焊接结构实验1.doc

焊接结构实验指导书

郭玉波

机电工程系教学实验中心
2012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

实验四：焊接残余应力的测定
实验目的：
1、学习采用应力释放法测量焊接残余应力的原理，初步掌握测定接头中焊接残余应力的操作技能;
2、加深对于焊接接头中焊接残余应力分布规律性的理解；
3、了解焊接法对于残余应力的峰值及分布的影响。
实验原理：
应力测量原理
焊接残余应力的测定方法，按其原理可分为应力释放法， x 射线法与磁性法等。其中以应力释放法应用较为普遍。而应力释放法又可分为小孔法 ( 盲孔法 ) 、套孔法与梳状切条法，其中又以小孔法对于接头的破坏性最小。本实验采用小孔法测定在钢板上敷焊后的焊接残余应力。
      下图表示一块钻有小孔的钢板，在钢板的应力场中钻出一个小孔 ( 盲孔 ) 以后，应力场原来的平衡状态将受到破坏，使小孔周围的应力分布发生改变，应力场产生新的平衡。若测得钻孔前后小孔附近应变量的差值，就可以根据弹性力学理论推算出小孔处的内应力。为了测得这种应变量的变化，在离小孔中心一定部位处贴上应变片，且诸应变片间保持一定角度。分别测出钻孔前后各应变片的应变值。便可按下式算出主应力的大小和方向。

实验器材：
1 交流电焊机:用于钢板的敷焊

2 yj-22 型静态电阻应变测量处理仪

3.试样：普通低碳钢板

打磨平焊缝并贴好应变片的钢板
4.其他设备
除用到以上设备外，另外还用到型号为Z4116的台式钻床、铁纱布、丙酮、胶水、绝缘胶带、导线、焊锡工具、直径为3mm的钻头、美工刀等。
5.残余应变片

实验过程
（1）工件的预处理
手工电弧焊焊接的方法在样板上堆焊，用砂轮将表面磨平，用砂纸打磨 表面粗糙度达Ra1.6。
（2）应变片粘贴
应变花粘贴面用棉花球蘸少许丙酮轻轻擦洗，以保证粘贴面无油污，并严禁与手指接触。在应变花粘贴面上滴上一小滴胶液，薄薄一层，以1号应变片对准参考轴，放置在工件表面，应变花上面覆盖一张薄膜，用手指滚压1~2分钟。接线端子的连接。
（3）焊接导线并连线。
（4）钻孔并测量应变值（深度不同测3应变值）
测量结果
分别对两组测量点以及焊缝上的点进行测量，记录测量结果。
第一组第1组测量点
第2组测量点
焊缝

1、 与焊缝垂直方向上的残余应力分布
2、 与焊缝平行方向上测量点焊接残余应力
实验分析
对x和y两个方向分别进行分析：
=
1、与焊缝平行（x方向）和与焊缝垂直（y方向）分别进行纵向残余应力和横向残余应力分析
纵向残余应力：

=

横向残余应力:

各个测量点的三个方向上的应变测量值

与焊缝垂直方向上的残余应力分布：
计算求得纵向残余应力σx和横向残余应力σy的值见下表：
第1组测量点

第二测量点

纵向残余应力σx分布
距离/mm
距离/mm

实验测得σx分布曲线

σx理论分布曲线

横向残余应力σy分布

距离/mm
σy/Mpa
◆点1
σy/Mpa
点5.1◆
◆点5.1
距离/mm

σy实验曲线

焊缝
σy

σy理论曲线
2、与与焊缝平行的点的纵向残余应力σx和横向残余应力σy的计算值：
焊缝平行方向上测量点焊接残余应力分布

纵向残余应力σx分布：
距离/mm

第1组测量点
第2组测量点
焊缝

实验测得的σx分布曲线

理论曲线

横向残余应力σy分布

实验测得的σy分布曲线

（a）短焊缝 （b）中焊缝 （c）长焊缝

理论曲线
应力释放过程
为了研究钻孔过程中焊缝中残余应力的释放过程，特测量在不同钻孔深度时的应变值，结果见下表：

随着钻孔深度的逐渐增加，应变值逐渐增大，在钻孔结束时应变达到最大值。由此可以看出，随着钻孔深度的增加，焊缝中的残余应力的释放也是越来越大。
该实验结果对研究的钢结构中残余应力变化过程具有重要意义。

实验结果分析：
采用小孔法对焊缝纵向残余应力σx和横向焊接残余应力σy的测定，并绘制残余应力的分布曲线，该曲线部分验证了理论上焊接应力在钢结构中的分布。
另外，有部分点的应力值与理论值差别较大，这可能是实验过程中出现的误差或者其他因素造成的，还有待进一步研究 。

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