焊接加热及冷却过程中接头动态弯曲变形的测量与分析

1、焊接结构课程实验实验一焊接加热及冷却过程中接头动态弯曲变形的测量与分析（参考学时课内2学时）一、实验目的（一）学习制作弯曲变形传感器及测量焊接变形的方法，掌握其基本操作技能；（二）加深理解沿板条纵向边缘敷焊时，焊接纵向弯曲变形的动态过程，并深入了解焊接过程中瞬时弯曲挠度的变化规律；（三）测定结构因素及焊接线能量对于焊接弯曲挠度的影响。二、实验装置及实验材料 TOC o 1-5 h z （一） 直流（或交流）电焊机1台（二） 板条夹持装置（自制）l套（三） 变形传感器（自制）1套（四） 静态（或静动态）电阻应变仪1台（五） XY函数记录仪1台（六） 电流表（0250A）1只（七） 电压表（075

2、V）1只（八） 应变片（2. 8X 15mm、纸基）10只（九）低碳钢板（经500600C，保温46h高温回火）400 X 60 X 10mm6 块400 X 80 X 10mm6 块400X 100 X 10mm6 块（十）电焊条 结422 4mm30根（一）弹簧钢片 150X10XO.5mm1 片（十二）0号砂布、丙酮或四氯化碳、502号胶液、绝缘胶布、石蜡、导线、锡焊工具、料及钎剂等各若干三、实验原理将板条一端刚性固定，并沿上侧边缘敷焊纵向焊道，则在整个焊接加热及冷却过程中， 板条将产生纵向弯曲，并且弯曲挠度的大小和符号又将不断地发生变化（图1）。在板条长度遗也不受时间匕土图2板条宽度h

3、遗也不受时间匕土图2板条宽度h对于弯曲变形的影响L保持不变时，板条宽度h对于焊接加热及冷 却过程中弯曲挠度f的变化有明显影响（图2）。 板宽h增大时，板条的抗纵向弯曲惯性矩J或 EJ亦增大，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值都减小。焊接线能量的变化对于板条的弯曲挠度具 有不可忽视的影响（图3）。随着I焊I勺增大，焊接加热过程中的板条最大弯曲挠度不断地增接加热过程中的板条最大弯曲挠度不断地增加；但在冷却过程中，由于板条金属受热塑变区尺寸及沿板条宽度方向的温度分布这两个因 素的综合影响，板条的瞬时弯曲挠度和冷却终了的残余弯曲挠度与I焊之间并不是单调的线 性关系。因此，当U弧

4、及V焊均保持不变时，焊接电流的影响表现为随着I焊的逐渐增大，板 条末端的残余弯曲挠度f残却有一个由小变大，再由大变小的变化过程，也即存在一个残余 弯曲挠度为最大的临界焊接电流值I焊临。综上所述，可得出I焊一f残关系曲线如图4所示。四、实验方法及步骤（一）自制悬臂式弯曲变形传感器，制作方法见附录2。（二）取高温回火过的低碳钢板条一块，测量其长度L与宽度h后，安装于夹具中，并保 持刚性固定，以免影响实验结果。（三）将自制的弯曲变形传感器自由端嵌入试板板条自由端事先开好的槽口中。（四）按照图5,布置与接好实验装置。（五）调节弯曲变形传感器，使其保持水平。初调电阻应变仪与XY函数记录仪，使应 变仪的检

5、流计指针指向“0”位置，XY函数记录仪的记录笔位于记录纸的中部位置（距离 纸的下边缘10 15cm处）。此外，应注意保持弯曲变形传感器自由端弯曲方向与应变 仪检流计指针偏转方向及与XY函数记录仪的记录笔摆动方向间的一致与联动性。（六）将结422型电焊条安装于焊条自动焊机（或普通弧焊机）的焊条夹中，接入电流表、 电压表，而后接通焊接电源。（七）保持选定的焊接电流为1焊及焊接速度为焊1不变，在h=60mm板条的上边缘侧 边进行纵向敷焊，焊接方向为自板条的固定端开始焊向自由端。焊接电弧引燃后随即自动启 动秒表计时，同时拨动Xy函数记录仪的走纸键至“T”位置。此时记录仪即自动绘出焊 接加热及焊后冷却过

6、程中的ft曲线。（八）焊接完毕后，随即关停秒表，并记录焊接时间t焊（s）,但仍保持电阻应变仪及X-Y函数记录仪继续工作。因为此时板条的变形过程仍在继续进行。只有当XY函数记录仪 的记录笔基本上绘出水平线时，方可停笔关机。施焊过程中同时观察与记录I焊及电弧电压 u顶1（九）采用步骤（七）的焊接规范，重复（七）和（八）步骤，施焊A=80mm、100mm及120 mm的板条各一块。五、实验结果的整理与分析（一）T焊|及U弧|值皆取焊接过程中仪表指针的稳定指示幅值，V焊|值为根据秒表记录的焊接时间t焊1与量得的焊道长度所算出的平均焊接速度。1（二）根据变形传感器的弯曲挠度与电阻应变仪检流计指针偏转幅度

7、（微应变P ）间的换 算关系及电阻应变仪指示的微应变与XY函数记录仪的记录笔摆动幅度（mV）间的换算关 系（已于自制传感器时标定），确定ft曲线的纵坐标f值（mm）。焊接加热及冷却过程中可能发生的一些偶然因素，如焊条可能与被焊板条表面瞬时粘 住或顶触以及焊道上覆盖的渣壳大块地崩裂等，都可能使f读数有微小突跳，表现在乂一Y 函数记录仪绘出的曲线上，因而对于ft曲线所出现的此类不连续点，可略去不计。（三）根据试验结果，绘制h=60、80、100及120mm条件下的ft曲线于同一直角 坐标系内。绘制曲线时，可按照XY函数记录仪所绘制曲线按适当的比例缩小绘出。（四）把采用不同的I焊或V焊以及相应的线能

8、量e2、E3及e4时的数据f残加以综合，绘制 不同焊接线能量或不同焊接规范参数条件的hf残曲线于同一直角坐标系内。此外，还要绘 制不同板条宽度h条件下的I焊一f残曲线或Ef残及V焊一f残曲线于同一直角坐标系内。 f残的单位取毫米。（五）分析焊接规范及板条宽度均保持不变的条件下，板条自由端挠度与时间的关系曲线 （ft曲线）的规律性。（六）对比焊接规范不变的条件下的不同板条宽度h的ft曲线，分析焊接加热过程中的 最大弯曲挠度，冷却后的残余挠度f残及挠度符号改变的时间tf_0，说明存在什么规律性，并 分析其原因。（七）分析不同h条件下的I焊一f残曲线（或V焊一f残/及Ef残曲线），重点讨论焊接 规范

9、参数或焊接线能量与f残之间是否为单调线性关系，以及是否存在临界焊接电流值I焊临临界焊接速度值V焊临以及临界焊接线能量值E临，并分析其原因。（八）讨论不同焊接规范条件下的hf残曲线，说明存在什么规律性。六、思考题（一）沿板边缘纵向敷焊过程中，板条自由端的纵向弯曲挠度为什么有符号的改变？（二）为什么I焊或V焊及E对于f残的影响不是直线关系，并存在一临界值？（三）能否根据本实验结果预估V焊对于f残影响的规律性？（四）全部实验结果的规律性是否明显?有何异常现象?出现异常现象的原因是什么？七、附录附录1电阻应变仪简介电阻应变仪系通过电量变化来测量非电量变化的电子仪器。电量变化通常是指电 阻变化量 R及电

10、压变化量AU，非电量变化通常是指应力。、应变、弯曲挠度f （焊接 残余应力。砰及焊接接头与构件的工作应力。）。在插销试验中则借助于拉应力传感器内电阻 残应变片阻值的变化量R测量插销试验机的拉伸载荷P或插销试件所受到的拉伸应力。（一）电阻应变片一敏感元件电阻应变片乃是将被测的非电量转换成电阻量R的敏感元件。它由纸质基底或塑 料基底、电阻丝及引线构成（图6）。电阻丝材料多选用康铜（Cu55%，Ni45%）或锰铜等高电阻金属合金，其直径一般为0. 025 0.05mm。将电阻丝围成栅形并贴于基底上，电阻丝 两端焊上铜引线后，即构成电阻应变片。电阻丝线栅长度L称为电阻应变片的标距。一般而论，L值小的电

11、阻应变片具 有较高的测量精确度。根据测量精度的 要求，有不同标距的电阻应变片以供选 用。除丝式电阻应变片外，还有箔式电 阻应变片及应变花，后者质量较高。表征电阻应变片质量的重要参数为 其灵敏度系数K，v AR / RK =式中应变量 = L/L；对应于单企应变量的电阻变化率，K值的大小一般通过试验测定。常用电阻应变片的K值为2. 03. 0。除此之外，还要求电阻应变片本身的灵敏度系数对于它所受到的应变有比较高的稳定性，即希望K保持为常量。例如，电阻应变片应具有较小的电阻 温度系数，以使应变测量范围增大。将电阻应变片贴牢于焊接接头试件或传感器上。当试件或传感器金属受力产生变形时， 电阻应变片的电

12、阻丝亦随之在长度方向及径向产生应变量相同的变形，从而引起电阻值乙R 的改变，造成电阻丝上电压降的变U。即根据微小的电压变化量乙U，可在电阻应变仪上直接读出应变量。此应变量一般以微 应变p度量。在有些情况下，电阻应变片己牢贴于传感器（如BLR系列拉压力传感器）内， 并封闭好。传感器起着将工作载荷的变化量转换成电阻变化量的作用，即 P R可以看出，由于电阻应变片的初始电阻是已知的，其灵敏度系数K亦为一已知常量， 因而只要测出电阻应变片受应力或应变后所产生的电阻变化初R / R，即可根据K的表达 式求出试件金属在电阻应变片标距L内的相对变形，即应变。（二）测量仪器的工作原理由于试件或传感器金属在弹性

13、范围内受力时的机械应变量一般很小， =10-310-6，故 须将微小的应变或微小的电阻变化率经过电阻应变仪放大，才能显示出来。电阻应变仪的主体部分为一特制的灵敏电桥，一般根据电桥平衡原理，用以测量上述 的微小电阻变化率 R/R （图7）。Ra Rk日及R2为四个电桥臂。其中R,为牢贴于试件表面，用于测量变形（或应力 与应变）的工作电阻应变片，Rk则 为温度补偿电阻应变片，简称补 偿片，系用来消除由于温度变化 对于测量结果产生的不利影响。 补偿片可以贴在试件表面不受力 的部位上，也可贴庄与被测试件 材料相同，但不受力作用的另一 块金属表面上，并置于靠近R处。 a 总之，要求R,与Rk应处于同样的

14、 温度条件下，并且有相同的参数。桥臂R及R?一般为电阻应变仪内部的两个已知电阻（半桥测量），有时则贴于被测试件 表面上（全桥测量jR为可变电阻，用以调节R及R。的阻值，达到使电桥平衡的目的。E 为电桥电源，可以是电池或直流电源。Y为放大器，装在应变仪内部。入为灵敏检流计，- 般为毫安计。当电阻应变片的阻值发生改变，从而使电桥失去平衡时，即有电流通过检流计 A。此时，若满足RaXR2=RkXRx的关系，则电桥处于平衡状态，a、b两点的电位相同，检流计中无电流通过，其指 针于零点。当R,由于试件受力而引起电阻变化量心R时，电桥失去平衡，检流计指针偏转，偏转 的幅度即表征乙R/R的大小，从而可读出或

15、测出p 值。此外，还可调节电阻R，使电桥 恢复平衡，并根据电阻调节量的大小测定 R/R，在电阻应变仪面板表盘上，即可根据调 节电阻R标盘的刻度值直接读出p 值。一般静动态电阻应变仪的方框图示于图8。电阻应变仪的使用与操作均可按相应的使用说明书进行。常用的国产电阻应变仪有YJ5 型静态应变仪、YJZ4型自动平衡式应变仪及YJS8型数字式应变仪;Y6D3型和Y8DB 5型载波式动态应变仪；Y JDl型及YJD7型静动态应变仪以及Y6C9型超动态应 变仪。上述诸型号电阻应变仪的技术数据均可从有关资料或相应的说明书中查到。附录2悬臂式弯曲变形传感器的制作悬臂式弯曲变形传感器实际上是一个测量变形用的悬臂

16、梁式弹性敏感元件，也可以用 来测量弯矩M。（一）布片与接桥弯曲变形传感器的布片方式见图9。在梁的上表面牢贴电阻应变片Ri梁的下表面牢贴电阻应变片R2 R与R?牢贴的部位 互相对应，并且具有相同的参数。将R与R?接成如图10所示的半桥。两臂。2由于在力的作用下，梁的上表面与下表面同一部位的应变量大小相等、符号相反， 而电桥相邻两臂间的应变又是相减的关系，因而桥臂系数,1，- cA = ( ) = 28图9弯曲变形传感器布片图图9弯曲变形传感器布片图上式表明，按图9所示的形式布片可使测量 的灵敏度提高一倍。同时因为R及R?二应变片可以互为另一片的温度补偿电阻应变片，所 以采取这种相片方式无需再贴温

17、度补偿电阻应变片。（二）制作方法与步骤取一段厚度约为0. 5mm、长度为150mm200mm及宽度为10mm的弹簧钢片 或符合上述长度的手锯锯条，磨齐一端后，在距端部25mm范围内用0号铁砂布磨去钢片 上、下表面的氧化皮及铁锈，直至两面都打磨到光洁度为 6（不应过于光滑），并使磨痕纹 路斜交互成6090角。用丙酮或四氯化碳清理钢片打磨过的表面，直至脱脂棉球擦试后仍保持洁白为止。在打磨及清理过的钢片表面上均匀涂敷两薄层特制的快干绝缘胶液或502号胶液，准备贴片。将两片参数相同的2. 8X15mm纸基电阻应变片沿钢片纵向贴在上、下二表面上，贴时注意钢片上下二表面的应变片对齐。然后用姆指轻轻从中间向四侧按平，并 挤出多余的胶液。用500 g左右的重物压在已贴好应变片的部位上，保持与钢片表面紧密贴合，存放24小时。将电阻应变片的引线与导线用锡焊法焊牢，注意引线及锡焊处与钢片表面保持绝缘。用电工绝缘胶布将锡焊处连同电阻片包紧，并与钢片缠紧，勿使裸露。封