《焊接方法与设备》课程教学大纲
一、课程基本信息
开课单位：材料科学与工程学院:
课程编号：06020019a
课程名称：焊接方法与设备
英文名称：Welding Technology and Equipment
学 时：总计48学时，其中理论授课40学时，实验8学时
学 分：3学分
面向对象：焊接技术与工程
先修课程：高等数学、普通物理、电工电子技术、弧焊电源。
教材：
《熔焊方法及设备》王宗杰主编，机械工业出版社，2007年2月
主要教学参考书目或资料：
1.《焊接电弧现象》（增补版） （日）安藤弘平等著 机械工业出版社
2.《气体保护焊工艺》 殷树言编著 哈尔滨工业大学出版社
3.《气体保护焊工艺及设备》 王震澄等编著 国防工业出版社
5.《电弧焊》 周玉生、张文明编著 机械工业出版社
二、课程的性质和任务
本课程是高等学校本科焊接专业的一门重要的专业课程。
通过本课程的学习，要求学生掌握焊接电弧物理的基础理论，焊材熔化、熔滴过渡及焊缝成形的基本规律；掌握各种电弧焊接方法的工作原理、工艺特点及相关焊接设备等方面的知识；能根据具体生产条件正确选用焊接方法、合理确定焊接工艺参数、解决焊接生产中的常见缺陷、能够正确使用焊接设备；对焊接技术的最新进展有所了解。
三、教学目标与要求
本课程是本专业的一门专业主干课。其任务是使学生掌握电弧焊的基本理论，基本知识和实验技能，达到根据焊接材料、焊接结构正确选用各类电弧焊方法及设备，并具备分析、研究和解决焊接生产实际中焊接质量和焊接自动化方面的初步能力。
四、基本内容
绪论（1学时。讲授1学时）
（一）教学内容
一、焊接方法的发展及其在现代工业中的应用
二、焊接本质及焊接分法分类
三、课程内容和教学方法
（二）基本要求
重点掌握焊接方法的分类、应用及发展及发展方面的知识
第一章 焊接电弧（5学时。讲授5学时）
（一）教学内容
§1.1 电弧的导电机理
一、电弧放电的特点：电流密度大和阴极电压降低
二、电弧中带电粒子的产生：主要依靠两电极之间的气体电离和电极发射电子两个物理过程产生
三、电弧各区域的导电机构：要包括弧柱区、阴极区、阳极区及电极表面（阴极和阳极斑点）导电现象
四、电弧的最小能量消耗特性----最小电压原理
§1.2 焊接电弧的负载特性----电弧静特性和动特性
一、焊接电弧的静特性
二、焊接电弧的动特性
§1.3 焊接电弧的产热情况及温度分布
一、焊接电弧的产热机构：弧柱区、阴极区和阳极区
二、焊接电弧的热效率及能量密度：η和W/cm2
三|、电弧的温度分布
§1.4 电弧中的力及其影响因素
一、焊接电弧中的作用力：电磁力、等离子流力、斑点压力、短路爆破力等
二、影响电弧中作用力的因素：气体介质、电流和电弧电压、焊丝直径、钨极的极性、钨极端部的几何形状、电流的脉动
§1.5 交流电弧的特点
交流电弧的放电过程
交流电弧加热及电弧力作用的特点
§1.6 磁场对电弧的作用
电弧自身磁场的作用：刚直性、磁偏吹
外加磁场对电弧的作用：外加横向磁场、外加纵向磁场
（二）基本要求
重点掌握电弧的导电机理和电弧的热和力学特性
焊丝的熔化及熔滴过渡（4学时。讲授4学时）
（一）教学内容
§2.1 焊丝的加热与熔化
一、焊丝的加热与熔化特性
二、影响焊丝熔化速度、熔化系数及其影响因素
§2.2 熔滴过渡和飞溅
一、熔滴上的作用力：表面张力、重力、电磁力、等离子流力、斑点压力、爆破力
二、熔滴过渡的主要形式及特点：自由过渡、接触过渡、渣壁过渡
三、焊丝的熔敷系数和飞溅
四、熔滴过渡的控制：脉冲电流控制法、脉动送丝控制法、送丝和电源组合控制法
（二）基本要求
重点掌握焊丝的加热熔化、熔滴受的各种力与过渡过程的关系以及焊接飞溅现象
第三章 母材熔化和焊缝成形（4学时。讲授4学时）
（一）教学内容
§3.1 焊缝和熔池的形状及尺寸
一、焊缝形状尺寸及其影响
二、熔池形状和焊缝的形成
§3.2 电弧与熔池形状的关系
一、电弧热输入对熔池形状尺寸的影响
二、电弧力对熔池形状尺寸的影响
§3.3 焊接工艺参数和工艺因素对焊缝成形的影响
一、电流、电压、焊速的影响
二、电流极性、种类及电极直径的影响
三、保护气体及熔滴过渡形式的影响
§3.4 焊缝成形的控制
一、平面内直缝的焊接
二、环缝的焊接
三、引弧、收弧与成形控制
（二）基本要求
重点掌握电弧的热和力对熔池的作用，熔池金属流动规律以及与焊缝成形的关系。
第四章 电弧焊自动控制基础（4学时。讲授4学时）
（一）教学内容
§4.1 熔化极自动电弧焊的自动调节系统
一、自动调节的必要性及基本要求
二、熔化极等速送丝电弧自身调节系统：系统静特性、自身调节的精度、灵敏度、电流和电压调节方法
三、电弧电压反馈变速送丝调节系统：原理、静态特性、调节过程及精度和灵敏度、熔化极电弧焊的电流和电压调节方法
四、焊接电流反馈变速送丝调节系统
§4.2 恒速调节系统
一、自动电弧焊机的驱动调速系统及要求
二、晶闸管整流驱动电路：反馈环节、动态特性的改善、
三、晶体驱动电路：模拟式晶体管驱动电路、脉宽调制式驱动电路
§4.3 电弧焊的程序自动控制
一、程序自动控制的对象和要求
二、程序自动控制的类型和实现方法
三、电弧焊程序控制电路的基本环节：延时控制电路环节、引弧控制电路环节、熄弧控制电路环节
（二）基本要求
重点掌握等速和变速送丝系统的自动调节原理，电弧焊程控基本环节。结合书中“埋弧焊”一章中的焊接过程的恒速调节系统和电弧电压反馈调节系统，“电弧焊自动控制技术”一章的焊机直流电机常用等速调节系统电路（并增加PWM方法）和焊机程序控制单元电路内容，为各种焊接方法的电气设备原理打下基础。
第五章 自动埋弧焊（8学时。含讲授4学时，实验4学时）
（一）教学内容
§5.1 自动埋弧焊的特点和应用
一.、自动埋弧焊的特点：主要优/缺点
二、自动埋弧焊的应用
三、自动埋弧焊焊接材料-----焊丝、焊剂及选配
四、自动埋弧焊的冶金特点：埋弧焊冶金过程的一般特点、低碳钢埋弧焊的主要冶金反应、碱性焊剂埋弧焊过程中的冶金反应、烧结焊剂埋弧焊中的冶金反应
§5.2 自动埋弧焊机
一、分类及结构特征
二、MZ-1000自动埋弧焊机：电路组成划分、电路工作原理分析、外部接线图
§5.3 自动埋弧焊实施方法、工艺参数及其发展
一、单丝自动埋弧焊：焊前准备、实施方法及工艺参数、常见缺陷及其防止
二、双丝及多丝自动埋弧焊
三、单面焊双面一次成形自动埋弧焊：强制成形衬垫装置的常用方法
四、窄间隙自动埋弧焊
（二）基本要求
重点掌握埋弧焊工艺与冶金特点，以及典型埋弧焊机的工作原理和应用知识。
第六章 CO2气体保护电弧焊（6学时。讲授6学时）
（一）教学内容
§6.1CO2气保护电弧焊特点及应用
§6.2CO2电弧焊的冶金特点
一、合金元素的氧化
二、脱氧措施及焊缝金属的合金化
三、气孔问题
§6.3CO2气保护电弧焊接材料
一、CO2气体：性质、纯度对焊缝质量的影响、提纯
二、焊丝
§6.4CO2气体保护电弧焊设备
一、对电源特性的要求：对电源外特性和特性的要求、工艺性能的要求
二、供气系统：预热器、干燥器
三、气体保护效果及焊枪结构：气体的流态（层流和紊流）、焊枪喷出的保护气流、焊枪结构及其对气体保护效果的影响、工艺因素对保护效果的影响
四、熔化焊气体保护电弧焊的送丝系统：送丝方式、影响送丝稳定性的因素、
五、CO2气体保护电弧焊自动焊机：焊机工作原理、焊机工作程序、
§6.5CO2气体保护电弧焊的工艺参数与飞溅控制
一、短路过渡形式的焊接特点：细焊丝、低电压、小电流
二、短路过渡焊接工艺参数及对过程稳定性的影响
三、细颗粒过渡的焊接时工艺参数
四、减少金属飞溅的措施：正确选择工艺参数、颗粒过渡焊接时在CO2中加入Ar气、短路过渡焊接时限制金属液桥爆断能量、采用低飞溅率焊丝
§6.6 特种CO2气体保护电弧焊
一、药芯焊丝CO2焊：特点、结构、对焊接设备的要求
二、CO2电弧点焊：特点、接头形式、焊接设备
三、CO2电弧螺柱焊：焊接过程及工艺参数、焊接设备
（二）基本要求
重点掌握CO2焊工艺特点、焊接规范参数及飞溅控制技术。了解包括焊接电源、供气系统、焊炬、送丝机构等CO2焊机组成单元方面的知识。
第七章 熔化极氩弧焊（4学时。讲授4学时）
（一）教学内容
§7.1 熔化极氩弧焊的特点和应用
一、熔化极氩弧焊的特点
二、熔化极氩弧焊的应用
§7.2 射流过渡氩弧焊
一、焊缝起皱现象：定义、产生原因、防止措施
二、粗丝大电流MIG焊
§7.3 铝合金亚射流过渡氩弧焊
一、亚射流过渡的特点
二、亚射流过渡电弧固有的自调节作用
三、铝合金亚射流过渡的焊接特点
四、亚射流过渡电弧焊接时的参数控制
§7.4 脉冲喷射过渡氩弧焊
一、工艺特点：较宽的电流调节范围、利于实现全位置焊接、课
可效的控制热输入量，改善接头性能
二、脉冲参数的选择：基值电流、脉冲电流、脉冲频率及脉宽化
§7.5窄间隙焊接
细焊丝窄间隙焊接：工艺形式（异形焊丝式、高速旋转电弧式）
粗焊丝窄间隙焊接
§7.6 混合气体的应用
一、Ar＋He
二、Ar＋O2
三、Ar＋CO2
四、Ar＋CO2+ O2
五、Ar＋N2
六、Ar＋H2
（二）基本要求
重点掌握铝及铝合金的焊接工艺。
第八章 钨极氩弧焊（4学时。讲授4学时）
（一）教学内容
§8.1 钨极氩弧焊方法的特点
一、方法原理及应用
二、电极和焊枪：钨棒材质及其电极特性、钨极直径和端部形状、焊枪
三、电流种类和极性：直流正极性钨极氩弧焊、直流反极性钨极氩弧焊、交流钨极氩弧焊
§8.2 钨极氩弧焊机
一、钨极氩弧焊机的结构组成
二、WS系列钨极氩弧焊机：主电路、电源特性及触发控制电路、脉冲发生器
§8.3 钨极氩弧焊工艺参数及参数选择
一、焊前准备：坡口加工形状、焊前除油及去氧化膜、装夹
二、钨极氩弧焊工艺参数：焊接电流和钨棒直径、弧长和电弧电压、焊速、保护气体流量，喷嘴孔径及高度、填充焊丝倾角
§8.4 其他钨极氩弧焊方法
一、脉冲钨极氩弧焊：直流脉冲氩弧焊、交流脉冲钨极氩弧焊
二、热丝钨极氩弧焊
三、窄间隙钨极氩弧焊接方法
四、多阴极串列钨极氩弧焊
（二）基本要求
掌握电流种类和极性对电弧行为及焊接工艺的影响。了解交流电流过零期间，TIG电弧的稳定性特点。
第九章 等离子弧焊接与切割（2学时。讲授2学时）
（一）教学内容
§9.1 等离子弧特性及等离子弧发生器
一、等离子弧的形成
二、等离子弧的特性：伏安静特性、能量特性
三、等离子弧发生器：基本要求和典型结构、喷嘴、电极、送气方式
四、双弧现象及防止方法：双弧形成机理、产生双弧的因素
§9.2 等离子弧焊接
一、焊接方法及工艺参数的选择：穿孔型、熔入型、微束型、脉冲、熔化极、变极性等离子弧焊接
二、等离子弧焊接设备特点：电源、控制系统、水和气路系统
§9.3 等离子弧切割
一、基本原理和工艺参数的选择
二、空气等离子弧切割：切割工艺参数、空气等离子弧切割机
三、其他等离子弧切割：水压缩、氧气、水下、脉冲等离子弧切割
四、提高切割质量的途径
§9.4 等离子弧堆焊和喷涂
一、等离子弧堆焊：粉末、热丝、冷丝等离子弧焊
二、等离子弧喷涂
（二）基本要求
重点掌握等离子弧的形成特点，参数对等离子弧焊接与切割工艺的影响。
第十章先进焊接技术及发展（６学时。含讲授2学时，实验4学时）
（一）教学内容
一、搅拌摩擦焊
二、机器人焊接
三、窄间隙焊接
四、气电立焊
五、自动角焊
六、复合热源焊接
（二）基本要求
重点介绍搅拌摩擦焊、机器人焊接、窄间隙焊接、气电立焊、自动角焊和复合热源焊接的焊接机理、应用范围、优缺点及其发展。
五、教学方法
本课程适宜用投影等电化教学及计算机CAI教学手段，以取得良好的教学效果。讲授时应注意前后内容的连贯性，注重教学与实际相结合。
六、考核方式及考核方法
本课程为必修考试课。考试采取笔试。总评成绩由笔试成绩和出勤纪律、作业、实验等综合评定。
七、课内实验教学安排
序号 | 实验名称 | 性质 | 时数 | 类型 |
1 | 埋弧焊工艺及设备实验 | 必做 | 4 | 综合 |
2 | 机器人GMAW工艺实验 | 必做 | 2 | 演示 |
3 | 搅拌摩擦焊实验 | 必做 | 2 | 演示 |
实验一 埋弧焊工艺及设备4学时
（１）要求学生掌握MZ-1000型焊机的工作原理（包括弧长自动调节系统原理）与基本操作，常见故障排除。
（２）分析焊接电流、电压、焊速等参数对焊缝成形的影响规律。
实验二 机器人GMAW工艺实验2学时
（1）了解机器人焊接系统的组成及工作原理，以及基本操作方法。
（2）给定试件薄板焊接，母材材质为Ａ3钢。要求理解正确选用焊接方法、设备、焊接材料、工艺规范参数的原则。了解所用焊机的组成、构造原理和外部接线安装。
（3）在实验开始前，要求在老师的指导下完成焊接工艺参数的选择，制定实验方案及相关工艺措施，并理解其理论依据。
（4） 通过试验了解焊接规范参数对熔滴过渡的影响，以及不同气体成分对电弧形态的影响。
实验三 搅拌摩擦焊实验2学时
了解搅拌摩擦焊的工作原理，其焊接工艺的特点。
现有搅拌摩擦焊机的组成及工作原理，基本操作方法。
根据指导老师的要求，学生要求设计出相应的实验方案，进行焊接实验。
通过实验分析工艺规范参数对接头焊接质量的影响。
（制定人： 方臣富 审定人：周方明）