弧焊工藝與設備實驗教學改革探討

摘 "要：弧焊工藝與設備是一門綜合性、實踐性很強的專業課程，其實驗教學質量對提高焊接專業學生的基礎工程能力發揮重要作用。該文對弧焊工藝與設備課程的實驗教學現狀進行分析，從實驗教學內容、實驗方法及工程應用三方面，對如何提高實驗教學效果、拓展學生思維、激發學生專業興趣、提高實踐能力和創新能力進行探討。

關鍵詞：弧焊工藝與設備;實驗教學;改革；教學效果；創新能力

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：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

弧焊工藝與設備作為材料成型及控制工程專業焊接方向的一門重要的專業基礎課，主要講授熔化極氣體保護焊（MAG）、氬弧焊（TiG）、埋弧焊（SAW）等焊接方法、原理及應用，是工程應用很強的專業課程。弧焊工藝與設備實驗課程主要包括細絲MAG、SAW和TiG焊工藝特性，以及不同焊接材料（如鋁合金、鋼等）的典型特征，為了強化學生的專業基礎，須通過實驗教學環節加強對焊接方法、原理及應用的深入理解。

弧焊工藝與設備實驗教學目的是培養學生的基本實驗技能，是實踐性教學。掌握熔化極氣體保護焊、氬弧焊、埋弧焊實驗原理，搞清典型焊機的原理和結構，使學生了解常用焊機的使用功能，并初步具備工程實踐能力。利用不同的焊機，在不同控制條件下，引起典型焊接現象和焊接數據的變化，通過觀察和分析，獲得專業能力。實驗教學不僅驗證典型焊接方法和原理，更著重于培養本專業學生正確使用焊機設備，最終具備綜合和設計焊接方案、分析實驗數據和編寫實驗報告等能力。

一 "弧焊工藝與設備實驗教學現狀分析

合肥工業大學材料科學與工程學院材料成型及控制工程系為國家特色專業，2021年獲批國家一流本科專業建設點，致力于培養在材料、機械等行業的科學研究與工程應用專業人才。弧焊工藝與設備是材料成型及控制工程系焊接方向的主要專業課程，實驗課程作為理論課程的重要組成部分，對人才的培養起著不可或缺的作用。

弧焊工藝與設備實驗課主要是比較氬弧焊、氣體保護焊以及埋弧焊配對不同焊接材料的特征。分析實驗課程的教學現狀，可以發現存在以下問題：一方面，實驗教學以實驗過程為主線，很多情況下采用實驗室先講解后示范教學模式。往往針對焊接工藝的某個概念（熔池）進行簡單演示，即對過程進行簡化，忽略關鍵工藝參數、氣體保護和應用范圍等重要過程講解。普遍存在著一種現象：學生起初能聽懂，隨著實驗進程繼續，往往無法捕捉典型實驗現象和實驗數據等關鍵信息。另一方面，在理論教學和實驗教學中沒有貫穿工程應用的思想，但卻把重點放在講解焊接工藝的方法和原理上，具體的例子很少。學生容易產生實驗基本沒什么意義的錯覺，達不到預期效果。究其原因：主要是理論與當前的工程應用脫節，很多學生無法通過關鍵的實驗現象和實驗數據驗證經典的專業理論產生共鳴。

上述問題的原因在于當前實驗教學模式和方法沒能跟上先進技術變革。為改善實驗教學質量和效果，有必要對弧焊工藝與設備實驗課程教學內容和模式進行改革和探討。針對當前授課方法的不足，國內眾多高校已開展探索專業課程實驗教學改革，有基于項目開發實踐進行專業課教學[1-2]，即教學內容圍繞具體的項目開發，以工程實踐能力培養為核心進行專業課程教學；有面向工程完整案例的專業課教學，為企業深度參與教學搭建平臺[3-5]；有在教學中引入虛擬仿真模擬實際系統的工作過程[6-7]，學生通過完成模擬工藝過程完成對專業課知識的學習；有的利用雨課程進行線上線下混合模式開展焊接實驗教學改革[8]。

目前，合肥工業大學材料科學與工程學院為弧焊工藝與設備課程安排了4個學時的實驗教學，為總學時（32學時）的12.5%。為了滿足國家一流專業培養水平的要求，目前的實驗教學模式和教學內容必須進行改革。面向工程實驗教學就是實驗思想把典型的工程項目展開并貫穿于整個實驗教學，學生可以在實驗教學過程中了解所學知識在工程中的應用，這樣就使學生明白使用所學知識“可以解決什么問題”和“如何解決這些問題”。

二 "弧焊實驗教學改革

（一） "豐富實驗教學內容

在原有的經典實驗項目基礎上增加先進設備的使用比例，盡可能重現經典理論的實驗現象（如何鋁合金在氬弧焊中陰極霧化現象）。通過先進設備重現經典實驗現象細節，激發學生的學習興趣。目前所開的實驗課程可使用附件主要有高速相機（觀察熔池形貌）、熱成像儀（圖1）及示波器（觀察直流脈沖和交流波形）等，可以讓學生在焊機基礎上加以上述輔助設備，可以更加直觀地觀察熔池、交流和直流電源變化等。圖1為45鋼在不同預熱溫度下焊接時母材和熔池邊緣的熱成像圖，直接展示焊接過程中溫度場變化。在平常的實驗教學中無法直觀觀察母材預熱溫度，通過熱成像儀獲取的數據，可以展現更多的工藝細節，同時激發學生對專業基礎理論的理解，強化學生的專業基礎。同時，對于專業基礎實驗，也要規劃增加新的焊接方法，例如，冷金屬過渡焊機，使學生能夠接觸和了解最新的熔焊技術。這樣既能加強學生對理論知識的深入理解，又能鍛煉其科研和工程能力，達到國家一流專業要求。

（二） "改進實驗方法

利用模擬軟件來輔助實驗教學和幫助學生理解實驗的工具，有效提高教學效果。例如在講授直流交流脈沖TiG焊接工藝實驗時，鋁合金和不銹鋼板材可能會出現不同的問題，如鋁合金需要用交流電流電壓設置焊接參數，而不銹鋼板需要用直流脈沖設置焊接參數，但對氬弧焊規律的掌握，簡單一次演示實驗可能無法達到理想的教學效果，因此，可以充分利用模擬軟件來回顧實驗過程，提高教學效果。

在細絲MAG、SAW焊接工藝及設備教學中可使用的仿真軟件Abaqus展現焊接參數，提供氣體保護焊（MAG）熔池溫度場和母材的等效應力場等結果（圖2、圖3）。通過此仿真工具，對所做熔焊實驗進行模擬仿真，可以得到不同預熱溫度條件下異種材料連接的熔池溫度場和母材等效應力場的數據，最終可以通過實驗來驗證，提高學生對實驗教學內容的理解及分析設計能力。通過將仿真實驗和傳統實驗相結合，精細重現實驗過程，深入解讀關鍵實驗進程，加強學生對基礎性實驗原理的理解。

（三） "增開綜合實驗

為了緩解學校對提高學生實踐能力要求和實驗課時緊張之間的矛盾，合肥工業大學材料科學與工程學院在大四第一學期增加綜合實驗48學時。在學生完成主要的專業課學習后，開展材料成型及控制工程專業綜合實驗，內容之一是結合焊接領域的主流連接技術以及新材料（如含碳納米管增強鋁基復合材料和高強鋼等），進行系統的焊接試驗。在綜合試驗中，堅持以學生為主體。首先，讓學生通過設計鋁合金和高強鋼焊接方法，選用不同的鋁合金和合金鋼焊絲。其次，通過超聲波探傷、組織和性能表征綜合評價調整焊接工藝方案。最后，通過系統的試驗流程著重培養學生掌握鋁合金和鋼板焊接方法。圖4為未開設綜合實驗實驗教學效果餅狀圖，主要是對氬弧焊、氣體保護焊及埋弧焊基本原理和實驗現象進行測試，數據樣本來源于合肥工業大學材料科學與工程學院2018級本科生（樣本數76人），其中弧焊工藝與設備實驗課程在2020—2021年第二學期開設，綜合實驗在2021—2022年第一學期開設。圖5為開設綜合實驗實驗教學效果餅狀圖。對比發現：經過綜合實驗訓練，2018級本科生對焊接方法和原理的掌握程度得到極大改善。

三 "結束語

隨著材料成型及控制工程國家一流專業建設的開展，對弧焊工藝與設備課程實驗教學效果提出更高要求。并對提高弧焊工藝與設備的實驗教學效果提出以下看法：首先通過對現有實驗項目進行改革，改進實驗方法，引進一流的專業設備，拓展學生的視野，著重培養學生掌握典型焊接方法及原理；其次增加綜合實驗內容比重，建構“兩階段”的實驗教學模式，即課程實驗和綜合實驗兩個階段，將當前科學研究和工程項目中一些焊接方法和工藝引入綜合實驗中，充分調動學生的學習積極性，實現課內教學與工程項目緊密結合、提高學生專業興趣，培養學生的工程實踐能力和科研創新能力。

參考文獻：

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[7] 李陽，羅曼樂蘭，龐盛永.基于數值模擬的高能束焊接虛擬仿真實驗教學[J].實驗技術與管理，2021，38（8）：110-122.

[8] 李翔，王林珠，丁培松，等.“雨課堂”在焊接技術與工程專業實驗教學中的改革探索[J].山東化工，2019（6）：205-206.