焊接結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、焊接結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)材料成型及控制工程系2013年8月焊接結(jié)構(gòu)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一、焊接加熱及冷卻過(guò)程中彎曲變形及焊后縱向變形測(cè)定（參考學(xué)時(shí) 4學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)在低碳鋼板條形鋼板邊緣堆焊，加深理解焊接時(shí)縱向變形、彎曲變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程，深入了解焊接加熱及冷卻過(guò)程中彎曲撓度的變化規(guī)律。分析總結(jié)鋼板在進(jìn)行焊接的加熱、冷卻過(guò)程中縱向及彎曲變形規(guī)律。1、 實(shí)驗(yàn)原理：（1）將板條形鋼板固定在專用的焊接實(shí)驗(yàn)架上（鋼板能自由變形），形成焊接回路。如圖A、D所示。在板條上邊緣縱向堆焊焊道，焊接在加熱、冷卻過(guò)程中、板條將產(chǎn)生縱向彎曲變形，且彎曲撓度的大小和方向也隨之變化。（2） 在板條長(zhǎng)度L保持不變時(shí)，板條寬度

2、h對(duì)于焊接加熱及冷卻過(guò)程中的彎曲撓度f(wàn)的變化有明顯影響（焊接線能量不變）。板寬h增大時(shí)板條的抗橫向彎心矩增大，因而使板條無(wú)論在加熱過(guò)程中還是冷卻后的最大縱向彎曲撓度都減小。圖B、C、D為沿板邊緣堆焊時(shí)板條彎曲變形示意圖圖E 板條寬度h對(duì)彎曲變形的影響示意圖3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1） 選用低碳鋼Q235材料，實(shí)驗(yàn)材料尺寸：板厚56mm,板寬5560mm，長(zhǎng)度370mm。在板條兩邊緣處分別作焊接前標(biāo)距線段（打鋼印點(diǎn)或記號(hào)筆），焊接前測(cè)量實(shí)驗(yàn)鋼板板條上標(biāo)記間線段的長(zhǎng)度并記錄數(shù)據(jù)。施焊前在板條未焊?jìng)?cè)邊緣中部安裝百分表，以便在堆焊過(guò)程中，通過(guò)百分表讀數(shù)的變化，觀察彎曲變形（撓度）的大小及方向。完成焊接后取下

3、板條，待冷卻后測(cè)出焊縫側(cè)及另一側(cè)（未焊?jìng)?cè)）線段長(zhǎng)度，判斷板條縱向變形量的大小。（2） 板條另一邊的堆焊如上所述，完成板條兩條邊堆焊后，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)分析鋼板中殘余變形（撓度）的大小及方向。（3） 板條寬度h增加（大約10mm，稱該板為寬板條，板厚、長(zhǎng)度不變），用相同的線能量在板邊堆焊，記錄焊接加熱及冷卻過(guò)程中的彎曲撓度f(wàn)的變化。如圖BE所示。對(duì)比第一試板（窄板條）的第一次堆焊數(shù)據(jù)，兩者彎曲撓度f(wàn)有何不同？縱向變形兩者差別如何？四、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料：1、直流電焊機(jī)1臺(tái)2、百分表、秒表各1只3、大型游標(biāo)卡尺1把4、焊接實(shí)驗(yàn)架（自制），碳鋼實(shí)驗(yàn)板條5、焊條、碳棒、431焊劑、工具若干五、實(shí)驗(yàn)步驟：

4、1、取二塊實(shí)驗(yàn)鋼板（窄、寬板各一條），如圖A中，aa，bb處用沖頭在板上做出標(biāo)記。 焊接前測(cè)量板條上二組標(biāo)記間線段aa，bb和11，22的長(zhǎng)度，將結(jié)果記于表1。2、將實(shí)驗(yàn)鋼板裝于焊接實(shí)驗(yàn)架上，百分表裝在板條下邊緣中點(diǎn)，并將百分表調(diào)至中間刻度，指針調(diào)至零位。注意鋼板不得有被卡住的現(xiàn)象，保證實(shí)驗(yàn)中可自由變形。3、安裝好焊條，堆敷焊劑（主要目的蓋住焊條弧光）。4、檢查焊接回路接線是否正常（絕緣良好），焊條接正極、鋼板接負(fù)極。如圖D所示。開(kāi)啟電焊機(jī)，用碳棒進(jìn)行引弧（短路引弧），在鋼板邊緣進(jìn)行自動(dòng)堆焊，焊接開(kāi)始后每隔10秒鐘記錄一次變形數(shù)據(jù)（即百分表讀數(shù)），到120秒鐘以后，每隔30秒鐘斷續(xù)記錄變形，直

5、到變形停止。數(shù)據(jù)記錄于表2。5、從焊接實(shí)驗(yàn)架上取下板條，敲掉焊縫上渣殼，重新測(cè)量aa，bb二條線段長(zhǎng)度，同時(shí)算出二條線段縱向變形量的大?。ūＡ粜?shù)后兩位），結(jié)果列于表1。6、將板條反轉(zhuǎn)，未焊邊朝上，重復(fù)2.3.4.步驟。第二條焊縫堆焊完畢，取下板條。7、焊寬板條試板的一邊，重復(fù)2.3.4.步驟。測(cè)量11，22二條線段長(zhǎng)度，同時(shí)算出二條線段縱向變形量的大?。ūＡ粜?shù)后兩位），結(jié)果列于表1。（注意：該板條只需焊一道焊縫。）六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、按實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、列出同組合作人員姓名。3、根據(jù)記錄數(shù)據(jù)表1、2中測(cè)得的數(shù)據(jù)畫出彎曲撓度隨時(shí)間變化曲線，并在圖中標(biāo)出（窄板條）第一條、第二條焊道

6、焊后的殘余變形，及最后的總的殘余變形（撓度）的大小及方向。4、在另一坐標(biāo)系里將窄板條第一條焊道、寬板條第一焊道焊后的殘余變形用不同的線段表示，并注明。 表1線段長(zhǎng)度焊前(mm)焊后(mm)縱向變形數(shù)(mm)窄板條第一焊道aa（焊）bb窄板條第二焊道bb（焊） aa寬板條第一焊道11（焊）22表2時(shí)間(秒)0102030405060708090100120150180210240窄板條第一焊道百分表值窄板條第二焊道百分表值寬板條第一焊道百分表值5、 通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)：（1） 鋼板邊緣堆焊時(shí)，焊接加熱、冷卻過(guò)程中縱向收縮變形的規(guī)律及撓度變化規(guī)律。（2） 相同焊接線能量鋼板邊緣堆焊時(shí)，板條寬度h對(duì)

7、彎曲變形的影響規(guī)律。6、回答思考題。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、用大型游標(biāo)卡尺讀數(shù)時(shí)，以毫米為計(jì)數(shù)單位并保留估算位。2、用碳棒快速接觸引弧，焊接過(guò)程不能中斷，否則應(yīng)重新?lián)Q試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。八、思考題：1、在相同焊接線能量條件下，窄板條第一焊道與寬板條第一焊道焊后縱向變形、縱向彎曲撓度有何差別？原因是什么？2、本實(shí)驗(yàn)焊接加熱、冷卻過(guò)程中縱向收縮變形的規(guī)律及撓度變化規(guī)律有無(wú)異常？出現(xiàn)異常的原因？3、窄板條第二焊道焊后彎曲變形對(duì)第一焊道彎曲變形能否消除？為什么？實(shí)驗(yàn)二、焊接接頭殘余應(yīng)力測(cè)定（參考學(xué)時(shí) 4學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過(guò)采用小孔釋放法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力及焊接接頭殘余應(yīng)力分布，學(xué)習(xí)采用應(yīng)力釋放法測(cè)量焊接

8、殘余應(yīng)力的原理，初步掌握測(cè)定接頭中焊接殘余應(yīng)力的操作技能。2、加深對(duì)于焊接接頭中殘余應(yīng)力分布規(guī)律的理解。3、了解焊接方法對(duì)于焊接殘余應(yīng)力的峰值及分布規(guī)律的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理： 焊接殘余應(yīng)力的測(cè)定方法，按其原理可分為應(yīng)力釋放法、射線法、磁性法等。在應(yīng)力釋放法中又可分為小孔法（盲孔法）、套孔法與梳狀切條法，其中以小孔法對(duì)于接頭的破壞性最小。小孔釋放法就是在鋼板的應(yīng)力場(chǎng)中鉆出一個(gè)小孔（盲孔）以后，應(yīng)力場(chǎng)原來(lái)的平衡狀態(tài)將被破壞，使小孔周圍的應(yīng)力分布發(fā)生變化，應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生新的平衡。如果測(cè)出鉆孔前后小孔附近的應(yīng)變量的差值，就可以根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算出小孔處的內(nèi)應(yīng)力值。 圖F 小孔法測(cè)內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變花布片示意圖

9、圖G 對(duì)接接頭試板布片示意圖3、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： （1）選取一種焊接方法，完成對(duì)接接頭。并對(duì)該接頭進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力分布測(cè)定。（2）用小孔釋放法測(cè)定焊接殘余應(yīng)力根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變值，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值，并畫出工件上焊接殘余應(yīng)力分布圖。4、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料： 1、焊接電源及配套機(jī)構(gòu)（埋弧焊、CO2 氣體保護(hù)焊、手工焊）1、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀1臺(tái)2、小孔測(cè)鉆臺(tái)1個(gè)，萬(wàn)用表臺(tái)3、502瞬干膠，電阻應(yīng)變片若干，電烙鐵，游標(biāo)卡尺4、1.5mm直鉆頭若干, 0250V調(diào)壓器一臺(tái)，220V手電鉆5、焊后鋼板若干五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、將兩塊一定尺寸的鋼板（或鋁合金板）先進(jìn)行退火消除應(yīng)力處理（查該材料熱處理溫度），然后

10、采用不同的焊接方法（手工焊、埋弧焊、CO2 氣保焊，任選一種）進(jìn)行對(duì)接，即焊一條縱向焊縫。見(jiàn)圖G。焊后板中存在焊接殘余應(yīng)力。2、在垂直于焊縫的工件中部10mm范圍，（見(jiàn)圖F）。用砂輪及砂紙打磨光，經(jīng)丙酮清洗后，在打磨處用502瞬干膠貼上應(yīng)變花及接線端子。貼片時(shí)注意片基下不得有氣泡，貼片后采用紅外燈烘烤干燥（保證應(yīng)變片與工件絕緣）。3、用兆歐表檢查電阻應(yīng)變花的粘貼質(zhì)量，要求應(yīng)變花引線與工件板面的絕緣電阻不小于200M，否則會(huì)造成嚴(yán)重的零漂現(xiàn)象。4、將測(cè)量應(yīng)變花和補(bǔ)償應(yīng)變片分別接在靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的相應(yīng)接點(diǎn)上即可。5、將小孔測(cè)鉆臺(tái)放在工件測(cè)點(diǎn)部位上，調(diào)節(jié)目鏡對(duì)準(zhǔn)應(yīng)變花中心處，然后用502瞬干膠緊固測(cè)

11、鉆支點(diǎn)于工件上。6、開(kāi)啟電阻應(yīng)變儀，調(diào)整測(cè)量應(yīng)變片的初始應(yīng)變值0（一般00），然后開(kāi)啟手電鉆鉆孔，鉆孔深度2mm。鉆孔時(shí)注意清除粘在應(yīng)變片上的鐵削粉末。7、鉆孔完成后，待應(yīng)變釋放完畢，再?gòu)撵o態(tài)電阻應(yīng)變儀中讀出測(cè)量點(diǎn)應(yīng)變值（其中包含鉆削應(yīng)變1）。算出符號(hào)為正時(shí)應(yīng)力為殘余拉應(yīng)力；算出符號(hào)為負(fù)時(shí)應(yīng)力為殘余壓應(yīng)力。依次在各個(gè)待測(cè)點(diǎn)鉆孔。即可得到工件上殘余應(yīng)力分布。根據(jù)CB3395-92，殘余應(yīng)力計(jì)算公式為式中，e1, e3和e2分別為應(yīng)變花對(duì)應(yīng)的x軸、y軸以及45°方向的應(yīng)變柵中測(cè)出的應(yīng)變量（106），計(jì)算時(shí)減去鉆削應(yīng)變（-35×106）(CB3395-92推薦值)；s1和s 2分

12、別為第一主應(yīng)力和第二主應(yīng)力（單位為MPa）; g為s1與e1之間的夾角（單位為弧度）；應(yīng)變釋放系數(shù)A和B分別為-0.276 me/MPa和-0.567 me/MPa（CB3395-92推薦值）。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1、按實(shí)驗(yàn)報(bào)告格式寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)變值，按計(jì)算公式算出對(duì)應(yīng)的殘余應(yīng)力值，并畫出工件上焊接殘余應(yīng)力分布圖。最大殘余應(yīng)力值、最小殘余應(yīng)力值，分別在各坐標(biāo)系中繪出。3、對(duì)比不同材料、不同焊接方法所焊工件的殘余應(yīng)力峰值及拉伸殘余應(yīng)力區(qū)的范圍有無(wú)差異，并分析產(chǎn)生差異的原因。4、回答思考題。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：a.本實(shí)驗(yàn)使用的工具較多，接線多，測(cè)試步驟復(fù)雜，注意電路接線安全。b.手電

13、鉆轉(zhuǎn)速不能大，一定要通過(guò)降壓處理，調(diào)壓器電壓為100V。八、思考題： （1）焊接殘余應(yīng)力值與哪些焊接因素有關(guān)？（2） 簡(jiǎn)述對(duì)接接頭焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律。實(shí)驗(yàn)三、焊接接頭應(yīng)力分布（參考學(xué)時(shí) 4學(xué)時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)測(cè)定焊接接頭工作應(yīng)力分布的方法。2、掌握測(cè)試焊接接頭理論應(yīng)力集中系數(shù)KT的基本操作技能。3、熟悉電阻應(yīng)變儀及液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的操作。二、實(shí)驗(yàn)原理：焊接接頭的應(yīng)力集中通常是由于兩種原因造成的。一種原因是由于焊縫的缺陷，例如未焊透、夾渣、咬邊、未熔合和焊縫金屬過(guò)分加厚并突然向基體金屬過(guò)渡。另一種原因是接頭的設(shè)計(jì)不合理，例如焊接接頭截面的突然改變，兩條或更多條焊縫的交叉和曲線焊縫的曲率半

14、徑過(guò)小等。焊接接頭中工作應(yīng)力分布不均勻的程度可用理論應(yīng)力集中系數(shù)KT來(lái)表示。在做焊接接頭拉伸實(shí)驗(yàn)時(shí)，計(jì)算理論應(yīng)力集中系數(shù)KT的過(guò)程為：1、根據(jù)拉伸前后測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)變量，求出該部分工作截面的實(shí)際工作應(yīng)力。 =E(1-2) （E為彈性模量（Pa）；1、2材料拉伸前后的應(yīng)變量。）2、算出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)實(shí)際工作應(yīng)力后，選取其中最大的數(shù)值為最大拉伸應(yīng)力max。3、求出接頭工作截面的平均拉伸應(yīng)力：m=P/A （P為拉伸載荷；A為截面面積。）4、求出接頭的應(yīng)力集中系數(shù)：KT=max/m 。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 用100KN電液伺服低頻疲勞試驗(yàn)機(jī)加載模擬焊接十字接頭試板，通過(guò)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀測(cè)出各測(cè)量點(diǎn)處應(yīng)變值，計(jì)算出相應(yīng)

15、的應(yīng)力值，并畫出接頭應(yīng)力分布圖和算出未焊透和焊透端的應(yīng)力集中系數(shù)KT。四、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料：1、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀1臺(tái)2、液壓萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)1臺(tái)3、模擬焊接十字接頭試件1塊，由圖F所示： 圖H 模擬焊接十字接頭試件圖五、實(shí)驗(yàn)步驟：1、對(duì)一端未焊透和另一端焊透的模擬十字接頭試板，在試板中間部分兩側(cè)相對(duì)應(yīng)的位置貼上若干片1×1mm的電阻應(yīng)變片，并接好端子及引線。見(jiàn)圖H。2、將所有應(yīng)變片按一定的順序接入靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。并將溫度補(bǔ)償片對(duì)應(yīng)接入靜態(tài)電阻應(yīng)變儀形成電橋平衡。3、將試板夾緊在拉力試驗(yàn)機(jī)上，夾持時(shí)要注意試板應(yīng)擺放垂直、對(duì)中，避免夾持端打滑等。 4、接通電阻應(yīng)變儀對(duì)各應(yīng)變片調(diào)整零點(diǎn)（即初應(yīng)變?yōu)榱悖?、對(duì)夾緊在拉力機(jī)上的十字接頭試板進(jìn)行軸向加載拉伸，可選擇2種載荷進(jìn)行加