高职钢结构工程技术专业大二下学期《钢结构焊接工艺与冷弯成型禁忌》教案

高职钢结构工程技术专业大二下学期《钢结构焊接工艺与冷弯成型禁忌》教案

一、教学基本信息

课程名称：钢结构焊接工艺与冷弯成型禁忌

授课课题：焊接残余应力控制、典型缺陷防治与冷弯成型技术标准

授课对象：高职钢结构工程技术专业二年级学生

授课学时：2学时（90分钟）

授课地点：多媒体智慧教室+虚拟仿真焊接实训室

课程性质：专业核心技能课

先修课程：《金属材料与热处理》、《钢结构识图与构造》、《焊接方法与设备》

二、教学目标设计

（一）素养目标（立德树人）

1.深刻理解“焊缝连接质量是钢结构生命线”的工程伦理，牢固树立“质量第一、安全至上”的职业价值观。【核心素养】

2.在分析焊接缺陷与冷弯裂纹的过程中，养成严谨细致、精益求精、追求卓越的工匠精神。【职业精神】

3.通过引入国内外重大钢结构工程事故案例（如焊接脆断导致的桥梁坍塌、冷弯开裂导致的建筑事故），强化学生对技术规范与操作规程的敬畏之心，培养社会责任感和历史使命感。【思政融入点】

（二）知识目标（应知）

1.【基础】准确复述焊接残余应力的产生机理、分类（温度应力、相变应力、约束应力）及其对钢结构静载强度、刚度、受压稳定性和低温脆断的影响。

2.【重要】系统梳理钢结构焊接中六大常见缺陷（裂纹、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、咬边）的宏观形貌特征、微观成因（冶金因素、工艺因素）及无损检测方法（UT、MT、PT、RT）的适用性。

3.【高频考点】精准记忆《钢结构工程施工质量验收规范》（GB50205）及《钢结构焊接规范》（GB50661）中对一级、二级焊缝的内部缺陷评级标准与外观质量要求。

4.【难点】掌握冷弯成型（压制/辊弯）技术的基本原理，理解冷作硬化、应变时效对钢材塑韧性退化的影响机制。

5.辨识压制（冷弯）与焊接两种工艺的耦合效应，即冷弯加工后残余应力与焊接残余应力的叠加对构件整体受力性能的危害。

（三）能力目标（应会）

1.【非常重要】能够运用焊接应力与变形的基本理论，针对典型焊接节点（如T型接头、十字接头、搭接接头），【重点】设计出至少三种预防和减少焊接残余应力与变形的工艺措施（如预热、合理焊接顺序、反变形法、刚性固定法、锤击法）。

2.【核心技能】能依据焊缝外观质量，初步判断内部可能存在的缺陷类型；能在虚拟仿真软件中，模拟设置错误的焊接参数（如电流过大、速度过快、焊条角度不对），【热点】观察并分析对应缺陷（咬边、未熔合、气孔）的生成过程。

3.能查阅国家标准和工艺规范手册，针对给定的钢材牌号（如Q355B）和板厚（如20mm），【实践应用】制定出合理的焊前预热温度、层间温度控制范围及焊后热处理（PWHT）工艺参数。

4.能够分析冷弯成型工艺中，由于弯曲半径过小、模具间隙不当、材料各向异性等因素导致的开裂、褶皱等缺陷，并提出相应的工艺改进方案（如增大弯曲半径、采用优质润滑剂、调整压制方向）。

5.能够综合运用所学知识，【综合提升】对“先压后焊”或“先焊后压”的工艺流程选择进行利弊分析，给出基于特定产品（如冷弯薄壁型钢构件）的最优工艺流程建议。

三、教学重点与难点

（一）教学重点

1.【重中之重】焊接残余应力的产生机理、危害及其控制措施（工艺措施与设计措施）。

2.【核心考点】常见焊接缺陷（特别是冷、热裂纹）的成因、特征与防止方法。

3.【规范应用】国家标准对焊接质量验收的核心条款解读。

4.【工艺关联】冷弯成型工艺参数与成型质量的关系。

（二）教学难点

1.【抽象概念具象化】焊接残余应力的空间分布状态及其对构件稳定性的影响机制，难以直观感知。

2.【多因素耦合分析】焊接热裂纹的形成是冶金因素（化学成分、偏析）、力学因素（拘束应力）和工艺因素共同作用的结果，学生综合分析时容易顾此失彼。

3.【微观机制理解】冷作硬化、时效现象对材料微观组织（位错、晶粒）的改变，及其与宏观力学性能（屈强比、延伸率）下降之间的内在逻辑。

4.【综合决策能力】针对具体工程问题，如何在成本、工期和质量之间权衡，选择最佳的焊接与压制联合工艺方案。

四、教学方法与资源

（一）教学方法

1.案例教学法：以某体育馆网架结构因焊接低温脆断导致的事故为引子，贯穿全过程。

2.问题驱动教学法（PBL）：围绕“如何焊一条没有缺陷、变形小、强度高的焊缝”这一核心工程问题，层层递进展开教学。

3.虚拟仿真+虚实结合教学法：利用焊接虚拟仿真软件，让学生在安全、低成本的环境下“试错”，直观体验不同参数对缺陷产生的影响。

4.小组协作探究法：将学生分为若干“项目组”，针对给定的复杂节点（如梁柱刚性连接节点），共同讨论制定焊接工艺规程（WPS）草案并进行组间互评。

5.比较教学法：对比分析焊接与压制两种工艺的优缺点、禁忌及质量控制要点。

（二）教学资源

1.多媒体课件：集成高清缺陷图片、动画（如焊接熔池形成、应力演化）、事故现场视频。

2.虚拟仿真平台：中焊杯焊接虚拟仿真软件或同类型软件，具备工艺参数设置与缺陷模拟功能。

3.实物教具：带有典型缺陷的焊缝试板（如裂纹、未焊透、咬边）样品；不同弯曲半径的冷弯型钢样品；焊接接头宏观金相图片。

4.数字化资源：超星学习通或智慧职教平台，上传国家标准电子版（GB50661、GB50205）、微课视频、企业实际焊接工艺评定报告案例。

5.工具与设备：多媒体触控大屏、学生终端（平板/手机）、焊接操作机模型。

五、教学实施过程（90分钟）

（一）创设情境，导入新课（5分钟）【激趣引思】

1.课堂启动：大屏幕上展示一张震撼人心的图片——1994年韩国圣水大桥坍塌瞬间，重点标注出断裂处为焊接点。教师以沉重而严肃的语气简述事故概况：造成32人死亡，直接原因是焊接质量低下导致的脆性断裂。

2.抛出问题：同学们，这张图是每一个钢结构工程师心中的警钟。焊缝，是钢结构的关节，连接着安全与毁灭。为什么看似牢固的焊缝会突然断裂？今天我们连接的构件，也许是未来我们城市的地标、我们乘坐的高铁站台。我们如何保证从我们手中出去的每一道焊缝，都能承受住百年的考验？

3.引出课题：带着这个问题，我们进入今天的学习——【板书/PPT展示新标题】。我们要深入钢结构的“骨骼”与“关节”，探究焊接中看不见的敌人“残余应力”和“致命缺陷”，以及另一种成型工艺“冷弯压制”中的技术与禁忌。

（二）核心机理剖析：焊接残余应力与控制（20分钟）【重要】【难点】

1.直观感知与模型建构：

1.2.教师利用一个简单的物理类比：拿三根弹簧，中间一根加热（模拟焊缝金属受热膨胀），但两侧的弹簧（母材）限制其膨胀，从而产生压缩；冷却时，中间弹簧收缩，但两侧限制其收缩，从而产生拉伸。由此引出焊接残余应力的核心概念“在不均匀的加热和冷却过程中，由于材料热胀冷缩受到约束而在焊后残留下物体内部的应力”。

2.3.利用动画演示焊接过程温度场的变化，清晰展示加热阶段焊缝区受压、冷却阶段焊缝区受拉的动态过程。强调冷却后焊缝区存在的正是【非常重要】【高频考点】焊接残余拉应力。

4.分类与成因（精讲）：

1.5.温度应力（热应力）：由于不均匀的温度场产生的热膨胀和收缩不一致所引起。

2.6.相变应力：焊接高温下金属发生组织转变（如奥氏体分解为铁素体、珠光体、马氏体），不同组织的比容不同（马氏体比容最大），体积膨胀受周围金属约束而产生应力。【基础】

3.7.拘束应力：结构自身刚度、夹具或相邻部件对焊接接头自由变形的限制而产生的应力。

8.危害分析（案例佐证）：

1.9.对静载强度的影响：引用“应力面积法”概念，说明存在焊接残余拉应力的区域，在外载作用下会更快达到屈服点，导致塑性变形提前，但通常对静载极限强度影响不大（材料有应变硬化能力）。【难点】

2.10.对刚度的影响：外载与残余应力叠加，使部分区域提前进入塑性，构件有效刚度降低。

3.11.【非常重要】对受压稳定性的影响：对于细长杆件和薄板，焊接残余压应力（通常在远离焊缝区）可能叠加外载压应力，使构件提前发生局部屈曲或整体失稳，这是工程中【热点】关注点。通过动画演示H型钢焊接后翼缘的波浪变形。

4.12.对疲劳强度的影响：残余拉应力区相当于施加了平均应力，使得疲劳裂纹萌生和扩展的门槛值降低，【核心】是导致疲劳断裂的主要原因之一。

5.13.对脆性断裂的影响：在低温或动载作用下，残余拉应力与工作应力叠加，极易引发低应力脆断。再次回扣圣水大桥案例。

14.控制措施（【非常重要】工程应用）：

1.15.设计措施：尽量减少焊缝数量和截面尺寸；避免焊缝过分集中（如采用节点板过渡）；采用刚性较小的接头形式；预留收缩应力释放缝。

2.16.工艺措施（重点展开）：

1.3.17.预热：讲解预热的机理（降低冷却速度，减小温差，减少淬硬组织），并结合GB50661，讲解如何根据钢材碳当量（Ceq）和板厚选择预热温度。

2.4.18.焊接顺序原则：【重要】采用对称焊、分段退焊、跳焊法等。用动画演示一块厚板对接，从一端直通焊到另一端导致的巨大变形；再演示采用分段退焊或由中间向两端对称焊，应力分布如何变得均匀。

3.5.19.锤击法：焊后立即用圆头小锤轻敲焊缝及周围金属，使其延展，抵消部分收缩应力。强调锤击力度要适中，避免产生裂纹。

4.6.20.焊后热处理：整体高温回火或局部热处理，利用材料在高温下屈服点降低和蠕变现象，使残余应力得到松弛和释放。结合案例说明重要结构（如厚板、有应力腐蚀倾向的构件）必须进行PWHT。

5.7.21.振动时效：介绍现代常用方法，通过激振器使构件共振，释放部分残余应力。

（三）深入禁区：典型焊接缺陷分析与防治（25分钟）【核心考点】【高频考点】

1.分类与宏观特征（结合实物教具与高清图片）：

1.2.裂纹：最危险的缺陷，【重中之重】。分热裂纹（凝固裂纹、液化裂纹）和冷裂纹（延迟裂纹、氢致裂纹）。

1.2.3.热裂纹：特征“沿晶开裂”，断口有氧化色（蓝色、黑色）。多发生在焊缝中心或弧坑。原因：晶间低熔点共晶物+拉应力。

2.3.4.冷裂纹：特征“穿晶开裂”，断口光亮。多在焊后几小时甚至几天后出现（延迟性），危害极大。原因：淬硬组织（马氏体）+氢的聚集+拘束应力。

4.5.气孔：球形或长虫形孔洞。原因：熔池金属中气体（H2、CO、N2）在凝固前来不及逸出。【基础】

5.6.夹渣：焊缝中残留的非金属夹杂物（焊渣、氧化物）。形状不规则。原因：层间清渣不净、焊接电流太小、运条不当。

6.7.未焊透：母材与母材之间未被熔化填充。根部未焊透最常见。原因：坡口角度太小、钝边太厚、间隙太小、电流不够。

7.8.未熔合：焊道与母材之间或焊道与焊道之间未完全熔化结合。原因：热输入不足、电弧偏吹、焊条角度不对。

8.9.咬边：母材在焊趾处被熔化成沟槽，未得到填充。原因：电流过大、电弧过长、运条速度不当。

10.成因深度剖析与防治（【非常重要】工艺关联）：

1.11.互动环节：在虚拟仿真软件中，教师设置错误的焊接参数，实时生成缺陷。

1.2.12.设置过大电流+过快焊速，仿真生成咬边和焊瘤。

2.3.13.设置过小电流+慢速，仿真生成未熔合和夹渣。

3.4.14.设置潮湿的焊条+过长电弧，仿真生成密集气孔。

4.5.15.设置高碳当量材料+无预热+低氢措施不足，仿真生成延迟冷裂纹。

6.16.学生观察并记录，教师同步讲解防治措施：

1.7.17.裂纹防治：【重要】严格烘干焊条（去氢）；选择合适的预热和层间温度（去淬硬）；采用合理的焊接顺序（减小应力）；焊后及时热处理（去氢+去应力）。

2.8.18.气孔防治：彻底清理坡口及两侧油污、铁锈（去氢源、氧源）；按规定烘干焊剂、焊条；采用短弧焊，保护熔池。

3.9.19.未焊透/未熔合防治：正确设计坡口尺寸；保证装配间隙；选择合适的焊接电流和速度；操作时注意电弧指向。

20.质量标准与无损检测（规范应用）：

1.21.简要介绍GB50661和GB50205中关于焊缝质量的分级（一、二、三级）。

2.22.讲解各级别焊缝对应的无损检测方法：【基础】一级焊缝100%超声波探伤（UT）；二级焊缝20%UT；外观检查（VT）100%。

3.23.展示典型的UT探伤图谱和RT底片，让学生对缺陷的检测信号有初步认识。

（四）工艺拓展：冷弯成型（压制）技术与禁忌（20分钟）【难点】

1.工艺原理对比：从热加工（焊接）过渡到冷加工（压制/冷弯）。

1.2.播放冷弯型钢连续辊弯成型的生产线视频，以及液压机压制钢板的动画。讲解基本原理：将钢板或带钢在常温下通过模具弯曲成所需截面形状。

2.3.强调冷弯过程的实质是【重要】金属材料在常温下发生塑性弯曲变形。

4.冷弯成型的关键参数与质量控制：

1.5.最小弯曲半径：这是最重要的工艺参数。【非常重要】讲解弯曲半径过小会导致弯曲件外侧受拉区应变过大，超过材料自身的极限延伸率，从而产生裂纹。公式引入：外层纤维伸长率δ=1/(2R/t+1)。结合材料标准（如Q355的最小弯曲半径要求）。

2.6.回弹现象：讲解塑性变形伴随弹性变形，卸载后工件形状与模具形状不符的现象。分析影响回弹的因素（材料屈服强度、相对弯曲半径R/t），介绍补偿方法（修正模具角度、加压校正）。

3.7.冷作硬化与应变时效：讲解冷弯后，材料屈服强度提高、塑性和韧性下降的现象。尤其要强调【难点】应变时效（加工后放置一段时间，硬度增加、韧性下降更明显）对构件后续性能，特别是低温韧性的危害。这对“先焊后压”还是“先压后焊”的选择至关重要。

8.典型缺陷分析与防治：

1.9.开裂：如前所述，弯曲半径过小、边缘有毛刺或微裂纹、材料各向异性严重（横向性能差）。

2.10.褶皱/失稳：常见于薄壁型钢的受压翼缘或腹板，由于压应力或剪切应力导致局部屈曲。原因：模具间隙过大、支撑不足、材料强度过高。

3.11.截面畸变：成型过程中截面形状发生非预期的改变。

4.12.防治措施：优化工艺参数（采用合理的弯曲半径、间隙）；选用优质润滑剂；控制原材料的边缘质量和力学性能的均匀性；对于复杂截面，可采用多次渐进成型。

（五）综合应用：焊接与压制的联合工艺决策（15分钟）【综合提升】【热点】

1.问题提出：对于一个由冷弯型钢焊接而成的构件（如冷弯薄壁型钢门式刚架），是先进行冷弯压制，然后再焊接拼装（先压后焊）；还是先将平板焊接成大板，再进行冷弯压制（先焊后压）？

2.小组讨论（分组对抗）：

1.3.将全班分为A、B两组。A组论证“先压后焊”的优缺点，B组论证“先焊后压”的优缺点。

2.4.教师引导学生在讨论中必须考虑以下因素：

1.3.5.焊接残余应力与冷弯残余应力的叠加效应：先压后焊，焊接热循环会改变冷弯区的组织和应力状态，可能释放部分冷弯应力，但也可能导致热影响区晶粒粗化和性能下降。先焊后压，压制过程会使焊缝及热影响区发生冷变形，可能产生新的微裂纹，且对焊缝的塑性要求极高。

2.4.6.成型难度：先焊后压，焊缝的存在会破坏材料的连续性，在压制时极易从焊趾处开裂，对模具精度和材料塑性是巨大挑战。

3.5.7.尺寸精度：先压后焊，焊接变形会影响最终尺寸。先焊后压，压制精度高，但焊缝区受压，风险大。

4.6.8.成本与效率：讨论不同工艺流程的模具成本、人工成本和废品率。

9.方案点评与总结（教师）：

1.10.总结两种工艺的适用场景：【重要】对于截面复杂、对成型精度要求高、焊缝质量要求相对不高的构件，可采用先焊后压（需选用塑性极好的材料，并严格控制焊缝余高和缺陷）；对于绝大多数承重结构，通常采用先压后焊，即先成型出开口或闭口的冷弯型钢，再将其作为部件进行焊接组装。

2.11.强调无论采用何种顺序，都必须进行充分的【工艺评定】，验证接头的力学性能（尤其是冲击韧性和冷弯性能）是否满足设计要求。

3.12.再次回归工程伦理：任何工艺的选择都不是随心所欲的，必须以科学试验和规范为依据，以结构安全为最终目标。

（六）课堂小