焊接结构实验1
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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
9
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
1 2 3 4 5 6 7 8 平均
试件
板厚 2mm
I=
U=
V=
角变形
挠曲变形
α0
α1
α
f0
f1
f
α0 — 焊前角变形 角变形
α1 — 焊后角变形
α — 焊接所引起的
B0 —焊前引伸仪数值 B1 —焊后引伸仪数值 B —焊接所引起的横
11
向收缩变形 f0 — 焊前挠曲变形
f1 — 焊后挠曲变形
f — 焊接所引
21
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 。
22
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
15
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）
x
=
A C
1 2
横向残余应力:
y =
A C
1 2
各个测量点的三个方向上的应变测量值
16
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
17
纵向残余应力 σx 分布
x / MPa
x / MPa
距离 /mm
图 5 角变形的测量示意图
6
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α 1、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。
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
1
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）
实验测得 σx 分布曲线
距离 /mm
横向残余应力 σy 分布
σx 理论分布曲线
18
σy
σy
/
/
◆M 点pa
M
◆点 点
paBaidu Nhomakorabea
55.1.
1
1
距
距◆
离
离
σy/实m 验曲线
/m
m
m
σy
焊 缝 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
8
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。
5
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。
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。
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。
4
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。
6mm×150mm×300mm（Q235 钢）
2
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
3
7
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。
12
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。
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，
19
纵向残余应力 σx 分布： x / MPa
实验测得的 σx 分布曲线
距离 /mm
第1 组测 量点
第2组 测量点
焊 缝
横向残余应力 σy 分布
理论曲线
20
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：
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：
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？
10
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
1 2 3 4 5 6 平均
I=
角变形
α0
α1
α
试件
板厚 6mm
U= 横向收缩
B0
B1
B
V= 挠曲变形
f0
f1
f
测 点 位 置
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。
13
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
14
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
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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
1 2 3 4 5 6 7 8 平均
试件
板厚 2mm
I=
U=
V=
角变形
挠曲变形
α0
α1
α
f0
f1
f
α0 — 焊前角变形 角变形
α1 — 焊后角变形
α — 焊接所引起的
B0 —焊前引伸仪数值 B1 —焊后引伸仪数值 B —焊接所引起的横
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向收缩变形 f0 — 焊前挠曲变形
f1 — 焊后挠曲变形
f — 焊接所引
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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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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
15
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）
x
=
A C
1 2
横向残余应力:
y =
A C
1 2
各个测量点的三个方向上的应变测量值
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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
17
纵向残余应力 σx 分布
x / MPa
x / MPa
距离 /mm
图 5 角变形的测量示意图
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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α 1、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。
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
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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）
实验测得 σx 分布曲线
距离 /mm
横向残余应力 σy 分布
σx 理论分布曲线
18
σy
σy
/
/
◆M 点pa
M
◆点 点
paBaidu Nhomakorabea
55.1.
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距
距◆
离
离
σy/实m 验曲线
/m
m
m
σy
焊 缝 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
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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。
5
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。
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。
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。
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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。
6mm×150mm×300mm（Q235 钢）
2
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
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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。
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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。
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，
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纵向残余应力 σx 分布： x / MPa
实验测得的 σx 分布曲线
距离 /mm
第1 组测 量点
第2组 测量点
焊 缝
横向残余应力 σy 分布
理论曲线
20
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：
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：
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？
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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
1 2 3 4 5 6 平均
I=
角变形
α0
α1
α
试件
板厚 6mm
U= 横向收缩
B0
B1
B
V= 挠曲变形
f0
f1
f
测 点 位 置
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。
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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
14
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