工字梁焊接结构设计概述

目录前言1第一章：箱型梁焊接结构设计概述41.1概述41.1.1箱形梁结构的组成及制造关键点41.1.2箱型梁焊接结构设计要求51.2箱型梁焊接结构材料的选择71.2.1箱型梁焊接结构的性能要求71.2.2确定材料81.2.3分析正火钢WH530(15MnNbR)焊接性分析11第二章箱型梁结构焊接工艺设计162.1箱型梁焊缝位置162.2焊缝接头形式（坡口、坡口角度、钝边、间隙）172.3焊接方法的选择192.4焊接材料192.5焊接工艺参数的选择202.6焊接顺序212.7焊接工艺卡21第三章焊接工艺规程263.1焊接原材料的准备263.2焊前准备273.3焊接过程283.4焊后处理及热处理30总结32第一章：工字梁焊接结构设计概述1.1 概述工字梁，即宽翼缘工字钢，是现代建筑结构、桥梁结构和电站建设中日益广泛采用的一种型材，具有构造美欢、经济、断面力学性能好和稳定性能好等特点，因具有优越的结构型式和良好的力学性能而成为钢结构的主要架构模式。工字梁由翼板和腹板组成。工字梁大部分通过焊接制造，在焊接过程中控制焊接变形成为关键的问题，因为焊接变形不但增加了工作量和生产成本，而且影响到结构的安装、使用和力学性能1.1.1箱形梁结构的组成及制造关键点1.1.2箱型梁焊接结构设计要求。1.2 工字梁焊接结构材料的选择Q345综合力学性能良好，低温性能亦可，塑性和焊接性良好。A、B级钢视钢材用途和使用需求，可加入或不加入微量元素V、Nb、Ti；但C、D、E级钢应加入V、Nb、Ti、Al的一种或几种，以细化钢的晶粒、防止钢的过热、提高钢的韧性和强度。 Q345广泛用做中低压容器、油罐、车辆、起重机、矿山机械、电站、桥梁等承受动荷的结构、机械零件、建筑结构、一般金属结构件，热轧或正火状态使用，可用于-40以下寒冷地区的各种结构。 1.2.1 Q345B化学成分 1.2.1工字梁焊接结构的性能要求第一章 工字梁焊接工艺设计2.1 工字梁的装配焊接2.1.1 装配2.1.2 焊缝的选择和顺序 如下图，工字梁上下角焊缝对称分布。在相同数值的焊接规范下进行焊接，每道焊缝引起的变形量并非互相抵消，而且先焊的引起的变形量最，但最后焊接的焊缝变形一般总是和最先焊的焊缝引起的变形方向一致，所以在装配完毕后，焊接顺序也是很重要的，正确的焊接顺序能减少变形2.2 工字梁的坡口形式坡口加工前，应对材料表面的铁锈、尘垢和油污等进行仔细清理。坡口形式如下图所示图1 腹板与腹板拼接的坡口形式图2 腹板与翼缘板焊接的坡口形式第三章 焊接方法3.1 简介二氧化碳气体保护焊简称“CO2”焊，它是利用CO2气体作为保护的一种电弧焊接方法。3.2 焊机图1 CO2焊机结构图图2 CO2焊机3.3 CO2气体保护焊的特点CO2气体保护焊与手工电弧焊、埋弧焊等其他焊接方法比较，有以下特点：优点：生产效率高：由于CO2焊的电流密度大，电弧利用率较高，焊后不需清渣，因此比手工电弧焊生产效率高;成本低：CO2气体价格便宜，而且电能消耗少，降低了成本;焊接变形小：CO2焊电弧热量集中，焊件受热面积小，故变形小；焊接质量好：CO2焊的焊缝含氢量少，抗裂性好，焊缝机械性能好；操作简便：焊接时可观察到电弧和熔池情况，不易焊偏，适合全位置焊接，易掌握；适应能力强：CO2焊常用于碳钢及低合金钢，可进行全位置焊接。除用于焊接结构外，还用于修理和磨损零件的堆焊。缺点：如采用大电流焊接时，焊缝表面成形不如埋弧焊，飞溅较多;不能焊接易氧化的有色金属;不易在野外或有风的地方施焊。3.4 CO2气体保护焊焊接方法的工艺参数为了保证CO2气体保护焊能获得优良的焊接质量，除了合适的焊接设备和焊接材料外，还应选择合理的焊接工艺参数。3.4.1 焊丝直径焊丝直径应根据焊件厚度、焊缝空间位置及生产率等条件来选择：薄板或中板的立、横、仰焊时，多采用直径1.6mm以下的细焊丝;当平焊位置焊接中厚板时，可采用直径大于1.6mm的粗丝。3.4.2 焊接电流在CO2保护焊时，焊接电流是最重要的参数。因为焊接电流的大小直接决定了焊接过程的熔滴过渡形式，从而对飞溅程度、电弧稳定性有很大的影响，同时，焊接电流对于熔深及生产率，也有着决定性的影响。电流增大，熔深略增加，焊丝熔化速度增加，生产率提高，但电流太大时，会使飞溅增加，并且容易产生烧穿及气孔等缺陷。反之，若电流太小，电弧不稳定，而产生未焊透，焊缝成形差。3.4.3 电弧电压的选择 在CO2保护焊中，电弧电压也是最重要的参数之一。选择时必须与焊接电流互相配合恰当。电弧电压的大小对焊缝成形、熔深、飞溅、气孔以及焊接过程当中的稳定性等都有很大的影响。通常细焊丝时，焊接电弧电压为1624V：粗丝（直径为1.6mm以上）焊接时电弧电压为2536V。若焊接时采取短路过渡的形式时，焊接电弧电压与焊接电流的最佳配合范围，如下表：3.4.4 焊接速度 焊接速度会影响焊缝成形、气体保护效果、焊接质量及效率。在一定的焊丝直径以及焊接电流和电弧电压的工艺条件下，焊接速度增加，焊缝熔深以及熔宽都有所减少。如果焊接速度太快，则会产生咬边或为溶合缺陷，同时，气体保护效果变坏，会出现气孔。反之如果焊接速度太慢，效率低，焊接变形大。因此通常，CO2半自动焊接速度在1530mh范围之内;自动焊时，速度稍微加快些，但一般不超过40mh。3.4.5 焊丝伸出长度焊丝伸出长度：指从导电嘴一直到焊丝的端头之间的距离。一般按照下式计算方法选定：L=10d mm其中： L指焊丝伸出长度； d指焊丝直径。3.4.6 CO2气体流量CO2气体流量的大小应根据其接头形式、焊接电流、焊接速度、喷嘴直径等焊接工艺参数决定。通常情况下，细丝（1.6mm的焊接过程中，气体流量为515Lmin；粗丝（1.6mm）的焊接过程中，气体流量为1525Lmin。3.4.7 电源极性在CO2气体保护焊中，经常采用的是直流反接。主要是应为这种焊接过程当中电弧稳定，飞溅少，熔深大。而如果采用直流正接的话，则因为焊丝为阴极，焊件为阳极，焊丝的熔化速度快，而熔深较浅，余高增大，飞溅也就较多。3.4.8 回路电感在焊接回路中有串联的电感量，其电感量应根据焊丝直径、焊接电流和电弧电压来进行选择。如果有合适的电感量，可以调节短路电流的增长速度，使飞溅减少，还可以调节短路频率，调节燃弧时间，控制电弧热量；如果电感量的数值太大时，短路过渡减慢，短路次数减少，引起大颗粒的金属飞溅或焊丝成段炸断，将会造成熄弧或引弧困难；电压值太小时，短路电流增长速度快，造成很细的颗粒飞溅，导致焊缝边缘不齐。焊丝直径（mm）焊接电流（A）电弧电压（V）电感量（mH）0.8100180.010.081.2130190.010.161.6160200.30.7 一般情况下，可以采取试焊法，来调整电感量，当情况达到焊接过程当中电弧稳定、短路频率比较高，飞溅最小时，则此时电感量的值是最合适的。在上述图中的8种参数中，主要包括焊丝直径、焊接电流、电弧电压和电感量等几项，其他参数基本上变化不大。在选择焊接工艺参数时，因根据板厚、接头形式和焊缝空间位置，以及确定的溶滴过渡的形式等实际情况来进行综合考虑，从而满足焊接质量和生产要求。第四章 工艺过程4.1 焊接前金属原料准备钢材的材料选择Q345B。图1 Q345B化学成分图2 Q345B机械性能4.2 焊前准备采用机械或化学的方法对型钢材的表面的进行清理的过程称为预处理。由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等杂质都会影响焊接产品的最终质量，因此必须进行预处理。预处理常用的处理方法有：机械除锈和化学除锈；机械除锈常用的方法有喷砂、喷丸和抛丸。此次预处理处理方法用喷丸除锈这一种方法。4.3 钢材的矫正矫正（又称为矫形）就是使钢板或工件在外力的作用下产生与原来的变形相反的塑性变形，用以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确的形状的过程。4.4 下料方法以及设备4.4.1 下料方法下料时用的方法是全自动火焰切割。气割是利用气体火焰的热能将工件切割处的金属预热到一定温度程度后，喷出高速切割氧流，使预热处的金属燃热并放出热量从而实现切割的方法。钢材的切割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气流中燃热的温度（即熔点），然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧气氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热量。借助这些燃烧热量和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直到工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。气割的必要条件： 燃点要低于熔点。 金属氧化物的熔点要低于金属熔点。 燃烧反应是放热反应。 导热性能不应太高。 阻碍切割过程的杂质要少。4.4.2 设备CG1-30型半自动火焰切割机的特点： 身采用高强度铝锭材料、精密压铸制成。 使用乙炔+氧气作为切割气体，切口小，表面光滑、整齐，避免二次加工。 调速系统采用可控硅触角调速，行走平稳。 气管采用进口胶管，管道总成装有快速开关，提高了工作效率 以直线切割为主，可以作圆周切割以及坡口切割，斜口的角度可以任意调节。 CG1-30型半自动火焰切割机广泛用于造船、机械、钢结构、建筑等行业。如下图，详细的介绍了CG1-30型半自动火焰切割机的具体参数和低碳钢及其氧化物的熔点、气割性等：4.4.3 常用切割气体比较 气割常用的气体有乙炔、丙烷、石油气以及各种气体混合燃气等。其中，乙炔和丙烷的物理性能和化学性能的比较见下图：从上面可以看出：与氧-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特点如下： 割面上缘不烧塌，熔化量少;切割面下缘黏性熔渣少，易于清除； 切割面的氧化皮易剥落，切割面的粗糙度相对较低； 切割厚板时不塌边，后劲足，切口表面光洁，棱角整齐，精度高； 倾斜切割时，倾斜角度越大，切割难度越大； 比氧-乙炔火焰切割的成本要低，总成本大约降低30%以上左右。氧-丙烷切割按使用的割炬可分为射吸式割炬和等压式割炬，射吸式割炬用于手工切割，等压式割炬多用于机械切割。氧-丙烷切割的等压式割炬机械切割的工艺参数如下图所示： 切割时，切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号，可根据工件厚度选择氧气压力。切割氧气压力过大，易使切口变宽、粗糙;氧气压力过小，容易造成粘渣。火焰切割氧气压力的推荐数值如下图所示：第五章 工字梁的焊接变形及防止与焊后处理及检测5.1 焊接变形的种类焊接结构焊后的残余变形，主要可以分为以下六种： 纵向收缩变形：构件焊后在焊接方向发生收缩。 横向收缩变形:构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩。焊接结构焊后出现的收缩变形是难以恢复的，必须在构件下料时加余量。 弯曲变形：构件焊后发生弯曲。这种焊接变形是由于焊件上的焊缝不对称或焊件断形状不对称、焊缝的纵向收缩和横向收缩发生的变形。 角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角变形。主要由于焊缝截面形状不对称，或施焊层次不合理致使焊缝在厚度方向上横向收缩量不一致所产生的。 波浪变形：焊后构件呈波浪形。这种变形在焊接薄板时产生。产生原因是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在拘束度较小结构部位造成较大的压应力而引起的变形。 扭曲变形：焊后构件的长度出现螺旋形变形。这种变形是由于装配不良、施焊程度不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律而引起的变形。在制作工字梁的时候，会出现局部的变形一、角变形；二、扭曲变形；三、弯曲变形。5.2 工字梁焊接时变形的防止 焊接时工字梁的变形形式主要包括：挠性变形、拱变形、角变形出现频率较高，为主要变形；纵向收缩、橫收缩次之，为次要变形；扭曲变形最小，为微小变形。所以焊接时候要进行如下措施。5.2.1 预留收缩量 选择材质合格、表面平直的钢板下料，下料时应考虑焊接收缩余量。例如，150MW锅炉的大板梁梁长10m，根据经验.收缩量为0.1%左右，即收缩量为10mm，故下料长度应为10m+10mm实际工作时考虑到端铣和加工误差，余量一般放：柱为20mm左右，梁为10mm左右。5.2.2 反变形对于制作工字梁的时候，在进行批量生产的时候反变形基本不会采用，但是对于一些小批量的生产，采用合理的反变形会减小变形。反变形是在构件未焊前，先将构件预制成人为的变形，使其变形方向与焊接引起的变形相反焊后结构的变形与预测变形可互相抵消，达到构件变形减少或消除焊接变形。5.2.3 制定合理的焊接工艺由于在焊接工字梁的时候，焊缝的长度很长，所以工艺的好坏直接影响到工字梁焊缝和变形产生是否。因此，对于手工电弧焊焊接的时候，易采用对称逆向分段的焊接方法。把焊缝分为若干小段，每条焊缝的长度为1到2根焊条的长度（约200-300mm）。同时在焊接每一段的焊缝方向与焊接总方向相反，选择技术较好且水平相近的4名焊工同时施焊，这样可将变形减小到最低限度。对于采用自动埋弧焊接时，一般情况下应先焊下翼板，在焊上翼板角焊缝，焊接方向要一致，焊接次数根据焊缝高度要求而定；多道焊时应制定翻身工艺，并加以测量，以便利用下一次焊接时采用焊接校正。5.3 焊后表面处理对于不锈钢工字梁，为了得到最佳的抗腐蚀性能，一定要是焊接表面平整光洁。故焊后要除去表面熔渣、飞溅物、绣以及其他氧化物，如高温氧化物等。还可以通过打磨、抛光、喷砂或在烯酸中进行化学学热处理等，酸洗是一种常用的方法，酸洗后必须用清水清洗干净，再用5%-20%的硝酸溶液进行最后的钝化处理，使其表面形成一层氧化膜，使之表面处于最佳抗腐蚀状态。钝化处理后，也必须用清水处理干净，然后烘干。奥氏体不锈钢一般不对其焊后进行热处理，但要焊后对其进行表面处理，以增加奥氏体不锈钢的耐腐蚀性。处理的方法有抛光和钝化。1） 表面抛光：不锈钢表面如有刻痕、凹槽、粗糙点和污点等，会加快腐蚀，如不锈钢表面抛光，就能提高抗腐蚀的能力，表面粗糙度越小，抗腐蚀性能就越好，因为