焊接加熱及冷卻過程中接頭動態(tài)彎曲變形的測量與分析

1、焊接結(jié)構(gòu)課程實驗實驗一焊接加熱及冷卻過程中接頭動態(tài)彎曲變形的測量與分析（參考學時課內(nèi)2學時）一、實驗目的（一）學習制作彎曲變形傳感器及測量焊接變形的方法，掌握其基本操作技能；（二）加深理解沿板條縱向邊緣敷焊時，焊接縱向彎曲變形的動態(tài)過程，并深入了解焊接過程中瞬時彎曲撓度的變化規(guī)律；（三）測定結(jié)構(gòu)因素及焊接線能量對于焊接彎曲撓度的影響。二、實驗裝置及實驗材料 TOC o 1-5 h z （一） 直流（或交流）電焊機1臺（二） 板條夾持裝置（自制）l套（三） 變形傳感器（自制）1套（四） 靜態(tài)（或靜動態(tài)）電阻應變儀1臺（五） XY函數(shù)記錄儀1臺（六） 電流表（0250A）1只（七） 電壓表（075

2、V）1只（八） 應變片（2. 8X 15mm、紙基）10只（九）低碳鋼板（經(jīng)500600C，保溫46h高溫回火）400 X 60 X 10mm6 塊400 X 80 X 10mm6 塊400X 100 X 10mm6 塊（十）電焊條 結(jié)422 4mm30根（一）彈簧鋼片 150X10XO.5mm1 片（十二）0號砂布、丙酮或四氯化碳、502號膠液、絕緣膠布、石蠟、導線、錫焊工具、料及釬劑等各若干三、實驗原理將板條一端剛性固定，并沿上側(cè)邊緣敷焊縱向焊道，則在整個焊接加熱及冷卻過程中， 板條將產(chǎn)生縱向彎曲，并且彎曲撓度的大小和符號又將不斷地發(fā)生變化（圖1）。在板條長度遺也不受時間匕土圖2板條寬度h

3、遺也不受時間匕土圖2板條寬度h對于彎曲變形的影響L保持不變時，板條寬度h對于焊接加熱及冷 卻過程中彎曲撓度f的變化有明顯影響（圖2）。 板寬h增大時，板條的抗縱向彎曲慣性矩J或 EJ亦增大，因而使板條無論在加熱過程中還 是冷卻后的最大縱向彎曲撓度值都減小。焊接線能量的變化對于板條的彎曲撓度具 有不可忽視的影響（圖3）。隨著I焊I勺增大，焊接加熱過程中的板條最大彎曲撓度不斷地增接加熱過程中的板條最大彎曲撓度不斷地增加；但在冷卻過程中，由于板條金屬受熱塑變區(qū)尺寸及沿板條寬度方向的溫度分布這兩個因 素的綜合影響，板條的瞬時彎曲撓度和冷卻終了的殘余彎曲撓度與I焊之間并不是單調(diào)的線 性關(guān)系。因此，當U弧

4、及V焊均保持不變時，焊接電流的影響表現(xiàn)為隨著I焊的逐漸增大，板 條末端的殘余彎曲撓度f殘卻有一個由小變大，再由大變小的變化過程，也即存在一個殘余 彎曲撓度為最大的臨界焊接電流值I焊臨。綜上所述，可得出I焊一f殘關(guān)系曲線如圖4所示。四、實驗方法及步驟（一）自制懸臂式彎曲變形傳感器，制作方法見附錄2。（二）取高溫回火過的低碳鋼板條一塊，測量其長度L與寬度h后，安裝于夾具中，并保 持剛性固定，以免影響實驗結(jié)果。（三）將自制的彎曲變形傳感器自由端嵌入試板板條自由端事先開好的槽口中。（四）按照圖5,布置與接好實驗裝置。（五）調(diào)節(jié)彎曲變形傳感器，使其保持水平。初調(diào)電阻應變儀與XY函數(shù)記錄儀，使應 變儀的檢

5、流計指針指向“0”位置，XY函數(shù)記錄儀的記錄筆位于記錄紙的中部位置（距離 紙的下邊緣10 15cm處）。此外，應注意保持彎曲變形傳感器自由端彎曲方向與應變 儀檢流計指針偏轉(zhuǎn)方向及與XY函數(shù)記錄儀的記錄筆擺動方向間的一致與聯(lián)動性。（六）將結(jié)422型電焊條安裝于焊條自動焊機（或普通弧焊機）的焊條夾中，接入電流表、 電壓表，而后接通焊接電源。（七）保持選定的焊接電流為1焊及焊接速度為焊1不變，在h=60mm板條的上邊緣側(cè) 邊進行縱向敷焊，焊接方向為自板條的固定端開始焊向自由端。焊接電弧引燃后隨即自動啟 動秒表計時，同時撥動Xy函數(shù)記錄儀的走紙鍵至“T”位置。此時記錄儀即自動繪出焊 接加熱及焊后冷卻過

6、程中的ft曲線。（八）焊接完畢后，隨即關(guān)停秒表，并記錄焊接時間t焊（s）,但仍保持電阻應變儀及X-Y函數(shù)記錄儀繼續(xù)工作。因為此時板條的變形過程仍在繼續(xù)進行。只有當XY函數(shù)記錄儀 的記錄筆基本上繪出水平線時，方可停筆關(guān)機。施焊過程中同時觀察與記錄I焊及電弧電壓 u頂1（九）采用步驟（七）的焊接規(guī)范，重復（七）和（八）步驟，施焊A=80mm、100mm及120 mm的板條各一塊。五、實驗結(jié)果的整理與分析（一）T焊|及U弧|值皆取焊接過程中儀表指針的穩(wěn)定指示幅值，V焊|值為根據(jù)秒表記錄的焊接時間t焊1與量得的焊道長度所算出的平均焊接速度。1（二）根據(jù)變形傳感器的彎曲撓度與電阻應變儀檢流計指針偏轉(zhuǎn)幅度

7、（微應變P ）間的換 算關(guān)系及電阻應變儀指示的微應變與XY函數(shù)記錄儀的記錄筆擺動幅度（mV）間的換算關(guān) 系（已于自制傳感器時標定），確定ft曲線的縱坐標f值（mm）。焊接加熱及冷卻過程中可能發(fā)生的一些偶然因素，如焊條可能與被焊板條表面瞬時粘 住或頂觸以及焊道上覆蓋的渣殼大塊地崩裂等，都可能使f讀數(shù)有微小突跳，表現(xiàn)在乂一Y 函數(shù)記錄儀繪出的曲線上，因而對于ft曲線所出現(xiàn)的此類不連續(xù)點，可略去不計。（三）根據(jù)試驗結(jié)果，繪制h=60、80、100及120mm條件下的ft曲線于同一直角 坐標系內(nèi)。繪制曲線時，可按照XY函數(shù)記錄儀所繪制曲線按適當?shù)谋壤s小繪出。（四）把采用不同的I焊或V焊以及相應的線能

8、量e2、E3及e4時的數(shù)據(jù)f殘加以綜合，繪制 不同焊接線能量或不同焊接規(guī)范參數(shù)條件的hf殘曲線于同一直角坐標系內(nèi)。此外，還要繪 制不同板條寬度h條件下的I焊一f殘曲線或Ef殘及V焊一f殘曲線于同一直角坐標系內(nèi)。 f殘的單位取毫米。（五）分析焊接規(guī)范及板條寬度均保持不變的條件下，板條自由端撓度與時間的關(guān)系曲線 （ft曲線）的規(guī)律性。（六）對比焊接規(guī)范不變的條件下的不同板條寬度h的ft曲線，分析焊接加熱過程中的 最大彎曲撓度，冷卻后的殘余撓度f殘及撓度符號改變的時間tf_0，說明存在什么規(guī)律性，并 分析其原因。（七）分析不同h條件下的I焊一f殘曲線（或V焊一f殘/及Ef殘曲線），重點討論焊接 規(guī)范

9、參數(shù)或焊接線能量與f殘之間是否為單調(diào)線性關(guān)系，以及是否存在臨界焊接電流值I焊臨臨界焊接速度值V焊臨以及臨界焊接線能量值E臨，并分析其原因。（八）討論不同焊接規(guī)范條件下的hf殘曲線，說明存在什么規(guī)律性。六、思考題（一）沿板邊緣縱向敷焊過程中，板條自由端的縱向彎曲撓度為什么有符號的改變？（二）為什么I焊或V焊及E對于f殘的影響不是直線關(guān)系，并存在一臨界值？（三）能否根據(jù)本實驗結(jié)果預估V焊對于f殘影響的規(guī)律性？（四）全部實驗結(jié)果的規(guī)律性是否明顯?有何異?，F(xiàn)象?出現(xiàn)異常現(xiàn)象的原因是什么？七、附錄附錄1電阻應變儀簡介電阻應變儀系通過電量變化來測量非電量變化的電子儀器。電量變化通常是指電 阻變化量 R及電

10、壓變化量AU，非電量變化通常是指應力。、應變、彎曲撓度f （焊接 殘余應力。砰及焊接接頭與構(gòu)件的工作應力。）。在插銷試驗中則借助于拉應力傳感器內(nèi)電阻 殘應變片阻值的變化量R測量插銷試驗機的拉伸載荷P或插銷試件所受到的拉伸應力。（一）電阻應變片一敏感元件電阻應變片乃是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻量R的敏感元件。它由紙質(zhì)基底或塑 料基底、電阻絲及引線構(gòu)成（圖6）。電阻絲材料多選用康銅（Cu55%，Ni45%）或錳銅等高電阻金屬合金，其直徑一般為0. 025 0.05mm。將電阻絲圍成柵形并貼于基底上，電阻絲 兩端焊上銅引線后，即構(gòu)成電阻應變片。電阻絲線柵長度L稱為電阻應變片的標距。一般而論，L值小的電

11、阻應變片具 有較高的測量精確度。根據(jù)測量精度的 要求，有不同標距的電阻應變片以供選 用。除絲式電阻應變片外，還有箔式電 阻應變片及應變花，后者質(zhì)量較高。表征電阻應變片質(zhì)量的重要參數(shù)為 其靈敏度系數(shù)K，v AR / RK =式中應變量 = L/L；對應于單企應變量的電阻變化率，K值的大小一般通過試驗測定。常用電阻應變片的K值為2. 03. 0。除此之外，還要求電阻應變片本身的靈敏度系數(shù)對于它所受到的應變有比較高的穩(wěn)定性，即希望K保持為常量。例如，電阻應變片應具有較小的電阻 溫度系數(shù)，以使應變測量范圍增大。將電阻應變片貼牢于焊接接頭試件或傳感器上。當試件或傳感器金屬受力產(chǎn)生變形時， 電阻應變片的電

12、阻絲亦隨之在長度方向及徑向產(chǎn)生應變量相同的變形，從而引起電阻值乙R 的改變，造成電阻絲上電壓降的變U。即根據(jù)微小的電壓變化量乙U，可在電阻應變儀上直接讀出應變量。此應變量一般以微 應變p度量。在有些情況下，電阻應變片己牢貼于傳感器（如BLR系列拉壓力傳感器）內(nèi)， 并封閉好。傳感器起著將工作載荷的變化量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的作用，即 P R可以看出，由于電阻應變片的初始電阻是已知的，其靈敏度系數(shù)K亦為一已知常量， 因而只要測出電阻應變片受應力或應變后所產(chǎn)生的電阻變化初R / R，即可根據(jù)K的表達 式求出試件金屬在電阻應變片標距L內(nèi)的相對變形，即應變。（二）測量儀器的工作原理由于試件或傳感器金屬在彈性

13、范圍內(nèi)受力時的機械應變量一般很小， =10-310-6，故 須將微小的應變或微小的電阻變化率經(jīng)過電阻應變儀放大，才能顯示出來。電阻應變儀的主體部分為一特制的靈敏電橋，一般根據(jù)電橋平衡原理，用以測量上述 的微小電阻變化率 R/R （圖7）。Ra Rk日及R2為四個電橋臂。其中R,為牢貼于試件表面，用于測量變形（或應力 與應變）的工作電阻應變片，Rk則 為溫度補償電阻應變片，簡稱補 償片，系用來消除由于溫度變化 對于測量結(jié)果產(chǎn)生的不利影響。 補償片可以貼在試件表面不受力 的部位上，也可貼莊與被測試件 材料相同，但不受力作用的另一 塊金屬表面上，并置于靠近R處。 a 總之，要求R,與Rk應處于同樣的

14、 溫度條件下，并且有相同的參數(shù)。橋臂R及R?一般為電阻應變儀內(nèi)部的兩個已知電阻（半橋測量），有時則貼于被測試件 表面上（全橋測量jR為可變電阻，用以調(diào)節(jié)R及R。的阻值，達到使電橋平衡的目的。E 為電橋電源，可以是電池或直流電源。Y為放大器，裝在應變儀內(nèi)部。入為靈敏檢流計，- 般為毫安計。當電阻應變片的阻值發(fā)生改變，從而使電橋失去平衡時，即有電流通過檢流計 A。此時，若滿足RaXR2=RkXRx的關(guān)系，則電橋處于平衡狀態(tài)，a、b兩點的電位相同，檢流計中無電流通過，其指 針于零點。當R,由于試件受力而引起電阻變化量心R時，電橋失去平衡，檢流計指針偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn) 的幅度即表征乙R/R的大小，從而可讀出或

15、測出p 值。此外，還可調(diào)節(jié)電阻R，使電橋 恢復平衡，并根據(jù)電阻調(diào)節(jié)量的大小測定 R/R，在電阻應變儀面板表盤上，即可根據(jù)調(diào) 節(jié)電阻R標盤的刻度值直接讀出p 值。一般靜動態(tài)電阻應變儀的方框圖示于圖8。電阻應變儀的使用與操作均可按相應的使用說明書進行。常用的國產(chǎn)電阻應變儀有YJ5 型靜態(tài)應變儀、YJZ4型自動平衡式應變儀及YJS8型數(shù)字式應變儀;Y6D3型和Y8DB 5型載波式動態(tài)應變儀；Y JDl型及YJD7型靜動態(tài)應變儀以及Y6C9型超動態(tài)應 變儀。上述諸型號電阻應變儀的技術(shù)數(shù)據(jù)均可從有關(guān)資料或相應的說明書中查到。附錄2懸臂式彎曲變形傳感器的制作懸臂式彎曲變形傳感器實際上是一個測量變形用的懸臂

16、梁式彈性敏感元件，也可以用 來測量彎矩M。（一）布片與接橋彎曲變形傳感器的布片方式見圖9。在梁的上表面牢貼電阻應變片Ri梁的下表面牢貼電阻應變片R2 R與R?牢貼的部位 互相對應，并且具有相同的參數(shù)。將R與R?接成如圖10所示的半橋。兩臂。2由于在力的作用下，梁的上表面與下表面同一部位的應變量大小相等、符號相反， 而電橋相鄰兩臂間的應變又是相減的關(guān)系，因而橋臂系數(shù),1，- cA = ( ) = 28圖9彎曲變形傳感器布片圖圖9彎曲變形傳感器布片圖上式表明，按圖9所示的形式布片可使測量 的靈敏度提高一倍。同時因為R及R?二應變片可以互為另一片的溫度補償電阻應變片，所 以采取這種相片方式無需再貼溫

17、度補償電阻應變片。（二）制作方法與步驟取一段厚度約為0. 5mm、長度為150mm200mm及寬度為10mm的彈簧鋼片 或符合上述長度的手鋸鋸條，磨齊一端后，在距端部25mm范圍內(nèi)用0號鐵砂布磨去鋼片 上、下表面的氧化皮及鐵銹，直至兩面都打磨到光潔度為 6（不應過于光滑），并使磨痕紋 路斜交互成6090角。用丙酮或四氯化碳清理鋼片打磨過的表面，直至脫脂棉球擦試后仍保持潔白為止。在打磨及清理過的鋼片表面上均勻涂敷兩薄層特制的快干絕緣膠液或502號膠液，準備貼片。將兩片參數(shù)相同的2. 8X15mm紙基電阻應變片沿鋼片縱向貼在上、下二表面上，貼時注意鋼片上下二表面的應變片對齊。然后用姆指輕輕從中間向四側(cè)按平，并 擠出多余的膠液。用500 g左右的重物壓在已貼好應變片的部位上，保持與鋼片表面緊密貼合，存放24小時。將電阻應變片的引線與導線用錫焊法焊牢，注意引線及錫焊處與鋼片表面保持絕緣。用電工絕緣膠布將錫焊處連同電阻片包緊，并與鋼片纏緊，勿使裸露。封