工字梁設(shè)計(jì)綜述

1、常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）作 者： 孟祥永 學(xué) 號(hào)： 21330122 系 部： 模具技術(shù)系 專 業(yè)： 焊接技術(shù)及自動(dòng)化 題 目： 工字梁生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì) 校內(nèi)指導(dǎo)教師： 駱敏 企業(yè)指導(dǎo)教師 評(píng)閱者： 2016 年 4 月 26畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要隨著建造工業(yè)的發(fā)展，工字梁被廣泛的運(yùn)用于其中。工字形的截面形狀是前輩工程師研究創(chuàng)造的，它能節(jié)省大量的材料而獲得幾乎相近于外輪廓一樣的矩形截面的慣性矩以抗彎，同時(shí)，由于鋼的強(qiáng)度很高，也有足夠的抗剪能力。只有工字鋼能辦得到，如工字形的截面和H形截面。節(jié)省大量的材料也減輕了構(gòu)件的自身重量。而工字梁的工藝生產(chǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)在于裝配和焊接，在焊接過(guò)程中通常

2、都會(huì)產(chǎn)生焊接變形，對(duì)焊接變形的處理和預(yù)防同樣也很重要。其良好的力學(xué)性能，承載能力在廠房建造等諸多方面有廣泛的應(yīng)用。這次我的設(shè)計(jì)任務(wù)是工字梁的生產(chǎn)流程的分析，制造工序分析，確定制造要求、難點(diǎn)，以及焊接變形的控制措施。關(guān)鍵字：工字梁 力學(xué)性能 焊接 焊接變形 生產(chǎn)流程1 結(jié)構(gòu)與母材性能分析11.1 工字形梁結(jié)構(gòu)分析11.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用11.1.2 受力情況11.2 母材性能分析11.2.1 Q235-A鋼簡(jiǎn)介11.2.2 化學(xué)成分及其影響21.2.3 Q235-A鋼的力學(xué)性能31.2.4 Q235-A鋼的焊接性分析32 生產(chǎn)工藝流程圖53 裝配焊接工藝流程63.1 鋼材規(guī)格的選用63.2

3、材料復(fù)檢與預(yù)處理73.2.1 復(fù)檢73.2.2 預(yù)處理73.3 加工余量與放樣、劃線、號(hào)料93.3.1 加工余量93.3.2 放樣、劃線、號(hào)料103.4下料方法及設(shè)備113.5 裝配與焊接143.5.1 翼板與腹板的裝配焊接143.5.2 肋板焊縫的焊接工藝163.5.3 肋板縱向角焊縫的焊接工藝164.焊接變形184.1焊接變形種類184.2 減少和預(yù)防焊接變形的方法194.2.1 退火消除焊接變形法194.2.2 剛性固定法204.2.3 反變形法204.2.4 正確的焊接順序215 自動(dòng)埋弧焊235.1 自動(dòng)埋弧焊的原理235.2 自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)及應(yīng)用235.2.1 自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)2

4、35.2.2 自動(dòng)埋弧焊的應(yīng)用255.3 自動(dòng)埋弧焊的焊接工藝255.3.1 埋弧焊的焊接材料及選用255.3.2 埋弧焊的冶金過(guò)程的特點(diǎn)275.3.3 埋弧焊焊接工藝276 參考文獻(xiàn)291.引言1.1工字梁的概述工字梁的定義：工字形斷面的軋制鐵梁、鋼梁或鑄鋼梁;亦指工字形斷面的組合梁,尤其是用于鋼鐵結(jié)構(gòu)(如鋼架建筑物)中的梁工字梁的力學(xué)原理：在兩個(gè)支架上水平放置一個(gè)橫梁，當(dāng)橫梁受到垂直于軸線向下的壓力時(shí)，橫梁發(fā)生彎曲。在橫梁的上部發(fā)生壓縮形變，即出現(xiàn)壓應(yīng)力，越接近上緣壓縮越嚴(yán)重；在橫梁的下部發(fā)生拉伸形變，即出現(xiàn)拉應(yīng)力，越接近下緣拉伸越嚴(yán)重。而中間一層既不拉伸也不壓縮，所以無(wú)應(yīng)力，通常稱該層為

5、中性層。由于中性層對(duì)抗彎的貢獻(xiàn)很小，因此工程應(yīng)用上經(jīng)常用工字梁代替方形梁，用空心管代替實(shí)心柱。1.2 本課題研究的對(duì)象及要求本課題研究了1 結(jié)構(gòu)與母材性能分析1.1 工字形梁結(jié)構(gòu)分析1.1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及應(yīng)用工字梁通常用于制作承重樁和支柱。工字梁的寬邊和腹板的厚度大致相同。在高層建筑中，通過(guò)柱子支撐著的工字梁也用來(lái)承受非常大的載荷。此外，工字梁能在平行和垂直腹板的方向上提供平衡外力的作用，工字梁特別適合用來(lái)抵抗地震力。1.1.2 受力情況焊接組合梁根據(jù)其受力特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)成不同的截面形式。最常用的是由三塊鋼板焊接而成的工字形截面組合梁（本次設(shè)計(jì)即是），必要時(shí)也可以采用雙層翼板組成的截面。當(dāng)梁的

6、上翼緣平面內(nèi)還受到側(cè)向作用時(shí)，也可以繞強(qiáng)軸不對(duì)稱的工字形截面或由槽鋼和工形鋼焊接而成的組合截面。對(duì)于兩個(gè)主平面內(nèi)具有較大載荷又要求具有較好抗扭剛度的梁，可采用焊接Y形截面和焊接箱形截面，或型鋼焊接組合截面。近年來(lái)在輕鋼結(jié)構(gòu)中也常用到由薄壁鋼板冷彎焊接而成的組合梁或由薄壁鋼管代替普通翼緣板與腹板焊接而成的組合梁。1.2 母材性能分析1.2.1 Q235-A鋼簡(jiǎn)介Q235-A鋼是一種普通碳素結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼容易冶煉，工藝性好，價(jià)格低廉。而且在力學(xué)性能上也能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)器零件的要求應(yīng)用十分廣泛。Q235-A表示這種鋼的屈服強(qiáng)度為235MPa，質(zhì)量等級(jí)為A級(jí)，Q235-A鋼含碳量約為0.14

7、% 0.22%屬于低碳鋼，Q235-A沸騰鋼Mn含量上限為0.65%，S、P和非金屬夾雜物較多在相同含碳量及熱處理?xiàng)l件下，其塑性、韌性較低，加工成形后一般不進(jìn)行熱處理，大都在熱軋狀態(tài)下直接使用，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。通常軋制成盤條或圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、工字鋼、槽鋼、窗框鋼等型鋼，中厚鋼板，大量應(yīng)用于建筑及工程結(jié)構(gòu)，用以制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等，也大量用作對(duì)性能要求不太高的機(jī)械零件（如鉚釘、螺釘、螺母、軸套、及某些農(nóng)機(jī)零件等）。1.2.2 化學(xué)成分及其影響Q235-A鋼含有碳、硅、錳、磷、硫等化學(xué)元素，具體的

8、化學(xué)成分如表1-1所示。表1-1 Q235-A的化學(xué)成分化學(xué)元素碳（C）硅（Si）錳（Mn）磷（P）硫（S）質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%0.220.300.650.0450.050化學(xué)元素對(duì)Q235-A鋼性能也有一定的影響，比如對(duì)塑性、強(qiáng)度、焊接性的影響，具體影響如表1-2所示。表1-2 化學(xué)元素對(duì)Q235-A鋼性能的主要影響元素名稱對(duì)性能主要影響碳（C）鋼中含碳量增加，屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度升高，但塑性和沖擊性降低，此外，碳能增加鋼的冷脆性和時(shí)效敏感性。硅（Si）常用的脫氧劑，有固熔強(qiáng)化作用，提高電阻率，降低磁滯損耗，改善磁導(dǎo)率，提高淬透性，抗回火性，對(duì)改善綜合力學(xué)性能有利，提高彈性極限，增加自然條件下的耐蝕性。

9、含量較高時(shí)，降低焊接性，且易導(dǎo)致冷脆。中碳鋼和高碳鋼易于在回火時(shí)產(chǎn)生石墨化。錳（Mn）降低鋼的下臨界點(diǎn)，增加奧氏體冷卻時(shí)的過(guò)冷度，細(xì)化珠光體組織以改善其力學(xué)性能，為低合金鋼的重要合金元素，能明顯提高鋼的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利傾向。磷（P）固溶強(qiáng)化及冷作硬化作用很好，與銅聯(lián)合使用，提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能，與硫、錳聯(lián)合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。硫（S）改善切削性。產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，惡化鋼質(zhì)量，硫含量高，對(duì)焊接性產(chǎn)生不好影響。1.2.3 Q235-A鋼的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指金屬材料抵抗外加載荷或外力引起變形和斷裂的能力或金屬的

10、失效抗力。主要包括：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和缺口敏感性等性能。Q235-A鋼有一定的伸長(zhǎng)率、強(qiáng)度，良好的韌性和鑄造性，易于沖壓和焊接，廣泛用于一般機(jī)械零件的制造。主要用于建筑、橋梁工程上質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件。Q235-A鋼的力學(xué)性能如表1-3所示。牌號(hào)等級(jí)屈服強(qiáng)度ReH(N/mm2),不小于抗拉強(qiáng)度Rm/(N/mm2)斷后伸長(zhǎng)率A/%，不小于厚度（或直徑）/mm厚度（或直徑）/mm16>1640>4060>60100>100150>15020040>4060>60100>100150>150200Q235A23522521520

11、51951853755002624232221表1-3 Q235-A鋼的力學(xué)性能1.2.4 Q235-A鋼的焊接性分析Q235-A鋼屬于低碳鋼。低碳鋼因C、Mn、Si含量少，正常情況下焊接時(shí)，整個(gè)焊接過(guò)程不需要采取特殊的工藝措施，如不需要預(yù)熱、控制層（道）間溫度和后熱，焊后也不必采取熱處理改善接頭熱影響區(qū)和焊縫組織，其焊接熱影響區(qū)不會(huì)因焊接而引起嚴(yán)重的硬化組織或淬火組織。此時(shí)，鋼材的塑性和沖擊韌性優(yōu)良。當(dāng)含碳量在0.140.22范圍內(nèi)時(shí)，碳素鋼的焊接性能最好；含碳量超過(guò)上述范圍時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)容易變脆。而Q235-A鋼的含碳量控制在上述的適宜范圍之內(nèi)，是適合焊接的。但在少數(shù)情況下，Q235-

12、A鋼的焊接性也會(huì)變差，焊接時(shí)出現(xiàn)困難。例如，接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生性能不合格幾種情況：接頭的性能不合格主要表現(xiàn)為接頭的彎曲性能不合格，焊縫熱影響區(qū)或焊縫的沖擊性能不合格，焊接接頭的強(qiáng)度不足，疲勞或腐蝕等性能不合格。對(duì)于低碳鋼，鋼板的厚度增加時(shí)，焊接性也會(huì)發(fā)生變化。因此對(duì)于低碳厚板，尤其是特厚板，應(yīng)關(guān)注其鋼材心部性能及其與其他部位的性能差異。低碳鋼焊接熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋，應(yīng)從焊接熱影響區(qū)淬硬組織、接頭拘束度和焊縫中的含氫量等角度分析，應(yīng)采取相應(yīng)的措施防止和解決。低碳鋼焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)冷裂紋情況主要是與母材中局部存在S、P偏聚及其氧化物形成低熔點(diǎn)的復(fù)合相有關(guān)。當(dāng)含碳量在0.14%0.22%范圍內(nèi)時(shí)，碳素

13、鋼的焊接性能最好；含碳量超過(guò)上述范圍時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)容易變脆。而Q235A的含碳量控制在上述的適宜范圍之內(nèi)，是適合焊接的。但在少數(shù)情況下，Q235A的的焊接性也會(huì)變差，焊接時(shí)出現(xiàn)困難。例如，接頭熱影響區(qū)產(chǎn)生性能不合格幾種情況：接頭的性能不合格主要表現(xiàn)為接頭的彎曲性能不合格，焊縫熱影響區(qū)或焊縫的沖擊性能不合格，焊接接頭的強(qiáng)度不足，疲勞或腐蝕等性能不合格。對(duì)于低碳鋼，鋼板的厚度增加時(shí)，焊接性也會(huì)發(fā)生變化。因此對(duì)于低碳厚板，尤其是特厚板，應(yīng)關(guān)注其鋼材心部性能及其與其他部位的性能差異。2 生產(chǎn)工藝流程圖工字形梁的生產(chǎn)工藝流程圖如圖21所示。成品檢驗(yàn)成品檢驗(yàn)翼板加工鋼板復(fù)檢預(yù)處理下料拼接腹板加工鋼板復(fù)

14、檢預(yù)處理下料拼接肋板加工鋼板復(fù)檢預(yù)處理下料肋板加工翼板與腹板裝配縱縫焊接矯正無(wú)損探傷焊接總裝配端部定尺加工肋板焊接3 裝配焊接工藝流程鋼材進(jìn)廠后，應(yīng)首先對(duì)其尺寸規(guī)格進(jìn)行復(fù)檢，由于鋼材表面的油污、銹蝕和氧化皮等都會(huì)影響產(chǎn)品的制造質(zhì)量。因此在進(jìn)行材料劃線、下料之前必須先進(jìn)行表面預(yù)處理。使用砂輪、鋼絲刷、噴丸、噴砂等方法對(duì)鋼材進(jìn)行表面除銹。因?yàn)樽灾?、支撐不?dāng)，或裝卸條件不良及其他原因，可能會(huì)產(chǎn)生彎曲、扭曲、波浪及表面不平等變形，因此在下料前使用多輥矯平機(jī)對(duì)鋼材進(jìn)行矯正。3.1 鋼材規(guī)格的選用所設(shè)計(jì)的工字形梁主體，翼緣板長(zhǎng)度2.5m，即2500mm，寬0.3m，即300mm，厚度為10mm，共2塊；腹

15、板長(zhǎng)度為2500mm，寬780mm，厚8mm，共2塊；對(duì)于肋板，每塊長(zhǎng)度為780mm，寬300mm，厚度為6mm，共6塊。根據(jù)所設(shè)計(jì)的工字形梁各個(gè)部件的尺寸和數(shù)量對(duì)鋼材規(guī)格進(jìn)行選用，現(xiàn)選用鋼材規(guī)格如表31所示。表31 選用鋼材規(guī)格及數(shù)量序號(hào)尺寸塊數(shù)用途長(zhǎng)度/mm寬度/mm厚度/mm2500300102翼緣板2000300102翼緣板700300102翼緣板250078082腹板78030066肋板鋼材規(guī)格選用時(shí)要考慮到各種影響，如工字形梁主體尺寸、各個(gè)部件尺寸、邊緣切割、下料和加工余量等各個(gè)方面的綜合作用。3.2 材料復(fù)檢與預(yù)處理3.2.1 復(fù)檢使用前應(yīng)根據(jù)金屬材料的出廠質(zhì)量檢驗(yàn)證明書（或合格

16、證）加以鑒定，同時(shí)，還必須進(jìn)行外部質(zhì)量檢查以檢查在運(yùn)輸過(guò)程中產(chǎn)生的外部缺陷，防止材料型號(hào)錯(cuò)亂。對(duì)于存在嚴(yán)重外部缺陷的原材料應(yīng)標(biāo)記、取出，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)入后續(xù)生產(chǎn)工序。對(duì)于沒(méi)有出廠證明或新使用的材料必須進(jìn)行化學(xué)成分分析、力學(xué)性能檢驗(yàn)及焊接性試驗(yàn)后才能投產(chǎn)使用。焊接鋼板不得有機(jī)械分層和嚴(yán)重的金相組織分層，鋼板表面不得有裂紋、氣泡、結(jié)疤、折疊、夾雜、壓入的氧化皮等缺陷，以上表面缺陷允許用修磨的方法清除，清除深度不應(yīng)使鋼板不小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小厚度，而且要達(dá)到表面平滑過(guò)渡。鋼板入廠檢驗(yàn)時(shí)，還需要根據(jù)供貨條件對(duì)化學(xué)成分、力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)檢。對(duì)同一批次的原材料進(jìn)行編號(hào)，并做好標(biāo)記移植，保證每種鋼板與其材質(zhì)單實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，

17、便于查找、追蹤、核對(duì)等工作。3.2.2 預(yù)處理矯正焊件矯正方法有冷加工法和熱加工法。冷加工包括手工矯正和機(jī)械矯正。冷加工矯正有時(shí)會(huì)使金屬產(chǎn)生冷作硬化，并且會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，一般對(duì)尺寸較小、變性較小的零件可以采用。對(duì)于變性較大的應(yīng)采用熱加工矯正（火焰矯正）?；鹧娉C正法是利用可燃?xì)怏w與助燃?xì)怏w混合燃燒放出的熱量對(duì)變形件的局部進(jìn)行加熱，使之產(chǎn)生壓縮塑性變形，使伸長(zhǎng)的部位冷卻后局部縮短，利用收縮產(chǎn)生變形抵消焊接引起的變形。加熱采用的主要是氣焊炬，操作簡(jiǎn)單方便，對(duì)機(jī)械矯正的變形，尤其是大型鋼結(jié)構(gòu)的變形，采用火焰矯正法可達(dá)到較好的效果。本次加工構(gòu)件較大，故用火焰矯正法。在對(duì)鋼材進(jìn)行火焰矯正時(shí)，使用氣割的大號(hào)

18、割炬，采用中性氧丙烷焰作為加熱源。加熱溫度的高低取決于工件厚度、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式和回火溫度的大小，要控制在鋼材回火溫度以下。加熱部位及形狀也以工件的結(jié)構(gòu)形式和變形情況而定。其基本原則是在平面突起部位及彎曲凸出的一側(cè)，及纖維被拉長(zhǎng)處進(jìn)行加熱。加熱區(qū)的大小和數(shù)量以完全得到矯正為依據(jù)。機(jī)械噴砂清理機(jī)械噴砂清理是利用凈化的壓縮空氣，將砂流劇烈的噴向金屬材料表面，利用磨料的強(qiáng)力撞擊作用去除金屬材料表面的污垢物，其成本較低。機(jī)械噴砂清理不僅用于材料預(yù)處理，在焊接結(jié)構(gòu)的后處理工藝中也要用其進(jìn)行除銹。機(jī)械噴砂處理分為干噴砂法和濕噴砂法。由于環(huán)境污染小、勞動(dòng)條件較好，所以采用濕噴砂法。濕噴砂法的在砂料中加入一定量

19、的水，使之成為砂水混合物，以減少砂料對(duì)金屬表面的沖擊作用，從而減少金屬材料的磨損量，使金屬表面更光潔。在噴砂除銹處理時(shí)，水砂比值控制在7：3，所使用的壓縮空氣壓力為0.50.7MPa。320400目的水砂粒中，應(yīng)加入10%膨潤(rùn)土作為懸浮劑，以防止砂粒沉入儲(chǔ)存箱底。水中還可加入0.5%碳酸鈉和0.5%的重鉻酸鈉作緩蝕劑。經(jīng)過(guò)濕噴砂處理的金屬材料盡量減少觸摸，并及時(shí)進(jìn)行表面處理，以防止短期內(nèi)再度生銹。表面防護(hù)處理方法一般是噴涂專用防護(hù)底漆或進(jìn)行鈍化處理。鈍化時(shí)可以在10%磷酸錳鐵水溶液中浸泡10s，也可在2%亞硝酸鈉水溶液中鈍化1s。表面所加上的防護(hù)層（鈍化或?qū)Ｓ玫灼幔?，焊接時(shí)毋需清除，對(duì)焊接質(zhì)量

20、沒(méi)有影響。3.3 加工余量與放樣、劃線、號(hào)料3.3.1 加工余量對(duì)鋼板進(jìn)行切割和坡口加工前，需要進(jìn)行放樣、劃線與號(hào)料工序。放樣、劃線與號(hào)料的工作好壞對(duì)后序加工及半成品、最終產(chǎn)品的質(zhì)量都有重要影響。在這些工序中，需要考慮焊接收縮變形及氣體火焰切割間隙的影響。焊接收縮量參考值如表32所示，氣體火焰下料的切割間隙如表33所示。表32 焊接收縮量參考表焊縫橫向收縮量參考表接頭形式板厚/mm34488121216162020242430收縮量/mmV型坡口對(duì)接接頭0.71.31.31.41.41.81.82.12.12.62.63.1X型坡口對(duì)接接頭單面坡口十字接頭1.51.61.61.81.82.12

21、.12.52.53.03.03.53.54.0單面坡口角焊縫0.80.70.60.4無(wú)坡口單面角焊縫0.90.80.70.4雙面斷續(xù)角焊縫0.40.30.2焊縫縱向收縮量近似值/（mm·m-1）對(duì)接焊縫0.150.30連續(xù)角焊縫0.200.40斷續(xù)角焊縫00.10表33 火焰切割下料切割間隙值火焰切割材料厚度/mm1012203250526570130135200手工/mm3456810自動(dòng)半自動(dòng)/mm24456在進(jìn)行材料放樣時(shí)應(yīng)綜合考慮橫向收縮、縱向收縮和下料切割間隙值等各個(gè)方面的影響。3.3.2 放樣、劃線、號(hào)料在金屬結(jié)構(gòu)制造前，按產(chǎn)品零件圖紙的要求，在放樣臺(tái)上用1:1比例繪出實(shí)

22、際零件的展開圖形和尺寸。放樣的目的是確定零件毛坯的下料尺寸，為此它在零件的展開尺寸基礎(chǔ)上，還要考慮焊接加工工藝的特點(diǎn)，如焊縫的收縮變形量、坡口加工余量等有關(guān)工序所需要的加工余量。因?yàn)槊繅K鋼板的邊緣部分要切割掉不用，所以放樣時(shí)要將鋼材的尺寸向里縮小一部分，具體為20mm，mm，10mm，2mm，所得到的鋼板尺寸如表34所示。表34 鋼材原尺寸與邊緣加工后尺寸比較板號(hào)原尺寸/mm邊緣切割后尺寸/mm長(zhǎng)度寬度厚度長(zhǎng)度寬度厚度2500300102480288102000300101984288107003001069528810250078082480775878030067752886劃線是將待加工

23、零件毛坯下料尺寸直接在材料上放樣劃線，或者利用樣板在金屬材料上進(jìn)行零件輪廓線的復(fù)制。為避免金屬材料在搬運(yùn)過(guò)程中將零件的輪廓線擦去，在金屬材料的輪廓線上用小錘和沖子打上標(biāo)記，即是號(hào)料。綜合考慮，本次加工用樣板號(hào)料較為方便省時(shí)。3.4下料方法及設(shè)備下料用的方法用全自動(dòng)火焰切割。氣割是利用氣體火焰的熱能將工件切割處金屬預(yù)熱到一定溫度后，噴出高速切割氧流，使預(yù)熱處金屬燃燒并放出熱量實(shí)現(xiàn)切割的方法。鋼材的切割是利用氣體火焰（稱預(yù)熱火焰）將鋼材表面加熱到能夠在氧氣流中燃燒的溫度（即燃點(diǎn)），然后送進(jìn)高純度、高流速的切割氧，使鋼中的鐵在氧氛圍中燃燒生成氧化鐵熔渣，同時(shí)放出大量的熱。借助這些燃燒熱和熔渣不斷加熱

24、鋼材的下層和切口前緣，使之也達(dá)到燃點(diǎn)，直到工件的底部。與此同時(shí)，切割氧流把氧化鐵熔渣吹掉，從而形成切口將鋼材切割開。氣體火焰切割的實(shí)質(zhì)是被切割的材質(zhì)在純氧中燃燒的過(guò)程，不是熔化過(guò)程。從宏觀上來(lái)說(shuō)，氣體火焰切割是鋼中的鐵在高純度氧中燃燒的化學(xué)過(guò)程和借助切割氧流動(dòng)量排除熔渣的物理過(guò)程相結(jié)合的一種加工方法。低碳鋼及其氧化物的熔點(diǎn)、燃燒熱及切割性如表35所示。表35 低碳鋼及其氧化物的熔點(diǎn)、燃燒熱及切割性金屬熔點(diǎn)/金屬氧化物氧化反應(yīng)熱/KJ氧化物熔點(diǎn)/氣割性低碳鋼1500FeOFe2O3Fe3O4267.81120.513701565良好氣割中常用的氣體有乙炔、丙烷、石油氣及各種混合燃?xì)獾?。其中，乙?/p>

25、和丙烷是最常用的兩種氣體。它們的的物理性能和化學(xué)性能比較如表36所示。表36 乙炔與丙烷的性能比較氣體相對(duì)分子質(zhì)量密度/Kg·m-3著火點(diǎn)/16相對(duì)空氣質(zhì)量之比總熱值/KJ·m-3需氧量中性焰溫度/爆炸范圍/%理論實(shí)際氧氣中空氣中氧氣中空氣中乙炔C2H2261.173350.91529632.51.1310026302.8932.580丙烷C3H8441.855101.52857461.13.5252021162.3552.510根據(jù)使用效果、成本、氣源等情況綜合分析，丙烷是乙炔比較理想的代用燃料。氧-丙烷切割要求氧氣純度高于99.5%，丙烷氣的純度也要高于99.5%。與氧

26、-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特點(diǎn)如下：切割面上緣不燒塌，熔化量少；切割面下緣黏性熔渣少，易于清除；切割面的氧化皮易剝落，切割面的粗糙度相對(duì)較低；切割厚鋼板時(shí)不塌邊，后勁足，切口表面光潔，棱角整齊，精度高；傾斜切割時(shí)，傾斜角度越大，切割難度越大；比氧-乙炔切割成本低，總成本約降低30%以上。綜上，所以選用的燃?xì)馐潜闅?，而不是乙炔氣。?丙烷切割按使用的割炬分為射吸式割炬和等壓式，射吸式割炬用于手工切割，等壓式割炬多用于機(jī)械切割。氧丙烷等壓式割炬機(jī)械切割的工藝參數(shù)如表37所示。表37 壓式割炬機(jī)械切割工藝參數(shù)切割厚度/mm割嘴號(hào)氧氣壓力/MPa燃?xì)鈮毫?MPa切割速度/mm·mi

27、n-151010.300.03450500102020.300.03350450204030.350.03300350406040.450.042503006010050.600.0423025010015060.700.0420023015018070.800.0517020018022080.900.051407022026090.950.0590140260300101.000.057090切割時(shí)，切割氧壓力取決于割嘴類型和嘴號(hào)，可根據(jù)工件厚度選擇氧氣壓力。切割氧氣壓力過(guò)大，易使切口變寬、粗糙；壓力過(guò)小，易造成粘渣。切割氧氣壓力的推薦值如表38所示。表38 切割氧壓力推薦值工件厚度/mm

28、3121230305050100100150150200200300切割氧壓力/MPa0.40.50.50.60.50.70.60.80.81.01.01.41.01.4綜上，可選切割參數(shù)：切割翼緣板，切割氧壓力0.6MPa，切割速度：250300mm/min；切割腹板，切割氧壓力0.6MPa，切割速度為350450mm/min；切割筋板，切割氧壓力為0.5MPa，切割速度為350450mm/min。切割前，應(yīng)仔細(xì)清除切割金屬表面的鐵銹、塵垢和油污。切割時(shí)，預(yù)熱火焰開始用氧化焰（氧氣與丙烷混合比為5：1），以縮短預(yù)熱時(shí)間。正常切割時(shí)轉(zhuǎn)換用中性焰（混合比為3.5:1）。相對(duì)于氧-乙炔切割，氧-丙

29、烷切割速度要慢一些。3.5 裝配與焊接3.5.1 翼板與腹板的裝配焊接、裝配對(duì)稱的工字?jǐn)嗝娴牧航Y(jié)構(gòu)制造的程序應(yīng)是先裝配后焊接，即先裝配成工字形狀并定位焊后再進(jìn)行焊接。不應(yīng)邊裝配邊焊接，即不能先焊成T形斷面再裝另一翼板，最后焊成完整的工字形，這樣做變形大、工序多、生產(chǎn)周期長(zhǎng)。裝配時(shí)先在翼板上劃出腹板的位置線，如圖3-1a所示。并焊上定位角鐵2。為便于吊裝在腹板背上角鐵，如圖3-1b所示。用90°角尺檢查腹板與翼板的垂直度，如圖3-1c所示。圖3-1 工字形結(jié)構(gòu)的裝配a)劃線與安裝定位角鐵 b)裝配T形梁 c)裝配工字梁1、3翼板 2定位角鐵 4腹板 5吊具 6直角尺、定位焊此次裝配選擇

30、二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行定位焊。定位焊是為了裝配和固定焊件上的接縫位置而進(jìn)行的焊接。定位焊縫本身易產(chǎn)生氣孔和夾渣，也是導(dǎo)致隨后二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊時(shí)產(chǎn)生氣孔和夾渣的主要原因，所以必須認(rèn)真地焊接定位焊縫。定位焊縫間距為150250mm，為增加定位焊縫的強(qiáng)度，應(yīng)適當(dāng)增大定位焊縫長(zhǎng)度，一般為240mm長(zhǎng)。焊絲為H08Mn2SiA，具體焊接工藝參數(shù)如表39所示。表3-9 定位焊焊接參數(shù)焊腳尺寸/mm焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/m·h-1焊絲伸出長(zhǎng)度/mm氣體流量/L·min-161.62602802729202618201618、焊接工藝為保證四條縱向角焊縫的焊接質(zhì)

31、量，生產(chǎn)中常采用“船形”位置施焊，其傾角為45°。圖3-2即為傾斜焊件的簡(jiǎn)易裝置。圖3-2 傾斜焊件的簡(jiǎn)易裝置工字形柱四條縱向角焊縫采用自動(dòng)埋弧焊進(jìn)行焊接，需安裝引弧板和熄弧板，焊前要認(rèn)真清理焊接區(qū)。焊絲為H08A，焊劑為HJ431。具體焊接工藝參數(shù)如表310所示。表3-10 翼板與腹板的焊接參數(shù)焊腳尺寸/mm焊絲直徑/mm焊接電流/A電弧電壓/V焊接速度/m·h-1102450475343640焊接順序如圖3-3所示。圖3-3 工字形結(jié)構(gòu)的焊接順序焊后采用氣體火焰加熱對(duì)焊接變形進(jìn)行矯正，至此工字形結(jié)構(gòu)制造完成。3.5.2 肋板焊縫的焊接工藝先在腹板上劃肋板裝配線，使用合適

32、的夾緊器（如永磁式夾緊器）予以定位夾緊。肋板的焊接選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊。焊絲選用H08Mn2SiA，具體焊接工藝參數(shù)如表311所示。表3-11 肋板焊縫的焊接參數(shù)焊腳尺寸/mm焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V焊接速度/m·h-1焊絲伸出長(zhǎng)度/mm氣體流量/L·min-161.626028027292026182016183.5.3 肋板縱向角焊縫的焊接工藝由于肋板與腹板的焊接已完成，經(jīng)焊接變形矯正后即可對(duì)其進(jìn)行肋板縱向角焊縫（肋板與翼板之間的焊縫）的焊接。選用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊絲選用H08Mn2SiA，具體焊接參數(shù)如表3-12所示。表3-12 肋板縱向角

33、焊縫的焊接參數(shù)焊腳尺寸/mm焊絲直徑/mm焊接電流/A電弧電壓/V焊接速度/m·h-1氣體流量/L·min-161.228028302025肋板焊接完成后，如果沒(méi)有變形，在長(zhǎng)度方向上測(cè)量一定尺寸切割后進(jìn)行端面銑平或磨平；如果存在變形，則焊后對(duì)其進(jìn)行矯正后再進(jìn)行定尺加工。以上所有工序完成之后，使用超聲波對(duì)工字形梁整體進(jìn)行探傷，檢驗(yàn)合格后方可出廠。4.焊接變形4.1焊接變形種類焊接結(jié)構(gòu)焊后的殘余變形，主要可分為以下六種：縱向收縮變形：構(gòu)件焊后在焊縫方向發(fā)生收縮。如圖4-1所示（a）。橫向收縮變形：構(gòu)件焊后在垂直焊縫方向發(fā)生收縮。如圖4-1所示（a）。焊接結(jié)構(gòu)焊后出現(xiàn)的收縮變形是

34、難以修復(fù)的，必須在構(gòu)件下料時(shí)加余量。彎曲變形：構(gòu)件焊后發(fā)生彎曲。如圖4-1所示（c）。這種焊接變形是由于構(gòu)件上的焊縫不對(duì)稱或焊件斷面形狀不對(duì)稱、焊縫的縱向收縮和橫向收縮而產(chǎn)生的變形。角變形：焊后構(gòu)件的平面圍繞焊縫產(chǎn)生的角變形。如圖4-1所示（b）。主要由于焊縫截面形狀不對(duì)稱，或施焊層次不合理致使焊縫在厚度方向上橫向收縮量不一致所產(chǎn)生的。波浪邊形：焊后構(gòu)件呈波浪形。如圖4-1所示（e）。這種變形在薄板焊接時(shí)容易產(chǎn)生。產(chǎn)生原因是由于焊縫的縱向收縮和橫向收縮在拘束度較小結(jié)構(gòu)部位造成較大的壓應(yīng)力而引起的變形；或由幾條相互平行的角焊縫橫向收縮產(chǎn)生的角變形而引起的組合變形；或由上述兩種原因共同作用而產(chǎn)生的

35、變形。扭曲變形：焊后沿構(gòu)件的長(zhǎng)度出現(xiàn)螺旋形變形。如圖4-1所示（d）。這種變形是由于裝配不良、施焊程度不合理，致使焊縫縱向收縮和橫向收縮沒(méi)有一定規(guī)律而引起的變形。（a）縱向收縮和橫向收縮 （b）角變形 （c）彎曲變形（d）扭曲變形 （e）波浪邊形圖4-1 焊接變形種類以上幾種類型的變形，在焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中往往并不是單獨(dú)出現(xiàn)的，而是同時(shí)出現(xiàn)、相互影響。焊接變形是焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題。比較復(fù)雜的變形，矯正的工作量比焊接工作量還要大。如果矯正不當(dāng)，會(huì)造成廢品。4.2 減少和預(yù)防焊接變形的方法4.2.1 退火消除焊接變形法焊接殘余應(yīng)力是引起焊接變形的根源，沒(méi)有焊接殘余應(yīng)力存在就不會(huì)產(chǎn)生焊接變形。

36、對(duì)此可將組裝定位焊成形的構(gòu)件，根據(jù)焊接變形規(guī)律、焊接變形方向?qū)⒋讣A持于剛形體或兩預(yù)測(cè)變形相反的待焊件相互點(diǎn)焊一起，然后施焊。焊接時(shí)剛形體或兩焊件點(diǎn)焊一起相互約束可抵制焊接變形產(chǎn)生，但焊接殘余應(yīng)力仍存在。當(dāng)拆除約束后，焊接變形隨之產(chǎn)生。對(duì)于低碳結(jié)構(gòu)鋼（如本次設(shè)計(jì)的Q235B），將其放入退火爐中墊平加熱。退火規(guī)范選擇600650，保溫4h。加熱溫度要求均勻，冷卻緩慢（最好隨爐緩冷）到室溫，則焊接結(jié)構(gòu)件消除殘余應(yīng)力比較徹底，可使焊接結(jié)構(gòu)件不產(chǎn)生焊接變形。4.2.2 剛性固定法 剛性大的焊件焊后變形一般較小。當(dāng)焊件剛性較小時(shí)，利用外加剛性拘束方法，以較少焊件焊后變形的方法稱為剛性固定法。這種方法是

37、采用強(qiáng)制手段減少焊接變形的一種方法。采用這種方法焊接變形比自由狀態(tài)下焊接變形小。這種方法對(duì)于板件厚度小于10mm、形狀較小的薄板焊件效果較好。對(duì)成批量生產(chǎn)的小型焊件，可做成組裝定位焊及焊接胎具。對(duì)于厚度大于12mm的大型焊件，雖不能完全消除焊接變形，但可減少變形。4.2.3 反變形法反變形法是減少焊接變形的普遍應(yīng)用方法。反變形是在構(gòu)件未焊前，先將構(gòu)件預(yù)制成人為的變形，使其變形方向與焊接引起的變形相反，則焊后構(gòu)件的 變形與預(yù)制變形可互相抵消，達(dá)到構(gòu)件變形減少或消除焊接變形。對(duì)于工型鋼，焊件反變形法主要包括：工字梁翼緣板的塑性反變形法工字梁翼緣板的塑性反變形法，即翼緣板要采用壓力機(jī)壓出角變形，這種

38、角變形是將翼緣板在預(yù)彎處加外力，使其截面產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力大于翼緣板材料的屈服點(diǎn)S，則翼緣板產(chǎn)生塑性彎曲變形，這種變形成塑性反變形法。如圖4-2所示。圖4-2 翼緣板反變形根據(jù)以下公式計(jì)算：=（btan）/2式中反變形量；b翼緣板寬度；翼緣板反變形角。其數(shù)值大小與蓋板的厚度、焊腳尺寸K及焊接方法有關(guān)。彈性反變形法在難以進(jìn)行塑性變形預(yù)彎時(shí)，用卡具在預(yù)測(cè)焊接變形的相反方向加外力使其產(chǎn)生相反方向變形，則焊接變形便會(huì)減小。4.2.4 正確的焊接順序當(dāng)主梁的截面和上下焊縫對(duì)稱時(shí)，先焊接梁的下面兩道焊縫比先焊接上面兩道焊縫產(chǎn)生的拱曲變形大。由于先焊下部寒風(fēng)冷卻后收縮，相當(dāng)于梁上加一個(gè)彎矩，使梁上部產(chǎn)生拉應(yīng)力，

39、則焊接上部焊縫是在受拉應(yīng)力區(qū)焊接，則焊接彎曲變形比先焊的兩道焊縫彎曲變形小。焊接主梁上蓋板與筋板的焊縫，為避免焊接方向的影響，可采取如圖4-3所示的焊接方向，即由中間向兩邊焊接或兩邊相反方向焊接。圖4-3 影響焊接變形最小的焊接方向5 自動(dòng)埋弧焊5.1 自動(dòng)埋弧焊的原理焊接電源的兩極分別接至導(dǎo)電嘴和焊件。焊接時(shí)，顆粒狀焊劑由焊劑漏斗經(jīng)軟管均勻地堆敷到焊件的待焊處，焊絲由焊絲盤經(jīng)送絲機(jī)構(gòu)和導(dǎo)電嘴送入焊接區(qū)，電弧在焊劑下面的焊絲與母材之間燃燒。電弧熱使焊絲、焊劑及母材局部熔化和部分蒸發(fā)。金屬蒸氣、焊劑蒸氣和冶金過(guò)程中析出的氣體在電弧的周圍形成一個(gè)空腔，熔化的焊劑在空腔上部形成一層熔渣膜。這層熔渣膜

40、如同一個(gè)屏障，使電弧、液體金屬與空氣隔離，而且能將弧光遮蔽在空腔中。在空腔的下部，母材局部熔化形成熔池；空腔的上部，焊絲熔化形成熔滴，并以渣壁過(guò)渡的形式向熔池中過(guò)渡，只有少數(shù)熔滴采取自由過(guò)渡。隨著電弧的向前移動(dòng)，電弧力將液態(tài)金屬推向后方并逐漸冷卻凝固成焊縫，熔渣則凝固成渣殼覆蓋在焊縫表面。在焊接的過(guò)程中，焊機(jī)不僅起著保護(hù)焊接金屬的作用，而且起著冶金處理的作用，即通過(guò)冶金反應(yīng)清除有害雜質(zhì)和過(guò)渡有益的合金元素。5.2 自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)及應(yīng)用5.2.1 自動(dòng)埋弧焊的特點(diǎn)自動(dòng)埋弧焊的優(yōu)點(diǎn)：（1）生產(chǎn)效率高 埋弧焊所用的焊接電流可大到1000A以上，比焊條電弧焊高57倍，因而電弧的熔深能力和焊絲熔敷效率

41、都比較大。這也使得焊接速度可以大大提高。（2）焊接質(zhì)量好 這一方面是由于埋弧焊的焊接參數(shù)可通過(guò)電弧自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能夠保持穩(wěn)定，對(duì)焊工操作技術(shù)要求不高，因而焊縫成形好，成分穩(wěn)定；另一方面也與采用熔渣進(jìn)行保護(hù)，隔離空氣的效果好有關(guān)。（3）勞動(dòng)條件好 埋弧焊時(shí)，沒(méi)有刺眼的弧光，也不需要焊工手工操作。這既能改善作業(yè)環(huán)境，也能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。（4）節(jié)約金屬及電能 對(duì)于2025mm厚一下的焊件可以不開破口焊接，這既可節(jié)省由于加工坡口而損失的金屬，也可使焊縫中焊絲的填充大大減少。同時(shí)，由于焊劑的保護(hù)，金屬的燒損和飛濺也大大減少。由于埋弧焊的電弧熱量能得到充分的利用，單位長(zhǎng)度焊縫上所消耗的電能也大大降低。自

42、動(dòng)埋弧焊的缺點(diǎn)：（1）焊接適用的位置受到限制 由于采用顆粒狀的焊劑進(jìn)行焊接，因此一般只適用于平焊位置的焊接，如平焊位置的對(duì)接接頭、角接接頭以及堆焊等。對(duì)于其他位置，則需要采用特殊的裝置以保證焊劑對(duì)焊縫區(qū)的覆蓋。（2）焊接厚度受到限制 這主要是由于當(dāng)焊接電流小于100A時(shí)電弧的穩(wěn)定性通常變差，因此不適于焊接厚度小于1mm的薄板。（3）對(duì)焊件坡口加工與裝配要求較嚴(yán) 這是因?yàn)槁窕『笗r(shí)不能直接觀察電弧與坡口的相對(duì)位置，必須保證坡口的加工和裝配精度，或者采用焊縫自動(dòng)跟蹤裝置才能保證不焊偏。5.2.2 自動(dòng)埋弧焊的應(yīng)用埋弧焊已有70多年歷史，至今仍是現(xiàn)代焊接生產(chǎn)中生產(chǎn)效率高、應(yīng)用廣泛的熔焊方法之一。由于埋

43、弧焊具有生產(chǎn)效率高、焊縫質(zhì)量好、熔深大、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)，其應(yīng)用廣泛，至今仍是鍋爐、壓力容器、船舶、橋梁、起重機(jī)械、工程機(jī)械、冶金機(jī)械以及海洋結(jié)構(gòu)、核電設(shè)備等制造的主要焊接手段，特別是對(duì)于中厚板、長(zhǎng)焊縫的焊接具有明顯的優(yōu)越性?？珊附拥匿摲N有：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼以及復(fù)合鋼等。此外，用埋弧焊堆焊耐熱、耐蝕合金，或焊接鎳基合金、同基合金等也能獲得很好的效果。5.3 自動(dòng)埋弧焊的焊接工藝5.3.1 埋弧焊的焊接材料及選用、焊絲焊絲在埋弧焊中是作為填充金屬的，也是焊縫金屬的組成部分，所以對(duì)焊縫質(zhì)量有直接影響。根據(jù)焊絲的成分和用途可將其分為碳素結(jié)構(gòu)鋼焊絲、合金結(jié)構(gòu)鋼焊絲和不銹鋼焊絲

44、三大類。在選擇埋弧焊用焊絲時(shí)，最主要的是考慮焊絲中錳和硅的含量。無(wú)論是采用單道焊還是多道焊，應(yīng)考慮焊絲向熔敷金屬中過(guò)渡的Mn、Si對(duì)熔敷金屬力學(xué)性能的影響。為適應(yīng)焊接不同厚度材料的要求，同一牌號(hào)的焊絲可加工成不同的直徑。焊絲一般成卷供應(yīng)，使用前要盤卷到焊絲盤上，在盤卷及清理過(guò)程中，要防止焊絲產(chǎn)生局部小彎曲或在焊絲盤中相互套迭。否則，會(huì)影響焊接時(shí)正常送進(jìn)焊絲，破壞焊接過(guò)程的穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)會(huì)迫使焊接過(guò)程中斷。、焊劑焊劑在埋弧焊中的主要作用是造渣，以隔絕空氣對(duì)熔池金屬的污染，控制焊縫金屬的化學(xué)成分，保證焊縫金屬的力學(xué)性能，防止氣孔、裂紋和夾渣等缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)，考慮實(shí)施焊接工藝的需要，還要求焊劑具有良好的穩(wěn)弧性能。埋弧焊的焊劑可按制造方法、用途、化學(xué)成分、化學(xué)性質(zhì)以及顆粒結(jié)構(gòu)等分類。我國(guó)目前主要是按制造方法和化學(xué)成分分類。按制造方法可將焊劑分為熔煉焊劑、燒結(jié)焊劑和粘結(jié)焊劑三大類。、焊劑和焊絲的選用與配合焊劑和焊絲的正確選用及二者之間的合理配合，是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的關(guān)鍵，也是埋弧焊工藝過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。所以必須按焊件的成分、性能和要求，正確、合理地選配焊劑和焊絲。在焊接低碳鋼和強(qiáng)度等級(jí)較低的合金鋼時(shí)，選配焊劑和焊絲通常以滿足力學(xué)性能要求為主，使焊縫強(qiáng)度達(dá)到與母材等強(qiáng)度，同時(shí)要滿足其它力學(xué)性能指針要求。在此前提下，即可選用下面兩種配合方式中的任何