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1、1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2实验一 平板焊接变形的测量与分析一、实验目的掌握平板收缩变形、挠曲变形及角变形的基本方法。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。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实验条件试件尺寸：2mm150mm300mm（Q235 钢）6m
2、m150mm300mm（Q235 钢）324mm150mm300mm（LY12 铝合金）试件材料：Q235A、焊接规范：见下表板厚 焊接电流2mm 钢 90A 110A6mm 钢 170A 190A24mm 铝合金 120A 200A测点分布如下图 1、2 所示图 1 2mm 板测点分布4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。测量工具与仪器测量仪器包括：引伸仪；游标卡尺；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。5图 3 引伸仪结构示意图其中：百分表；铰链；活动支腿；固定支腿；弹
3、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。6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
4、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7如图 5 所示，可以分别计算出 1、2。在 h1、L1和 h3、L2 为定值时，只要测出 h2、h4 的值，就可以计算出 1、2，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
5、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、实验步骤及内容了解测量收缩变形、挠曲变形及角变形的工具和方法。对试件初始状态所有数据进行测量。对 2mm、6mm 板按表 1 中的两种规范各焊一块。测量试件焊后的所有数据。对测量结果进行分析。五、实验报告要求按附表内容把测量数据或计算结果填入表内。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。绘制出挠曲变形沿板横向的分布曲线，分析其原因，8影响因素，并提出控制挠曲变形的技术措施。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。分析
6、 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、实验目的了解和掌握焊接变形矫正方法的原理、特点和应用范围。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。9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
7、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NJ-10 型碾压矫形机。钢板尺、游标卡尺。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。用手工锤击的方法将 2mm 厚钢板的角变形矫正到小10于 2。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。分析碾压矫形后，接头区的残余应力分布
8、会有何变化？对焊接结构的承载能力有何影响？11附表线能量与角变形、横向收缩、挠曲变形关系数据记录表试件 板厚 6mmI= U= V=角变形 横向收缩 挠曲变形测点位置 0 1 B0 B1 B f0 f1 f123456平均试件 板厚 2mmI= U= V=角变形 挠曲变形测点位置 0 1 f0 f1 f12345678平均12 0 焊前角变形 1 焊后角变形 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13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
9、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
10、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。14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153.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
11、磨 表面粗糙度达 Ra1.6。（2）应变片粘贴16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 12 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。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
12、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第一组第1 组测量点第 2组测量点焊缝x=21CA2CAy= 17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 x和横向残余应力 y的值见下表：第 1 组测量点第二测量点18纵向残余应力 x分布实验测得 x分布曲线x理论分布曲线横向残余应力 y分布MPax/MPax/距离/mm 距离/mm19y实验曲线y理论曲线2、与与焊缝平行的点的纵向残余应力 x和横向残余应力 y的计算值：焊缝平行方向上测量点焊接残余应力分布距离/mmy/Mpa点1y/Mpa 点5.1点5.1距离/mm焊缝y20纵向残余应力 x分布：实
13、验测得的 x分布曲线理论曲线横向残余应力 y分布距离/mmMPax/第 1组测量点第 2 组测量点焊缝21实验测得的 y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：22采用小孔法对焊缝纵向残余应力 x和横向焊接残余应力 y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 。
