焊接H梁（精选5篇）
焊接H梁 篇1
近几年随着科技和生产的发展, 在钢构件的制作安装中, H型钢的使用相当广泛。H型钢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, 广泛应用于工业和民用建筑中。在H型梁的制作过程中, 焊接变形成为整个制作过程最突出的问题, 因此焊接变形控制是H型钢制造质量的关键。文章通过H型梁焊接变形的问题机理分析, 并结合理论与生产中的实践经验, 总结出避免焊接变形的方法, 与大家共同研究。
1 产生焊接变形的原因分析
H型梁在焊接过程中焊接热场的不均匀性是产生焊接变形的最主要原因。由于焊接时局部被加热到融化状态, 在该焊区产生压缩塑性变形, 焊缝金属在凝固和冷却过程中, 体积要发生收缩, 而其他部位有阻止其收缩, 因而使焊件产生变形和焊接残余应力。由于焊接结构的焊缝分布不同等因素可产生收缩变形、扭曲变形、角变形、弯曲变形、波浪变形等, H型梁焊接变形主要有:角变形、扭曲变形和弯曲变形。
角变形:角变形发生的根本原因是横向收缩变形在厚度上的不均匀分布。焊缝正面的变形大, 背面的变形小, 这样就造成了构件平面的偏转, 既形成翼板角变形。
扭曲变形:由于焊件装配质量不好, H型钢搁置不当, 焊接顺序和焊接方向不合理, 都可能引起扭曲变形, 但根本原因还是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩所致。
弯曲变形:由于温度在翼板或腹板上分布不均匀引起翼板或腹板的纵向收缩而产生的。腹板两边受热不均匀, 导致两边收缩量不一致, 产生弯曲。
2 焊接变形的预防措施
影响焊接变形的原因多方面, 如焊接方法、接头形式、坡口角度、装配间隙、对口质量、焊接速度、H型钢的自重等。
2.1 设计合理的焊接结构
合理的焊接结构是保证焊接的工作量最小, 是控制焊接变形的第一步。首先应选择合理焊缝形式和尺寸, 其次尽可能减少不必要的焊缝, 使焊接工作量最小, 最后应合理安排焊缝的位置, 避免焊缝大量集中, 增大焊接应力。
2.2 采取适当的工艺措施
2.2.1 下料的控制
下料时有两个方面要注意问题:焊接时有1%收缩余量, 所以下料时应该考虑到焊接收缩余量;二是在下料时有可能腹板旁弯, 导致H型钢向上拱起, 因此要控制腹板下料时的切割变形。
2.2.2 反变形法
依据经验和理论计算, 预先对焊件变形的大小和方向做出估计, 将焊件反向压弯或者焊接时施加反向外力使之变形。反变形法仅仅适用长度较短的薄板, 在大型H型梁生产中应用不多。
2.2.3 刚性固定法
刚性大的焊件焊接后变形一般都比较小, 而刚性比较小的焊件需要采用专用夹具以提高焊件刚性, 来减小变形。这个方法防止H型梁的角变形、扭曲变形效果好。在焊接结束时, 焊件工作温度冷却到室温后, 才可去掉刚性固定。
2.2.4 热调整法
焊接变形主要是不均匀加热造成的。若焊接线进行预热, 可减少焊接热影响区的温度和结构的温度差降低不均匀加热的程度, 就会有利于减少焊接变形。减小受热区宽度的措施有:小电流快速不摆动代替大电流慢速摆动焊接, 小直径焊条代替大直径焊条, 多层焊代替单层焊, 用氩弧焊焊和埋弧焊代替手工焊等。
2.2.5 选择合理的焊接顺序
收缩量大的焊缝应当先焊, 如果一个焊件既有对接焊接又有角焊接缝, 应该先焊对接焊缝, 后焊角焊缝;对于复杂的结构, 可将焊件适当地分为不同部分, 分别装配焊接, 然后再组焊成整体, 使得焊缝能相对自由地收缩, 这样H型钢的变形量会小一些。
3 焊接变形的矫正
矫正应遵循两个原则: (1) 矫正位置要正确, 必须分析焊件变形的原因和焊件之间的内在联系, 弄清楚各个焊件之间的相互关系。 (2) 矫正顺序要正确。先矫正主要变形, 后矫正次要变形, 多种矫正方法同时使用时, 要注意几种方法的先后顺序。
3.1 机械矫正法
机械矫正就是利用外力使H梁产生与焊接变形方向相反的塑性变形, 施加反作用力。
3.1.1 型钢矫直机
型钢矫直机常用于翼板的角变形, 主要作用是矫直型钢可能出现的翼缘内并、外扩、扭转等缺陷, 对型钢矫直机产生的矫枉过正问题进行重视。
3.1.2 锤击法
用圆头小锤敲击焊缝金属, 能促使焊缝及其周围压缩性变形区域的金属得到适当延展, 以补偿焊缝的缩短, 以达到消除焊接变形的目的。
3.2 火焰加热矫正法
火焰矫正法是利用火焰使H型钢不均匀受热, 从而获得反向的变形, 来补偿或抵消原来的焊接变形, 从而达到使H型钢恢复正确形状、尺寸的目的。火焰加热矫正法常用的加热方式有点状加热、线状加热和三角形加热。加热矫正能消除很多机械矫正无法解决的变形, 掌握火焰局部加热引起的变形的规律是做好矫正的关键, 而加热的位置和加热温度则影响火焰矫正的效果, 参见表1各种颜色可判断温度范围。
针对不同的变形采用相应的矫正方法: (1) 对翼板所产生角变形最好采用线状加热, 在焊缝背面翼板中间处加热, 加热宽度应小于焊角宽度, 热深度不应超过板厚, 火焰作直线运动, 形成一个加热带, 加热温度在500~600℃为最好, 一次没有完全矫平的, 可再加热, 直到矫平为止。 (2) 对于H型钢的弯曲变形, 一般采用三角形加热法, 对水平板进行矫正, 加热位置选定在翼板外凸起的一侧。 (3) 拱变形矫正, 在腹板上进行三角形加热, 加热位置应依据实际变形情况而定, 如果矫正结果没有达到预期的效果, 可以反复多次进行矫正, 直到处矫正结果达到使用要求。
火焰矫正是一项技术性很强的操作, 不恰当的矫正产生的矫正应力可能会使H型梁纵应力超过允许的应力, 从而降低承载的安全系数。所以要结合结构特点和变形情况, 确定加热方式、加热位置, 并能根据经验判断加热区的温度, 才能获得满意矫正效果。
4 结束语
文章首先对H型梁焊接变形原因进行了分析, 并根据适当的工艺控制尽量减少、减小变形, 最后针对可能出现的几种变形, 提出了矫正措施, 以达到减少H型梁焊接变形的目的。通过科学合理的焊接工艺, 提高焊接质量。
摘要：H型钢具有强度高、质量轻、耐用性好等优点, 在各种大型结构中被越来越广泛地采用。然而H型钢的焊接变形问题是常见又很难解决的问题, 文章结合工程实际, 探讨H型钢焊接变形的预防和矫正。
关键词：H型钢,变焊接变形,形预防,矫正措施
参考文献
[1]中国机械工程学会焊接学会.焊接手册 (第3卷) [M].北京:机械工业出版社, 2001.
[2]高忠民.电焊工基本技术[M].北京:金盾出版社, 2000.
[3]王文翰.焊接技术手册[M].河南科学技术出版社, 2004.
焊接H梁 篇2
1 原有的组焊工艺
庞巴迪动车组动车端梁的组焊顺序为:组焊端梁下盖板→组焊端梁腹板,完成内腔打底焊道→组焊端梁上盖板→组焊圆柱及筋板。首先把端梁下盖板放在组装胎上,分别以■mm圆孔定位并夹紧;然后焊接下盖板对接焊缝打底焊;再组装腹板;接着焊接内腔填脚焊缝;最后分别以■mm圆孔定位,组装上盖板、焊接上盖板对接焊缝打底焊、组装4块筋板。所有焊接全部在组焊胎上完成。
(1)上、下盖板的焊接工艺。打底焊道采用钨极氩弧焊方法,焊接电流为120～140 A,焊接速度为15～20 cm/min,气体流量为5～10 L/min。填充层和盖面层采用焊条电弧焊方法,焊条直径为■mm、■mm,焊接电流为130～180 A,焊接速度为35～40 cm/min。层间温度控制在180℃左右。
(2)腹板与上、下盖板焊接工艺。采用活性气体保护焊方法,焊丝牌号为EN440:G4Si,保护气体由Ar和CO2组成,两者比例为4:1,其流量为15～20 L/min,内腔打底焊焊接电流为220～240 A,焊接电压为26～28 V;填充层及盖面层的焊接电流为280～300 A,焊接电压28～31 V。层间温度控制在180℃左右。打底焊完成后用钨极氩弧焊把腹板拐弯处的焊缝重熔一下,以消除拐弯处的应力集中。
(3)圆柱的焊接工艺。采用活性气体保护焊方法,焊丝牌号EN440:G4Si,保护气体由Ar和CO2组成,两者比例为4:1,保护气体流量15～20 L/min,打底层焊接电流280～300 A,焊接电压28～30 V,填充层焊接电流280～300 A,焊接电压28～31 V,盖面层焊接电流260～280 A,焊接电压30～31 V。层间温度控制在180℃左右。
(4)筋板的焊接工艺和圆柱的焊接工艺相同。
2 动车端梁焊接存在的问题及原因分析
(1)产品的外形尺寸达不到技术要求。设计要求与侧梁对接处上、下盖板总长为(2 330±1)mm,其余部位为(2 330±2)mm。
原因分析:①未考虑到工艺放长量或工艺放长量不准确;②焊接变形未矫正。
(2)焊后端梁产生下挠变形与旁弯变形。两端平面与中部平面的高度差达到79 mm左右,而设计要求为(74±1)mm;与侧梁对接处上、下盖板总长达到2 334 mm,而设计要求为(2 330±1)mm。
原因分析:焊接时,由于是局部高温加热,温度梯度大,焊缝附近的压应力通常达到了屈服点而产生压缩塑性变形。另外,由于焊缝及其附近区域的加热温度超过了力学熔点(即屈服强度几乎为零,对变形没有任何抗力),对碳钢来讲,当加热温度超过650℃时,产生的变形全部为压缩塑性变形。正是这些压缩塑性变形造成焊件在冷却后产生残余应力和残余变形[1]。
由于端梁下盖板是密贴刚性固定在组焊胎胎面上的,可以和组焊胎胎面看成是一个整体,焊接时各部分应力分布如图2所示。
冷却后端梁的上盖板存在残余拉应力,下盖板存在残余压应力,导致端梁产生下挠变形。旁弯变形的原因是筋板焊缝分布不对称所致,在筋板焊缝一侧产生了残余拉应力,没有筋板的一侧产生了残余压应力。
(3)主焊缝不连续,接头太多,不是一条完整的焊缝。
原因分析:由于全部焊接过程是在组焊胎上进行的,组焊胎上有许多定位、夹紧装置,不利于施焊,所以焊缝接头太多,不是一条连续、完整的焊缝。而且接头多对焊缝内在质量也有影响。
(4)筋板焊缝成形不佳,角焊缝下边缘未熔合,上边缘咬边。
原因分析:由于筋板面积很小,多层焊时,焊工对层间温度控制不好,焊接热输入大;此外,由于焊枪摆动幅度大,焊缝太宽、焊接速度慢,焊接线能量输入太大。
3 工艺改进措施
3.1 合理确定工艺放长量
(1)查表法。上、下盖板板厚为10 mm,V形坡口对接,根据表1,查得上、下盖板的横向收缩量为1.4～2.2 mm,纵向收缩量暂不考虑;由表1查得腹板与上、下盖板的T形接头(有坡口、双面焊)纵向收缩量为0.1～0.3 mm,横向收缩量暂不考虑[2]。经计算,端梁的纵向收缩量范围为2×(1.4～2.2)+4×(0.1～0.3),即3.2～5.6 mm。
(2)变形估算公式
对接焊缝的横向收缩量可用式(1)表达:
式(1)中:ΔB为横向收缩量(mm),F为焊缝截面积(mm2),S为板厚(mm),a为焊缝间隙(mm)。
以板厚为主要依据,对接焊缝的横向收缩量可用式(2)表达[3]:
此公式适用于6 mm≤S≤20 mm,V形坡口的焊件。式中:ΔB为横向收缩量(mm),S为板厚(mm)。将S=10 mm代入式(2),则上、下盖板对接焊缝的横向收缩量ΔB总=AB×2=2×(0.15×10+0.4)=3.8 mm。
角焊缝的纵向收缩量如式(3)所列:
式中:ΔL为纵向收缩量(mm),FH为焊缝截面积(mm2),F为焊件截面积(mm2),L为焊件长度(如纵向焊缝短于焊件,则取焊缝长度)(mm)。据
计算已知:FH=144 mm2,F=4 960 mm2,L=2 290mm,代入式(3)计算得出,ΔL=0.05×144×2 290÷4 960=3.32 mm。
端梁的收缩量ΔL总=ΔB+ΔL=3.8+3.32=7.12 mm。
综合上述2种收缩量估算方法,确定工艺放长量为5～7 mm,最终把端梁总长控制在(2 330±1)mm。
3.2 利用预应力克服压缩塑性变形
使用夹紧装置将工件按残余应力的反方向弯曲,利用焊缝金属的收缩力将工件拉回到准确位置[4]。具体操作为:重新制作专门的焊接胎具,胎面上加几根长方形的铁块,把端梁下盖板与胎面垫空,胎面中间的铁块比两侧的铁块高2～3 mm,并在两端加上整体压紧装置,给端梁施加一个产生上挠变形的预应力,如图3所示。这既解决了主焊缝成形不佳的问题,又能控制端梁产生下挠变形。
施加预应力后,端梁的纵向应力分布如图4所示,焊后焊件的残余应力降低到很小,下挠变形量也大幅降低。对于焊后筋板端梁产生的旁弯变形,采用机械校正与火焰加热校正相结合的方法,用火焰加热端梁腹板,油压机调直,并将端梁与侧梁对接处上、下盖板总长控制在(2 330±1)mm,两端面平面与中部平面的高度差控制在(74±1)mm。
3.3 调整组焊顺序及焊道布置
圆柱与筋板待主焊缝焊完后再组焊,既可确保主焊缝的连续性和完整性,又可先用火焰调整上、下盖板产生的角变形,使上、下盖板的间距为(70±2)mm,筋板焊完后上、下盖板的间距为(68±2) mm。筋板的组焊工艺采用盖面焊,由原来的单道焊修改为多道焊,施焊时控制层间温度。调整后的焊接效果如图5所示。
4 结束语
通过引入“预应力”的概念,制作专用的焊接胎具,有效控制了庞巴迪动车组焊接构架动车端梁的下挠变形,并且改善了焊缝的外观成形;通过准确计算工艺放长量,使端梁的外形尺寸控制在(2 330±) 1mm,达到了产品的技术质量要求;焊后采用机械校正与火焰加热校正相结合的方法,调整端梁的旁弯变形;通过调整组焊顺序及焊道布置,改善了焊缝成形。调整工艺措施后,动车端梁试制成功,为今后此类问题的解决提供了经验。
参考文献
[1]威廉L·加尔维里,弗兰克M·马洛.焊接技能问答[M].李亚江,译.北京:化学工业出版社,2004.
[2]张建勋.现代焊接生产与管理[M].北京:机械工业出版社,2005.
[3]韩国明.焊接工艺理论与技术[M].2版.北京:机械工业出版社,2007.
浅析H型钢结构焊接变形及控制 篇3
钢结构在焊接过程中会产生焊接应力和变形, 造成焊接应力和变形的因素有很多, 但焊件受热的不均匀性是其最根本的原因。结构在焊接时, 由于局部高温加热从而造成焊件上温度分布不均匀, 从而导致构件产生不均匀膨胀, 而低温区的限制了高温区的膨胀, 最终导致焊件焊后发展成焊接变形。其次, 是由焊缝金属的收缩、金相组织的变化以及焊件刚度的不同引起的。另外, 焊缝在焊接结构中的位置、装配焊接顺序、焊接方法、焊接电流及焊接方向等对焊接应力与变形也有一定影响。
2 H钢的焊接变形的种类
焊接变形按照外观形态分为收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。H型钢在制造过程中, 主要产生角变形、弯曲变形和扭曲变形。
2.1 角变形
焊缝的横向收缩沿板厚的不均匀分布是导致角变形的根本原因。
2.2 弯曲变形
弯曲变形主要是结构上的焊缝布置不对称或焊件断面形状不对称, 焊缝收缩引起的变形。弯曲变形的大小用挠度f进行度量。挠度f是指焊后焊件的中心轴偏离焊件原中心轴的最大距离。当纵向焊缝位置偏离构件截面的中心轴时 (如图1) , 不仅产生纵向收缩, 而且由于等效收缩力FP而产生弯曲变形。根据材料力学, 其产生的最大挠度为:
式中:f弯曲变形挠度 (cm) ;E-弹性模量 (MPa) ;FP假想的纵向收缩力 (N) ;S-偏心矩 (cm) ;L-焊缝长度 (cm) ;I-截面惯性矩 (cm4) 。
2.3 扭曲变形
焊缝角变形沿焊缝长度方向的不均匀分布是产生扭曲变形的根本原因。一般发生在有数条平行的长焊缝的焊件上, 如焊接工形梁。扭曲变形的产生往往与焊接方向或顺序不当有关。
3 影响H钢结构焊接变形的因素
3.1 焊接方法及其工艺规范的影响
H钢结构制造时一般的焊接方法有埋弧自动焊、手工电弧焊和CO2气体保护焊。不同的焊接方法产生的热量不同, 造成的变形也不同。同一焊接方法中, 由于焊接工艺规范的不同所产生的焊接变形也不同。H钢结构在施焊前要通过焊接工艺评定制定工艺规程, 但在具体进行实际生产时, 一些单位不执行工艺文件, 进行大线能量施焊而造成焊接变形。
3.2 坡口形式和尺寸的影响
坡口形式不相同, 焊接变形量就不同。如坡口截面不对称的焊缝, 其角变形大。坡口角度越大, 其填充金属量大, 变形就越大, 坡口小变形就越小。
3.3 结构刚度和焊缝分布的影响
刚性是指焊件抵抗变形的能力, 它与焊件材质、焊件截面形状和尺寸等有关。结构刚性越大, 则阻止焊缝及其附近热变形的能力越强, 焊接变形就越小。反之焊件的刚性越小, 则焊接变形就越大。焊缝分布越密集, 将使焊接应力和热量互相叠加, 增加了焊接变形。焊缝分布与截面中性轴不对称或远离截面中性轴, 则会增加弯曲变形。
3.4 装配-焊接顺序的影响
不同的装焊顺序焊后将产生不同的变形量, 所以在装焊时应采取合理的顺序。焊接时尽量采用对称焊接;焊缝不对称时, 先焊焊缝少的一侧。纵向收缩引起的弯曲变形是H钢最容易出现的变形。焊缝布置对称的焊缝, 如果装配焊接顺序不合理, 同样可能产生较大的弯曲变形。如图2焊接H钢 (工字钢) , 采用不同的装配焊接顺序, 弯曲变形量大小不同。如果先装成T形梁, 如图2-a所示, 然后再装配焊接成工字构件如图2-b, 其挠度变化情况如下:
一般情况下, 虽然S′<S″, 但ⅠI>>ⅠT, 所以f1、2>f3、4, 既两者不能相互抵消, 焊后产生残余弯曲变形。
如果采用先装配并定位焊焊成工字构件, 然后按图2-c的1~4顺序焊接, 因为焊接过程中构件的截面惯性矩基本不变, 且两边焊缝距中心轴的距离近似相等, 所以产生的挠度基本上可以互相抵消, 使构件保持平直。
4 控制焊接变形的措施
如果在焊接前或焊接过程中采取一些措施就可以有效地控制焊接变形, 不仅为焊后矫正节省了人力、物力和财力, 也为大型构件的一次合格率提供了保障。
4.1 设计措施
(1) 合理地选择焊缝的尺寸和形状。在保证结构承载力的情况下, 尽可能采用较小的焊缝尺寸, 减少热输入对材料性能的影响, 并降低成本。 (2) 合理地安排焊缝的位置。安排焊缝尽可能对称与截面中性轴, 或使焊缝接近中性轴, 这对减少梁柱的挠曲变形有良好的效果。
4.2 工艺措施
(1) 反变形法。根据焊件的变形规律, 将焊件向着与焊接变形相反的方向进行人为变形后再进行焊接, 以达到抵消焊接变形的目的。
(2) 留余量法。此方法主要用于防止焊件的收缩变形。为了补偿焊件的收缩, 下料时, 应当适当加大零件的实际长度或宽度尺寸比设计。
(3) 刚性固定法。将焊件组合成刚性更大或对称的结构。
(4) 选择合理的装配焊接顺序。装配焊接顺序对焊接结构变形的影响很大。1) 在条件允许的情况下, 将大型而复杂的焊接结构分成若干个结构简单的部件, 单独进行焊接后再总装成整体。2) 施焊时, 焊缝尽量靠近结构截面的中性轴。3) 在进行装配焊接时, 对于结构不对称布置的焊缝, 应当先焊焊缝少的一侧。4) 应当由偶数焊工对称地焊接焊缝对称的结构。5) 当焊接1m以上的长焊缝时, 为了减少焊接后的收缩变形, 在焊接时应当采用图3所示的方向和顺序进行。
(5) 合理地选择焊接方法和焊接工艺参数。各种焊接方法的热输入不同, 因而产生的变形也不一样。能量集中和热输入较低的焊接方法, 可有效地降低焊接变形。用CO2气体保护焊焊接中厚板的变形比用气焊和焊条电弧焊小得多。焊接热输入是影响变形量的关键因素, 当焊接方法确定后, 可通过调节焊接参数来控制热输入。在保证熔透和焊缝无缺陷的前提下, 应尽量采用小的焊接热输入。
5 结论
H钢结构在制造过程中极易发生焊接变形, 但如果在焊前能够正确分析其产生原因, 在施焊过程中采取合适的焊接方法、合理的装焊顺序和焊接接头设计等工艺措施减小焊接热输入, 就能有效的控制焊接变形, 使得结构焊接质量得到保证。
摘要：根据工程实践, 分析了H型钢结构产生焊接变形的原因, 提出了控制焊接变形的方法和措施, 从而提高了焊接工艺质量, 增强结构的安全性。
关键词：H型钢结构,焊接变形,控制
参考文献
[1]邓洪军.焊接结构生产[M].北京:机械工业出版社, 2009:22-34.
[2]杨鑫.如何控制钢结构焊接的变形[J].焊接技术, 2011 (05) :51-52.
铁塔梁的焊接技术 篇4
装配好的试件, 将其装卡在一定高度的架子上 (根据个人的条件, 可以采用蹲位、站位、躺位等) 进行焊接。
打底层。用连弧焊法焊接打底层焊缝时, 电弧引燃后, 中间不允许人为地熄弧, 一直是短弧连续运条直至应更换另一根焊条时才熄灭电弧。由于在连弧保护焊接时, 熔池始终处在电弧连续燃烧的保护下, 在此温度下, 液态金属和熔渣容易分离, 气孔也容易从熔池中溢出, 保护效果较好, 所以焊缝不容易产生缺陷, 焊缝的力学性能也较好, 用碱性焊条 (如E5015守焊接时, 交流焊机不能起弧, 所以, 必须使用直流弧焊机。而且用碱性焊条采用断弧焊时, 焊缝保护不好, 容易产生气孔。因此, 多采用连弧焊操作方法焊接。
(1) 引弧在焊件的端部定位焊缝上引弧, 并在坡口内侧摆动, 对焊件的端部进行预热, 当电弧移动到定位焊缝尾部时, 可压低电弧, 将焊条向上顶一下, 听到“噗噗”两声后, 表明焊件根部钝边已被熔透, 第一个熔池已经形成, 引弧操作完成。焊接引弧操作时, 要控制电弧向坡口两侧各熔透0.5~1.5mm为好。
(2) 打底层连弧焊的操作要领打底' (连弧层) 操作时, 焊条与坡口两侧的夹角为90°, 与焊接前进方向的夹角为70°~80°焊接操作采用锯齿形运条法, 在运条过程中, 焊条端部始终要有向上顶的动作, 即尽量采取短弧操作, 焊条作横向摆动的幅度要比平焊、立焊位焊接时稍小, 摆动的速度要快, 注意在坡口两侧停留的时间不要过长, 使焊缝与母材金属熔合良好, 避免焊缝与母材交界处形成夹角, 以免不利于清渣。
为了克服仰焊背面焊缝下凹, 使背面焊缝高于焊件表面, 施焊时, 焊条应紧贴在坡口根部间隙处, 采取短弧操作, 使焊接熔池越小越好, 这样, 利用熔池的表面张为作用, 把在重力作用下, 焊缝熔池内向下流的熔滴, 迅速拉回焊缝背面熔池, 从而确保仰焊接面焊缝的饱满。如果焊接熔池过大, 熔池的表面张力不足以控制熔池内熔滴的外溢, 然而使仰焊背面焊缝下凹, 形成焊缝不饱满。
(3) 接头。接头方法有:热接法和冷接法两种。
(1) 热接法:焊接过程采用热接法时, 更换焊条动作要迅速, 在焊缝熔池还处于红热状态即引弧施焊。引弧点在距熔孔10~15mm处, 引弧后要迅速压低电弧, 电弧可作水幅度的摆动向前运条, 待焊条运至熔孔处, 向上顶压弧, 听到击穿坡口根部发出“噗噗”的声音时, 向前继续作锯齿形运条, 恢复正常焊接。
热接法的特点是由停弧到重新引弧的时间间隔较短, 有利于液态金属迅速向熔池过渡, 焊、接接头比较平整。
(2) 冷接法:接头前, 要将熔孔周围的焊渣清理干净, 必要时可用角向磨光机对接头部位进行修整, 使其形成斜坡状, 引弧点在距熔孔10~15 mm处, 以利于熔孔处温度的提升和接头处韵焊缝平整。
冷接法的特点是由停弧到重新引弧的时间间隔不受限制, 接头处冶金反应不充分, 容易产生气孔、夹渣等缺陷。
(4) 收弧。焊接过程需要收弧时, 应将电弧拉向坡口的左侧或右侧, 慢慢在运条的过程中将电弧抬起, 使焊接熔池逐渐变浅、缩小直至消失。按此弧方法收弧, 即可以防止液态金属下坠, 又可以防止焊接熔池中心产生冷缩孔。
连弧焊打底层焊缝焊接质量, 对整个仰焊焊缝成形、焊接质量有很大的影响, 所以, 打底层焊缝焊接时, 在操作上应该注意以下几点:
(1) 焊接坡口间隙要窄, 钝边要小:因为窄间隙可以控制焊缝熔池的尺寸, 使熔池表面张力大, 能控制熔化金属的下凹。同时, 较小的熔池也有利于熔池的凝固。钝边小, 可以在较小的焊接电流, 迅速击穿焊缝根部达到单面焊双面成形。
(2) 焊接电弧要短:在合适的焊条角度前提下, 采用最短的焊接电弧, 在坡日根部作小幅度横向摆动, 在保证焊透的条件下, 焊条摆动速度要适当加快。
(3) 合适的熔孔:在焊接电弧的上方, 应该保持有合适的熔孔。熔孔尺寸过大, 焊缝下凹大;熔孔尺寸过小, 焊缝根部不宣击穿, 使打底层焊缝未焊透。
(4) 熔滴搭接均匀:打底层焊缝的每一个新熔池。要与前一个熔池搭接2/3~1/2, 减少熔池的表面面积, 使熔池表面张力处于最大, 防止背面焊缝下凹。
(5) 焊接过程中处理好手把线:焊条电弧焊手把线, 在仰焊过程中, 不仅影响焊接操作, 而且还由于手把线的重量, 使焊工容易疲劳, 从而使焊缝表面成形、焊缝质量受到影响。所以, 不论采用站位、蹲位、坐位还是躺位进行焊接, 焊工只负担1m左右长焊接电缆的重量, 其余长度的电缆重量, 可_固定在辅助支撑上, 千万不要将电缆缠绕在焊工的身体上, 以免发生人身安全事故。
(6) 控制焊接熔池尺寸:仰焊焊接时, 要控制.接熔池尺寸, 使焊缝正面熔池和背面熔池大致相同。
2 填充层的焊接 (连弧焊) 操作
填充层焊前, 应将打底层焊缝表面的焊渣、金属飞溅物清理干净, 将焊缝表面不平之处用角磨砂轮打磨平整。填充层焊缝的运条法及焊条角度, 与打底层焊时相同, 但是, 后者的横向运条幅度要太, 焊条的摆动速度要比打底层焊时稍慢些, 并且在焊缝与母材的交界处要稍作停顿, 使焊缝与母材熔合良好, 避免产生凹沟和夹渣等焊接缺陷。
填充层焊缝共分为两层, 在焊接第二层填充层焊缝时, 要注意保护焊件坡口处的棱角, 填充层焊缝全部焊完后, 焊缝表面距焊件表面的距离应控制在1~1.5mm为好, 以利于盖面层焊缝的焊接。
3 盖面层的焊接 (连弧焊) 操作
盖面层焊前, 应将填充层焊缝表面的焊渣、金属飞溅物清理干净, 将焊缝表面不平之处用角磨砂轮打磨平整。盖面层的焊缝运条法及焊条角度, 与填充层焊接时相同, 但是, 后者的焊条作横向摆动时, 在中间要稍快, 在两边要稍作停顿, 此时的焊接电弧进一步缩短, 这样既能防止发生咬边缺陷, 又能使焊接电弧熔化焊件坡口的棱角, 并深入母材内I-2.Smm, 使焊缝与母材熔合良好。
焊接过程中应注意防止偏弧现象, 如有偏弧发生时, 要及时将焊条向偏弧方向作倾斜调整, 以防止产生咬边缺陷。
4 焊接参数
厚12mm Q345钢板对接仰焊单面焊双面成形的焊接参数见表1。
5 焊缝清理
焊完焊缝后, 用敲渣锤清除焊渣, 用钢丝刷进一步将焊渣、焊接飞溅物等清理干净, 使焊缝处于原始状态, 交付专职检验前不得对各种焊接缺陷进行修补。
6 焊接质量检验
焊缝尺寸可参照国质检锅[2002]109号《锅炉压力容器压力管道焊工考试与管理规则》的规定, 其外形尺寸应符合:焊缝余高为0~4mm;焊缝余高差≤3mm;比坡日每侧增宽为0.5~2.5mm;焊缝宽度差≤3mm;咬边深度≤0.5mm, 焊缝两侧咬边总长度≤30mm;焊件焊后变形角度0≤30°焊件的错边尺寸2mm。
焊件的射线透照应按JB 4730-1994《压力容器无损检测》的标准进行检测, 射线的透照质量不低于AB级, 焊缝的缺陷等级不低于II级为合格。
7 肋板的设置
在大断面工字梁和箱形梁上, 一般设有腹板纵向加强筋和竖向加强筋, 以提高其整体稳定性, 如图1所示。在设置竖向加强筋时, 应注意以下几点:第一, 在加强筋靠近主角焊缝侧应进行切角, 以避免加强筋的角焊缝与主角焊缝重叠相交;第二, 加强筋与受压侧盖板焊接角焊缝;第三, 加强筋与受拉侧盖板应顶紧, 并与盖板不进行焊接, 为了保证其顶紧, 有的设置楔形垫板, 见图1中详图。由于竖向加强筋与腹板间的角焊缝, 在靠近受拉盖板端部疲劳应力最大, 容易产生疲劳裂纹。有的结构要求对肋板端部80mm长的角焊缝上不允许进行爆接或开长圆孔。
如果焊接T形梁, 角焊缝焊后会产生很大的弯曲变形, 如图2为了减小梁的弯曲变形, 可以将两个T形梁连接成工字形杆件, 如图2所示, 然后进行工字形杆件角焊缝的焊接, 待工字形杆件焊接完成后, 再将工字形拆成两个T形梁。
焊接H梁 篇5
带隔板双槽钢焊接梁具有结构简单、加工制造方便快捷、在相同品质条件下, 强度高等特点, 是工程中经常使用的焊接梁结构。广泛应用于铁路、公路等的桥梁结构, 高层建筑的梁柱结构, 大型机械设备, 如大型起重机, 大型龙门机床等的主梁结构中。通常这些结构对于梁的制造都有一定的形状要求, 如通用大型桥式起重机规定起重机的主梁结构的上挠度不能大于0.9S/1000, 其中S为梁的跨度;规定起重机的主梁腹板波浪变形, 在使用1m平尺测量最大的凹入或凸起的波浪波峰, 距离上盖板不得超过0.7δ, δ为腹板板厚。在影响焊接梁最终品质的因素中, 焊接成型过程中的变形问题是导致产品报废的主要原因, 这就要求在制造焊接梁的时候要选择合理的加工方法和工艺参数, 控制焊接变形, 使其达到焊接梁形状精度的要求。
通过实验获得焊接变形结果是研究焊接变形的传统方法。但是随着工业技术的发展, 实验方法也表现出了不能满足现代加工制造要求的缺点, 如实验周期长、需要具体材料才能进行实验、对于稀有材料无法进行多次实验等。有限元技术的发展给问题带来了解决方法。有限元方法就是把连续的几何体离散成有限个单元, 并在每个单元中设定节点, 各个单元通过节点相连。通过各个结点的相互关联, 求解整体模型的结果。现在有限元仿真技术已经成为焊接模拟的主要方法, 给焊接仿真技术注入了新的血液。
通过对带隔板双槽钢焊接梁中不同类型焊缝的焊接顺序进行组合, 给出具体的焊接方案, 进行仿真并比较各方案变形结果, 得出了其焊缝焊接的最优顺序, 给加工和生产带来了理论指导。同时指出焊接顺序是影响焊接变形的主要因素, 合理优化焊缝的焊接顺序在控制焊接变形中起到了关键作用。
1 有限元模型的建立
对带隔板双槽钢焊接梁焊接过程进行模拟仿真, 焊接梁是由隔板, 双槽钢和底板三部分组成, 结构如图1所示。其中黑色部分为焊缝。由于计算机系统的有限性, 截取焊接梁一个最小单元进行仿真。
焊接材料选用16Mn钢, 部分参数如表1所示。焊接方法采用二氧化碳气体保护焊, 焊接电流为150A, 焊接电压为22V, 焊接速度为5.3mm/s, 焊丝牌号与规格为ER50-6-Φ1.2。
在创建焊接仿真模型时, 先建立焊接梁几何模型。由于焊接梁结构的相似性以及计算机系统性能的局限性, 取其中一个最小单元进行仿真建模, 包括底板、左右两边的槽钢以及中间的隔板。有限元网格模型如图2所示。
划分完网格以后, 进行加载边界条件, 设定载荷, 进行求解, 焊接过程有限元仿真的流程图如图3所示。
2 焊接顺序优化有限元仿真
带隔板双槽钢焊接梁主要有3种类型的焊接焊缝:底板与槽钢的连接焊缝、隔板与底板的连接焊缝、槽钢与隔板的连接焊缝。3种焊缝在焊接梁上的位置如下图4所示。
针对这3种不同焊缝, 进行焊接顺序组合, 通过有限元仿真得到不同焊接组合的焊接仿真结果。各个方案具体内容如下:
a) 先焊接槽钢和隔板, 得到焊缝A, 然后焊接底板与隔板得到焊缝C, 最后焊接底板与槽钢得到焊缝B;
b) 先焊接底板和隔板, 得到焊缝C, 然后焊接槽钢和隔板得到焊缝A, 最后焊接底板与隔板得到焊缝B;
c) 先焊接槽钢与底板, 得到焊缝B, 然后焊接隔板与底板得到焊缝C, 最后焊接槽钢与隔板得到焊缝A。
仿真计算结束后, 进行后处理。不失一般性, 选取模型的中心轴线N-N与M-M, N-N与M-M在模型上的位置如图2所示, 比较其在不同方向上的变形。
图5为M-M轴沿N-N轴方向上的变形曲线图。由图可知在M-M轴线中间处变形量最大, 沿两边变形量依次减小。3种方案中, a) 变形最大, 最大变形量为0.0033m, b) 变形最小, 最大变形量为0.0014m。由于在M-M轴线上变形不等将产生焊接梁的弯曲变形。最终导致焊接梁的横向变形。
图6为N-N轴沿垂直N-N轴与M-M轴方向的变形曲线图。从图6中可以得出变形量最大处偏离轴的中心, 整体焊接变形变化比较平缓, 从自由端逐渐向固定端缓慢增加。3种方案中, a) 变形最大, 变形量为0.00385m;b) 变形最小, 变形量为0.0021m。焊接梁变形量最大处不在N-N轴的中间是因为其在垂直与N-N轴的方向上不对称。而由于3个方案中只是取焊接梁模型的最小单元进行仿真, 所以在一定程度上, 焊接形状变化曲线比较平缓。而其变形量的不同, 导致了焊接梁的纵向变形。
通过以上分析, 可以得出N-N轴, M-M轴的变形分别导致了焊接梁的纵向变形和横向变形。在3种方案中, b) 是最优的焊接方案。最优方案的云图如图7所示。可见在带隔板双槽钢焊接梁的成型过程中, 焊接残余应力引起了结构形状的变化, 最终将影响焊接梁最后的使用性能。所以控制焊接梁的变形在工业生产中有着非常重要的意义。
3 焊接变形理论分析
在本文讨论的焊接梁中, 主要的变形为弯曲变形。焊接产生的变形公式如下:
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其中A为焊缝融合区横截面积, I为焊接转动惯量, L为焊缝长度, e为焊缝重心轴到中性面的距离。可见焊接产生的变形大小与焊缝重心轴和截面中性轴有关。下面我们通过理论定性分析各个方案的变形结果。
在a) 中, 先焊接槽钢与隔板, 这样由于焊缝重心轴低于截面中性轴, 所以产生向上的变形+fa。然后焊接底板与隔板和底板与槽钢, 同样都由于焊缝重心轴低于截面中性轴, 所以产生向上的变形+fb和+fc。由3种变形叠加, 产生的总体焊接变形量为f=fa+fb+fc (图8) 。
在b) 中, 先焊接底板与隔板, 此时焊缝重心轴与截面中性轴几乎平行, 所以产生的变形近似为零。然后焊接槽钢和隔板, 此时由于焊缝重心轴高于截面中性轴, 产生向下的变形-fa。最后焊接隔板与底板, 同理产生向上的变形+fb。3种变形叠加, 总变形量为:f=fb-fa。如图8所示。
在c) 中, 先焊接槽钢与底板, 由于焊缝重心轴底于截面中性轴, 所以产生向上的变形+fb。然后焊接隔板与底板产生向上的变形+fc。最后焊接槽钢与隔板, 由于焊缝重心轴高于截面中性轴, 产生下变形-fa。3种变形叠加, 产生的总变形量为:f=fb+fb-fa。如图8所示。
比较以上3种焊接顺序方案可知, b) 焊接总体变形量变形最小, a) 焊接总体变形量变形最大。也间接证明了焊接仿真结果的正确性。
4 结论
a) 基于有限元仿真方法, 对焊接变形过程进行仿真, 很好的模拟了焊接变形过程中焊缝的由无到有的生成过程, 得出了焊接变形的结果。与传统的实验方法相比, 方便快捷, 避免了不必要的材料和资源的浪费。
b) 通过焊接仿真模拟了复杂结构焊接梁的成型过程。通过改变焊接顺序, 分3种方案对焊接梁进行优化, 对仿真结果进行比较, 得出了焊接仿真的变形曲线图, 根据曲线图进行分析, 确定焊缝的焊接顺序, 最后得到了最优解。
c) 通过焊接变形理论, 定性的分析了3种焊接方案的变形结果。通过对比得出最优方案, 验证了焊接仿真的正确性, 从而为生产实践起到了指导作用。
摘要：针对工业生产中广泛使用的带隔板双槽钢焊接梁在焊接成型过程中的变形, 通过有限元技术模拟真实的焊接过程和焊接顺序, 实现了焊缝焊接顺序的最优化。首先建立焊接梁有限元模型, 定义材料属性, 确定边界条件以及热源的类型及其大小。然后通过有限元技术模拟焊接过程, 再现了焊缝填充物的生成过程。通过优化焊缝的焊接顺序达到了控制变形并使其最小的目的。最后分析结果, 得到了焊接变形的理论依据。
关键词：双槽钢梁,焊接变形,有限元仿真
参考文献
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