西安交通大学材料焊接方法课程教学大纲 一、课程基本信息 课程名称 材料焊接方法 Welding Processes for Materials 课程编号 MATL502502 课程学分 2 总学时 32 学时分配 理论: 32 实验: 0 上机: 0 课外: 0 （课外学时不计入总学时） 课程类型 公共课程 通识课程 学科门类基础课 专业大类基础课 专业核心课 专业选修课 集中实践 开课学期 1-1 1-2 2-1 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 先修课程 电工学（电力电子技术）、材料科学基础，材料工程基础 教材、参考 书及其他 资料 使用教材： [1] 杨立军. 材料连接设备与工艺. 北京: 机械工业出版社, 2009. 参考教材： [1] 杨春利, 林三宝. 电弧焊基础. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版 社，2003. [2] 胡绳荪.现代弧焊电源及其控制（第 2 版）.北京：机械工业出 版社，2015. 二、课程目标及学生应达到的能力 2.1 课程的基本要求 本课程以“焊接方法与设备”为主要内容，基本要求有如下三方面：（1）首 先使学生理解“焊接过程的物理本质”，据此重点掌握熔焊、压力焊（包括电阻 焊与固相焊）、钎焊三大类焊接方法的细分种类、主要异同点、基本原理与优缺 点等基础理论，具备依据材质、板厚、形状、特定需求正确选择焊接方法的能力。 （2）对既定的焊接方法，能正确分析、选择、研发与其相匹配的焊接设备（辅 之以合适的焊材），理解掌握配套焊接设备工作原理、调节原理，具备制定完整 焊接工艺所需的焊接方法、设备、焊材诸方面的基本理论、综合分析与选择应用 能力；（3）在上述基础上，针对先进材料、异种材料、特定需求等可焊性较差工
况，进一步拓展学生创新性选择“先进焊接方法”的视野，打好研发新型“焊接 方法与设备”的知识基础。 在工程常用焊接方法分为三大类焊接方法（熔焊、压力焊、钎焊）中，以金 属材料焊接中广为应用的电弧焊方法为重点。其中又以“电弧物理”与“电弧自 动焊方法”为重点。作为核心知识点，要求学生掌握电弧自动焊所用弧焊电源外 特性与送丝方式的正确搭配，掌握不同自动焊所用的引弧方式、电弧电压与电弧 电流的调节方法与调节原理。对于固相焊，要求学生从界面去膜与致密化基本要 求出发，掌握主要固相焊方法的基本原理、接头组织特点与实现途径。对于钎焊， 建立“润湿性”为根本性要求的概念，在掌握液/固（L/S）相界面冶金作用的理论 基础上，掌握钎焊方法、钎料、钎剂的选择，掌握该善润湿性和分析、调控接头 组织的方法与机理。 在焊接设备中，主要以弧焊电源外特性及电阻焊主电路为讲解主要内容。 同时，在此基础上，积极讲解先进焊接方法，要求学生掌握 70 年代以来有 影响的先进焊接方法，如表面张力过渡（STT）方法、冷金属过渡（CMT）、高 能束焊、扩散焊——包括固相扩散焊与液相扩散焊（TLP）、搅拌摩擦焊（FSW） 等。通过上述先进焊接方法的讲授，扩充知识面，激发学生灵感，培养学生研发 能力。 在焊接方法的选择方面，建立从材质出发，综合形状、尺寸各因素选择并优 化焊接方法的概念；形成与建立“焊接方法与设备”的完整知识体系。 在教学活动中，通过布置作业、提问、工程案例分析、文献搜集与分析、小 测验、课堂讨论等方式为加强师生互动，进行启示式教学，激发学生兴趣，培养 学生批判性思维能力，引导学生自主学习，培养分析问题与解决问题的能力，锻 炼提高学生查阅文献资料的能力，以及沟通交流与表达的能力。 2.2 课程的目标及学生应该达到的能力 1 掌握主要焊接方法及其基本原理，具备分析其特点异同与选用能力 首先使学生理解“冶金结合的物理本质”与制约焊接的主要障碍，据此掌握 熔焊、压力焊（包括电阻焊与固相焊）、钎焊三大类焊接方法的主要异同点；重 点深入了解各方法细分种类、基本原理与优缺点等基础理论；具备依据材质（辅 之以必要的可焊性分析）、板厚与尺寸、形状，并结合考虑施工条件、服役条件， 各种因素对焊接方法、接头组织与性能的潜在影响，正确选择焊接方法的能力， 达到接头设计目标要求。 支撑毕业要求指标点 3-1：掌握材料单元、部件、系统或工艺在全周期、全 流程设计/开发的基本方法和技术，了解各种因素对材料设计目标和技术方案的 影响
2 先进焊接方法与设备的研究开发能力 启发、引导、鼓励学生，针对材料的多样性（如传统结构材料与先进结构材 料）、工程的复杂性（如异种金属焊接、可焊性差材料的焊接等）、要求的严苛性 （如效率、环保、轻量化等），结合国家/地方/行业技术需求及时下科研“热点 或难点”，通过课堂听讲、结合文献检索调研（含中文与外文），分析现有或相近 问题的解决方案，以焊接方法及其配套设备为解决方案的起点与重点，从焊接本 质原理出发，归纳、分析、梳理、提出存在问题与解决方案，寻求焊接方法与设 备系统某一方面或系统性的发展与创新。 支撑毕业要求指标点 4-1：基于材料科学原理，针对材料领域复杂工程问题， 通过文献检索调研、分析现有或相近问题的解决方案。 课程目标与专业毕业要求的关联关系 毕业要求 课程目标 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 课 程 目 标 1 M 课 程 目 标 2 M 注：1,2,3.12 对应于专业认证毕业要求 12 条。课程目标与专业毕业要求的 关联关系用 H/M/L 标注。 三、教学内容简介 序 号 章节名称 知识点 参考 学时 1 1 焊接方法与设备概论 焊接本质、目标与主要障碍；三大 类焊接方法界面微观组织结构特 点与结合性能之异同；不同焊接方 法的要点 2 2 2.焊接电弧物理基础 2.1 电弧的引燃 2.2 电弧电压分布与电弧静特性 2.3 电极电流分布与电极斑点 2.4 电弧最小电压原理 2.5 电弧热特性 2.6 电弧的力学特性：等离子流力 气体电离方式；电子发射方式；热 阴极；冷阴极；接触引弧；高频高 压引弧；接触引弧的优点；电弧静 特性形状特点及原因；阴极斑点； 阳极斑点；阴极雾化；最小电压原 理；等离子流力；温度分布；电极 热量；热效率；稳弧方法；电弧现 象解释 4 3 3 弧焊电源与自动焊 3.1 电源外特性、获得及其选配 3.2 弧焊变压器与直流弧焊电源 3.3 逆变弧焊电源 3.4 自动焊送丝方式与电源选配 电源外特性形状分类；下降外特 性；平外特性；负反馈；BX；ZX； ZP；逆变弧焊电源及其优点；电 源外特性选配基本原则；逆变电源 及其优点；自动焊电源选配：细丝 4
3.5 自动焊弧长自动恢复原理 3.6 自动焊引弧、规范调节 +等速送丝+平外特性；粗丝+弧压 反馈送丝+下降外特性；电弧自身 调节弧长；弧压反馈调节；规范调 节方法与原理 4 4 非熔化极气体保护焊(GTAW/TIG)及其先 进技术 4.1 TIG 焊基本特点、应用与问题 4.2 小电流接触引弧 4.3 脉冲 TIG 焊 4.4 热丝 TIG 焊 4.5 活性焊剂 TIG 焊（A-TIG） 4.6 变极性 TIG（VP-TIG） 传统 TIG 的基本特点、应用与存 在问题；直流正接（DCEN）；直 流反接（DCEP）；极性接法对熔 深及破膜的影响；各种改进型 TIG 的优点、应用场合及原因 4 5 5 熔化极气体保护焊（GMAW）及其先进技 术 5.1 GMAW 分类与熔滴过渡方式 5.2 脉冲 MIG/MAG 5.3 CO2 焊波控技术与表面张力过渡技术 （STT） 5.4 药芯焊丝（FCW）CO2 焊 5.5 冷金属过渡（CMT）焊接技术 MIG、MAG、CO2 焊的典型应用 场合及原因；熔滴受力、熔滴过渡 种类及主要原因；GMAW 改进型 方法的应用场合及原因；油气管线 焊 接 方 法 及 原 因 ； 异 种 金 属 （Al/Fe）轻量化焊接方法 6 6 6 高能束焊接技术 6.1 高能束焊接特点概述 6.2 激光束焊接（LBW）；电子束焊接（EBW） 6.3 等离子束焊接（PBW） 高能束焊接一般特点；等离子焊炬 特点；等离子弧压缩原理；等离子 弧特点及等离子焊接应用；热传导 型与小孔型焊接模式；三种高能束 焊接方法的区别与选用（超薄或超 厚；精密焊接） 2 7 7 压力焊 7.1 电阻焊：电阻点焊；凸焊；缝焊；电阻 对焊与闪光对焊 7.2 固相焊： 7.2.1 分类与原理 7.2.2 扩散焊：固相扩散焊与液相扩散焊 （TLP） 7.2.3 旋转摩擦焊与搅拌摩擦焊（FSW） 7.2.4 超声波焊（USW） 电阻焊主电路工作原理；电阻焊各 方法主要应用场合；固相焊主要障 碍；固相焊焊接界面去膜与致密化 机理；固相扩散焊界面去膜与空洞 消除机制；液相扩散焊（TLP）组 成阶段及作用；中间层成分设计特 点；等温凝固及其机制 8 8 8 钎焊 8.1 定义、特点、分类、应用 8.2 界面去膜、润湿性与 L/S 相互作用 8.3 钎焊接头组织、缺陷、应力与断裂 8.4 钎料（filler）、钎剂（flux） 8.5 钎焊方法(FB，VB，NB 等)、规范 8.6 先进钎焊方法发展 润湿性的评价；润湿条件；润湿对 界面接合的影响；液/固（L/S）界 面相互作用方式；常用钎料、钎剂 与特点；钎料成分；常用钎焊方法； 改善润湿性新方法；钎焊规范与辅 助条件选择原理 2 四、教学安排详表
序号 教学内容 学时 分配 教学方式 （授课、实 验、上机、 讨论） 教学要求 （知识要求及能力要求） 对课程目标的 支撑关系 第一章 从微观角度，对比讲解三大类焊接方法界面 组织结合特点、焊接本质与目标、不同焊接 方法的要点与选用 2 授课 使学生掌握焊接本质与目标；三大类焊接方法界面组 织特点与结合性能之异同；不同焊接方法的要点；为 选择焊接方法打好基础。 课程目标 1 课程目标 2 第二章 以电弧物理为中心，核心讲解电弧的引燃方 法、电弧的三大特性（电、热、力）；电弧 的细分与电极的细分；电弧最小电压原理与 稳弧方法；电弧现象解释 4 授课 使学生系列掌握电弧从引燃建立、稳定燃烧时的静特 性、热特性与力学特性，对电弧这一特殊能源的建立 —热力特性有完整的理解；同时，对电弧、电极及稳 弧又有微观的理解。 课程目标 1 第三章 讲解弧焊电源的外特性、获得方法、及弧焊 电源的选配为主要内容，其中重点在弧焊电 源选配的一般规则，以及新型逆变弧焊电源 工作原理、主电路及其优点；自动焊（SAW、 GMAW）送丝方式与电源外特性的选配原 则，弧长调节原理；穿插介绍埋弧焊（SAW） 4 授课 使学生在正确选择焊接方法后，进而能正确选择焊接 设备，完成焊接方法与工艺制定，解决工程问题。特 别要求掌握并理解自动焊（SAW、GMAW）送丝方 式与电源外特性的选配原则；自动焊弧长恢复调节原 理（本课程核心内容）。 课程目标 1 课程目标 2 第四章 在介绍完传统 TIG 焊的特点及存在问题的 基础上，重点讲解新型 4 种 TIG 改进新方 法 4 授课 使学生在了解 TIG 焊方法的基本特点、原理与应用， 在应用中特别注意到极性（直流正接、直流反接、交 流）对熔深及破膜的影响；进一步有针对性地对 TIG 的不同问题了解解决方法及思路，合理选择更为先进 的焊接方法；同时，拓宽学生视野，开阔思路，培育 创新意识与创新能力。 课程目标 1 课程目标 2