--1013hPao

对于仪器来说，只要输入Pi,Ti两参数即可算出Vo,因其他

参数及算法程序已被固化。

⑵校正积分值的均值的计算。

Fo=IFi/i

式中Fo--校正积分值均值；IFi--所作每次校正积分值的

总和；i--有效校正次数（i=l~201

⑶计算被分析氢的体积

VH=FH/FQXVO

式中VH--被测取样器相应试样筒中扩散氢在标准状况下的

体积；FH--被测取样器相应试样筒中扩散氢经微机检测计算出

的积分值。

本实验采用E4303焊条施焊，测定熔敷金属中扩散氢的含量。

四、实验方法及步骤

1、试样准备

（1）加工试件

试样尺寸为40x25x12mm,预先在250±10℃加热6~8h进

行去氢处理，而后清理表面的氧化物，再用乙醇去水，乙醛去油

吹干冷却后称重，设为（精确到0.1g）；

⑵焊条烘干

E4303焊条烘干温度为150T,保温时间为lho烘干后的焊

条在100~I2（rc保温，随用随取。

（3）将3个脱了氢的试块（中间试块40x25x12mm）对在一

起，用焊条（焊丝）在其上焊一条缝（焊接时间一定〕，然后迅速

浸入冰水（或流动的冷水）中冷却，然后擦干水珠，将3个试块

打断。

（4）取中间一个试块在酒精中清洗后吹干，迅速装入取样器的

1#试样筒中（这时转换阀柄指示1#位置）,用氮气置换筒中空气,

将转换阀转到2#位置。从焊接开始到试样筒中的时间间隔越短越

好，一般应不超过60秒。

（5）重复1和2项操作，在2#,3#和4#试样筒中装入试样。

将转换阀从4#位置转到0#位置，在0#试样筒中装入一块分析过

的试块。逆时针旋转取样器把柄一周，使指示箭头指向0#筒（以

使取样器的各个试样筒的气压接近常压X

（6）取样器放入45恒温箱中保温48~72小时。（注意取样器

一定要正向平放）

2、主机操作

（1）主机面板介绍（参见图1和图2）

⑵仪器分析操作

图1HD-4扩散氢测定仪前面板

干燥剂分子筛柱箱及连接头

稳压阀

4）在干燥管中装入刚烘干的高氯酸镁。

5）将取样器接在取样器接头上。

6）电源线接在交流220V电源上。

7）打开氮气钢瓶并调节其上的减压阀，将输出气压调节到

0.15~0.20MPo

8）调节稳压阀并打开截止阀使流量计指示氮气流量在250-

压力表指示在

300ml/min,0.06~0.10MPo

9）打开氢气截止阀，调节氢气瓶减压阀。以手触摸氢气出口,

有轻微毗毗声和稳定不断的流量即可。关闭氢气截止阀。

10）打开电源开关。此时微机开始运作，呈等待状态，控制

表头显示'P——'字样（若出现异码，点按键盘‘系统复位’

键），信号表头显示未接通电桥时的电路瞬时输出值。

11）合上电桥电源，等待30-60分钟，以使仪器电路上电

及热导输出稳定，便可以对仪器进行分析操作，其间需注意查看

各个气路是否保持稳定。（这时信号表头显示接通热导池时的电路

输出瞬时值）

12）按‘设定’键，对日期、气压、温度、测试初始序列号

进行设定。d、‘p'、’c'、’n'依次代表这四个参数，

以‘一‘移位键选中，配合’T'及键即可对参数进行修改

调整，按‘确认’键表示微机确认参数。参数输入格式采用四位,

例如9月8日请键入0,9,0,8四数字键，不足四位的参数高

位补上’0',气压单位采用百帕（hp）,温度单位采用摄氏度

（℃工如果仪器未设定参数，微机将按默认值运算。

13）按‘校正’键，以对仪器进行校正。程序将先检查电路

信号是否归零，如果不为零，控制显示表头会显示‘b——‘字

符，此时按下‘桥零’键并监测信号表头至显示为零为止。这时

控制表头会显示‘L-XX'字符（XX代表校正次数序列号），打开

氢气截止阀，拉出计量器圆形把柄（此时氢气瓶中的氢气就会冲

洗并注满计量腔X经过程序延时约18秒钟，控制表头出现‘P-

XX，字样，这时关闭截止阀，推进计量腔把柄，程序自动检测氢

气的到来并在控制表头显示积分值，氢蜂过后约4秒钟仪器自动

打印出校正序列号和积分值，而后仪器进入‘p——‘等待状

态。可校正和其他操作。（在第一次校正时仪器先打印设定的参数

值）

14）按‘测量’键可对取样器的各个取样筒中扩散出的氢气

进行测量：旋转取样器上方的转动柄至有待测试样的取样筒，待

仪器信号显示稳定按‘测量’键，微机系统会对色谱峰进行自动

检测并打印出结果。分析结束后仪器进入‘P——‘等待状态。

前部分是测量氢气，后部分监测氮气。测量结束后仪器进入等待

状态。（旋转方向0-1、1-2、2->3、3-4#\而后旋转转动柄

和按‘测量’键可对其他取样筒进行测量。

15）测量完毕后，将取样器转至0#位置。关闭电桥电源和

主机电源，等待约10分钟，关闭截止阀，氢气瓶和氮气瓶总阀及

减压阀，从主机上取下取样器。

16）打开取样器的试样筒，取出试块，称重并按公式计算出

熔敷金属中扩散氢的含量。

17）实验结束后，将仪器、仪表恢复到原始状态，并清理现

场。

五、实验报告要求

（1）分析实验数据，并计算焊缝中扩散氢的含量；

⑵分析实验中存在的问题；

⑶实验结论。

实验二斜Y型坡口焊缝裂纹实验

一、实验目的

1、掌握斜Y型坡口实验方法；

2、掌握实验中出现的各种问题的正确分析；

3、掌握焊缝在应力集中、拘束状态下以及粗晶区脆化造成焊

缝的开裂的原因。

4、掌握用预热缓冷的方法防止冷裂纹的具体措施。

二、实验仪器、设备和材料

1、实验设备：ZX7-400逆变直流手工焊机；焊条烘干箱；氧

气瓶、减压阀、乙焕瓶、减压阀、焊炬一套、1000℃温度计等。

2、焊接试板：45钢或40Crt冈(也可根据实际情况确定)；尺

寸200x75x20(mm),经过机械加工保证零件尺寸，按照图示

开坡口。板厚可根据实际情况确定。

3、焊接材料及工艺参数

焊条型号：E4303.E5015(根据试板钢号确定)；焊条直径：

4mm、焊接电流/I:170±10/A、电弧电压/U:24±2/V、焊接

速度/u:150±10mm/mino

三、实验设计及实施的指导

(-)焊前准备

1、焊接前清理试件表面油污和铁锈。

2、酸性焊条烘干150±10。（：保温1小时，碱性焊条烘干

300±10。（：保温2小时箱断电保温随用随取。

（二）确定焊接参数及工艺

1、焊接参数

焊接速度电弧电压;焊接电流：

170/mm/min;24V170Ao

2、焊接工艺

如果在焊接拘束焊缝时可采用小一点的电流保证拘束焊缝不

出现裂纹，当裂纹不可避免时，可换强度低一级的焊条。焊完拘

束焊缝后要保证试板平整，不得有大于2°的角变形，确保实验焊缝

根部间隙2mm。

（三）焊接

焊接拘束焊缝

将试板放置在工作台上装配，通过点固焊、矫正使试板呈5。~

7。左右的反变形量焊接拘束焊缝应正反面进行焊接可从实验焊缝

上部引弧进入实验焊缝进行焊接，也可从实验焊缝中直接进行焊

接。实验焊缝只焊一道，运条要均匀、电弧要保证平稳、焊条不

做横向摆动，焊条与工件夹角75°,收弧处不得有弧坑裂纹。焊好

后的试板放置24h后进行解剖。

（四）试样制备

1、检查表面裂纹率

切割试样前首先清理试板表面的焊渣，检查表面裂纹率。

2、切割试样

试样尺寸16mmx12mmx12mm。为保证焊接熔合区组织的

可靠性，切割试样可采用无齿锯、线切割和氧乙焕熔割方法。每

块试板切割不少于五块试样。

3、试样修整

对切割下的试样首先清理毛刺，并检查根部裂纹率和断面裂

纹率。将检查的结果记录，填入公式进行计算。

（五）场地清理

实验结束后，将仪器、仪表恢复到原始状态，并清理现场。

四、实验成绩评定

按照焊接试样准确、制备试样熟练、检测的熟练、实验结果准

确、实验报告描述清楚，以及出勤、实验态度、团结协作、按时

完成实验报告评定成绩。

实验三插销实验

一、实验目的

（1）初步掌握冷裂纹插销实验法；

⑵学会使用有关实验仪器、设备；

⑶加深对于影响冷裂倾向的三大因素的认识；

（4）了解具体钢种插销实验数据的处理方法。

二、实验设备、仪器和材料

⑴ZLT-5B型插销实验机（1台）；

（2）TF-WI-MT型x-y函数记录仪（1台）；

⑶BZ2205C型程控静态电阻应变仪（1台）；

（4）DR-500型储能点焊机（1台）；

⑸WSM-400逆变直流脉冲氮弧焊机（1台）；

⑹焊条烘箱（1台）；

⑺标准插销试件（若干）；

（8）钢板:Q235钢，200x300x20mm（1块）；

⑼E4303焊条、钻头、平头挫刀、深度尺、钻床等

三、实验原理

焊接冷裂倾向的测定方法很多，常用的方法有：最高硬度法、

斜坡口对接裂纹实验（通常称为"小铁研裂纹实验"）、刚性拘束裂

纹实验（RRC实验）、拉伸拘束实验（TRC实验）、插销实验等。本

实验用插销实验测定合金结构钢的冷裂倾向，它是一种定量评定

的方法。

插销实验的原理为：将被实验钢材加工成一定形状的插销试

棒，实验时把插销插入底板中，使插销顶端与底板上表面齐平，

然后在底板上通过插销端部施焊一条实验焊缝，如果采用环形缺

口的插销，熔深应该是使缺口位于靠近熔合线的粗晶区内。当实

验焊缝冷却到150（时，对插销施加选定的拉伸载荷，并保持这

一载荷直至插销断裂。拉伸应力越小，插销承裁的时间越长。当

拉伸应力等于或小于某一数值时，插销就不再断裂，此时的应力

称为“临界应力"，以。cr表示。它可以作为评价被实验材料的焊

接冷裂纹敏感性的指标。

图2-1为含氢的钢材断裂时间与拉伸应力的关系曲线。横坐

标表示拉伸应力作用的时间，纵坐标表示试件所受的拉伸应力。

曲线1为材料的起裂曲线，曲线2为材料的断裂曲线。由图可见,

含氢钢加载断裂时存在一个上临界应力Ouc,超过此应力值试件很

快断裂，没有延迟破坏的现象。此外，还存在一个下临界应力Ocr,

低于该应力值时不管加载时间多长试件都不断裂。当应力值在5

和Ocr之间时，就会产生由氢引起的延迟断裂。试件的断裂可经过

两个阶段，由加裁到产生微裂之前的裂纹潜伏期，然后为裂纹扩

展阶段，最后达到断裂。

四、实验步骤

（1）按图2-2连接实验仪器设备，检查插销实验机运行是否正

常，检查所有仪表的工作状态是否正常。

图2-2插销试验装置示意图

⑵检测插销试棒和底板的形状尺寸（见图2-3和图2-4）是

否符合要求。

图2-3插销试件的形状和尺寸

图2-4底板形状和尺寸

⑶清理试验底板，并用储能焊机在插销孔两侧的不通孔内点

焊热电偶。

（4）将合格的插销试件装在实验机上，试件带缺口或螺纹的一

端端面与底板上表面齐平。

⑸根据插销材料的屈服极限值及实验要求估算施加的试验

拉伸应力3,并按下列公式换算成预加应变值&，在静态电阻应变

仪上预先调好。

应变换算公式：，式中A为插销试棒缺口处截面积（mm2）;K

为传感器的标定系数(1/N1

(6)焊条按要求进行烘干，烘干后测定扩散氢含量。

⑺按试验要求对接头进行预热。不预热时，试件的初始温度

为室温。

(8)按预先选定的规范采用手工电弧焊，在底板上垂直于底板

纵向，并通过插销顶部的中心堆焊一条长100mm~500mm的焊

缝。同组试验中焊道长度应相等。记录焊接规范的数值，在x-y

记录仪上自动记录焊接热循环曲线。

⑼按预定的应力值从传感器标定图上查出对应的应变值，调

节应变仪悬钮使指针指向此值。

(io)焊件冷却到15CTC时开始施加预定拉伸应力3,并应在1

分钟内且在冷却至100℃以前加载完毕。加载后使静态应变仪的

指针为零。

(11)调好电动时钟微动开关，记录从加载完毕到插销试棒断裂

的时间tio在无预热时保持载荷16h,在有预热时保持载荷24h,

仍不断裂时即可卸裁。

(12)重复上述步骤，只改变预加拉伸应力。

(13)重复1~12步，只改变焊条的烘干规范。

(14)重复1~12步，只改变底板预热温度。

（15）实验结束后，将仪器、仪表恢复到原始状态，并清理现场。

五、实验报告要求

⑴明确本次实验目的；

⑵简述本次实验的实验原理；

⑶实验材料与实验内容；

（4）实验步骤；

⑸分析实验数据；

（6）分析实验中存在的问题；

《焊接结构》实验指导书

实验一不同焊接参数下平板变形量测量与分析

一、实验目的

1、掌握不同焊接参数下平板变形量测量的基本方法。

2、掌握不同焊接参数下平板变形的规律。

二、实睑仪器、设备和材料

㈠焊接方法及设备

焊接方法：手工电弧焊

焊接设备：交流弧焊机及其辅助设施

㈡实验条件

1.试件尺寸：2mmx150mmx300mm（Q235钢）

2.试件材料：Q235A、

3.焊接规范：

见下表

板厚焊接电流

2mm钢60A90A120A

4.测点分布

如下图1所示

图12mm板测点分布

㈢测量工具与仪器

测量仪器包括：1、游标卡尺；2、钢板尺。

三、实验原理

使用游标卡尺分别测出焊前、焊后的高度h,分别记为hl.h2

填入附表内，其差值即为焊接所引起的挠曲变形。对2mm板需测

量图1中J、K、L、M、N、P、Q、R八条竖线上的挠曲变形。

图2变形测量示意图

四、实验步骤

1、了解测量挠曲变形的工辟口方法。

2、对试件初始状态所有数据进行测量。

3、对2mm按表1中的三种规范各焊一块。

4、测量试件焊后的所有数据。

5、对测量结果进行分析。

五、实验结果及思考

1、按附表内容把测量数据或计算结果填入表内。

2、分析不同焊接参数下2mm焊板变形的特点。

实验二不同焊接方法下平板变形量测量与分析

一、实验目的

1、掌握不同焊接方法下平板变形量测量的基本方法。

2、掌握不同焊接方法下平板变形的规律。

二、实验仪器、设备和材料

㈠焊接方法及设备

焊接方法：手工电弧焊，二氧化碳气体保护焊

焊接设备：交流弧焊机及其辅助设施

㈡实验条件

1.试件尺寸：2mmx150mmx300mm（Q235钢）

2.试件材料：Q235A、

3.焊接规范：

见下表

板厚焊接电流

2mm钢90A

4.测点分布

如实验一图1所示。

㈢测量工具与仪器

测量仪器包括：1、游标卡尺；2、钢板尺。

三、实验原理

使用游标卡尺分别测出手工电弧焊和二氧化碳气体保护焊下

焊前、焊后的高度h,分别记为hl、h2填入附表内，其差值即为

焊接所引起的挠曲变形。对2mm板需测量实验一图1中J、K、L、

M、N、P、Q、R八条竖线上的挠曲变形。

四、实验步骤

1、对试件初始状态所有数据进行测量。

2、在手工电弧焊和二氧化碳气体保护焊下对2mm按表1中

的规范各焊一块。

3、测量试件焊后的所有数据。

4、对测量结果进行分析。

五、实验结果及思考

1、按附表内容把测量数据或计算结果填入表内。

2、分析不同焊接方法下2mm焊板变形的特点。

实验三不同焊接位置下平板变形量的分析

一、实验目的

1、掌握不同焊接位置下平板变形量测量的基本方法。

2、掌握不同焊接位置下平板变形的规律。

二、实验仪器、设备和材料

㈠焊接方法及设备

焊接方法：二氧化碳气体保护焊

焊接设备：交流弧焊机及其辅助设施

㈡实验条件

L试件尺寸：2mmx300mmx300mm（Q235钢）

2.试件材料：Q235A、

3.焊接规范：

见下表

板厚焊接电流

2mm钢90A

三、实验步骤及内容

1、在二氧化碳气体保护焊下，分别采用立焊、平焊、仰焊对

2mm按表上中的规范各焊一块。

2、在二氧化碳气体保护焊下，分别采用板横向位置放置和纵

向位置放置时，按表上中的规范各焊一块

3、分析不同焊接位置下平板的变形规律。

四、实验结果及思考

1、分析不同焊接位置下2mm焊板变形的特点。

实验四焊接变形的矫正

一、实验目的

1、了解和掌握焊接变形矫正方法的原理、特点和应用范围。

2、熟悉和掌握手工锤击的具体操作技术和矫形工艺。

二、实验仪器、设备和材料

1、钢板尺、游标卡尺。

2、手锤。

3、两块2mm钢板。

三、实验原理

手工锤击是采用手锤，锤击焊缝及其附近金属，使其产生一

定的延展，以抵消焊接所产生的压缩塑性变形，从而达到矫形的

目的。

这种方法无需大型设备，工具简单、操作灵活，广泛应用于

薄板结构焊接变形的矫正。但这种方法有劳动强度大、工作效率

低、环境噪音大、工件表面质量差等缺点。

四、实验步骤

1、对试件初始状态所有数据进行测量。

2、对2mm按实验二表］.中的规范焊一块。

3、用手工锤击的方法将2mm厚钢板的挠曲变形矫正到小于

1.5mm。

五、实验结果及思考

1、简述手工锤击矫正焊接变形的工作原理，优缺点及适用范

围。

附表

线能量与挠曲变形关系数据记录表

试件板厚2mm

1=U=

测点

V=

位置

挠曲变形(mm)

hlh2

1

2

3

4

5

6

7

8

平均

hl-焊前挠曲变形h2-焊后挠曲变形

《焊接方法及设备》实验指导书

实验一不同酸碱度焊条的焊接工艺性

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、实验仪器、设备和材料

1,手工电弧焊机1台

2.烘箱1台

3.试板A3钢8=16mm若干

4.电焊条E4303(J422)①4mm15根

5.电焊条E5015(J507)①4mm15根

6.游标卡尺1把

三、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①来表示熔深和熔宽的关系：

①二B/H（式1-1）

①值大表示焊缝宽而浅；反之，表示窄而深。①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，①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Y»在焊接合金钢时，调

整熔合比Y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