焊接结构综合实验指导书讲诉.docx
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焊接结构综合实验指导书讲诉
焊接结构综合实验
指导书
材料成型及控制工程系
2013年8月
焊接结构综合实验
实验一、焊接加热及冷却过程中弯曲变形及焊后纵向变形测定
（参考学时4学时）
一、实验目的：
通过在低碳钢板条形钢板边缘堆焊，加深理解焊接时纵向变形、弯曲变形的动态过程，深入了解焊接加热及冷却过程中弯曲挠度的变化规律。
分析总结钢板在进行焊接的加热、冷却过程中纵向及弯曲变形规律。
1、实验原理：
（1）将板条形钢板固定在专用的焊接实验架上（钢板能自由变形），形成焊接回路。
如图A、D所示。
在板条上边缘纵向堆焊焊道，焊接在加热、冷却过程中、板条将产生纵向弯曲变形，且弯曲挠度的大小和方向也随之变化。
（2）在板条长度L保持不变时，板条宽度h对于焊接加热及冷却过程中的弯曲挠度f的变化有明显影响（焊接线能量不变）。
板宽h增大时板条的抗横向弯心矩增大，因而使板条无论在加热过程中还是冷却后的最大纵向弯曲挠度都减小。
图B、C、D为沿板边缘堆焊时板条弯曲变形示意图
图E板条宽度h对弯曲变形的影响示意图
3、实验内容：
（1）选用低碳钢Q235材料，实验材料尺寸：
板厚5~6mm,板宽55~60mm，长度370mm。
在板条两边缘处分别作焊接前标距线段（打钢印点或记号笔），焊接前测量实验钢板板条上标记间线段的长度并记录数据。
施焊前在板条未焊侧边缘中部安装百分表，以便在堆焊过程中，通过百分表读数的变化，观察弯曲变形（挠度）的大小及方向。
完成焊接后取下板条，待冷却后测出焊缝侧及另一侧（未焊侧）线段长度，判断板条纵向变形量的大小。
（2）板条另一边的堆焊如上所述，完成板条两条边堆焊后，根据记录数据分析钢板中残余变形（挠度）的大小及方向。
（3）板条宽度h增加（大约10mm，称该板为宽板条，板厚、长度不变），用相同的线能量在板边堆焊，记录焊接加热及冷却过程中的弯曲挠度f的变化。
如图B~E所示。
对比第一试板（窄板条）的第一次堆焊数据，两者弯曲挠度f有何不同？
纵向变形两者差别如何？
四、实验仪器、设备及材料：
1、直流电焊机1台
2、百分表、秒表各1只
3、大型游标卡尺1把
4、焊接实验架（自制），碳钢实验板条
5、焊条、碳棒、431焊剂、工具若干
五、实验步骤：
1、取二块实验钢板（窄、宽板各一条），如图A中，aa，bb处用冲头在板上做出标记。
焊接前测量板条上二组标记间线段aa，bb和11，22的长度，将结果记于表1。
2、将实验钢板装于焊接实验架上，百分表装在板条下边缘中点，并将百分表调至中间刻度，指针调至零位。
注意钢板不得有被卡住的现象，保证实验中可自由变形。
3、安装好焊条，堆敷焊剂（主要目的盖住焊条弧光）。
4、检查焊接回路接线是否正常（绝缘良好），焊条接正极、钢板接负极。
如图D所示。
开启电焊机，用碳棒进行引弧（短路引弧），在钢板边缘进行自动堆焊，焊接开始后每隔10秒钟记录一次变形数据（即百分表读数），到120秒钟以后，每隔30秒钟断续记录变形，直到变形停止。
数据记录于表2。
5、从焊接实验架上取下板条，敲掉焊缝上渣壳，重新测量aa，bb二条线段长度，同时算出二条线段纵向变形量的大小（保留小数后两位），结果列于表1。
6、将板条反转，未焊边朝上，重复2.3.4.步骤。
第二条焊缝堆焊完毕，取下板条。
7、焊宽板条试板的一边，重复2.3.4.步骤。
测量11，22二条线段长度，同时算出二条线段纵向变形量的大小（保留小数后两位），结果列于表1。
（注意：
该板条只需焊一道焊缝。
）
六、实验报告要求：
1、按实验报告格式写实验报告。
2、列出同组合作人员姓名。
3、根据记录数据表1、2中测得的数据画出弯曲挠度随时间变化曲线，并在图中标出（窄板条）第一条、第二条焊道焊后的残余变形，及最后的总的残余变形（挠度）的大小及方向。
4、在另一坐标系里将窄板条第一条焊道、宽板条第一焊道焊后的残余变形用不同的线段表示，并注明。
表1
线段长度
焊前（mm）
焊后（mm）
纵向变形数（mm）
窄板条
第一焊道
aa（焊）
bb
窄板条
第二焊道
bb’（焊）
aa’
宽板条
第一焊道
11（焊）
22
表2
时间（秒）
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
150
180
210
240
窄板条
第一焊道
百分表值
窄板条
第二焊道
百分表值
宽板条
第一焊道
百分表值
5、通过实验结果，总结：
（1）钢板边缘堆焊时，焊接加热、冷却过程中纵向收缩变形的规律及挠度变化规律。
（2）相同焊接线能量钢板边缘堆焊时，板条宽度h对弯曲变形的影响规律。
6、回答思考题。
七、实验注意事项：
1、用大型游标卡尺读数时，以毫米为计数单位并保留估算位。
2、用碳棒快速接触引弧，焊接过程不能中断，否则应重新换试件进行实验。
八、思考题：
1、在相同焊接线能量条件下，窄板条第一焊道与宽板条第一焊道焊后纵向变形、纵向弯曲挠度有何差别？
原因是什么？
2、本实验焊接加热、冷却过程中纵向收缩变形的规律及挠度变化规律有无异常？
出现异常的原因？
3、窄板条第二焊道焊后弯曲变形对第一焊道弯曲变形能否消除？
为什么？
实验二、焊接接头残余应力测定
（参考学时4学时）
一、实验目的：
1、通过采用小孔释放法测定焊接残余应力及焊接接头残余应力分布，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残余应力分布规律的理解。
3、了解焊接方法对于焊接残余应力的峰值及分布规律的影响。
二、实验原理：
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、磁性法等。
在应力释放法中又可分为小孔法（盲孔法）、套孔法与梳状切条法，其中以小孔法对于接头的破坏性最小。
小孔释放法就是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被破坏，使小孔周围的应力分布发生变化，应力场产生新的平衡。
如果测出钻孔前后小孔附近的应变量的差值，就可以根据弹性力学理论计算出小孔处的内应力值。
图F小孔法测内应力应变花布片示意图
图G对接接头试板布片示意图
3、实验内容：
（1）选取一种焊接方法，完成对接接头。
并对该接头进行焊接残余应力分布测定。
（2）用小孔释放法测定焊接残余应力根据实验测得的应变值，计算出对应的应力值，并画出工件上焊接残余应力分布图。
4、实验仪器、设备及材料：
1、焊接电源及配套机构（埋弧焊、CO2气体保护焊、手工焊）
1、静态电阻应变仪1台
2、小孔测钻台1个，万用表１台
3、502瞬干胶，电阻应变片若干，电烙铁，游标卡尺
4、1.5mm直钻头若干,0~250V调压器一台，220V手电钻
5、焊后钢板若干
五、实验步骤：
1、将两块一定尺寸的钢板（或铝合金板）先进行退火消除应力处理（查该材料热处理温度），然后采用不同的焊接方法（手工焊、埋弧焊、CO2气保焊，任选一种）进行对接，即焊一条纵向焊缝。
见图G。
焊后板中存在焊接残余应力。
2、在垂直于焊缝的工件中部10mm范围，（见图F）。
用砂轮及砂纸打磨光，经丙酮清洗后，在打磨处用502瞬干胶贴上应变花及接线端子。
贴片时注意片基下不得有气泡，贴片后采用红外灯烘烤干燥（保证应变片与工件绝缘）。
3、用兆欧表检查电阻应变花的粘贴质量，要求应变花引线与工件板面的绝缘电阻不小于200MΩ，否则会造成严重的零漂现象。
4、将测量应变花和补偿应变片分别接在静态电阻应变仪的相应接点上即可。
5、将小孔测钻台放在工件测点部位上，调节目镜对准应变花中心处，然后用502瞬干胶紧固测钻支点于工件上。
6、开启电阻应变仪，调整测量应变片的初始应变值ε0（一般ε0＝0），然后开启手电钻钻孔，钻孔深度2mm。
钻孔时注意清除粘在应变片上的铁削粉末。
7、钻孔完成后，待应变释放完毕，再从静态电阻应变仪中读出测量点应变值ε（其中包含钻削应变ε1）。
算出符号为正时应力为残余拉应力；算出符号为负时应力为残余压应力。
依次在各个待测点钻孔。
即可得到工件上残余应力分布。
根据CB3395-92，残余应力计算公式为
式中，ε1,ε3和ε2分别为应变花对应的x轴、y轴以及45°方向的应变栅中测出的应变量（10－6），计算时减去钻削应变（-35×10－6）（CB3395-92推荐值）；σ1和
σ2分别为第一主应力和第二主应力（单位为MPa）;γ为σ1与ε1之间的夹角（单位为弧度）；应变释放系数A和B分别为-0.276με/MPa和-0.567με/MPa（CB3395-92推荐值）。
六、实验报告要求：
1、按实验报告格式写实验报告。
2、根据实验测得的应变值，按计算公式算出对应的残余应力值，并画出工件上焊接残余应力分布图。
最大残余应力值、最小残余应力值，分别在各坐标系中绘出。
3、对比不同材料、不同焊接方法所焊工件的残余应力峰值及拉伸残余应力区的范围有无差异，并分析产生差异的原因。
4、回答思考题。
七、实验注意事项：
a.本实验使用的工具较多，接线多，测试步骤复杂，注意电路接线安全。
b.手电钻转速不能大，一定要通过降压处理，调压器电压为100V。
八、思考题：
（1）焊接残余应力值与哪些焊接因素有关？
（2）简述对接接头焊接残余应力分布规律。
实验三、焊接接头应力分布
（参考学时4学时）
一、实验目的：
1、学习测定焊接接头工作应力分布的方法。
2、掌握测试焊接接头理论应力集中系数KT的基本操作技能。
3、熟悉电阻应变仪及液压万能试验机的操作。
二、实验原理：
焊接接头的应力集中通常是由于两种原因造成的。
一种原因是由于焊缝的缺陷，例如未焊透、夹渣、咬边、未熔合和焊缝金属过分加厚并突然向基体金属过渡。
另一种原因是接头的设计不合理，例如焊接接头截面的突然改变，两条或更多条焊缝的交叉和曲线焊缝的曲率半径过小等。
焊接接头中工作应力分布不均匀的程度可用理论应力集中系数KT来表示。
在做焊接接头拉伸实验时，计算理论应力集中系数KT的过程为：
1、根据拉伸前后测量点的应变量，求出该部分工作截面的实际工作应力。
σ=E（ε1-ε2）（E为弹性模量（Pa）；ε1、ε2材料拉伸前后的应变量。
）
2、算出各个测量点实际工作应力后，选取其中最大的数值为最大拉伸应力σmax。
3、求出接头工作截面的平均拉伸应力：
σm=P/A（P为拉伸载荷；A为截面面积。
）
4、求出接头的应力集中系数：
KT=σmax/σm。
三、实验内容：
用100KN电液伺服低频疲劳试验机加载模拟焊接十字接头试板，通过静态电阻应变仪测出各测量点处应变值，计算出相应的应力值，并画出接头应力分布图和算出未焊透和焊透端的应力集中系数KT。
四、实验仪器、设备及材料：
1、静态电阻应变仪1台
2、液压万能实验机1台
3、模拟焊接十字接头试件1块，由图F所示：
图H模拟焊接十字接头试件图
五、实验步骤：
1、对一端未焊透和另一端焊透的模拟十字接头试板，在试板中间部分两侧相对应的位置贴上若干片1×1mm的电阻应变片，并接好端子及引线。
见图H。
2、将所有应变片按一定的顺序接入静态电阻应变仪。
并将温度补偿片对应接入静态电阻应变仪形成电桥平衡。
3、将试板夹紧在拉力试验机上，夹持时要注意试板应摆放垂直、对中，避免夹持端打滑等。
4、接通电阻应变仪对各应变片调整零点（即初应变为零）。
5、对夹紧在拉力机上的十字接头试板进行轴向加载拉伸，可选择2种载荷进行加载和测量。
测出各测量点处应变值，并记录在表1上。
六、实验报告要求：
1、按实验报告格式写实验报告。
2、根据测得的各应变片应变值表1，计算出相应的应力值，并画出接头应力分布图。
算出未焊透和焊透端的应力集中系数KT。
表1
载荷
未焊透端
焊透端
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
P1
ε
σ
KT
P2
ε
σ
KT
七、实验注意事项：
1、选择载荷时注意试件应力不能超过屈服极限。
2、试件加载要经过几次预拉。
八、思考题：
焊接内部缺陷中气孔、未焊透、夹渣、裂纹，按缺陷性质分析应力集中系数应如何排序？
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