金属材料焊接工艺 第3版 教案 21 习题课、耐热钢的类型与性能- 30 铝及铝合金的焊接

授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号21授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：习题课教学目标：重点难点及解决方法：授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号22授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第五章耐热钢的焊接1、耐热钢的类型与性能2、低、中合金耐热钢的焊接教学目标：知识目标：1、了解耐热钢的性能类型2、了解低、中合金耐热钢的焊接性能力目标：1、知道耐热钢对焊接接头的要求2、熟悉低、中合金耐热钢的焊接工艺特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生必须熟记耐热钢的各种分类方法。举例说明低、中合金耐热钢的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：1．对耐热钢焊接接头有哪些基本要求？2．耐热钢中含有哪些合金元素？这些合金元素的作用是什么？合金元素的质量分数有何特点？3．低、中合金耐热钢的性能有何特点？其焊接性如何？4．试分析低、中合金耐热钢的焊接工艺要点。课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1耐热钢的类型在高温下工作，并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金称之为耐热钢。耐热钢广泛用于石油化工工业中的高温管线、反应塔和加热炉、热电站的锅炉和汽轮机、汽车和船舶的内燃机、航空航天工业的喷气发动机、核能动力装置等高温装置。耐热钢分为:（按特性分）热稳定钢--在高温状态下具有抗氧化或耐气体介质腐蚀的一类钢，如常用的铬镍钢（Cr25Ni20、Cr25Ni20Si2等）和高铬钢（Cr17、Cr25Ti等）；热强钢--在高温状态下既具有抗氧化或耐气体介质腐蚀，又必须具有一定的高温强度的一类钢，主要有高铬镍钢（1Cr18Ni9Ti、4Cr25Ni20等）以及多元合金化的以Cr12为基的马氏体不锈钢（1Cr12MoWV）等。按合金元素质量分数分类分为低合金耐热钢，其合金系有Mo、Cr-Mo、Mo-V、Cr-Mo-V、Mn-Mo-V、Mn-Ni–Mo和Cr-Mo-Ti-B等；中合金耐热钢，其合金系有Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Mo-Nb和Cr-Mo-W-V-Nb等；高合金耐热钢，其合金系有Cr-Ni、Cr-Ni-Ti、Cr-Ni-Mo、Cr-Ni-Nb、Cr-Ni-Mo-Nb、Cr-Ni-Mo-V-Nb和Cr-Ni-Si等。按组织分类分为珠光体耐热钢、马氏体耐热钢、铁素体耐热钢和奥氏体耐热钢。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2耐热钢的性能1．高温化学稳定性高温化学稳定性主要是指高温抗氧化性，有时还要求具有抗氢腐蚀性。2．高温力学性能高温力学性能主要指热强性。提高热强性的措施：（1）利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力；（2）形成稳定的第二相，主要是碳化物相（WC等）。（3）强化晶界，如控制晶粒度，加入微量细化晶粒的合金元素（B、Re）等。能力知识点3对耐热钢焊接接头性能的基本要求等热强性2．焊接接头的抗氧化性3．焊接接头组织的稳定性4．焊接接头的物理均一性.填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段低、中合金耐热钢的焊接能力知识点1低、中合金耐热钢的成分与性能特点成分是以Cr、Mo为主要合金元素铬的质量分数在0.5％～12.5％之间，钼的质量分数为0.5％或1％，室温组织以珠光体为主，因此又称为珠光体耐热钢。具有良好的抗氧化性和热强性，还具有一定的抗硫和氢腐蚀的能力，同时具有很好的冷热加工性能。主要应用于在600℃以下工作的动力、石油化工等工业设备中。按合金化方式可将低碳低合金耐热钢分为以下三类：（1）Mo钢Mo钢是最早使用的低合金耐热钢，Mo的质量分数为0.5％。Mo的主要作用是固溶强化，提高钢的热强性。现在应用很少。（2）Cr-Mo钢为了改善Mo钢的石墨化问题，提高钢的组织稳定性，进而提高热强性，在Mo钢中加入一定量的Cr，Cr能使碳化物具有一定的热稳定性，阻止石墨化。Cr-Mo钢的使用温度可以提高到550℃。（3）多元复合合金化的低合金耐热钢除固溶强化外，钢中加入了Ｖ、Ｔi、Ｂ等微量元素进行时效强化和晶界强化，进一步提高钢的热强性和高温组织的稳定性。其合金系统有Cr-Mo-V，Cr-Mo-W-V，Cr-Mo-W-V-B，Cr-Mo-V-Ti-B等。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点2低、中合金耐热钢的焊接性1．热影响区淬硬性及冷裂纹低合金耐热钢的主要合金元素是Cr和Mo，能显著提高钢的淬硬性。如果在焊接时冷却速度过快，则在焊缝及热影响区形成对冷裂纹敏感的马氏体和上贝氏体等组织。如图5-1所示，12Cr2MoWVTiB钢氩弧焊焊接接头的过热区出现了粗大的马氏体组织。2．消除应力裂纹倾向低合金耐热钢中的Cr、Mo、V、Nb、Ti等元素属于强碳化物元素，若结构拘束度较大，那么在消除应力处理或高温下长期使用时，在热影响区的粗晶区容易出现消除应力裂纹。图5-2为10CrMo910钢焊接接头在620℃回火处理后出现的消除应力裂纹。消除应力裂纹一般在500～700℃敏感温度范围内形成，并且出现在残余应力较高的部位，如接头咬边、未焊透等应力集中处，这些部位在加热过程中，残余应力释放，蠕变变形较大，更容易出现裂纹。为了防止消除消除应力裂纹，可采取下列措施：1）选用高温塑性优于母材的焊接材料，严格控制母材和焊接材料的合金成分，特别是要限制V、Nb、Ti等合金元素的含量到最低的程度。2）将预热温度提高到250℃以上，道间温度控制在300℃左右。3）采用低热输入焊接工艺和方法，缩小焊接接头过热区的宽度，细化晶粒。4）选择合理的热处理工艺，避免在敏感温度区间停留较长时间。3．热影响区的软化低合金耐热钢焊接接头热影响区存在软化问题，其软化区的金相组织特征是铁素体加上少量碳化物，在粗视磨片上观察到一条明显的“白带”，其硬度明显下降。软化区的存在对室温性能没有什么不利的影响，但在高温长期静载拉伸条件下，接头往往在软化区发生破坏。4．回火脆性Cr-Mo耐热钢及焊接接头在350～500℃温度区间长期运行过程中发生脆变的现象称为回火脆性。焊缝金属回火脆化的敏感性比母材大，这是因为焊接材料中的杂质难以控制。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点3低、中合金耐热钢的焊接工艺要点1．低合金耐热钢的焊接工艺低、中合金耐热钢一般在预热状态下焊接（定位焊同样需要预热），焊后大多要进行高温回火处理。多层焊时应保持道间温度不低于预热温度。焊接过程中尽量避免中断，不得以中断焊接时，应采取缓冷措施；重新施焊的焊件仍需预热，焊接完毕应将焊件保持在预热温度以上数小时，然后再缓慢冷却。（1）焊接方法常采用的熔焊方法有焊条电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊和电渣焊,但常以焊条电弧焊为主，埋弧焊和气体保护焊的应用也越来越多。（2）焊前准备焊前准备的内容主要包括下料、坡口加工、热切割边缘和坡口面的清理以及焊接材料的预处理。一般的低合金耐热钢工件，可以采用各种热切割下料。为防止厚板热切割边缘的开裂，应采取下列工艺措施：1）对于所有厚度的2.25Cr-Mo、3Cr-1Mo型钢和15mm以上的1.25Cr-0.5Mo钢板，热切割前应将割口边缘预热150℃以上。2）对于15mm以下的2.25Cr-Mo钢板，热切割前应预热100℃以上。热切割边缘应作机械加工并用磁粉探伤检查是否存在表面裂纹。焊接材料在使用前应作适当的预处理。埋弧焊丝用光焊丝，表面要清理干净。镀铜焊丝应将表面积尘和污垢仔细清理。焊条和焊剂要妥善保管，在使用前，应严格按工艺规程的规定进行烘干。表5-3列出了几种常用低合金耐钢的焊条和焊剂烘干温度。（3）焊接材料焊接材料的选择原则应保证焊缝金属的合金成分、强度性能与母材基本一致。若二者成分相差很大，则焊接接头在长期高温条件下工作时，会因成分不均匀而导致合金元素扩散，使焊接接头的高温性能不稳定；焊缝强度不能选得过高，以免使焊缝塑性变差，甚至产生冷裂纹。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段焊接材料中碳的质量分数应略低于母材，其wc<0.12％，但不得低于0.07％，否则会造成焊缝金属的冲击韧度、热强性等降低。含碳量对10CrMo910钢焊缝金属冲击韧度的影响如图5-3所示，焊缝金属wc＝0.08％时的韧性明显高于wc＝0.05％的焊缝。（3）预热和焊后热处理低合金耐热钢预热温度范围一般80～150℃，；局部预热时，必须保证预热宽度大于焊件壁厚的4倍，且不能少于150㎜。对于低合金耐热钢来说，焊后热处理的目的不仅是消除焊接残余应力，更重要的是改善组织，提高接头的综合性能。低合金耐热钢焊后一般作高温回火处理，回火参数主要是加热温度和保温时间。回火温度的范围在580～760℃。2．中合金耐热钢的焊接（1）焊接方法应优先选择低氢的焊接方法。如钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊等。在厚壁焊件中，可选择焊条电弧焊、埋弧焊和电渣焊。但必须采用碱性药皮焊条和焊剂。（2）焊前准备切割之前，必须将切割边缘200mm宽度内预热到150℃以上。切割面应采用磁粉探伤检查是否存在裂纹，焊接坡口应机械加工，坡口面上的热切割硬化层应清理干净，必要时应作表面硬度测定加以鉴别。接头坡口形式和尺寸的设计原则是尽量减少焊缝的横截面积。（3）焊接材料焊接材料选择原则是在保证焊接接头具有与母材相当的高温蠕变极限和抗氧化性的前提下，改善其焊接性。其方案有两种：一是选用高铬镍奥氏体焊接材料；二是选择与母材化学成分相近的中合金耐热钢焊接材料。（4）预热和焊后热处理预热和焊后热处理是焊接过程中不可缺少的重要工序。预热是防止裂纹，降低接头硬度和焊接应力；焊后热处理的目的在于改善焊缝金属及其热影响区的组织，使淬火马氏体转变成回火马氏体，降低接头区的硬度，提高其韧性、变形能力和高温持久强度并消除内应力。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页2015—2016学年第一学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师姚佳授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号23授课日期12月17日月日月日月日授课班级13机制-1教学内容：3、高合金耐热钢的焊接教学目标：知识目标：了解高合金耐热钢的焊接性能力目标：熟悉高合金耐热钢的焊接工艺特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：举例说明高合金耐热钢的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1高合金耐热钢的焊接性按其组织特征可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型和弥散硬化型四类。按其基本合金系统可分为铬镍型和纯铬型两类。高合金耐热钢与低、中合金耐热钢相比，具有独特的物理性能。如表4-1所示（教材P67），由表中的数据可见，与碳钢相比，奥氏体耐热钢的热系数较大，导热率较低，导致焊件变形较为严重，焊接过程需加以控制。一、奥氏体耐热钢的焊接性1.铁素体含量的控制奥氏体耐热钢焊缝金属中铁素体含量关系到抗热裂性、σ相脆化和热强性能。从抗热裂性能角度出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体，但从σ相脆化和热强性能角度考虑，铁素体含量越低越好。妥善和合理地解决这一矛盾是奥氏体耐热钢焊接的核心问题。不同成分的铬镍焊缝金属在焊后状态的铁素体含量可按德龙（Delong）焊缝组织图来确定，如图5-4所示。奥氏体焊缝金属的力学性能与其铁素体含量存在一定的关系，随着铁素体含量的增加，奥氏体铬镍焊缝金属的常温抗拉强度提高，而变形能力下降；尤其是高温抗拉强度、高温持久强度及低温韧性随之明显下降。因此，对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量，在某些场合下还必须采用全奥氏体的焊缝金属。2.σ相脆化铬镍奥氏体不锈钢和焊缝金属在高温下持续加热过程中也会发生σ相脆化。在奥氏体不锈钢中，σ相析出的温度为650～850℃。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段σ相的出现使奥氏体不锈钢缺口冲击韧度明显降低，另外σ相对奥氏体抗高温氧化性和接头的高温蠕变极限也有一定的有害作用。因此必须采取相应措施控制奥氏体焊缝金属的σ相转变。防止奥氏体不锈钢焊缝金属σ相形成的最有效措施是调整焊缝金属的合金成分，严格限制Mo、Si、Nb等加速σ相形成的元素，适当降低Cr含量并相应提高Ni含量。二、铁素体耐热钢的焊接性铁素体耐热钢是以低碳高铬Fe-Cr-C合金为主，并加入Al、Nb、Mo和Ti等铁素体化元素。铬的质量分数高于21％的铁素体耐热耐热钢在600～800℃温度范围内长时间加热时，会形成σ相。在800℃高温，σ相形成速度可达到最高值；在较低的温度下，σ相形成速度减慢而需要较长时间。铬的质量分数大于17％的高铬钢在450～525℃之间温度下加热，会产生475℃脆性，故对铁素铁耐热钢，应避免在450～525℃的温度区间进行焊接接头的焊后热处理。三、马氏体耐热钢的焊接性马氏体耐热钢的合金系统基本是Fe-Cr-C，通常铬的质量分数在11.5～18％。这些钢几乎在所有的冷却条件下都转变成马氏体组织，能够淬硬，冷裂倾向很大，故这类钢的焊接性很差。能力知识点2合金耐热钢的焊接工艺要点一、奥氏体耐热钢的焊接工艺要点可以采用所有的熔焊方法焊接。在拟定奥氏体耐热钢焊接工艺时应考虑其特殊的物理性能，即低的热导率、高的电阻率、高的线膨胀系数以及高度致密的表面保护膜等。奥氏体耐热钢含有大量对氧亲和力较高的元素，因此不论采用何种焊接方法，都必须利用焊剂、焊条药皮和惰性保护气体对焊接熔池和高温区作良好的保护，以使决定热强性的基本元素保持在所要求的范围内。奥氏体耐热钢焊接材料选择的原则：在无裂纹的前提下保证焊缝金属的热强性与母材金属基本相等。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段1.焊条电弧焊工艺应选择较小的焊接电流，或选用耐发红的奥氏体不锈钢的焊条。施焊过程应采用窄焊道技术，以加快冷却速度，焊道宽度不应超过焊芯直径的4倍，多层焊每层焊道的厚度不应大于3mm；仔细清理坡口表面，焊条使用前应按要求烘干，以防产生气孔；选择工艺性好的钛钙型药皮的焊条，以防夹渣。2.熔化极惰性气体保护焊工艺对于20mm以下的奥氏体耐热钢应优先采用自动或半自动熔化极惰性气体保护焊，半自动焊选用的焊丝直径为φ0.6～1.6㎜；自动焊选用的焊丝直径为φ2.0～3.0㎜。焊接电源可使用平特性的直流电源或直流脉冲电源，直流反接。保护气体可使用纯Ar、Ar+O2或Ar+CO2，纯He、He+Ar+CO2等混合气体。采用较低的焊接电流和电压。3.钨极氩弧焊按对焊缝质量的要求不同，可采用氩气、氦气或其混合气体作保护气体。单层焊或打底焊时，焊缝背面应通相同的气体保护或特制的成形气体。焊接电源通常选择恒流特性的直流电源，采用正极性，也可采用频率范围为0.5～20Hz的低频脉冲直流电。填充焊丝可采用与熔化极气体保护焊相同成分的焊丝，或硅的质量分数为0.3～0.5％，其它成分与母材相同的焊丝。手工氩弧焊时，选用的焊丝直径为1.6～2.5mm，自动氩弧焊选用填充焊丝的直径为0.8～1.2mm。5.焊后热处理对奥氏体耐热钢焊件，当壁厚超过20mm时，有时应考虑作适当的焊后热处理。奥氏体耐热钢的焊后热处理，按处理的温度：可分为低温、中温和高温焊后热处理。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段二、马氏体耐热钢的焊接工艺要点1.焊前预热使用与母材成分相同或相近的焊接材料焊接马氏体耐热钢时，为防止冷裂纹，焊前需要预热。预热温度一般选在200～320℃，最好不高于马氏体开始转变温度。2.焊后开始回火的温度焊件焊后不应以焊接温度直接升温进行回火处理。一般，对于刚度较小的构件，可以冷至室温后再进行回火；对于大厚度的结构，特别当碳的质量分数较高时，需焊后冷至100～150℃，保温0.5～1h，然后加热至回火温度。3.焊后热处理马氏体耐热钢的焊后热处理包括回火和完全退火。4.焊接方法常用的焊接方法有焊条电弧焊、气体保护电弧焊等。焊条电弧焊是最常用的焊接方法。三、铁素体耐热钢的焊接工艺要点普通高铬铁素体耐热钢可采用焊条电弧焊、气体保护焊、埋弧焊、等离子弧焊等熔焊方法。在采用同质焊接材料，特别是拘束度大时，易产生裂纹。为防止产生裂纹，改善接头塑性，以焊条电弧焊为例，可采取以下工艺措施：1.预热预热温度在100～150℃左右，使材料在韧性较高的状态下焊接。2.焊接材料根据对焊接接头性能要求不同，可选用与母材相近的铁素体不锈钢焊条，也可采用奥氏体不锈钢焊条3.焊接参数采用小的焊接热输入，高的焊接速度及尽量减少焊条的横向摆动，以窄焊道进行焊接，控制道间温度，前一道焊缝冷却至预热温度后才允许焊下一道焊缝，以防止焊接接头过热。多层焊时控制道间温度应高于150℃，以减少高温脆化和475℃脆性。4.焊后热处理为了使焊接接头的组织均匀化，从而提高其塑性和韧性，焊后应进行750～800℃退火处理。退火后应快冷，防止出现σ相及475℃脆性，以得到均匀的铁素体组织。能力知识点3高合金耐热钢的焊接工程实例1000t试管机压力阀套的基本材料为3Cr13钢锻件。由于采用了焊接结构，使压力阀套具有体积小、重量轻、耐磨性良好的特点，并满足了技术性能的要求。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2.焊接工艺要点1）坡口形式V形坡口2）预热温度整体预热200～400℃3）焊接方法焊条电弧焊，直流反极选用E310型（A402）焊条，直径为φ4mm，焊接电流为140～210A。4）装配定位焊装配按图样要求控制好装配间隙，预热后用直径φ3.2mm、E310型焊条立即进行定位焊。5）焊接工艺多层多道连续焊，封底焊时焊接电流为160A，以后各层的焊接电流可稍大些。焊接道间温度不得低于200℃。6）检验先进行目视外观检查，并用着色渗透探伤，并要求焊缝表面不得存在裂纹，然后用X光射线探伤。7）焊后热处理将焊件进行730～790℃的炉中高温回火处理。8）焊件机械加工焊后按图样进行机械加工，机加削除V形锁底接头的锁底部分。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号24授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：4、低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接教学目标：知识目标：1、了解低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接性能力目标：1、熟悉低合金钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺特点2、掌握复合钢板的焊接特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：举例说明珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：1Cr18Ni9钢与Q235钢焊接时存在哪些问题？如何解决？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接性当两种成分、组织性能不同的金属通过焊接而形成连续的焊接接头时，接头部位实质上是成分与组织变化的过渡区，集中了各种矛盾，具体表现如下：1．焊缝金属化学成分的稀释珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，焊缝金属平均成分是由两种不同类型的母材和填充金属混合所组成。由于珠光体钢中不含或只有少量的合金元素，如珠光体钢溶入焊缝金属的比例增大，则会冲淡焊缝金属的合金浓度，从而改变焊缝金属的化学成分和组织状态。这种现象称为母材金属对焊缝金属的稀释作用。在Q235钢与1Cr18Ni9钢的焊缝金属中，如果由于母材对焊缝金属的过分稀释，可使焊缝中奥氏体形成元素不足，结果在焊缝中出现马氏体组织，使焊接接头的脆性增大，导致焊接接头形成裂纹。通过图5-7舍夫勒组织图，来分析讨论用不同奥氏体不锈钢填充材料，焊接Q235钢与不同奥氏体不锈钢的焊缝金属的金相组织以及熔合比变化所带来的影响。首先将钢的合金元素含量折算成铬当量和镍当量，再在图5-7中找出相应的点，即可知该焊缝的正常冷却组织中的相组成。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段2．凝固过渡层的形成在焊缝金属熔池边缘，金属在液态持续时间最短，温度也较熔池中部低，液体金属流动性较差，最先结晶形成固态。由于珠光体钢与奥氏体不锈钢化学成分相差悬殊，在珠光体钢一侧熔池边缘，熔化的母材金属和填充金属不能充分地混合，在此侧的焊缝金属中珠光体钢所占比例较大，且越靠近熔合线稀释程度就越大；而在焊缝金属熔池的中心，其稀释程度就小。在珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时，在珠光体钢一侧熔合线的焊缝金属存在一个成分梯度很大的过渡层，宽约为0.2～0.6mm。这种成分上的过渡变化区是因熔池凝固特性而造成的，故称为凝固过渡层，实际上是高硬度的马氏体脆性层。凝固过渡层的大小与母材厚度、焊接参数和材料有关。凝固过渡层还与填充金属的成分有关，当过渡层中镍含量低于5％～6％时，将产生马氏体组织如图5-8所示。从图5-8可以看出，脆性层宽度B与焊缝中镍含量成反比。当填充金属选用1Cr18Ni9时，脆性层宽度为B1，是比较大的；当采用Cr15Ni25Mo6填充金属时，此脆性层宽度缩小到B3。采用高镍的填充金属，提高焊缝金属中镍的质量分数，可以使脆化层的宽度明显降低。3．碳迁移过渡层的形成碳从珠光体母材通过熔合区向焊缝扩散，从而在靠近熔合区的珠光体母材上形成了一个软化的脱碳层，而在奥氏体不锈钢焊缝中形成了硬度较高的增碳层。过渡层的形成，造成脱碳层与增碳层硬度的明显差别。在长时间高温下工作时，由于对变形阻力的不同，将产生应力集中，使接头的高温持久强度和塑性下降，可能导致沿熔合区断裂。碳的迁移是形成过渡层的主要原因。碳的扩散取决于本身扩散能力，还与接头的成分、组织和状态有关。具体条件如下：1）焊接过程中熔合区两侧分别为固体和液体，此时碳将由溶解度较低的母材向溶解度较大的熔池过渡。2）焊缝凝固后熔合区两侧分别为奥氏体相和铁素体相，碳将由溶解度低而扩散系数高的铁素体相的母材向溶解度高的奥氏体相焊缝中扩散。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段3）焊缝与母材中碳化物形成元素的种类与数量不同，在珠光体母材与奥氏体焊缝熔合时，焊缝中有较多的比铁更强的碳化物形成元素，促使熔合区附近母材中的渗碳体分解，析出的碳原子越过熔合区扩散到焊缝中，并在熔合区附近形成稳定的碳化物。碳化物形成元素的差别是珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时形成碳迁移过渡层的主要原因。4．残余应力的形成异种钢焊接接头，由于两种钢的线膨胀系数相差很大，不仅焊接时会产生较大的残余应力，而且在交变温度下工作，必然会产生交变热应力，从而有可能发生疲劳破坏。异种钢接头中的焊接残余应力，即使通过焊后热处理也难以消除，只是焊接残余应力重新分布。如图5-13所示为异种钢接头熔合区附近的焊接残余应力特征，在焊态时，奥氏体焊缝承受拉应力，珠光体母材承受压应力；焊后热处理，并未消除残余应力，而只是使焊接残余应力重新分布。能力知识点2珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接工艺特点1.焊接方法选用熔合比小、稀释率低的焊接方法。如焊条电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都比较合适。2.焊接材料2.焊接材料必须考虑接头的使用要求、稀释作用、碳的迁移、残余应力及抗裂性等问题。珠光体钢与奥氏体不锈钢焊接时常用焊接材料见表5-14。3.焊接工艺要点1）尽量选用小直径的焊条和焊丝，并选用小电流、大电压和高焊速进行焊接，以减小熔合比。2）如果珠光体钢有淬硬倾向，应适当预热，其预热温度应比珠光体钢同种材料焊接时略低一些。3）堆焊过渡层对于较厚的焊件，为了防止因应力过高而在熔合区出现开裂现象，可以在珠光体钢的坡口表面堆焊过渡层，如图5-14所示。过渡层中应含有较多的强碳化物形成元素，具有较小的淬硬倾向，也可用高镍奥氏体不锈钢焊条堆焊过渡层。过渡层厚度一般为6～9㎜。4）珠光体钢与奥氏体不锈钢的焊接接头，焊后一般不进行热处理。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段能力知识点3复合钢板的焊接特点复合钢板是由两种材料复合轧制而成的双金属板。它是由覆层（不锈钢）和基层（碳钢或低合金钢）组成。接触腐蚀介质或高温的一面由不锈钢板承担，而结构所需强度和刚度则由碳钢或低合金钢板承担。广泛用于石油、化工、制药、制碱和航海等要求防腐和耐高温的容器和管道等。其中以低合金钢与奥氏体不锈钢合成的不锈复合钢板应用最为广泛。不锈复合钢板由于化学成分和物理性能差异很大，其焊接性也存在重大差异，因而不能采用单一的焊接材料和焊接工艺进行焊接，而应将覆层和基层区别对待。1.焊接方法可以采用焊条电弧焊、埋弧焊、CO2气体保护焊及惰性气体保护焊等方法。但覆盖层常用焊条电弧焊。2.焊接材料焊缝由过渡层、基层和覆层三部分组成，各自的焊接材料选择如下：1）过渡层焊接材料必须选用其铬、镍含量高于覆层中含量的不锈钢焊接材料。2）基层焊接材料选用与基层材料单独焊接时相同的焊接材料，并以同样的焊接工艺焊接。3）覆层焊接材料原则上与单独焊接不锈钢时的焊接材料相同，焊接工艺也相同。3、焊接坡口常用的焊条电弧焊对接接头的坡口形式见表5-15（教材P119）。4、焊接顺序不锈复合钢板对接焊缝顺序如图5-15所示。不锈复合钢板的搭接接头和角接接头形式如图5-16和图5-17所示。在待焊区中碳钢和不锈钢共存部位，要选用过渡层的焊接材料。待焊处出现都是碳钢时，可以按基层所选用的焊接材料进行施焊；同样，待焊区都是不锈钢材料时，选用覆层的焊接材料，但是考虑到焊接熔池的深度，可能将基层熔化，此时，第一层焊缝仍要选用过渡层的焊接材料。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段5.不锈复合钢板焊接时应注意的问题：1）下料最好采用等离子弧切割等离子切割的割缝质量比氧乙炔火焰切割质量高，切口光滑，热影响区小；2）装配应以覆层为基准，防止错边过大而影响覆层质量，定位焊缝尽可能地放在基层面；3）焊前对坡口两侧20～40mm范围内进行清理；4）焊接过渡层时应选用尽可能小的焊接电流。能力知识点4焊接工程实例0Cr18Ni10Ti+Q345异种钢焊接工程实例沥青溶液换热器中有一道法兰材质为Q345钢的锻件，与壁厚为26mm的0Cr18Ni10Ti钢筒体焊接的工序，为异种钢的焊接。1）焊接方案的制定在锻件内侧与待焊坡口处堆焊过渡层，然后与筒节成为同质材料的焊接，焊接接头形式与坡口尺寸如图5-18所示。2）焊接方法锻件内侧用焊条电弧焊施焊；锻件与筒体焊接采用焊条电弧焊打底，再用埋弧焊施焊。3）内侧过渡层堆焊法兰盘内侧堆焊过渡层并延伸至坡口内侧。堆焊前采用丙酮清理坡口内侧的油污等污染物，并用氧乙炔火焰进行烘烤，以防止堆焊时产生裂纹和气孔。堆焊时采用小电流、多层多道焊，焊条选择及焊接参数见表5-16。4）要严格控制焊接热输入，特别是用小的焊接电流和快的焊接速度来将熔合比控制在最小值。装配时，要求对接接头处不留任何间隙，最大装配间隙不能超过1.0mm。正面第一层焊缝用埋弧焊施焊。各层焊接参数及焊接材料选用见表5-16。正面焊缝全部焊接完毕，背面用碳弧气刨清根，彻底打磨渗碳层后，进行背面第八层焊缝的焊接，采用焊条电弧焊施焊。焊接接头内部质量经X光射线探伤满足JB4730-1994Ⅱ级以上标准。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号25授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：习题课教学目标：重点难点及解决方法：授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学课√内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号26授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第六章铸铁的焊接1、铸铁的类型与性能教学目标：知识目标：1、了解铸铁的类型2、了解铸铁的性能能力目标：掌握铸铁的组织素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：强调白口组织和灰铸铁的组织差异。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：（1）．工业上常用铸铁有哪几种？其中的石墨形态有何不同？（2）影响铸铁组织的因素有哪些？课后小结：通过考核同学们对以上知识能基本掌握。填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容习题课铸铁是指碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。工业常用铸铁中碳的质量分数在3.0%～4.5%之间，是以Fe、C、Si为主要组成元素并含有较多Mn、S、P等杂质的多元合金。铸铁具有良好的铸造性能，便于铸造生产形状复杂的机械零部件；另外还具有成本低，减摩性、减振性和切削加工性好等优点，在机械制造业中获得了广泛应用。能力知识点1铸铁的种类及成分特点按用途分为工程结构件用铸铁和特殊铸铁（抗磨铸铁、耐热铸铁和耐腐蚀铸铁）；按碳的存在形式及石墨形态不同分为白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁共五大类。白口铸铁中碳绝大部分以渗碳体（FeC3）的形式存在，其断口呈亮白色，故称之为白口铸铁。渗碳体性能硬而脆，其硬度为800HBW左右，因而白口铸铁切削加工困难；主要用于炼钢原料，很少用于制造机械零件。灰铸铁中石墨以片状形式存在，其断口呈灰色。灰铸铁的强度低、塑性差；但灰铸铁抗压强度高、耐磨性好、减振性好、收缩率低、流动性好，且成本低廉，可以铸造形状复杂的机械零件，至今仍是工业中应用广泛的一种铸铁；常用于各种机床的床身及拖拉机、汽车发动机缸体、缸盖等铸件的生产。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段球墨铸铁中石墨以球状形式存在；在高温铁液中加入球化剂（稀土金属、镁合金和硅铁等）经球化处理后获得；强度接近于碳钢，具有良好的耐磨性和一定的塑性，并能通过热处理改善性能；广泛用于机械制造业中，常用于制造曲轴、大型管道、受压阀门和泵的壳体、汽车减速器外壳及齿轮、涡轮、蜗杆等。可锻铸铁中石墨以团絮状形式存在；是由一定成分的白口铸铁经长时间石墨化退火获得的；与灰铸铁相比，具有较好的强度和塑性，耐磨性和减振性优于碳钢；主要用于管类零件和农机具等。蠕墨铸铁中石墨以蠕虫状形式存在；生产方式与球墨铸铁相似；具有比灰铸铁强度高、比球墨铸铁铸造性能好、耐热疲劳性能好的优点；主要用来制造大功率柴油机气缸盖、电动机外壳等。能力知识点2铸铁的组织及性能铸铁的基体组织一般为铁素体、珠光体或二者的混合组织，可以认为铸铁是在钢的基体上加上石墨。性能主要取决于石墨的形状、大小、数量和分布等。石墨的强度、硬度极低（抗拉强度＜20MPa，硬度HBW≈3），塑性、韧性几乎等于零，其力学性能远低于基体组织，故石墨相当于在基体组织中存在无数个“小裂纹”，不仅降低了钢的有效承载面积，而且在尖角处还会产生应力集中，促使基体在较低应力作用下产生裂纹扩展甚至断裂，因此铸铁的强度、塑性和韧性比钢小得多。但正是由于铸铁中石墨的存在，使其具有优良的铸造性、切削加工性、减振性、耐磨性和低的缺口敏感性。在灰铸铁中，由于片状石墨对基体有较大的割裂作用，通过改变基体组织不能显著提高其塑性和韧性，所以生产中只能通过改变基体组织中珠光体的数量，以改善铸铁的硬度和耐磨性，而铸铁的强度、塑性和韧性等，则主要由石墨决定。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段球墨铸铁中由于石墨呈球状分布，对基体的分割作用大为减小，故可有效利用基体的强度达70%～80%，因此其力学性能明显优于灰铸铁。球墨铸铁还可以通过合金化或热处理等途径来强化或改变基体组织，以达到提高力学性能的目的铸铁中碳的存在状态和基体组织决定于铸件的冷却速度（壁厚）及化学成分。图6-1为铸件壁厚及化学成分对铸铁组织的影响，当铸件壁厚增加时会降低冷却速度。元素的石墨化作用：促进石墨化的元素如C、Si、Al、Ti、Ni、Cu、P等和阻碍石墨化的元素如S、V、Mo、Cr、Mn等，如图6-2所示。碳和硅是灰铸铁中最重要的元素，碳是形成石墨的基础，硅是强烈促进石墨化的元素，在铸造中当冷却速度一定时，增加碳、硅的质量分数可消除白口组织，调整碳、硅的质量分数还可获得不同的基体组织。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号27授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：2、灰铸铁的焊接性教学目标：知识目标：了解灰铸铁的焊接性能力目标：理解灰铸铁的焊接时存在的问题素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：掌握灰铸铁焊接时易出现的问题授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：（3）灰铸铁焊接时存在哪些问题？（4）灰铸铁电弧冷焊时为何会形成白口组织和淬硬组织？应如何解决？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1灰铸铁的焊接性焊接性很差，其主要表现是焊接接头易产生白口和淬硬组织及裂纹。一、焊接接头白口及淬硬组织灰铸铁焊接时，由于熔池体积小，存在时间短，加之铸铁内部的热传导作用，使得焊缝及近缝区的冷却速度远远大于铸件在砂型中的冷却速度。因此，在焊接接头的焊缝及半熔化区将会产生大量的渗碳体，形成白口组织。图6-3是碳和硅的质量分数分别为3%和2.5%的常用灰铸铁焊条电弧焊焊接接头组织变化图。1．产生原因（1）焊缝区焊缝为非铸铁成分时，不存在白口组织问题；当焊缝为铸铁成分时，焊缝基本为白口铸铁组织。增大焊接热输入，焊缝会出现一定量的灰铸铁，但不能消除白口组织。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段（2）半熔化区组织为共晶渗碳体+二次渗碳体+珠光体的白口铸铁。（3）奥氏体区若冷却速度较慢时，奥氏体转变为珠光体类型组织；若冷却速度较快时，奥氏体直接转变为马氏体。熔焊时采取适当工艺措施使该区域缓冷，可使奥氏体直接析出石墨，而避免二次渗碳体的析出，同时可防止马氏体的形成。灰铸铁焊接接头的白口化问题是指焊缝及半熔化区易出现白口组织。2．防止措施常用方法:改变焊缝的化学成分或降低焊接冷却速度。二、焊接冷裂纹1．焊接冷裂纹产生的原因灰铸铁焊接接头的裂纹主要是冷裂纹，其产生原因主要有以下几个方面：（1）灰铸铁本身强度低，基本无塑性，承受塑性变形的能力几乎为零，因此容易引起开裂。（2）焊接过程对焊件的局部加热和冷却，势必使焊件产生焊接应力，焊接应力是导致焊件产生裂纹的又一重要原因。（3）焊接接头的白口组织和淬硬组织又硬又脆，不能产生塑性变形，在受到应力作用时容易引起开裂，严重时会使焊缝与热影响区交界的整个界面开裂而分离。2．防止灰铸铁冷裂纹的措施灰铸铁焊接冷裂纹产生的主要原因是焊接应力，避免裂纹产生也主要是从降低焊接应力着手。（1）预热防止铸铁型焊缝冷裂纹最有效的方法是对焊件进行整体预热（550～700℃），使温差减小，降低焊接应力，同时促进焊缝金属石墨化，并要求焊后在相同温度下消除应力。（2）焊接材料采用镍基或铜基焊接材料，使焊缝成为塑性良好的非铁合金，对冷裂纹不敏感。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段（3）工艺措施用异质焊接材料焊接灰铸铁时，常采用“短段焊”、“断续焊”等工艺措施，并及时锤击焊缝，使焊缝金属发生塑性变形，以减小和消除焊接应力。另一工艺措施是采用小规范焊接，较小的焊接电流既可减小热输入，又可减小熔合区白口及淬硬层宽度，从而减小焊接应力，有利于防止裂纹。三、焊接热裂纹灰铸铁焊接的热裂纹大多为结晶裂纹。当焊缝为铸铁时，由于液态铁在凝固过程中析出石墨，体积膨胀且流动性好，不会形成热裂纹。但采用低碳钢焊条或镍基铸铁焊接材料时，焊缝有较大的热裂纹倾向。解决方法：在冶金方面可通过调整焊缝化学成分，加入稀土元素，增强焊缝脱硫、磷能力，以及细化晶粒等途径，提高焊缝抗热裂纹能力。在焊接工艺方面，采用正确的冷焊工艺，使焊接应力降低、使母材中的有害杂质较少熔入焊缝等，均有助于防止焊接热裂纹的产生。由以上分析可知，灰铸铁焊接接头裂纹倾向较大，这主要与灰铸铁本身的性能特点、焊接应力、接头组织及化学成分等因素有关。为防止焊接裂纹，在生产中主要是采取减小焊接应力、改变焊缝合金系统及限制母材中杂质熔入焊缝等措施。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号28授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：3、球墨铸铁的焊接教学目标：知识目标：了解球墨铸铁的焊接性能力目标：熟悉球墨铸铁的焊接工艺特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：举例说明球墨铸铁的焊接工艺。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：球墨铸铁对焊接接头的要求与灰铸铁有何不同？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．复习引入10分钟2．讲解45分钟3．提问20分钟4.小结15分钟二、教学内容能力知识点1球墨铸铁的焊接性焊接性比灰铸铁差。主要表现在以下两个方面：（1）球墨铸铁的白口化倾向和淬硬倾向比灰铸铁大；（2）焊接接头力学性能要求高由于球墨铸铁的强度、塑性和韧性比灰铸铁高，因此，为保证焊接接头与母材等强匹配，要求接头的强度和塑性较高。能力知识点2球墨铸铁的焊接工艺要点球墨铸铁的焊接主要是铁素体球墨铸铁和珠光体球墨铸铁的焊接。铁素体球墨铸铁的抗拉强度为400～500MPa，断后伸长率高达10%～18%；珠光体球墨铸铁的抗拉强度提高到600～800MPa，断后伸长率下降到2%～3%；铁素体+珠光体混合组织球墨铸铁的力学性能介于二者之间。球墨铸铁良好的力学性能对焊接提出了较高的要求，并且球墨铸铁力学性能接近于钢，焊接方法不仅用于球墨铸铁件的缺陷补焊，还用于球墨铸铁之间、球墨铸铁与其他金属的焊接结构制造。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段目前，球墨铸铁焊接最常用的方法是气焊和焊条电弧焊。1．气焊由于气焊具有火焰温度低、加热及冷却速度缓慢的特点，对降低焊接接头的白口及淬硬组织的形成是有利的。另外由于火焰温度低，还可以减少球化剂的蒸发（镁的沸点为1070℃，钇的沸点为3038℃），有利于保证焊缝获得球墨铸铁组织。气焊的不足之处在于，补焊效率低，焊接变形较大，因此，适用于新铸件小缺陷的补焊。2．同质焊缝（球墨铸铁型焊缝）焊条电弧焊要求完全避免白口组织需要高温预热（700℃）；如果焊后铸件需要进行整体热处理，可以采用较低的预热温度（500℃）。为了保证焊接接头具有足够的强度、塑性和韧性，球墨铸铁焊后应进行正火或退火热处理。3．异质（非球墨铸铁型）焊缝电弧冷焊主要采用镍铁铸铁焊条（EZNiFe-1）和高钒铸铁焊条（EZV）。其工艺与灰铸铁焊接工艺基本相同。但由于球墨铸铁淬硬倾向较大，在气温较低或焊接较厚大的工件时，应适当预热，预热温度为100～200℃。焊接电流应在保证熔合良好的前提下，采用尽量小的电流值，如φ3.2mm焊条，采用90～100A焊接电流；φ4.0mm焊条，采用135～145A焊接电流。高钒铸铁焊条只能用于非加工面的焊接。镍基铸铁焊条用于加工面的焊接多。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号29授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：习题课教学目标：重点难点及解决方法：授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案首页学年第学期机械工程学院材料技术系（部）焊接技术及自动化教研室课程名称金属材料焊接工艺任课教师授课形式理论教学√课内实践□理实一体□习题复习□考核评价□其他活动□课时安排2课时序号30授课日期月日月日月日月日授课班级教学内容：第七章非铁金属材料及其焊接工艺1、铝及铝合金的焊接教学目标：知识目标：了解铝及铝合金的焊接性能力目标：掌握铝及铝合金的特点素质目标：1、培养学生良好的操作习惯2、具有与人沟通、与人合作的社会交往能力重点难点及解决方法：要求学生熟悉铝及铝合金的焊接工艺特点。授课地点：教室教学媒体：投影仪设备及材料：其它资源：学习效果评价方式：课堂提问及作业作业和思考题：铝及铝合金焊接时为何容易出现气孔？应如何防止气孔的产生？纯铝及不同类型的铝合金焊接应选用什么成分的焊丝比较合理？课后小结：填表说明：1.序号，指该课程授课的顺序号，应与授课计划一致；2.授课形式在相应的选项打“√”。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段一、教学组织1．引入10分钟2．讲解50分钟3．提问15分钟4.小结15分钟二、教学内容在工业生产中通常把金属材料分为两大类：铁金属材料和非铁金属材料。例如，钢、铸铁、不锈钢、铬、锰属于铁金属材料；除此之外的一切金属，如铝、镁、铜、钛、锡、铅等金属及其合金统称为非铁金属材料，也称为有色金属材料。许多非铁金属材料具有铁金属材料不可替代的特殊性能。例如，铝、美及其合金与铁金属材料相比，具有密度小、比强度高的特点，因此在航空航天、电工、化工、国防等工业部门得到广泛应用。能力知识点1铝及铝合金的类型及性能特点铝具有密度小、耐蚀性好、导电性及导热性高等良好性能。铝的资源丰富，特别是在铝中加入各种合金元素而成的铝合金，强度显著提高，使用非常广泛。工业纯铝：铝的质量分数为99.0%～99.7%，还含有少量的Fe和Si及其它杂质。铝合金：工业纯铝的强度较低，不能用来制造承受载荷很大的结构，所以使用受到限制。在纯铝中加入少量合金元素，能大大改善铝的各项性能，例如Cu、Si和Mn能提高强度，Ti能细化晶粒、Mg能防止海水腐蚀、Ni能提高耐热性等，因此在工业上大量使用的是铝合金。1．铝及铝合金的分类填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段按合金化系列，铝及其合金分为工业纯铝（1×××系）、铝铜合金（2×××系）、铝锰合金（3×××系）、铝硅合金（4×××系）、铝镁合金（5×××系）、铝镁硅合金（6×××系）、铝锌镁铜合金（7×××系）。按热处理方式，铝合金分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。前者只能变形强化，后者既能变形强化，也可热处理强化。按产品成形方法不同，分为变形铝及铝合金、铸造铝合金。非热处理强化铝合金又称防锈铝，如牌号3A21（LF21）等，可通过加工硬化、固溶强化来提高力学性能，特点是强度中等、塑性及耐蚀性好，焊接性良好，在焊接结构中应用最广泛（Al-Mn和Al-Mg系合金）。热处理强化铝合金是通过固溶、淬火、时效等工艺措施提高力学性能，经热处理后可显著提高抗拉强度，但焊接性较差，熔焊时易产生焊接裂纹，焊接接头力学性能下降。2．铝及其合金的牌号、成分及性能纯铝牌号以国际四位数字体系表达：如1A99表示铝的质量分数为99.99％的原始纯铝；1B99表示铝的质量分数为99.99％的改型纯铝；1070表示杂质极限含量无特殊控制、铝的质量分数为99.70％的纯铝；1235表示对两种杂质极限含量有特殊控制、铝的质量分数为99.35％的纯铝。常用的纯铝牌号有1A99、1A97、1A93、1A90、1A85、1A70、1060、1050、1035、1200。纯铝的主要用途是代替贵重的铜合金，制作导线、电器元件及换热器件；制作各种要求质轻、导热、耐大气腐蚀但强度不高的器具；配制各种铝合金。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段变形铝合金的牌号也用四位国际字符体系来表示。例如，2A11表示铝铜原始合金；5A05表示铝镁原始合金，5B05表示铝镁改型合金。牌号中第一、三、四位为阿拉伯数字，第二位为英文大写字母Ａ、Ｂ或其他字母（有时也用数字）。第一位数字为2～9，表示变形铝合金的不同组别，其中“2”表示铝铜合金，“3”表示铝锰合金，“4”表示铝硅合金等；最后两位数字为合金的编号，没有特殊意义，仅用来区分同一组别中的不同合金；如果第二位字母为A，则表示原始合金，如果是B或其他字母，则表示原始合金的改型合金，如果是数字，则0表示原始合金，1～9表示改型合金。能力知识点2铝及铝合金的焊接性纯铝的熔点低（660℃），熔化时颜色不变，难以观察到熔池，焊接时容易塌陷和烧穿；热导率是低碳钢的3倍，散热快，焊接时不易熔化；线胀系数是低碳钢的2倍，焊接时易变形；在空气中易氧化生成致密的高熔点氧化膜Al2O3（熔点2050℃），难熔且不导电，焊接时易造成未熔合、夹杂并使焊接过程不稳定。因此铝及其合金的焊接性比低碳钢差，合金种类不同，焊接性也有一定差别，概括起来有以下几个问题。一、易氧化二、能耗大三、容易产生气孔四、容易形成焊接热裂纹铝合金母材的合金系统及合金成分对焊接热裂纹的产生有根本性的影响。一般来讲，纯铝的裂纹倾向最小，含铜的铝合金裂纹倾向最大，添加镁、锌、硅等合金元素对裂纹有不同程度的影响。如图7-7所示。对含有铜的硬铝（Al-Cu-Mg）和超硬铝（Al-Zn-Cu-Mg）合金，目前很难用熔焊方法获得没有裂纹的焊接接头，所以一般不能选用熔焊方法制造硬铝和超硬铝焊接结构。填表说明：1.本页可续页；2.教学方法如：项目教学、案例分析、分组讨论、角色扮演、启发引导等；3.教学手段如：课件演示、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、视频讲解、网络课程等。授课教案教学内容及过程时间分配方法及手段3．焊接热裂纹的防止途径（1）选择适当焊接材料以调整焊缝化学成分由于铝合金为共晶型合金，少量易熔共晶会增大结晶裂纹倾向，但当易熔共晶数量很多时，反而会产生对裂纹的“愈合”作用，使裂纹倾向减小。采用TIG焊焊接Al-Mn和Al-Mg合金的T形接头时，选用不同含镁量的焊丝，裂纹结果如图7-8所示（2）选择合适的焊接方法和焊接参数热能集中的焊接方法