工字梁焊接工艺课程设计

工字梁焊接工艺课程设计

《焊接工艺》课程设计

工字型梁的焊接工艺设计

班级：08焊接1

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A0852111

目录

1 结构与母材性能分析 (6)

1.1 工字形梁结构分析及作用 (6)

1.1.1 工字梁结构特点 (6)

1.1.2 工字梁作用 (6)

1.2 母材性能分析 (6)

1.2.1 Q345-B钢简介 (6)

1.2.2 Q345B化学成分 (7)

1.2.3 Q345B机械性能 (8)

1.2.4 Q345B焊接性分析 (8)

2生产工艺流程图。 (10)

3 钢板预处理 (11)

3.1 复检 (11)

3.2 钢材的表面预处理 (11)

3.3 钢板的矫正 (11)

3.4 钢板规格选择 (11)

3.5 划线、下料 (12)

3.6 坡口形式 (13)

4.1 下料方法及设备 (15)

4.1.1 下料采用半自动火焰切割 (15)

4.1.2 CG1-30型半自动火焰切割设备 (15)

4.1.3 常用切割气体比较 (16)

5 装配与焊接 (18)

5.1 翼板与腹板的装配焊接 (18)

5.1.1 装配 (18)

5.1.2 定位焊 (19)

5.1.3 焊接工艺 (19)

6 工字梁的焊接变形及防止 (21)

6.1 焊接变形种类 (21)

6.2 工字梁焊接时变形的防止 (22)

6.2.1 预留收缩量 (22)

6.2.2 反变形 (22)

6.2.3 制定合理的焊接工艺 (22)

7 二氧化碳气体保护焊简介 (24)

7.1 简介 (24)

7.2 焊机 (24)

7.3 CO2气体保护焊特点 (24)

7.4 CO2气体保护焊工艺参数 (25)

7.4.1 焊丝直径 (25)

7.4.2 焊接电流 (26)

7.4.3 电弧电压 (27)

7.4.4 焊接速度 (28)

7.4.5 焊丝伸出长度 (28)

7.4.6 CO2气体流量 (28)

7.4.7 电源极性 (28)

7.4.8 回路电感 (29)

参考文献 (30)

1 结构与母材性能分析

1.1 工字形梁结构分析及作用

1.1.1 工字梁结构特点

焊接梁，焊接梁主要工作在横向弯曲载荷下，有时还可以承受弯扭的联合作用，以及焊接钢结构中最主要的一种构件形式，以及组成各种建筑钢结构的基础。

焊接梁按其截面形式可分为箱型截面梁，工字（H）型截面梁和管型截面梁等，但是应用的最多的是工字型和箱型截面梁，由于这种梁的截面结构简单，设计和制造节省时间，通用性好，故其是组成桥式起重机主梁截面的主要形式，大多数焊接吊平梁都用工字型截面。焊接梁在弯曲力作用下可能出现非平面的弯曲和扭转，也可能出现翼缘板或腹板的局部屈曲变形前者称为丧失整体稳定性，后者称为丧失局部稳定性。

1.1.2 工字梁作用

工字梁通常用于制作承重桩和支柱。工字梁的宽边和腹板的厚度大致相同。在高层建筑中，通过柱子支撑着的工字梁也用来承受非常大的载荷。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，工字梁特别适合用来抵抗地震力。

1.2 母材性能分析

1.2.1 Q345-B钢简介

由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa

例如Q345表示屈服点（σs）为345 MPa的合金结构钢。

必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D、E。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。

q345a，q345b，q345c，q345d，q345e。这是等级的区分，所代表的，主要是冲击的温度有所不同而已！q345a级，是不做冲击；q345b级，是20度常温冲击；q345c级，是0度冲击；q345d 级，是－20度冲击；q345e级，是－40度冲击。在不同的冲击温度，冲击的数值也有所不同。

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。

1.2.2 Q345B化学成分

表1-1 Q345B化学成分

1.2.3 Q345B机械性能

表1-2 Q345B力学性能

1.2.4 Q345B焊接性分析

根据国际焊接学会推荐的碳当量公式计算：CE=C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5(%)，计算结果CE≤0.45，可见Q345B具有良好的焊接性。

①热裂纹：是在焊接高温下产生的，其中危害最严重的是结晶裂纹，由于结晶裂纹是在结晶后期，由低熔点物质所形成的液态薄膜而引发的。它与焊缝金属的成分，主要是碳、硫、镍、锰等元素有密切关系。Q345钢含碳量低，含锰量较高，硫和磷控制严格，它的Mn/S 较高，因而具有良好的抗结晶裂纹性能。所以在正常情况下，Q345钢是不会出现结晶裂纹的。

②冷裂纹：大量的生产实践和理论研究表明，钢种的淬硬倾向，

一定的含氢量和足够的拘束应力是焊接时产生冷裂纹的三大主要因素。16Mn的由于含碳量低，故淬火时，如果冷却速度不是太快，就会得到低碳马氏体组织，或者是铁素体+珠光体组织，由于这些组织硬度不高，因而淬硬性小，只有在冷却速度较快时，才会得到高碳马氏体组织，有一定淬硬倾向。

③再热裂纹：从钢材的化学成分考虑，由于热轧钢中不含强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，而且还可以通过提高预热温度和焊后立即后热等措施来防止再热裂纹的产生。

④层状撕裂：大型厚板焊接结构，主要发生于要求溶透的角接接头或T形接头，如果在钢材厚度方向上承受较大的拉伸应力时，可能沿钢材扎制方向呈现明显阶梯状层状撕裂。

2生产工艺流程图。

图2-1 工字梁生产工艺流程图

3 钢板预处理

3.1 复检

梁材质为Q345B钢，所用钢材必须有材质证明书或材料代用通知单。重检料单，包括重检成分、力学性能、尺寸等。

3.2 钢材的表面预处理

采用机械或化学的方法对型材的表面进行清理称为预处理。由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的质量。因此，在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。

常用的预处理方法有机械除锈和化学除锈；机械除锈常用的方法主要有喷砂、喷丸与抛丸。这里我们采用喷丸除锈，其除锈等级应达到GB8923-88《涂装前钢材表面锈蚀和除锈等级》中的Sa2级：Sa2级彻底的喷砂除锈表面应无可见的油脂、污物、氧化皮、铁锈、油漆涂层和杂质基本清除，残留物应附着牢固。

3.3 钢板的矫正

矫正（又称为矫形）就是使钢板或工件在外力作用下产生与原来变形相反的塑性变形，以消除弯曲、扭曲、皱折、表面不平等变形，从而获得正确形状的过程。对钢材进行的矫平和矫直统称为矫正。矫正是焊接结构生产过程中加工工艺内容之一，但是对每一个工件或制品来说，是否需要矫正及矫正的次数多少，将依钢材及工件的变形程度和工艺要求而定。

3.4 钢板规格选择

钢材进厂前可能会因运输等原因造成缘损伤，应切去边缘

30mm，腹板与翼板的预留加工余量（切割和边缘加工分别留3mm），长度方向上预留焊接收缩量以及肋板收缩量（22.5~90mm），腹板、翼板总长度25000,。焊接工艺制定要避免最大应力处存在焊缝，腹板和翼板的焊缝不能在同一垂直平面内。母材为Q345B钢，买料时的钢板尺寸如下表3-1所示。

表3-1 购买钢板规格

3.5 划线、下料

划线下料时要考虑加工过程中的加工余量、收缩量（切割和边缘加工分别为3mm）和肋板引起的收缩量0.6，下料工艺为：翼板1：长10000+3+3+10000×6/1000+0.6×18=10077

宽1300+3+3=1306

翼板2：长5000+3+3+5000×6/1000+0.6×18=5047

宽1300+3+3=1306

腹板1：长10000+3+3+10000×6/1000+0.6×18=10077

宽1756+3+3=1762

腹板2：长5000+3+3+5000×6/1000+0.6×18=5047

宽1756+3+3=1762

肋板：长1706+3+3=1712

宽592+3+3=598

翼板1×2、翼板2×1，腹板1×2、腹板2×1，肋板×36

3.6 坡口形式

坡口加工前，应仔细清除切割金属表面的铁锈、尘垢和油污。坡口形式如图3-1所示

图3-1 腹板和腹板拼接的坡口形式腹板坡口加工参数为：δ=16mm，坡口角度α=（60±3）°，钝边尺寸p=（8±1）mm。

翼缘板坡口加工参数为：δ=24mm，坡口角度α=（60±3）°，钝边尺寸p=（10±1）mm。

图3-2 腹板与翼缘板焊接的坡口形式坡口加工参数：δ1=22mm，δ=16mm，β=（50±2）°，β1=（50±2）°，p=（4±1）mm。

4.1 下料方法及设备

4.1.1 下料采用半自动火焰切割

气割是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使预热处金属燃烧并放出热量实现切割的方法。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烧的温度（即燃点），然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热。借助这些燃烧热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：

①燃点要低于熔点。

②金属氧化物的熔点要低于金属熔点。

③燃烧反是放热反应。

④导热性能不应太高。

⑤阻碍切割过程的杂质要少。

4.1.2 CG1-30型半自动火焰切割设备

CG1-30型半自动火焰切割机特点：

①机身采用高强度铝锭材料、精密压铸制成。

②使用乙块+氧气作为切割气体，切口小，表面光滑、整齐，避

免二次加工。

③调速系统采用可控硅触角调速，行走平稳。

④气管采用进口胶管，管道总成装有快速开关，提高工效。

⑤以直线切割为主，可作圆周切割及坡口切割，斜口角度可任意

调节。

⑥CG1-30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。

表4-1 CG1-30型CG1-30型半自动火焰切割机

参数

4.1.3 常用切割气体比较

气割中常用的气体有乙炔、丙烷、石油气及各种混合燃气等。其中，乙炔和丙烷的物理性能和化学性能比较见表4-2。

表4-2 乙炔与丙烷的性能比较

与氧-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特点如下：

①切割面上缘不烧塌，熔化量少；切割面下缘黏性熔渣少，易于清除；

②切割面的氧化皮易剥落，切割面的粗糙度相对较低；

③切割厚钢板时不塌边，后劲足，切口表面光洁，棱角整齐，精度高；

④倾斜切割时，倾斜角度越大，切割难度越大；

⑤比氧-乙炔切割成本低，总成本约降低30%以上。

5 装配与焊接

5.1 翼板与腹板的装配焊接

5.1.1 装配

对称的工字断面的柱结构制造的程序应是先装配后焊接，即先装配成工字形状并定位焊后再进行焊接。不应边装配边焊接，即不能先焊成T形断面再装另一翼板，最后焊成完整的工字形，这样做变形大、工序多、生产周期长。

装配时先在翼板上划出腹板的位置线，如图5-1a所示。并焊上定位角铁2。为便于吊装在腹板背上角铁，如图5-1b所示。用90°角尺检查腹板与翼板的垂直度，如图5-1c所示。

图5-1 工字形结构的装配

a)划线与安装定位角铁 b)装配T形柱

c)装配工字梁柱

1、3－翼板 2－定位角铁 4－腹板 5－

吊具 6－直角尺

5.1.2 定位焊

此次装配选择二氧化碳气体保护焊进行定位焊。定位焊是为了装配和固定焊件上的接缝位置而进行的焊接。定位焊缝本身易产生气孔和夹渣，也是导致随后二氧化碳气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。定位焊缝间距为100~150mm，为增加定位焊缝的强度，应适当增大定位焊缝长度，一般为15~50mm 长。焊丝为H08MnA，具体焊接工艺参数如表5-1所示。

表5-1 定位焊焊接参数

5.1.3 焊接工艺

为保证四条纵向角焊缝的焊接质量，生产中常采用“船形”位置施焊，其倾角为45°。图5-2即为倾斜焊件的简易装置。

图5-2 倾斜焊件的简易装置工字形柱四条纵向角焊缝采用埋弧自动焊进行焊接，需安装引弧板和熄弧板，焊前要认真清理焊接区。焊丝为H08MnA，焊剂为HJ431。具体焊接工艺参数如表5-2所示。

表5-2 翼板与腹板的焊接参数

焊脚尺寸/mm

焊

丝直径

/mm

焊

接电流

/A

电

弧电压

/V

焊接

速度

/m·h-1

8 2

450

~475

34

~36

40

焊后采用气体火焰加热对焊接变形进行矫正，至此工字形结构制造完成。