弧焊工艺与设备实验教学改革探讨

摘  要：弧焊工艺与设备是一门综合性、实践性很强的专业课程，其实验教学质量对提高焊接专业学生的基础工程能力发挥重要作用。该文对弧焊工艺与设备课程的实验教学现状进行分析，从实验教学内容、实验方法及工程应用三方面，对如何提高实验教学效果、拓展学生思维、激发学生专业兴趣、提高实践能力和创新能力进行探讨。

关键词：弧焊工艺与设备;实验教学;改革；教学效果；创新能力

中图分类号：G642      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2025）08-0041-04

Abstract： Arc Welding Process and Equipment is a comprehensive and practical professional course. The quality of the experimental teaching plays an important role in improving the basic engineering ability of students majoring in welding. This paper analyzes the experimental teaching content， experimental method and engineering application of the course， and discusses how to improve the effect of experimental teaching， expand students' thinking， stimulate students' professional interest， and improve their practical ability and innovation ability.

Keywords： Arc Welding Process and Equipment; experimental teaching; reformation; teaching effectiveness; innovation ability

弧焊工艺与设备作为材料成型及控制工程专业焊接方向的一门重要的专业基础课，主要讲授熔化极气体保护焊（MAG）、氩弧焊（TiG）、埋弧焊（SAW）等焊接方法、原理及应用，是工程应用很强的专业课程。弧焊工艺与设备实验课程主要包括细丝MAG、SAW和TiG焊工艺特性，以及不同焊接材料（如铝合金、钢等）的典型特征，为了强化学生的专业基础，须通过实验教学环节加强对焊接方法、原理及应用的深入理解。

弧焊工艺与设备实验教学目的是培养学生的基本实验技能，是实践性教学。掌握熔化极气体保护焊、氩弧焊、埋弧焊实验原理，搞清典型焊机的原理和结构，使学生了解常用焊机的使用功能，并初步具备工程实践能力。利用不同的焊机，在不同控制条件下，引起典型焊接现象和焊接数据的变化，通过观察和分析，获得专业能力。实验教学不仅验证典型焊接方法和原理，更着重于培养本专业学生正确使用焊机设备，最终具备综合和设计焊接方案、分析实验数据和编写实验报告等能力。

一  弧焊工艺与设备实验教学现状分析

合肥工业大学材料科学与工程学院材料成型及控制工程系为国家特色专业，2021年获批国家一流本科专业建设点，致力于培养在材料、机械等行业的科学研究与工程应用专业人才。弧焊工艺与设备是材料成型及控制工程系焊接方向的主要专业课程，实验课程作为理论课程的重要组成部分，对人才的培养起着不可或缺的作用。

弧焊工艺与设备实验课主要是比较氩弧焊、气体保护焊以及埋弧焊配对不同焊接材料的特征。分析实验课程的教学现状，可以发现存在以下问题：一方面，实验教学以实验过程为主线，很多情况下采用实验室先讲解后示范教学模式。往往针对焊接工艺的某个概念（熔池）进行简单演示，即对过程进行简化，忽略关键工艺参数、气体保护和应用范围等重要过程讲解。普遍存在着一种现象：学生起初能听懂，随着实验进程继续，往往无法捕捉典型实验现象和实验数据等关键信息。另一方面，在理论教学和实验教学中没有贯穿工程应用的思想，但却把重点放在讲解焊接工艺的方法和原理上，具体的例子很少。学生容易产生实验基本没什么意义的错觉，达不到预期效果。究其原因：主要是理论与当前的工程应用脱节，很多学生无法通过关键的实验现象和实验数据验证经典的专业理论产生共鸣。

上述问题的原因在于当前实验教学模式和方法没能跟上先进技术变革。为改善实验教学质量和效果，有必要对弧焊工艺与设备实验课程教学内容和模式进行改革和探讨。针对当前授课方法的不足，国内众多高校已开展探索专业课程实验教学改革，有基于项目开发实践进行专业课教学[1-2]，即教学内容围绕具体的项目开发，以工程实践能力培养为核心进行专业课程教学；有面向工程完整案例的专业课教学，为企业深度参与教学搭建平台[3-5]；有在教学中引入虚拟仿真模拟实际系统的工作过程[6-7]，学生通过完成模拟工艺过程完成对专业课知识的学习；有的利用雨课程进行线上线下混合模式开展焊接实验教学改革[8]。

目前，合肥工业大学材料科学与工程学院为弧焊工艺与设备课程安排了4个学时的实验教学，为总学时（32学时）的12.5%。为了满足国家一流专业培养水平的要求，目前的实验教学模式和教学内容必须进行改革。面向工程实验教学就是实验思想把典型的工程项目展开并贯穿于整个实验教学，学生可以在实验教学过程中了解所学知识在工程中的应用，这样就使学生明白使用所学知识“可以解决什么问题”和“如何解决这些问题”。

二  弧焊实验教学改革

（一）  丰富实验教学内容

在原有的经典实验项目基础上增加先进设备的使用比例，尽可能重现经典理论的实验现象（如何铝合金在氩弧焊中阴极雾化现象）。通过先进设备重现经典实验现象细节，激发学生的学习兴趣。目前所开的实验课程可使用附件主要有高速相机（观察熔池形貌）、热成像仪（图1）及示波器（观察直流脉冲和交流波形）等，可以让学生在焊机基础上加以上述辅助设备，可以更加直观地观察熔池、交流和直流电源变化等。图1为45钢在不同预热温度下焊接时母材和熔池边缘的热成像图，直接展示焊接过程中温度场变化。在平常的实验教学中无法直观观察母材预热温度，通过热成像仪获取的数据，可以展现更多的工艺细节，同时激发学生对专业基础理论的理解，强化学生的专业基础。同时，对于专业基础实验，也要规划增加新的焊接方法，例如，冷金属过渡焊机，使学生能够接触和了解最新的熔焊技术。这样既能加强学生对理论知识的深入理解，又能锻炼其科研和工程能力，达到国家一流专业要求。

（二）  改进实验方法

利用模拟软件来辅助实验教学和帮助学生理解实验的工具，有效提高教学效果。例如在讲授直流交流脉冲TiG焊接工艺实验时，铝合金和不锈钢板材可能会出现不同的问题，如铝合金需要用交流电流电压设置焊接参数，而不锈钢板需要用直流脉冲设置焊接参数，但对氩弧焊规律的掌握，简单一次演示实验可能无法达到理想的教学效果，因此，可以充分利用模拟软件来回顾实验过程，提高教学效果。

在细丝MAG、SAW焊接工艺及设备教学中可使用的仿真软件Abaqus展现焊接参数，提供气体保护焊（MAG）熔池温度场和母材的等效应力场等结果（图2、图3）。通过此仿真工具，对所做熔焊实验进行模拟仿真，可以得到不同预热温度条件下异种材料连接的熔池温度场和母材等效应力场的数据，最终可以通过实验来验证，提高学生对实验教学内容的理解及分析设计能力。通过将仿真实验和传统实验相结合，精细重现实验过程，深入解读关键实验进程，加强学生对基础性实验原理的理解。

（三）  增开综合实验

为了缓解学校对提高学生实践能力要求和实验课时紧张之间的矛盾，合肥工业大学材料科学与工程学院在大四第一学期增加综合实验48学时。在学生完成主要的专业课学习后，开展材料成型及控制工程专业综合实验，内容之一是结合焊接领域的主流连接技术以及新材料（如含碳纳米管增强铝基复合材料和高强钢等），进行系统的焊接试验。在综合试验中，坚持以学生为主体。首先，让学生通过设计铝合金和高强钢焊接方法，选用不同的铝合金和合金钢焊丝。其次，通过超声波探伤、组织和性能表征综合评价调整焊接工艺方案。最后，通过系统的试验流程着重培养学生掌握铝合金和钢板焊接方法。图4为未开设综合实验实验教学效果饼状图，主要是对氩弧焊、气体保护焊及埋弧焊基本原理和实验现象进行测试，数据样本来源于合肥工业大学材料科学与工程学院2018级本科生（样本数76人），其中弧焊工艺与设备实验课程在2020—2021年第二学期开设，综合实验在2021—2022年第一学期开设。图5为开设综合实验实验教学效果饼状图。对比发现：经过综合实验训练，2018级本科生对焊接方法和原理的掌握程度得到极大改善。

三  结束语

随着材料成型及控制工程国家一流专业建设的开展，对弧焊工艺与设备课程实验教学效果提出更高要求。并对提高弧焊工艺与设备的实验教学效果提出以下看法：首先通过对现有实验项目进行改革，改进实验方法，引进一流的专业设备，拓展学生的视野，着重培养学生掌握典型焊接方法及原理；其次增加综合实验内容比重，建构“两阶段”的实验教学模式，即课程实验和综合实验两个阶段，将当前科学研究和工程项目中一些焊接方法和工艺引入综合实验中，充分调动学生的学习积极性，实现课内教学与工程项目紧密结合、提高学生专业兴趣，培养学生的工程实践能力和科研创新能力。

参考文献：

[1] 王晓军.焊接工艺评定综合实验教学的理论与实践[J].发展，2015（2）：121-122.

[2] 徐英.项目教学法在焊接工艺教学中的应用[J].新校园旬刊，2013（11）：69-70.

[3] 张德芬，陈孝文，王斌，等.焊接工艺评定综合实验项目的实施效果及体会[J].科技创新导报，2017，14（31）：110-111.

[4] 樊宇，柳岸敏，陈正，等.基于“一体化”教学的焊接课堂与实践课程建设研究[J].中国校外教育，2016，575（30）：52-53.

[5] 孙登科.焊接机器人CO2气体保护焊工艺研究实践教学设计[J].焊接技术，2019，48（11）：75-77.

[6] 杨志东，陈书锦，方臣富.虚拟仿真技术与教学相结合的课程培养探索——以焊接技术与工程专业为例[J].大学：教学与教育，2020（44）：57-59.

[7] 李阳，罗曼乐兰，庞盛永.基于数值模拟的高能束焊接虚拟仿真实验教学[J].实验技术与管理，2021，38（8）：110-122.

[8] 李翔，王林珠，丁培松，等.“雨课堂”在焊接技术与工程专业实验教学中的改革探索[J].山东化工，2019（6）：205-206.