焊接试验.doc

焊接结构实验指导书

万鑫 刘雪松 杨建国

材料学院教学实验中心
2008年5月
实验一 平板焊接变形的测量与分析

一、实验目的
⒈掌握平板收缩变形、挠曲变形及角变形的基本方法。
⒉熟悉平板堆焊收缩变形、挠曲变形及角变形的产生原因和分布规律。
⒊了解不同厚度、不同线能量对收缩变形、挠曲变形及角变形大小的影响。
4.焊接残余应力的先进测试方法、原理
5.薄板焊接变形的先进控制方法及原理
二、焊接设备、实验条件及测量工具和仪器
㈠焊接方法及设备
焊接方法：手工电弧焊、TIG自动焊
焊接设备：交流弧焊机及其辅助设施
焊接工装：随焊冲击控制焊接变形装置、旋转挤压控制焊接变形装置
㈡实验条件
⒈试件尺寸：2mm×150mm×300mm（Q235钢）
6mm×150mm×300mm（Q235钢）
2~4mm×150mm×300mm（LY12铝合金）
⒉试件材料：Q235A、
⒊焊接规范：
见下表
板厚
焊接电流
2mm钢
90A
110A
6mm钢
170A
190A
2~4mm铝合金
120A
200A
⒋测点分布
如下图1、2所示

图1 2mm板测点分布

图2 6mm板测点分布
6mm板：横向收缩、角变形以及挠曲变形均测。
2mm板：只测角变形及挠曲变形。
㈢测量工具与仪器
测量仪器包括：⒈引伸仪；⒉游标卡尺；⒊钢板尺。
三、测量方法
1、横向收缩变形的测量
横向收缩变形采用引伸仪来测量。引伸仪结构见图3。

图3 引伸仪结构示意图
其中：⒈百分表；⒉铰链；⒊活动支腿；⒋固定支腿；⒌弹簧。
对应图2中A、B、C、F、G、H六条横线，把引伸仪的活动支腿3放在竖线L上的洋冲孔内，拉动引伸仪，是活动支腿4放在竖线P上对应的孔内，从百分表中读出焊前孔间距的原始数值B0，焊后测出间距数值B1。分别填入附表内，其差值即为焊接所引起的横向收缩变形值。由于上下表面收缩量不一样，取上下表面差值的平均值即为该位置的横向收缩变形值。
2、挠曲变形的测量
挠曲变形的测量采用带支腿的钢板尺和游标卡尺来测量。

图4 挠曲变形测量示意图
如图4所示，1为带支腿的钢板尺，2为试件。使用游标卡尺分别测出焊前、焊后的高度h,分别记为h1、h2填入附表内，其差值即为焊接所引起的挠曲变形。对2mm板需测量图1中J、K、L、M、N、P、Q、R八条竖线上的挠曲变形。对6mm板需测量图2中J、L、M、N、P、R六条竖线上的挠曲变形。
3、角变形的测量与计算
角变形的测量同样采用带支腿的钢板尺和游标卡尺来测量，但需进行计算。

图5 角变形的测量示意图
如图5所示，可以分别计算出α1、α2。在h1、L1和h3、L2为定值时，只要测出h2、h4的值，就可以计算出α1、α2，也即可算出角度来。由于所用试件焊前不是绝对平整，焊前焊后均应测量，其差值即为焊接所引起的角变形。对2mm板要测量图1中A、B、C、D、E、F、G、H八条线上的角变形。对6mm板要测量图2中A、B、C、F、G、H六条线上的角变形。
四、实验步骤及内容
⒈了解测量收缩变形、挠曲变形及角变形的工具和方法。
⒉对试件初始状态所有数据进行测量。
⒊对2mm、6mm板按表1中的两种规范各焊一块。
⒋测量试件焊后的所有数据。
⒌对测量结果进行分析。
五、实验报告要求
⒈按附表内容把测量数据或计算结果填入表内。
⒉绘制出横向收缩变形沿板纵向的分布曲线，比较不同线能量时，横向收缩变形有何不同并分析其原因。
⒊绘制出挠曲变形沿板横向的分布曲线，分析其原因，影响因素，并提出控制挠曲变形的技术措施。
⒋绘制出角形沿板纵向的分布曲线，比较不同线能量时，角变形有何不同并分析其原因。
⒌分析2mm、6mm板角变形的特点，比较二者有何不同并分析其原因。
实验二 焊接变形的矫正
一、实验目的
⒈了解和掌握焊接变形矫正方法的原理、特点和应用范围。
⒉熟悉和掌握手工锤击、机械碾压的具体操作技术和矫形工艺。
二、矫形方法简介
⒈手工锤击法
手工锤击是采用手锤，锤击焊缝及其附近金属，使其产生一定的延展，以抵消焊接所产生的压缩塑性变形，从而达到矫形的目的。
这种方法无需大型设备，工具简单、操作灵活，广泛应用于薄板结构焊接变形的矫正。但这种方法有劳动强度大、工作效率低、环境噪音大、工件表面质量差等缺点。
⒉机械碾压法
机械碾压法是利用圆盘形碾压轮来碾压焊缝及其附近金属，使其延展来抵消焊接所引起的收缩，达到矫形目的。
应用这种矫形方法可以大大减轻劳动强度，具有环境无噪音，工件表面质量好，矫形精度高等优点。但这种方法需有专用设备，只能用于具有规则焊缝的焊接结构矫形。
三、实验设备、仪器和工具
⒈NJ-10型碾压矫形机。
⒉钢板尺、游标卡尺。
⒊手锤。

四、实验用试件
实验一所用的两块2mm钢板。
五、实验内容及步骤
⒈用手工锤击的方法将2mm厚钢板的挠曲变形矫正到小于1.5mm。
⒉用手工锤击的方法将2mm厚钢板的角变形矫正到小于2°。
⒊用机械碾压的方法将2mm厚钢板的挠曲变形矫正到小于0.5mm。
六、实验报告要求
⒈简述手工锤击、机械碾压法矫正焊接变形的工作原理，优缺点及适用范围。
⒉分析碾压矫形后，接头区的残余应力分布会有何变化？对焊接结构的承载能力有何影响？
附表

线能量与角变形、横向收缩、挠曲变形关系数据记录表

测
点
位
置
试件 板厚6mm
I= U= V=
角变形
横向收缩
挠曲变形
α0
α1
α
B0
B1
B
f0
f1
f
1

2

3

4

5

6

平均

测
点
位
置
试件 板厚2mm
I= U= V=
角变形
挠曲变形
α0
α1
α
f0
f1
f
1

2

3

4

5

6

7

8

平均

α0 — 焊前角变形 α1 — 焊后角变形 α — 焊接所引起的角变形
B0 —焊前引伸仪数值 B1 —焊后引伸仪数值 B —焊接所引起的横向收缩变形
f0 — 焊前挠曲变形 f1 — 焊后挠曲变形 f — 焊接所引

试验三 焊接应力的先进测试方法
一、实验目的：1、掌握激光全息法测试焊接残余应力的原理和特点
2、掌握X射线衍射法测试焊接残余应力的原理和特点
3、了解上述两种先进方法测试测试应力的程序
4、通过实际测量掌握平板对接焊接应力分布规律
二、实验方法的原理与特点：
1、激光全息法测试应力的原理及其特点

激光全息测量法的应用场合及优缺点
a.适合表面二维应力测量（＞3mm厚件），对＜3mm薄件不合适；
b.适合最小长或宽尺寸＞10mm构件的应力测量；
c.适合宏观应力即第一类残余应力测量；
d.打孔直径小，ø1~2mm，测试面积小 ；
e.测试精度很高（误差约5%），数据十分可靠，目前最精确可靠的方法；
f.测试过程简单易行，分析过程计算机完成，快捷方便；
g.消除盲孔（小孔）法的诸多误差来源：
无需打标距孔，无需粘贴应变片，无需人工测量；
h.属于部分破坏性测试方法；对高强度、高硬度材料打孔困难；
j.需要昂贵仪器设备 。
2、射线衍射测试应力的原理及特点

X射线衍射法测量应力特点
a.完全无损测量
b.可以测量宏观应力和微观应力
c.测量过程最方便快捷
d.适合几微米至几十微米的表层二维应力测量
e.测试原理先进
f.对于碳钢等成分简单材料测量精度较高
g.测量结果重复性较差
h.对于很多有色金属或多组元金属测试精度很低
i. 对于待测工件的表面状况要求高
j. 测试仪器设备昂贵
k.对人体有少量辐射，需采取屏蔽措施
三、实际测试铝合金平板焊接试件的残余应力
（一）激光全息法测试应力的步骤和要求
（1）铝合金焊接件测试前的准备

（2）测试点的确定

（3）一次拍摄激光全息图像

（4）测试位置钻孔Φ1mm

（5）二次拍摄激光全息图像

（6）图像处理与应变场分析

（7）获取测试结果

（8）多点测试结束后绘制应力分布图

（二）X射线衍射法测量应力的演示试验
由指导教师讲解和操作演示，学生纪录和总结测试数据和结果。

实验四 焊接变形的先进控制方法
实验目的：1、掌握随焊旋转挤压控制焊接变形的原理
2、了解随焊旋转挤压实验装置工作原理
3、掌握先进方法控制变形的效果及工程意义
实验原理：随焊旋转挤压控制焊接应力变形及防热裂工艺通过三个或一个特定形状的旋转挤压头对焊接接头不同区域施加适度的旋转挤压作用，迫使这部分金属沿着需要的方向发生塑性变形流动，控制金属塑性流变的方向和大小，从而达到降低残余应力、减小变形、防止热裂纹的目的。

随焊旋转挤压控制焊接应力变形原理图（三个挤压头）

1 焊枪 2 旋转挤压杆 3 工件 4延长件
随焊旋转挤压控制焊接应力变形原理图（一个挤压头）

实验内容与步骤：
1、采用常规焊接方法获得的焊接试件挠曲变形测量
2、采用随焊旋转挤压控制焊接变形的实验步骤（单挤压头）
（1）焊前准备：使用丙酮清洁工件表面，并将工件夹持在夹具上，

调节焊枪，挤压杆，工件中心与底板成型槽在同一条直线上。同时调节操作平台行走速度，使其达到需要的焊接速度。
（2）引燃电弧，启动操作平台使其行走。并使挤压杆对后方凝固焊缝进行旋转挤压。
（3）过程结束后对处理试件进行挠曲变形测量，并比较焊缝形貌。
变形比较 旋转挤压（左）常规焊（右）形貌
3、实验总结
绘制表格描述常规焊接与采用随焊旋转挤压辅助焊接的残余挠曲变形比较。
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