钢结构的焊接（精选10篇）
钢结构的焊接 篇1
中铁二十一局集团第二工程有限公司承建的钢结构工程主要以加工焊接型箱型梁柱、H型梁柱为主, 在加工过程中经常使用的焊接方法有:焊条电弧焊、CO2气保焊、混合气体保护焊 (MAG焊) 、埋弧焊。埋弧焊因为生产效率高、焊缝质量好、劳动条件好的优点, 是钢结构工程焊接长直焊缝首选焊接方法, 在此就不再讨论。在其他位置的焊缝焊接过程中, 对于其他几种焊接方法的使用, 常常不能充分地发挥各自焊接方法的优点, 通过对焊条电弧焊、CO2气保焊、MAG焊的工艺试验及评定, 确定了在不同的条件下, 如何合理地采用何种焊接方法以及焊接工艺, 对本单位的钢结构工程中高质高效生产, 实现低成本高效益的理念, 有着较高的操作性和实践指导意义。
1 不同焊接方法的特点
1) 焊条电弧焊:是应用最广泛的连接金属的焊接方法, 其主要原因是它的灵活性, 凡是焊条能达到的任何位置的接头, 均可采用手工电弧焊方法连接;由于焊接过程由焊工控制, 可以根据观察适时调整, 故对焊接接头的装配尺寸要求相对降低;可焊金属材料广, 但熔敷效率低;手工焊焊缝质量在很大程度上依赖于焊工的操作技能及现场发挥, 甚至焊工施焊过程中的精神状态也会影响焊缝质量。
2) CO2气保焊:相比手工电弧焊, CO2焊焊接成本低、生产效率高、焊后变形较小;应用范围广, 可以焊接薄板、厚板以及全位置的焊接等;焊缝抗裂性能高, 焊缝低氢且com含氮量也较少;抗锈能力强, CO2焊对焊件上的铁锈、油污及水分等, 不像其他焊接方法那样敏感, 具有较好的抗气孔能力;操作性好, 具有手弧焊那样的灵活性。但是CO2气体保护焊也有一些缺点, 在电弧空间里, CO2气体氧化作用强, 要使用含有较多脱氧元素的焊丝来实现焊接熔池的脱氧;不论采用什么措施, 飞溅仍比手弧焊大得多。
3) MAG焊 (Ar80%+CO220%) :显著提高电弧稳定性, 熔滴细化, 过渡频率增加, 飞溅大大减少 (飞溅率为1%～3%, 采用射流过渡时几乎无飞溅) , 焊缝成形美观。此外, 采用混合气体保护还可以改善熔深形状, 未焊透和裂纹等缺陷大大减少, 并能提高焊缝金属的力学性能, 减少焊后清理工作量, 节能降耗, 改善操作环境。MAG焊可采用短路过渡、喷射过渡和脉冲喷射过渡进行焊接, 能获得稳定的焊接工艺性能和良好的焊接接头, 具有良好的适应性和可操作性。
2 对接接头的特点及分析
对接接头的设计主要包括接头的坡口形式选择、坡口尺寸 (坡口角度、坡口面度、钝边、根部间隙) 的确定等内容。我们认为CO2焊、MAG焊对接接头应具有以下特点:CO2焊、MAG焊不开坡口的最大厚度可由焊条电弧焊的6mm提高到12mm;开坡口接头的坡口角度可由焊条电弧焊一般的60°减少到30°左右, 钝边高度可比焊条电弧焊增加1.5～2.5mm, 根部间隙可减少1～2mm, 这是因为CO2焊、MAG焊较焊条电弧焊有以下几个方面的优势。
1) CO2焊、MAG焊采用混合气体保护, 热量集中, 受热面积明显比焊条电弧焊少, 所以熔化极气保焊热量利用率高, 有效功率系数大, 焊接熔深显著增加。
2) CO2焊、MAG焊电流密度大, MAG焊采用φ1.0焊丝短路过渡时, 焊接电流一般为160～220A, 电流密度为204～280A/mm2;采用φ1.6焊丝射流过渡时, 焊接电流一般为300～370A, 其电流密度为149～184A/mm2;而采用焊条电弧焊时, φ4焊条的焊接电流一般为160～220A, 其电流密度只有13～18A/mm2, 远小于MAG焊。所以, 熔化极气保焊电流密度大, 电弧穿透力强, 熔深大, 单道焊缝厚度大。
3) CO2焊、MAG焊采用的是纯CO2气体或者Ar+CO2混合气体保护的焊接方法, 不必象焊条电弧焊那样需考虑焊条药皮熔渣的上浮而设计较大的坡口角度 (坡口面角度) , 此外, 焊丝直径较细, 焊丝容易深入坡口底部, 在间隙较小时, 有利于根部焊透。按照上述原则设计的焊接接头, 一方面可以减少焊丝的填充量, 节省因坡口加工产生的母材消耗, 节省了气体的消耗量和电能, 降低了成本, 提高了劳动生产率。另一方面可以减少焊接热影响区的宽度, 减少焊接应力与变形, 提高焊接质量。
3 角焊缝焊脚的特点及分析
1) 有人常错误地认为焊脚越大, 接头的承载能力越高, 故设计时, 常选用较大的焊脚。但经实验证明, 大尺寸焊脚的角焊缝单位面积的承载能力并不大, 反而较低。由于焊脚过大, 接头受热较严重, 因此, 焊接应力与焊接变形大。此外焊脚过大, 填充材料用量增加, 焊接时间增长, 焊接成本也较高。
2) CO2焊、MAG焊可采用较焊条电弧焊较小的焊脚我们知道, 工程上为了安全可靠和计算简便常假定角焊缝都是在切应力作用下破坏的, 一律按切应力计算其强度, 并假定危险断面是在角焊缝截面的最小高度处, 该最小高度为该断面的计算厚度, 并忽略焊缝余高和少量熔深的影响。对于焊条电弧焊由于熔深较浅, 可忽略其影响, 如图1所示其计算厚度为:a条=0.707K条;对于CO2焊、MAG焊, 由于熔深较大, 故必须考虑其影响。根据《焊接手册》, 如图2所示, 其计算厚度为:
当K气≤8, a气=K气
当K气>8,
a气= (K气+P) cos45°
=0.707 (K气+3) (取P=3)
由于角焊缝的切应力与焊缝的长度、所受外力及断面计算厚度有关, 在焊缝长度和外力相同的情况下, 要使两种焊接方法角焊缝强度相等, 即切应力相等, 则两者的断面计算厚度就应相等, 即a条=a气, 经简化可得到如下公式:
当K小于或等于8, K气=0.707K条
当K>8, K气=K条-3
由此可见, 在保证接头强度相等的情况下, 当焊脚较大时 (K>8) , 采用CO2焊、MAG焊的焊脚可比焊条电弧焊小3mm;当焊脚较小时 (K≤8) , 采用MAG焊的焊脚仅为焊条电弧焊的0.707倍。
4 焊接对比试验
1) 对接接头力学性能试验参照JB4708-2000《钢制压力容器焊接工艺评定》进行, 目的是对坡口角度较小、钝边较大、间隙较小的CO2焊、MAG焊焊接接头与焊条电弧焊焊接接头的力学性能进行对比分析。
试验材料母材Q345 (16MnR) , 规格300×125×10, 焊条电弧焊开60°V形坡口, 钝边3mm, 间隙1mm;CO2焊、MAG焊开30°V形坡口, 钝边3mm, 间隙1mm。
焊条电弧焊焊条E5015, φ3.2、φ4, 单面焊双面成形;CO2焊焊丝ER50-6, φ1.2, 保护气CO2, 单面焊双面成形;MAG焊焊丝ER50-6, φ1.2, 保护气80%Ar+20%CO2, 单面焊双面成形。
检验项目外观检查, X射线探伤, 焊接接头力学性能试验 (拉伸试验和弯曲试验) 。
试验结果外观检查合格;X射线探伤底片均为I级;焊条电弧焊抗拉强度为526MPa和534MPa;CO2焊抗拉强度为567MPa和570MPa;MAG焊抗拉强度为546MPa和552MPa;均大于母材的拉试验度;180°冷弯试验, 三种焊接方法面弯、背弯各2次全部合格。
2) 焊缝厚度的比较
(1) 对接接头焊缝厚度试验:对接接头的焊缝厚度是指焊缝的正面到焊缝背面的距离, 对接接头焊缝厚度试验, 是对不开坡口的对接接头。以下分别采用焊条电弧焊和CO2焊、MAG焊进行焊接来比较它们的断面焊缝厚度。
试验材料母材Q235B, 规格300×125×10, 接头不开坡口, 留1mm间隙。
焊接材料及焊接要求:焊条电弧焊E4304, φ4;CO2焊焊丝ER50-6, φ1.2, 保护气CO2;MAG焊焊丝ER50-6, φ1.2, 保护气80%Ar+20%CO2;均为单层单道焊。
检验项目外观成形检查, 5个断面宏观金相焊缝厚度检验。
检验结果3个试件外观成形良好, 从5个断面的宏观金相来看, MAG焊焊缝厚度明显大于焊条电弧焊, 平均大3mm左右, 而CO2焊焊缝厚度较MAG焊更大, 这是因为CO2焊比MAG焊的电弧熔深大的缘故。
(2) T形接头角焊缝试验:T形接头角焊缝试验目的是对CO2焊、MAG焊接头断面的熔深与焊条电弧焊接头断面熔深及成形对比分析。
试验材料母材Q235B, 规格300×125×10, 接头不开坡口, 留1mm间隙。
焊接材料及焊接要求焊条电弧焊E4303φ4;CO2焊焊丝ER50-6, φ1.2, 保护气CO2;MAG焊焊丝ER50-6φ1.2, 保护气80%Ar+20% CO2, 单道焊。
检验项目外观成形, 5个断面宏观金相熔深检验。
检验结果3个试件焊缝外观成形较好, 根部均焊透。CO2焊、MAG焊的熔深明显大于焊条电弧焊, 其中CO2焊熔深最深, 均呈圆弧状。
5 焊接对比试验分析
从对接接头力学性能试验可知, CO2焊、MAG焊与焊条电弧焊的焊接接头抗拉强度均大于母材的抗拉强度, 焊接接头的冷弯试验全部合格。这说明减少坡口角度, 增加钝边高度, 减少间隙的CO2焊、MAG焊的焊接接头力学性能均高于焊条电弧焊, CO2焊焊缝的抗拉强度较高, 但是MAG焊的综合力学性能更好。从对接接头焊缝厚度试验可知, 不开坡口的CO2焊、MAG焊的焊缝厚度明显大于焊条电弧焊。
从对T形接头角焊缝熔深试验可知, CO2焊、MAG焊的熔深明显大于焊条电弧焊, 且CO2焊、MAG焊焊缝的断面成形也优于焊条电弧焊, 这说明CO2焊、MAG焊可通过减少焊脚大小来获得等强度的焊条电弧焊角焊缝接头。
6 结论
1) 对于开坡口的对接接头, CO2焊、MAG焊坡口角度可由焊条电弧焊的60°减少至30°～35°, 钝边可增大1.5～2.5mm, 根部间隙可减少1～2mm。对于角焊缝, 当焊脚K>8时, 采用CO2焊、MAG焊的焊脚可比焊条电弧焊减少3mm;当焊脚K≤8时, 采用CO2焊、MAG焊的焊脚可取焊条电弧焊焊脚的0.7倍即可。基于以上原因, CO2焊、MAG焊的焊接成本均远低于焊条电弧焊, MAG焊因为富氩较CO2焊略高, CO2焊的成本是焊条电弧焊的50%左右。
2) 从力学性能试验可知, 接头抗拉强度以CO2焊最高, MAG焊次之, 焊条电弧焊最低, 但都高于母材规定的最小值;究其原因是由于CO2焊焊缝有轻量渗碳作用, 但是MAG焊焊缝的综合力学性能更好, 焊条电弧焊焊缝的各种性能均可以达到母材的要求。
3) 焊条电弧焊使用性最灵活, 适应性最强, 但焊接变形大且难以控制, 生产率低;CO2焊焊接成本低、生产效率高、焊后变形较小, 应用范围广;MAG焊显著提高电弧稳定性, 熔滴细化, 过渡频率增加, 飞溅大大减少, 焊缝成形美观。故我们在要求外观的重要焊缝采用MAG焊, 在工厂制作中往往采用高效低成本的CO2焊, 在野外现场作业一般采用焊条电弧焊。
摘要：通过对焊条电弧焊、CO2气保焊、混合气体保护焊的工艺试验及评定, 证明了熔化极气保焊具有高效质优的优点, 确定了在不同的生产施工条件下合理采用不同的焊接方法以及焊接工艺, 对中铁二十一局集团第二工程有限公司的钢结构工程的生产有着较高的可操作性和实践指导意义。
关键词：钢结构,焊接方法,焊条电弧焊,气保焊
参考文献
[1]姜焕中.电弧焊及电渣焊[M].
[2]周振峰.焊接冶金与金属焊接性[M].
[3]吴林.焊接手册[M].
[4]JB4708-2000, 钢制压力容器焊接工艺评定[S].
钢结构焊接变形的成因与解决方法 篇2
关键词：钢结构；焊接；应力集中；变形
在建筑工程施工过程中，结构较为复杂、多样的钢结构焊接工作量非常大，这为钢结构焊接过程中的变形控制工作来带了压力；同时，钢结构焊接变形会对施工质量产生不利影响、造成严重的人员伤亡，因此加强对钢结构焊接变形问题的研究，具有非常重大的现实意义。
1.钢结构焊接变形问题分析
钢结构焊接变形类型主要表现为以下几种。第一，降温型收缩变形。该种焊接变形主要是因为焊接完成后，随着温度的降低而导致金属收缩，从焊缝开始，会产生纵向的变形。第二，降温过程中，焊缝位置因金属收缩量不同而形成产角度位移，进而产生角度型变形。第二，因扭曲而形成的螺旋变形。在焊缝角位置，因钢结构纵横面分布不均匀，所以形成钢结构焊接变形。第四，错边变形。钢结构焊接人员在实际施工操作过程中，如果对钢结构加热不均匀，则钢结构构件就会产生不同程度的收缩，以致于焊缝位置的构件尺寸不相同，进而形成错边变形。第五，挠曲型变形。钢结构焊接过程中，如果焊缝位置不能产生一样的焊接变形结果，则会给人一种扭曲感，这就是挠曲型变形。第六，波浪型变形。对于钢结构而言，在焊缝位置存在着内应力，该种内应力在焊接位置会产生波浪式的表现形式。
第一，焊接过程中因温度控制不当而产生的焊接变形。从实践来看，温度是造成钢结构焊接变形的重要因素，随着温度的不断升高，当达到金属熔点时，甚不同类型的金属材料膨胀程度存在着较大的差异；在此过程中，钢结构感官上会有不协调之感，此时即产生钢结构焊接变形。当一种金属接近或者达到熔点时，该种金属会使临近的金属材料产生一定的膨胀，进行造成变形。
第二，焊接过程中因钢结构焊接顺序、施工方法不当而言产生的焊接变形。在钢结构焊接过程中，不同位置、顺序的焊接操作，可能会导致焊接变形。实践中可以看到，由于钢结构焊缝位置承载力存在着一定的差异性，因此如果先焊接承载力相对较小一些的钢结构，则大负荷会将钢结构压至扭曲、出现焊接变形现象。
第三，焊接过程中所使用的钢结构材料造成的焊接变形。对于不同的施工材料而言，它们的熔点也不仅相同。比如，温度条件相同的情况下，不同的钢结构材料膨胀程度存在着一定的差异性。然而，膨胀过大、过小，均会导致钢结构出现焊接变形现象，严重影响焊接施工质量。
第四，钢结构焊缝。在钢结构焊接过程中，总焊缝的位置在一定程度上决定着钢结构焊接变形程度。比如，在实际焊接施工过程中，不同负荷的钢结构对不同承载力金属产生的压力效果存在着较大的区别。因此，科学选择总焊缝，可以有效控制焊接变形。
2.钢结构焊接变形问题的控制方法
基于以上对当前钢结构焊接变形类型、产生的主要原因分析，笔者认为要想有效解决钢结构焊接变形问题，可从以下几个方面着手：
2.1钢结构焊接变形问题的预防
在受弯构件放样过程中，需对其采取起拱处理措施，这样可以使其在施焊后补偿焊缝收缩。在焊接下料过程中，应当依靠不断的试验，最终确定收缩余量。一般而言，不超过24米的弯构件收缩量放出5毫米为宜；超过24米的弯构件其收缩量以放出8毫米为宜。在钢结构的自重压力条件下，為了能够有效提高钢构件自身的稳定性，拼装平台必须保持平直。如果钢结构不复杂，则建议根据顺序采用一次安装的方式来完成焊接。同时，需要注意的是焊接操作要在整体装配完成后方可进行，采用角焊接法平衡焊接变形。若构件拼装时的应力、焊接变形过大，则需采用不同型号的零件，以免钢构件焊接完成后产生过大的拘束应力，进行而产生变形。在钢构件焊接施工过程中，应当控制好焊接速度、焊接顺序等，有序施工操作。
2.2钢结构焊接过程中的控制方法
钢结构焊接通常受周围环境条件的影响比较大，为有效避免环境因素对焊接施工的影响，建议在焊接处保持合适的温度，特别低温条件下的钢结构焊接操作过程中，对工艺技术手段的要求比较高。在此过程中，需对焊接流程进行严格控制。首先，焊接前的准备。①钢结构焊接前，为防止自然因素对焊接后的冷却效果的影响（比如快速的冷会导致焊接位置形成层状的裂缝），因此应当严格控制温度变化。②焊接坡口位置需进行焊接前的检查，对坡口污物、锈蚀等进行有效清理，从而为焊接操作准备好环境条件。③焊接温度较低时，需对其采取预热处理，即利用温度仪对加热温度进行严格监控，确保焊接受热均匀。在焊接顺序、施工工艺控制过程中，主要从以下几个方面着手：
第一，焊接顺序应当科学合理。焊接顺序由内而外，自上而下；先采取单独体焊接方式，然后再进行整体焊接。焊接过程中，其顺序应当严格遵守，不可随意更改。在焊接操作过程中，要注意每一个节点的有效焊接，焊道质量应当严格控制，一旦产生变形，则需对其进行合理的处理。焊缝缺陷处理过程中，应当严格的检测，焊缝缺陷返修时同样要进行严格预热、保温处理。
第二，焊接过程中需有效减小应力集中现象的发生。①为了能够在焊缝位置有效地将收弧线引出来，焊工焊缝之前要适当地延长时间，以便于能够在焊接操作完成后将其精准的切除掉，这样就能有效的避免接头裂纹病害的产生。②焊接操作过程中，可先焊接收缩量相对较大的位置。钢结构上、下翼与腹板相交处的
融合需严格按照顺序进行，其中上翼板应当先焊接，焊厚占钢板厚度一半时，再焊接下翼板。由于下翼板的焊接操作难度较大，必须有至少两名焊工配合进行；下翼板焊接完成后，再对上翼板的剩余部分进行焊接。
第三，钢结构焊接后的有效处理。当钢结构焊接操作完成后，应当利用不同的检查工具对其进行严格检查。比如，利用放大镜等工具对焊接表面的夹渣、气孔等进行严格检查，以免产生裂纹。在此过程中，主要注意两点。一是做好保温工作。钢结构焊接完成，并经过检查，对焊缝的后温进行严格处理，以确保功率比较大的烤枪沿焊缝中间两侧均匀加热，通常温度应当控制在250摄氏度左右，并且距中间部位两端位置大约150毫米范围内，时间以20分钟为宜。在后温处理时，建议用石棉布扎进该位置，然后将焊接防护棚密闭，特别是温度相对较低的环境条件下，应当避免骤冷造成的变形，当整体恢复常温以后，再将防护棚撤掉。二是对焊接节点超深比例20%进行无损检测。通过该种方式，可以及时发现施工焊缝存在的缺陷和问题。尤其针对较为重要的承力节点，建议进行一个月时间的跟踪复测，以免钢板出现撕裂型变形。
2.3已变形的焊接件矫正措施
第一，利用压力机或者撑直机来纠正钢结构焊接变形。比如，将压力机放在变形构件两边，对准凸出部位慢压，以此来矫正变形。第二，焊接施工完成后，利用高温火焰反其道矫正变形，对焊接变形位置输入热量，加热到塑性状态，就会产生一定的收缩差，变形会向相反方向发生变形，以此来矫正变形。
结语：钢结构是现代建筑结构的主要形式，应用也比较普遍。在钢结构加工制作过程中，只有进行事前、事中以及事后的焊接变形预防和矫正，才能保证后续施工质量的要求。
参考文献：
[1]张建平.高强钢厚板焊接最佳热输入研究[J].电焊机，2014（02）.
[2]欧阳成渝，王文海.浅谈控制钢结构焊接变形[J].甘肃科技，2011（18）.
[3]孙玉琴.试述钢结构焊接变形与应力控制[J].黑龙江科技信息，2010（21）.
钢结构的焊接 篇3
1 选择合适的焊条、焊接设备和焊接方法。
焊条除配合所焊金属确定规格外, 还应配合焊件厚度和电焊设备的供电能力, 选定合适的尺寸。电焊设备应选用可调节输出电流的品种。施焊速度要适中, 不宜过快, 过快将使某些气体来不及逸出而残存在焊缝内形成气孔。运条方式应使各处获得均匀的熔化所需的焊接热, 并使焊缝根部有较多的热量以保证熔化。对长度较大的通长焊缝, 采用分段逆焊法是一项有效的措施。分段长度不宜超过35厘米 (或以一根焊条熔化长度为准) , 每段的施焊方向与总的施焊方向相反。这样一来, 不仅缩小了施焊范围, 也缩小了温度的差值。同时, 每一分段的终点都要落在前一段已冷却部分的起点, 使原先的拉应力得到补偿而有所降低。对于焊缝厚度大于8毫米时, 应采用分层施焊, 每层接头要错开3厘米以上。如进一步与分段逆焊法相结合, 则能得到更佳的效果。在施焊过程中, 要注意凿除前一焊层的焊渣, 对尚未完全冷透的焊缝, 用小锤轻轻敲击, 有降低内应力作用。
2 选用合理的焊缝尺寸和板边处理形式。
设计人员有时为了结构的安全, 往往采用大大超过计算所需要的焊缝尺寸, 这是不必要的。因为过多的焊条熔液堆积, 会使热量集中, 有时反而得到不良效果。对接焊缝应按板的厚度作不同的板边处理。平口接缝 (即不用板边处理) 只适用于板厚8毫米以下的情况。板厚在8~26毫米时, 宜采用V形坡口 (单侧或双侧) 。板厚在20~60毫米时, 宜采用U形、X形或K形坡口。坡口的尺寸是适应施焊要求及质量要求确定的, 不宜随意更动。过大的间隙将引起焊液的堆积, 从而产生较大的收缩。当然, 更不能随意填塞钢片钢条而影响焊缝质量, 必须充分注意。贴角焊缝要按照焊件的厚薄选定其尺寸, 为了不致对较薄焊件有过热的危害, 焊缝的最大尺寸不宜超过薄焊件厚度。
3 选择合适的变形控制方法。
钢结构焊接裂纹的原因及防治措施 篇4
关键词：钢结构；热裂纹；冷裂纹；预防措施
前 言
焊接裂纹是钢结构在制造过程出现的危害最严重的缺陷，我公司主要承担为安阳钢铁备件制造、安装及系统检修，在钢结构的制造过程中，有时焊缝会出现焊接裂纹，给工程施工带来一定的影响，具体表现在：裂纹能引起严重的应力集中，降低焊接接头的承载能力，任其发展的话最终会导致焊接结构的破坏，降低工程质量，缩短结构寿命，严重时可能造成安全事故，间接延误工期并增加施工成本，影响公司的形象，所以说裂纹在钢结构的制造过程中一经发现必须彻底清除，进行修补，确保产品质量.以下对钢结构制造过程中裂纹产生的原因及其防治措施进行分析，供大家参与.
1.内在原因分析及相应的预防措施
一般焊接裂纹按其产生的温度和时间分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹
1.1.热裂纹
热裂纹是指在焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的裂纹，故又称为高温裂纹.其产生的原因是由于焊接熔池在结晶过程中存在偏析现象，偏析出的物质多为低熔点共晶和杂质.它们在结晶过程中以液态间层形式存在，凝固以后的强度也较低，当焊接应力足够大时就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹.此外如果母材的晶界上也存在低熔点共晶和杂质，则在加热温度超过其熔点的热影响区，这些低熔点化合物将熔化而形成液态间层，在一定条件下，焊接应力足够大时也会被拉开形成所谓热影响区液化裂纹.总之，热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果.热裂纹特征是：多贯穿在焊缝表面，且断口被氧化成氧化色.它主要的表现形式：纵向裂纹、横向裂纹、根部裂纹、弧坑裂纹及热影响区裂纹.针对其产生的原因采取以下预防措施：a）限制钢材和焊材中的硫、磷元素的质量分数.b）改善熔池金属的一次结晶，细化晶粒提高焊缝金属的抗裂性：广泛采用的方法是向焊缝金属中加入细化晶粒的元素.c）控制焊接工艺参数，适当提高焊缝成型系数：可采用多层多道焊法，避免中心线偏析，可防止中心线裂纹.
1.2.冷裂纹
冷裂纹是焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹.它与热裂纹不同，是在焊后较低温度下产生的，可以焊后立即出现，有时要经过一段时间才能出现，这种拖后一段时间才能出现的裂纹也称为延迟裂纹.冷裂纹主要发生在中碳钢、高碳钢、低合金钢或中合金钢中，产生的原因主要有三个因素：1）钢的淬硬倾向大；2）焊接接头受到的拘束应力；3）较多的扩散氢的存在和浓集.这三个条件同时存在时，就容易产生冷裂纹.在许多情况下，氢是诱发冷裂纹的最活跃的因素.冷裂纹的特征是断裂表面没有氧化色彩，这表明与热裂纹不一样，它多产生在热影响区或热影响区与焊缝交界的熔合线上，但也有可能发生在焊缝上.防止冷裂纹主要从降低扩散氢含量、改善组织和降低焊接应力等几方面解决，主要的措施有：a）选用低氢型焊条，可减少焊缝的氢.b）焊条焊剂应严格按照规定进行烘干，碱性焊条要求300～350℃，烘熔1～2h；酸性焊条要求100～150℃，烘熔1～2h；熔炼焊剂要求200～250℃，烘熔1～2h； 烧结焊剂要求200～250℃，烘熔1～2h.随取随用，严格清理焊丝和工件坡口两侧的油绣，水分，控制环境温度.c）改善焊缝金属的性能，加入某些合金元素以提高焊缝金属的塑形.d）正确选用焊接工艺参数、预热、缓冷、后热以及焊后热处理等，以改善焊缝及热影响区的组织，去氢和消除焊接应力.e）改善结构的应力状态，降低焊接应力等.
1.3.再热裂纹
再热裂纹是焊后焊件在一定温度范围再次加热（消除应力热处理或其他加热过程）而产生的裂纹，也称为焊后热处理裂纹或消除应力回火裂纹.在热裂纹具有晶界断裂的特征，大多发生在应力集中部位.它产生的原因一般认为是在再次加热时，在第一次加热过程中过饱和和固溶的碳化物再次析出，造成晶内强化，使滑移应变集中于原先的奥氏体晶界，当晶界的塑形盈利能力不足以承受松弛应力过程中所产生的应变时，就会形成再热裂纹.控制在热裂纹的措施是：a）减小焊接应力和应力集中，如提高预热温度、焊后缓冷、使焊缝与母材平滑过渡等；b）在满足设计要求的前提下，选择适当的焊接材料，使焊缝的强度稍低于母材，让应力在焊缝中松弛；c）在保证室温接头强度的情况下，提高消除应力退火温度，致使析出比较大有碳化物粒子，以改善高温延性.
2.外在原因及应对措施
焊接裂纹除以上工艺和原材料方面的原因外，人的因素和环境条件也是很关键的外因.如在实际焊接过程中，对以上产生焊接裂纹的原因及预防措施重视不够，制定的焊接工艺不详细过于简单，或操作人员责任心不强，不严格按照焊接工艺卡的要求实施；焊接工程师较少，在焊接过程中缺少焊接专业监督指导，对焊接后出现的问题不能及时处理；现场管理混乱，对原材料缺乏严格的质量检验制度而误用不合格材料或用错不同材料的钢材；天气气温低，没能按照要求进行预热、保温缓冷措施；不应涂漆的部位进行了油漆，部分施焊人员未经培训等种种原因导致有些预防措施不能落实到位，偶尔仍会出现个别裂纹.
3.实践效果
通过对钢结构焊缝裂纹产生的原因进行深入的分析，了解了其预防措施，理论联系实际，基本上掌握了控制焊缝裂纹的方法，如2011年在安钢3号高炉热风炉制造过程中，炉壳板（Q345）对接焊缝经无损检测发现有裂纹现象，经分析：冬季施工环境温度低，板材厚度较大，预热及层间温度措施不当，将原来的烤枪火焰预热改为自动控温热电偶加热，解决了出现裂纹的现象。
4.结论
经实践证明钢结构焊接时，按照以上分析的情况，严格执行相关的规定、规程，基本上可以避免裂纹的产生，实践效果良好.
参考文献：
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[2]刘锡山. 浅析高层钢结构的施工及焊接技术[J]. 中小企业管理与科技（上旬刊）， 2011，（05） .
钢结构的焊接 篇5
焊接变形是焊接时在金属构件中产生不均匀温度场所造成的内应力达到材料的屈服限,使局部区域产生的塑性变形。当温度恢复到原始的均匀状态后,在构件内就产生了新的内应力。这种内应力是温度均匀后残存于构件中的,所以称为残余应力,由此产生的焊接变形就称为焊接残余变形[1]。由于焊接变形对产品质量的重要影响,国内专家做了大量工作,如陈建波等[2]运用通用有限元软件ANSYS,建立三维有限元模型,完成了对大型复杂结构多道焊的热弹塑性有限元分析,预测了结构的焊接变形,为控制焊接变形提供了很好的理论依据。曾志斌等[3]结合南京长江第三大桥钢塔的制造,对比已往的经验公式,开展了厚板足尺模型对接焊接变形试验研究。汪建华等[4]应用固有应变有限元的理论和方法预测焊接变形,通过工程成功实例说明,该方法对于预测大型复杂结构焊接变形十分有效。众所周知,焊接过程中产生残余应力可能会降低桥梁的承载能力和疲劳强度,甚至诱发裂纹导致灾难性事故。研究焊接残余应力对桥梁疲劳强度和使用寿命的影响无疑具有非常重要的意义。
1 工程简介
上海闵浦二桥是1座公轨两用一体化双层特大桥,上层为二级公路,双向4车道,下层为双线轻轨(上海轨道交通5号线闵奉段),全长为4.6 km。主桥为独塔双索面双层钢桁架斜拉桥,跨径布置为38.25 m+147 m+251.4 m,是目前国内最大的公轨两用双层斜拉桥,也是世界同类型双层桥梁中跨度最大的。闵浦二桥主桥总体鸟瞰图及标准横断面见图1、图2。桥塔为钢筋混凝土H型桥塔,主梁为钢板桁
结合梁形式,大节间距三角形桁架,箱形截面杆件,全焊接节点,整体节段架设,上、下层桥面为正交异性钢桥面。闵浦二桥主桥采用带加劲肋的箱形弦杆组成大节间距、全焊整体节点连接的钢桁架结构,这是首次在国内使用全焊接整体节点。全焊接整体节点的杆件刚度大、约束度大,对焊后的变形有较大的约束作用,因而会产生较大的约束应力,另外焊接过程中存在较多的残余应力,如果焊接的塑性、韧性差,应力重分布能力弱,细节处理不当,极易产生裂缝,因此需要对主桁结构的整体焊接节点进行试验和非线性有限元研究,以确保结构的安全。
2焊接变形和残余应力的热弹塑性有限元分析
2.1 热弹塑性有限元分析方法
20世纪70年代,日本上田幸雄等首先以有限元为基础,提出了考虑机械性能随温度变化的热弹塑性分析理论,导出了分析所需要的各个表达式,从而可以详细地研究移动热源下的热弹塑性性能及焊接接头的应力、应变过程,使复杂的力学行为分析成为可能。经过近30 a的发展,热弹塑性有限元分析已经成为研究焊接过程最重要的方法,应用热弹塑性有限元方法可以模拟焊接热循环过程中的动态力学行为,模拟结构焊接残余应力和变形的产生过程,探讨各种因素的影响,详尽地掌握焊接残余应力和变形的大小以及分布。应用热弹塑性有限元方法可以获得产生变形的“源”——固有应变;热弹塑性方法由于计算资源和收敛性等方面的限制,目前还不能在大型结构的分析中完全实现。与之相比,固有应变法是一种既能解决大型复杂结构,又比较经济的预测焊接变形方法,有很大的实用意义和发展前途。固有应变法是由残余塑变法发展而来的。残余塑变理论认为焊接加热过程中焊缝和近缝区金属热膨胀受到周围较冷金属的拘束,从而产生压缩塑性应变。冷却过程中该压缩塑性应变被拉伸抵消一部分,但焊后仍残留部分压缩塑性应变,称为残余压缩塑性应变。该应变被认为是产生焊接残余应力和变形的根源,并用来分析和预测焊接残余应力及变形。
采用上海交通大学与日本大阪大学联合开发的固有变形焊接变形分析的专用软件(WSDP)。该软件只要将焊缝的位置和焊缝的截面积(或者焊缝的横向收缩、纵向力和角变形)输入,就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。
2.2 有限元模型建立
本研究以整体式焊接钢桁梁的上、下弦节点(I型)为对象。上、下弦节点(I型)由节点板(N1)、下翼板(N2)、上翼板(N3)和上翼边板(N3)等组成,所有结构都采用Q345qD钢。上下弦节点(I型)的三维立体模型见图3。
2.3 热弹塑性有限元模型
分别针对I型节点的不同焊接部位进行模拟,对该节点中的对接接头、T形接头和整体结构焊接过程进行了数值模拟。对接接头焊接模型的尺寸为350 mm×270 mm×15 mm;网格划分后,单元数为8 300,节点数为10 285。约束条件:面XOZ上加对称约束UY=0;A点UX=0,UZ=0;B点UX=0,对接接头有限元模型见图4。下弦节点(I型)N2和N1节点板组成的T型接头模型尺寸为350 mm×500 mm×300 mm。为了减少单元数而不影响计算精度,采用了过渡法划分有限元网格,划分网格后的单元数为6 230,节点数为8 023。下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,下弦节点(I型)的有限元模型见图5。下弦节点(I型)K型接头模型的尺寸为4 000 mm×1 200 mm×2 400 mm;划分网格后的单元数为62 230,节点数为86 023。对于厚板需要使用多层焊工艺,下弦节点(I型)模拟的网格模型见图6。
采用基于固有应变的板单元对上弦节点(I型)和下弦节点(I型)进行焊接变形预测,上弦节点(I型)和下弦节点(I型)的板单元模型如图7所示。
3 有限元分析结果
3.1 热弹塑性有限元分析结果
3.1.1 对接接头焊接过程热弹塑性有限元模拟结果
根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对对接接头3层焊接过程进行热弹塑性有限元模拟,得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况显示(见图8),焊接后的变形分布见图9。
从图8中可以看出,厚板多层焊,一般开不对称的双面坡口,采用双面焊接,这样对焊接残余应力有一定的抵消作用,从图8可以看出厚板多层焊的等效残余应力变化情况。从图9中可以看出,对开不对称双面坡口的厚板,进行双面焊接时,可以对焊接变形有一定的抵消作用。综合图8、图9可知,合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。
3.1.2 T形接头焊接热弹塑性有限元模拟
下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1焊接简化为一个T型接头,同样采用多层焊工艺,选取合适的焊接工艺参数,计算得到各焊道加热至焊缝中心时的温度场,并得到焊接后的残余应力分布情况以及焊接后的变形分布情况(见图10、图11)。
3.1.3 整体结构焊接过程热弹塑性有限元模拟
根据实际工艺,选取对接接头焊接工艺合适参数,对下弦节点(I型)下翼板N2和节点板N1多层焊接热弹塑性有限元模拟,得到焊接时的温度场,并得到焊接后的等效残余应力分布情况(见图12),可以看到图12中所示的焊接残余应力分布是合理的。计算可以得到焊接后的变形分布情况(见图13),通过大量的计算仿真,就可以找到最佳的工艺方案。
3.2上、下弦节点(I型)整体结构装焊后变形的固有应变法预测
上、下弦节点(I型)是一个比较复杂的结构,本研究将上、下弦节点(I型)进行简化,然后,用弹性板单元有限元法分别分析预测焊接变形。采用WSDP就可以获得复杂焊接结构中的焊缝的固有变形,并用弹性板单元有限元法计算其焊接变形。
3.3 控制焊接变形方法
本研究通过热弹塑性有限元分析和固有变形弹性板单元有限元分析,掌握了钢梁焊接变形的一些特征和规律,对制订合理的焊接工艺有一定的参考价值。根据计算结果,提出如下建议,以控制钢桁梁的焊接变形。
1)采用小的热输入量。
研究表明,横向变形以及纵向变形随着焊接热输入参数的增大而增大;角变形随着焊接热输入参数的增大先增大后减小。因此,减少热输入可以减少面内收缩变形,但对于角变形而言,过小的热输入可能对减少角变形没有太大的帮助。由于钢梁结构的焊接变形是以面内收缩变形为主,所以,建议在保证焊接质量和不影响生产周期的情况下,采用小的焊缝热输入。
2)减少接头的焊道数量。
研究表明,在同样的热输入前提下,焊接变形随着焊接道数的增加而增加。因此,建议采用大熔深的焊接方法,如窄间隙焊等,不开坡口,减少焊道数量。在必须开坡口多道焊时,应保证坡口的角度和直线度的偏差。
3)采用适中的焊接速度和焊脚长度。
研究表明,焊接速度和焊脚长度对焊接变形的影响类似于热输入。因此建议采用适中的焊接速度和焊脚长度。
4)注意自重的影响,合理选择支撑点。
研究表明,自重对最终的焊接变形影响非常大,不能忽视。因此,在制订焊接工艺时,必须考虑施焊的位置,并要选择合理的支撑点。
5)合理分配组焊单元,合理组对焊接。
不同的组焊单元以及组焊顺序对最终的焊接变形有很大的影响,合理分配组焊单元和合理组对焊接可以减少焊接变形。通过大量的计算和试验,肯定可以找到最佳的组焊单元和组焊顺序。本研究未优化组焊单元和组焊顺序,这可以作为今后进一步的研究题目。
6)注意波浪变形的控制。
在大板上焊接加强筋时,由于板较薄,焊接加强筋时容易产生失稳的波浪变形,应该引起重视,可以采用加临时补强梁的方式增加板的刚性,抵抗波浪变形。
7)减少重复修补次数。
重复修补焊会加大焊接残余应力分布区域,同时恶化焊接部位的组织和性能,故应尽量减少。
4 结语
1)采用热弹塑性有限元法探讨了上、下弦节点(I型)加工过程中常见熔透焊的焊接变形和残余应力。发现合理的焊接方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用。
2)得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布,为进一步分析残余应力对桥梁使用寿命的影响奠定了基础。
3)用固有应变为基础的弹性板单元有限元法实现了上、下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测,计算结果合理、可信。
4)本研究为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。
摘要：以上海闵浦二桥中的典型整体焊接节点为背景,利用热弹塑性有限元法对节点的焊接残余应力进行预测。研究结果显示:合理的多层焊方案,通过焊接变形和残余应力的相互抵消,可以起到减少焊接变形和残余应力的作用;得到了上、下弦节点(I型)的残余应力分布;实现了上下弦节点(I型)加工局部以及整体模型的焊接变形预测;为焊接变形的控制、焊接工艺的优化以及最佳装配焊接工艺的制订提供理论依据。
关键词：钢结构桥梁,焊接变形,残余应力分布,热弹塑性有限元法
参考文献
[1]王振毅,马宏程.常见焊接变形的影响因素及预防措施.科技传播,2010(4下):56-57.
[2]陈建波,罗宇,龙哲.大型复杂结构焊接变形热弹塑性有限元分析.焊接学报,2008,29(4):69-72.
[3]曾志斌,史志强,史永吉.大型钢结构厚板对接焊接变形试验研究.中国铁道科学,2009(3):33-39.
钢结构焊接变形的控制 篇6
焊接是种热加工, 加工过程中就会存在焊接应力和焊接变形, 焊接变形的产生不仅影响了钢结构的外观, 降低装配质量, 增加制造成本, 还会降低焊接接头的性能和降低结构的承载能力, 如果严重的话会导致焊件报废, 还可能在使用过程中造成人身财产安全隐患。因此, 焊接施工前必须对焊接变形不同类型和产生原因进行全面分析, 并采取有力的措施控制焊接变形量, 以确保钢结构工程质量。
1 焊接应力和焊接变形
焊接过程中, 对焊件进行局部不均匀的加热是产生焊接应力和焊接变形的主要原因。焊接应力和焊接变形既同时存在又相互制约。如果焊接应力减小则焊接变形会增大, 如果焊接应力增大则焊接变形会减小, 一般焊接应力和焊接变形都减小是不可能的。在实际制造过程中, 往往焊后的焊接结构既存在焊接应力, 又产生焊接变形。如果要使焊接应力和焊接变形都减小, 就不得不采取一定的工艺措施, 比如焊后消除应力热处理, 锤击焊缝等可以减少焊接应力, 采取合理的焊接工艺可以减少焊接变形。
2 焊接变形的分类和产生的原因
1) 焊接变形的分类。焊接变形通常指的是焊接残余变形。焊接残余变形是影响焊接质量的主要因素。焊接残余变形对结构的不同层次的影响分为整体变形和局部变形;根据变形的不同特点则可分为:角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。钢结构发生较多的变形类型是整体变形。
2) 焊接变形产生的原因。 (1) 钢结构刚度:刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力。钢结构的刚度主要取决于结构截面形状和尺寸的大小。例如工字钢截面和纵向桁架变形量, 主要取决于其横截面积的大小, 横截面积大刚度好, 抗变形能力强。 (2) 焊接连接缝的位置和数量:从经济上考虑, 一般会尽量选用尺寸规格小的型钢, 当钢结构刚度不足时, 就应在设计焊接连接缝位置和数量时, 尽量减少焊缝数量, 考虑在结构上对称安排, 使得构件只能产生线性变形;当焊缝为不对称的安排, 则会产生弯曲变形和角变形。 (3) 装配顺序:一般焊件整体刚性比零部件的刚性大, 从增加刚性减小变形的角度考虑, 对于截面对称、焊缝对称的焊件, 采用整体装配焊接, 产生的焊接变形较小。然而有时因为结构复杂, 不能整体装配, 而是边装配边焊接。 (4) 焊接工艺方面:焊接线能量对焊接变形的影响也比较大, 随着焊接线能量的增加, 加热宽带增加, 引起的焊接变形也增大。断续式焊缝与连续焊缝相比收缩变形量小。焊接变形还与坡口形式有关, 坡口角度越大, 则产生的角变形大。因此, 在焊接施工过程中必须制订合理的焊接工艺措施。
3 钢结构焊接变形防治措施
3.1 焊接节点构造设计
1) 控制焊缝的数量和大小。钢结构焊缝数量多、尺寸大, 焊接时的热输入量也越多, 造成的焊接变形也更大。因此, 在钢结构焊接节点构造设计时, 应设法控制焊缝的数量和大小, 尽可能减少焊接变形。钢结构所使用的工字钢、槽钢、角钢等结构材料尽可能长、尽可能少拼焊以减少焊缝数量。
2) 根据焊接工艺选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸。对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分。板厚14 mm以上的对接焊缝采用X坡口如图1, 采用双面焊, 角焊缝采用对称焊缝如图2。
3) 焊接节点的位置应处于构件截面的对称处, 结构中性轴焊接节点的位置应尽可能在构件截面的中性轴对称位置, 同时应避免在高应力区。
4) 对于节点形式的选择, 应选用的刚性小的节点形式。避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中, 从而减少焊接变形。
3.2 焊接工艺措施
1) 组装和焊接顺序。钢结构的制作、组装应该在一个标准的水平台上进行。该平台应确保所受的自重压力的程度足够大, 不会出现钢构件失稳和下沉的现象, 以满足构件组装的基本要求。在焊接小型构件时可一次完成, 即在焊接固定好位置后, 用合适的焊接顺序组装完毕。而大型钢结构组装与焊接需要先将小件组焊接完毕, 然后再进行最后的组装和焊接。
2) 预留收缩余量。由于在冷却过程中焊缝会产生收缩反应, 结果减少了工件焊接后的尺寸。在大型构件焊接时常用预留收缩余量的方法。预留收缩余量就是在焊接前特意将构件长度加长一点点, 或者组装时留一些间隙, 防止构件尺寸焊后缩短, 留间隙会增加填充量, 焊接热量加大, 又会另外增加了焊接变形, 所以通常是将构件尺寸放长一点点, 留有收缩量, 焊后便保证了构件的尺寸。
3) 反变形。由于在冷却过程焊缝会产生收缩产生拉应力, 使得构件发生变形, 在大型构件焊接时常用反变形的方法。例如为了防止工字钢梁上下盖板的焊接角变形, 可以在焊前用油压机或折边机在相反方向预先压弯盖板;为保证扁钢与工字钢焊后保持垂直, 可先将扁钢向后焊一边倾斜一个小角度 (通常2°左右) , 焊后变形会垂直 (如图3) 。
4) 刚性固定法。大型结构件在焊接接头时各个工件和零件在自重和焊接应力的作用下, 要想使其位置固定是比较困难的。所以, 每件焊接工件和零件除了要用焊接平台固定位置外, 还需要用一些焊接夹具将构件夹紧以使得焊接过程中构件得以固定, 可使结构件的水平度和垂直度得到保证。
4 结语
通过采取适当的焊接节点构造设计措施和焊接工艺技术措施, 可以有效地控制钢结构的焊接变形, 达到确保工程质量和进度的目的。并在实践中不断总结和积累焊接经验, 以提高控制焊接应力和焊接变形的技术水平, 确保钢结构工程质量, 并提高工程施工效率, 为人身财产安全提供可靠的保障。
参考文献
[1]王国凡.钢结构焊接制造[M].北京:化学工业出版社, 2004.
浅析钢结构焊接的技术要点 篇7
1 钢结构焊接的技术要点
根据钢结构焊接的技术特点和差异, 从高强钢焊接、低温焊接、厚钢板焊接三个技术方面进行论述。
1.1 高强钢焊接技术
焊材的选择: (1) 强匹配。强节点弱杆件:焊接材料熔敷金属的强度、塑性、冲击韧性高于母材标准规定的最低值。焊接接头 (焊缝及热影响区) 各项性能全面要求达到母材标准规定的最低值。 (2) 兼顾焊缝塑性。厚板焊接时按厚度效应后的强度选配焊材, 节点拘束度大时可在1/4板厚以下配用低强焊材。 (3) 满足冲击韧性要求。必需重点选择焊材的韧性, 使焊缝及热影响区韧性达到钢材的规范要求。
高强钢焊接性评价方法: (1) 碳当量计算评定法。 (2) 热影响区最高硬度试验评定法。 (3) 插销试验临界断裂应力评定法。最低预热温度确定方法: (1) 裂纹试验控制。根据斜Y坡口试样抗裂试验确定最低预热温度。 (2) 硬度控制。根据一定碳当量的钢材, 其不同板厚T形接头角焊缝热影响区硬度达到350HV对应的冷却速度 (540℃时) 查表确定焊接线能量。 (3) 根据裂纹敏感指数、板厚范围、拘束度等级、熔敷金属扩散氢含量确定最低预热温度。 (4) 根据接头热输入、冷却时间和钢材的特定曲线图确定最低预热温度。
焊接质量控制: (1) 控制热输入与冷却速度。控制焊接电流、电压、焊接速度以及熔敷金属800℃~500℃区间的冷却时间。 (2) 控制焊缝中碳/硫/磷/氮/氢/氧的质量百分比。选用优质碱性低氢焊材, 采用良好的操作手法充分维护熔池金属 (短弧、限制摆动、倾角稳定) 。 (3) 应力与变形控制。选用高能量密度、低热输入的焊接方法, 如气体保护焊;用小线能量, 多层多道焊接;减小焊接坡口的角度和间隙, 减少熔敷金属填充量;采用对称坡口, 对称、轮流施焊;长焊缝应分段退焊或多人同时施焊;用跳焊法防止变形和应力集中。
对于高强钢的焊接, 应根据钢材自身的强化机理和供货状态, 综合考虑其性能要求, 合理选择焊接材料和试验方法对其焊接性做出评价, 制定合理的焊接工艺, 以指导实际焊接生产。对该钢种的焊接应主要考虑采取措施以降低其冷裂倾向。焊接时应严格控制层间温度和焊接线能量, 防止接头出现弱化现象。
1.2 低温焊接施工工艺
焊材的选择, 低温环境中, 应尽量选择低氢或超低氢焊材, 对焊材严格执行烘焙和保温措施。焊前防护, 焊接作业区域搭防护棚, 使焊接区域形成相对封闭的空间, 减少热量的损失, 若无条件搭设防护棚, 应该采取其他有效措施对焊接区域进行防护;气体保护焊时, 焊接气瓶也应采取相应措施进行保温。
焊接质量控制: (1) 预热与层间温度。低温环境下的预热温度应稍高于常温下的焊接预热温度, 加热区域为构件焊接区各方向大于或等于二倍钢板厚度且不小于100mm范围内的母材, 焊接层间温度不低于预热温度或标准 (JGJ812002规定的最低温度20℃两者取高值) 。 (2) 加大定位焊时的热输入。适当加大定位焊的热输入, 增大焊缝截面和长度, 并采用与正式焊接相同的预热条件, 不在坡口以外的母材上打弧, 熄弧时弧坑一定要填满, 可以有效减少由于定位焊接引起的收缩裂纹。 (3) 采用合理的焊接方法。尽量使用摆幅, 多层多道焊, 严格控制层间温度。 (4) 焊接后热及保温。焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理, 利于扩散氢气的逸出, 防止因冷速过快而引起的冷裂纹, 同时适当的后热温度还可以适当降低预热温度。
1.3 厚钢板焊接技术
建筑钢结构中厚钢板得到大量的使用, 如北京新保利大厦工程使用的轧制H型钢翼板厚度达到125mm, 国家体育场 (鸟巢) 工程用钢最大板厚达110mm, 大量钢结构工程采用厚钢板, 促进了厚钢板焊接技术的发展, 同时也丰富了建筑用钢的范围。厚钢板焊接的关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形, 应主要考虑:选用合理的坡口形式。如尽量选用双U或X坡口, 如果只能单面焊接, 应在保证焊透的前提下, 采用小角度、窄间隙坡口, 以减小焊接收缩量、提高工作效率、降低焊接剩余应力。合理的预热和层间温度。
2 钢结构焊接的常见问题与解决方案
该工序属于隐蔽工程, 也是最易发生质量问题的工序之一。据统计, 发生在该工序的质量问题中:因为焊接质量导致的焊缝返修率高达80%以上, 其次是由于上道工序操作不当和操作人员的技术问题而导致焊缝质量问题约占10%, 这种问题主要产生原因:
在X类型坡口熔透焊缝中, 在施焊过程中由于反面的清根不彻底, 导致在焊缝中出现质量问题。采用垫板的V类型的坡口焊, 由于垫板靠焊缝的一侧垫板表面的氧化皮、铁锈、油污等未清理干净或者清除不彻底, 直接在上面施焊, 事后通过仪器检测发现垫板处存在质量问题。由于工艺文件编制的不合理, 如焊接位置狭小工作面不能展开、坡口大小的设计不满足施工要求、在焊接过程中采用的焊接电流不满足要求、由于焊接工序不正确导致的不可矫正的变形、中厚板的加工事先没有进行预热处理, 焊接过程中的保温措施及层间温度的控制不当等。
在构件的焊接过程中因焊接方法不合理而不满足焊接质量要求。采用焊缝手工打底操作时因焊接质量本身不满足要求而进行埋弧自动焊接盖面操作的;采用的埋弧自动焊接的焊丝焊剂没有按规定进行烘焙和温度控制;由于焊接操作者责任心不强而使焊缝表面产生缺陷问题。根据具体情况灵活多变的采取焊接技术和措施, 保证工程的流畅和正确性。根据具体情况可以采取以下几种处理措施:
编制正确的工艺文件, 特别是对于采用中厚板焊接的构件, 要结合具体的工程结构特点制订相关的焊接工艺评定, 做好试验过程中的记录, 为以后的施工积累经验。对于坡口的大小, 预留的间隙等严格的按国家标准进行确定。保证工艺文件制定的准确性、可操作性、经济性和适宜性。对于焊接材料的选择必须通过焊接工艺评定的试验和国家的标准加以确定, 在施工过程中的使用, 要求严格的按照国家标准进行用前存放、用时焙烘, 保温温度必须控制在规范要求的温度之内。
3 结论
总而言之, 在大多数的情况下, 通过采取正确的钢结构焊接技术, 可以有效地控制钢结构的焊接变形, 以达到确保工程质量的目的。但由于材料、结构以及焊接施工现场环境等因素的复杂多变, 还应该在实践中不断总结和积累焊接经验, 提高控制焊接应力和焊接变形技术水平。
参考文献
[1]杨鹏宇.钢结构高强螺栓连接施工[J].山西建筑, 2006, 32 (16) .
[2]郝燕春.大型钢网架安装技术[J].山西建筑, 2007, 33 (10) .
论钢结构焊接变形的矫正方法 篇8
1 机械矫正法
机械矫正法是利用外力使构件产生与焊接变形方向相反的塑性变形, 是冷作矫正金属变形的一种方法。它是使发生相反方向变形的两者相互抵消, 达到矫正变形的目的。机械矫正法分为手工矫正法和机械设备矫正法。
1.1 手工矫正
对于尺寸较小的局部变形一般采用手工矫正。手工矫正的主要设备有大锤小锤和平台。在实际工作中经常会进行板件旁弯变形矫正、凹凸变形矫正、角变形矫正、扭曲变形矫正等。但手工矫正易出现锤疤和冷作硬化, 使材料变脆, 容易产生裂纹。另外, 工人劳动强度大, 生产效率也很低, 因此, 仅适用于刚度较小, 工作量不大的零部件。
1.2 机械设备矫正
机械设备矫正是焊接结构普遍使用的一种矫正方法, 其生产效率高, 矫正表面质量好。机械矫正通常使用的设备有卷板机、油压顶弯机等。另外, 还会用压力机或千斤顶等设备来矫正焊后产生的弯曲变形;焊后变形主要是焊缝及其附近区域收缩引起的, 若沿焊缝区锻打或碾压, 使该区得到塑性延伸, 就能补偿焊接时产生的塑性变形, 达到消除变形的目的。对于具有规则焊缝的薄板结构, 可使用碾压设备对焊缝及其附近碾压, 延展焊缝及其周围压缩变形区域的金属, 因为使用碾压设备消除变形具有生产效率高, 外观质量好, 不会产生锤疤, 有很大的优越性, 能收到很好的技术和经济效果。采用机械矫正法进行钢结构变形的矫正, 钢结构容易引起金属冷作硬化, 只能用于塑性良好的材料, 不允许对脆性材料或塑性较差的材料进行机械矫正。只适用于结构简单的中、小型焊件。实际生产中, 机械矫正法矫正过程中可能使用专用的卷板机、大型油压顶弯机、水压机、顶床或人工利用大锤矫正, 所以有一定的条件限制。
2 火焰矫正法
火焰矫正法是利用火焰为热源对金属进行局部加热, 使较长的金属产生压缩塑性变形, 在冷却后收缩, 收缩产生的变形去抵消焊接引起的残余变形, 来达到矫正变形的目的。火焰矫正法一般使用气焊焊炬, 不需要专门的设备, 方法简单, 操作方便, 比较机动灵活, 不受钢结构尺寸的限制, 可以在大型复杂的钢结构上进行校正, 因此在生产上应用比较广泛。
2.1 火焰矫正的质量
矫正质量一般和加热位置、加热温度和加热区的形状有着密切的关系。
2.1.1 加热位置
加热位置是矫正变形成败的的关键, 如果加热位置选择不当, 不但起不到矫正的作用, 反而会加重已有的变形。因此, 加热位置必须使焊件的变形方向和焊接产生的残余变形方向相反, 如产生弯曲变形或角变形的原因主要是焊缝集中于焊件中性轴的一侧, 矫正的时候必须选在中性轴的另一侧才能让残余变形抵消, 达到矫正的目的。
2.1.2 加热温度
钢结构进行加热时, 加热部位的温度必须高于相邻为加热的部位的温度, 金属受热膨胀受阻, 产生压缩性变形, 才能达到矫正的目的。对于厚碳钢板或刚性大的焊接构件局部加热温度高于100℃就能产生压缩塑性变形, 而在生产中对钢结构进行矫正时温度一般控制在600~800℃之间, 钢板呈现暗樱红色和深樱红色为合适, 可以出现樱红色, 但不能出现淡樱红色。一般通过眼睛观察加热部位颜色就能判断出加热的大致温度。
2.1.3 加热区的形状
加热区的形状有点状、条状和三角形三种。
2.1.3. 1 点状加热
顾名思义就是集中在金属表面上一点进行加热。这样可以获得以加热点为中心的均匀径向收缩效果。加热点直径d≥15mm, 加热点中心距a为50~100mm, 适合薄板加热, 易于矫平。而对于钢板较厚或者是变形量比较大的工件, 采用单点加热无法达到矫正矫平的目的时, 此时可以采用多点加热。多点加热常以梅花状均匀分布。
2.1.3. 2 条状加热
火焰沿直线方向移动, 连续加热金属表面, 形成一条加热线, 故也称为线状加热。若在移动过程中适当的做横向摆动, 就会形成有一定宽度的加热带。条状加热多用于矫正角变形、扭曲变形等。
2.1.3. 3 三角形加热法
加热区呈三角形, 故得名三角形加热, 可以获得三角形底边横向收缩大于顶端横向收缩的效果, 适合矫正发生弯曲变形的焊接构件。采用火焰法矫正钢结构时, 通过钢结构构件部分金属发生不可逆转的压缩塑性变形, 达到矫正整个钢结构构件变形的目的。
2.2 利用火焰矫正法的应注意的事项
矫正之前应认真分析钢结构的变形成因, 制定矫正工作方案, 确定加热位置及矫正步骤。了解被矫正钢结构的材料性质。焊接性好的材料, 一般都采用火焰矫正, 火焰矫正后材料性能变化也小。如低碳钢, 低合金钢Q345, 不仅可以用火焰矫正, 板厚不大时还可以浇水快速冷却, 这样可以限制热膨胀的范围, 增加对加热区的挤压作用, 提高矫正效率。同时, 应注意火焰矫正法同样要消耗材料一部分塑性, 对于有淬火倾向或刚性很大的钢结构, 不宜使用。并且温度不宜超过800℃, 否则会引起加热区过热, 使机械性能降低。矫正薄板变形若需锤击时, 应采用木锤, 不易产生锤疤。加热火焰一般才采用中性焰。
实践证明, 钢结构构件的多数变形是可以矫正的。不管是采用机械矫正法矫正还是采用火焰矫正法矫正, 实质上都是想方设法制造新的变形来达到或抵消已经发生的变形, 通过矫正, 使钢结构的功能既满足了设计要求, 经济要求, 又满足了使用要求。
参考文献
[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].机械工业出版社, 2009.
[2]田锡唐.焊接手册[M].机械工业出版社, 1992.
筒状焊接结构的模态分析 篇9
关键词：裂纹；ANSYS；模态分析
中图分类号： TG404 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）26-172-2
1概述
模态分析[1]常应用在工程振动领域中，最终目的是识别出系统的模态参数，从而为系统的故障诊断提供依据[2]。
2 建实体模型
本文采用ANSYS软件建模。该结构的材料选用为灰铸铁，结构尺寸为250mm*250mm*750mm，密度为7200kg/m3；弹性模量1.2E11Pa；泊松比：0.25，实体模型如下图1所示。
本文裂纹选在高度方向上，在裂纹长度方向上取了6个数值（分别为l=135mm、170mm、225mm、345mm、445mm、645mm）。裂纹单元类型和网格划分方式的选取，均同没有裂纹的情况相同。
3 加载
工作时，将该筒状结构的底部与底座利用6个螺栓连接，然后对其进行施加约束。
4 结果
为了进一步研究裂纹对结构动力学特性的影响，主要针对不同裂纹长度的模态分析，并且均提取了前6阶固有频率。
从表1中明显可以看出，随着裂纹长度的逐渐增加，各阶固有频率均逐渐减小。
为了进一步分析各阶固有频率随着裂纹长度变化的下降程度，在表1 的基础上，建立直角坐标系[3]（横坐标为裂纹长度，纵坐标为固有频率的减少量），如图2所示。从图2可以明显地看出：前3阶固有频率下降的幅度小，后3阶固有频率下降的幅度相对大。
5 结束语
通过对产生前后裂纹的结构进行模态分析比较，可以得出产生裂纹后的固有频率比没有裂纹产生时要小。随着裂纹长度的增加，各阶固有频率值都呈下降趋势。但各阶固有频率的下降幅度不同：高阶固有频率下降的幅度相对大，低阶固有频率下降的幅度比较小。
参 考 文 献
[1] 张洪才，何波.有限元——ANSYS 13.0从入门到实践[M].北京：机械工业出版社，2011，124-130.
[2] 徐可君，江龙平.裂纹叶片对固有频率影响的分析[J].推进技术，2009，18（6）：68-71.
钢结构焊接变形的控制与矫正 篇10
1 焊接变形的主要原因
(1) 焊缝在结构的位置原因, 不同的焊缝位置在焊接完成后都会产生不同形态的变形, 这主要是由破口角度、接头形式等结构形态不同而引起的重力性变形。
(2) 结构刚性导致的变形, 在受力相同的情况下, 刚性较大的结构变形就小, 而刚性弱则变形大, 如较薄的钢结构与小而重的结构进行焊接时, 刚性小的薄片结构就容易变形。
(3) 焊接顺序和装配原因, 一个同样的焊接结构采用不同的床配方法和焊接顺序都会对其变形产生一定的影响, 如前面提到的刚性较弱的结构如在安装和焊接顺序上增加了对其的载荷就容易使之变形。
(4) 焊接材料的原因, 焊接后由于热胀冷缩的原因材料会在焊接后产生一定的变形, 而焊接材料的线膨胀系数较大则会对焊接变形影响较大。如:不锈钢和铝材的焊接后变形的几率要大于碳钢材料, 就是这个原因。
(5) 焊接采用方法的原因, 在焊接过程中, 焊接使得焊件受热而温度升高, 金属材料的导热性会导致整个材料变热, 而焊件的体积越大则受热变形的几率也就越大变形也就越严重。如:实践中气焊比手弧焊的变形大, 而手弧焊比气保护焊接的变形严重。因此应当根据材料和工艺的要求选择合适的焊接方法。
(6) 焊接规范执行原因, 对焊机规范的执行也可以影响焊接的变形, 如:变形随着焊接电流的增加而增加, 焊条直径越大而变形增大。因此在焊接中应当根据技术标准尽量选用更加合理的焊接规范来进行操作。
2 控制措施
对焊件进行焊接时会产生瞬间的内部应力, 焊接后产生的残余应力并以此产生的残余应力变形这时焊接中不可避免的情况。但是通过必要的手段对前面提到的变形的某些因素进行控制, 或者采用合理的校正措施还是可以控制部分焊接变形的产生的, 下面就对几种主要的焊接变形控制措施进行介绍。
2.1 焊前准备
(1) 钢材要求:焊接前应当做好对钢材料和焊接材料准备工作, 即按照生产要求对焊接用构件的钢材的牌号、规格、尺寸、质量等指标进行核对, 同时按照图样或者设计要求进行检查。焊接用钢材料的材料质量应符合相应的国家或者行业规范, 确定原则有:钢板、型材、管材的计算厚度大于6mm时重要的构件不能采用级别A的沸腾钢;结构件的半径/厚度小于10并需要冷弯的时候, 则应当选用对应的钢材;如确定钢材的等级时应当考虑工作的环境温度、材料厚度、构造部位、焊接工艺等综合因素进行选用, 可以按照行业或者设计要求进行选取。重要的结构应当按照焊接工艺评定执行。
(2) 焊条、保护气体的要求:对低碳结构和合金结构焊接用焊条应符合国家5117、5118标准;气焊、埋弧焊、气体保护焊接则需要按照国标1300、8100标准;采用二氧化碳保护焊接则需要控制保护气体的纯度达到99.5%。其余氮气小于0.1%, 水蒸气小于0.05%。
另外, 在焊接新型的钢材或者使用新型的焊机和焊条时应先行做实验, 以保证其工艺可以达到技术指标, 同时保证焊机材料焊条、焊丝、焊药、保护气体等选择符合整个焊接工艺的要求。
2.2 合理的焊接工艺
焊接工艺的关键阶段: (1) 下料和预处理, 这个阶段是将材料进行预先的处理, 如对托料架进行清理、找平, 满足切割要求;保证相应的托架符合材料的尺寸;下料适应保证材料的余量控制;切割过程中应当保证速度、气流、气压等符合工艺要求, 同时不应对切割区域进行冷却处理, 切割后应及时进行矫形处理。 (2) 组对、焊接阶段, 这个过程应当控制焊接的基准面便于操作, 并保证工件的稳定, 对接角度符合设计要求;在焊接时应按照规程进行控制, 保证质量;对焊条应进行必要的处理。
焊接工艺是影响焊接质量和控制变形的关键流程, 因此应当合理的采用焊接的工艺, 并且使之符合两点要求:第一, 在焊接工艺的选择和改进中应当保证符合自身作业的条件, 如果焊接工艺的设计不符合实际生产条件的要求, 过高或者过低都将直接影响工艺的实施;第二, 焊接工艺设计应当符合材料的状况, 即在下料、组对、焊接、焊接后处理等环节都应当符合钢制构件的材料特征, 并且便于开展工艺, 如大批量生产还应当考虑满足机械化自动化作业的需求。
(1) 缩减焊缝的尺寸。焊接的内应力是来自焊接中对局部的加热过程, 为此在满足设计构件的尺寸要求下, 应当合理设计焊缝的尺寸, 即利用合理的焊接设计技巧既满足构件的使用要求也可以尽量缩小焊接的长度, 以此降低变形。
(2) 降低焊接约束力。在焊接中对工件的约束力越小其焊接后的恢复性形变也就越小, 其热胀冷缩的情况也可以降低, 因此在焊接中尽量不要采用刚性过大的固定方法, 而是尽量采用托架的方式, 以此降低对焊接件的约束, 和重力变形。
(3) 合理设计焊接顺序。在需要多次焊接的情况下, 即对焊缝较多的构件进行焊接前应当进行合理的分析和设计, 根据焊接构件的形状和焊缝的规律设计焊接的顺序, 即对可能会产生大的形变的焊缝先焊接, 而对变形影响较小的焊缝后焊接, 这样就可以先对自由度较大的构件进行约束控制构件的整体变形幅度。
(4) 利用外力控制焊接残余应力。在焊接完成后可以利用锤击法对焊缝进行处理, 即在焊接完成后利用圆头的小锤或者电动工具对焊缝的金属进行修正, 使其产生塑性的延伸性变形, 以此消除器冷却后产的收缩性拉力。但是此方法应当视材料和钢构件的情况而定, 对要求精度高或者材料脆性大的不宜采用。
(5) 采用强制变形和反变形法。对于大的工件采用强制变形法和反变形法相结合, 选择好强制固定位置和反变形余量, 掌握好冷却时间, 对于工件变形量的控制效果更佳。
参考文献
[1]蔡延彬.机械用钢板焊接工艺的探讨[J].电焊机, 2010 (7) .
[2]郑建西, 何惠付.不锈钢钢构件的焊接工艺[J].焊接, 2009 (1) .