钢结构-毕业设计论文(仅供参考).

1工业厂房A4-3柱概述

1.1工业厂房A4-3柱的分类和特点

1.1.1工业厂房A4-3柱的分类

工业厂房柱按截面形式可分为实腹柱和格构柱。钢柱按受力情况通常可分为轴心受压柱和偏心受压柱。 1.1.2工业厂房A4-3柱的特点

轴心受压柱所受的纵向压力与柱的截面形心轴重合。偏心受压 同时承受轴心压力和弯矩，也称压弯构件。实腹柱具有整体的截面，最常用的是工形截面；格构柱的截面分为两肢或多肢，各肢间用缀条或缀板联系，当荷载较大、柱身较宽时钢材用量较省。

1.2工业厂房A4-3柱的组成、尺寸、材质

柱脚柱身

柱头

缀条图1 工业厂房柱A4-3

工业厂房A4-3柱为两肢格构柱，主要柱脚、柱身、柱头组成，所用材料为低合金高强钢Q345B ，其中柱脚长4m ，柱身长12.28m ，柱头长7.22m ，总长19.9m ，构件重14442.4kg ，焊缝重722.12kg ，

总重15164.56kg，板厚为6~40mm，柱肩标高12.68m，柱头标高19.9m，两肢为H型钢，两肢之间用角钢缀条连接，缀条数目为26条，所用材料为Q235B。

1.3柱A4-3技术参数

（1）板厚6~40mm，柱肩标高12.68m，柱头标高19.9m

（2）图中所有斜缀条内力为-130KN，水平缀条内力为-55KN

（3）图中为注明的焊缝高度均为h f=8mm

（4）对接工字型钢截面柱、梁翼缘和腹板的拼接，应采用加引弧（其厚度和坡口与母材相同）的对接焊缝，并保证焊透。翼缘板和腹板的对接焊缝相互错开200m以上，焊缝外观检测和无损检测质量等级应符合二级焊缝标准。

（5）角钢相互连接的填板的距离，对于受压构件为40i，对于受拉构件为80i（i为回转半径）

（6）在螺栓的上下接触面如有1/20以上的倾斜度时，应采用斜垫圈垫平。

1.4柱 A4-3制造引用标准

（1）JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》

（2）GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规范》

（3）GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊推荐坡口》

（4）GB/T985.2-2008《埋弧焊的推荐坡口》

（5）GB324-2008《焊缝符号表示方法》

（6）GB 10854-89《钢结构焊缝外形尺寸》

（7）GB/T5118-1995《低合金钢焊条》

（8）GB/T12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》

（9）GB/T8110-2008《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》

（10）GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》

（11）GB/T700-2006《碳素钢结构》

(12) GBT 10249-2010《电焊机型号编制方法》

(13) GB11345-89《超声波探伤标准》

2工业厂房A4-3柱焊接性分析

2.1工业厂房A4-3柱焊接工艺准备

2.1.1接头类型

根据设计图纸，本次设计中主要采用对接接头、T型接头和搭接接头，按照JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》、GB／T985.2-2008《埋弧焊的推荐坡口》和GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊推荐坡口》的要求接头横截面示意图如下所示

2.2工业厂房A4-3柱焊接性分析

工业厂房A4-3柱的主要材质是低合金钢Q345B，其焊接性受到以下几个方面的影响：

(1)化学成分

表1 Q345B化学成分

（2）力学性能

表2 Q345B力学性能

(3)碳当量

CEV=C+Mn/6 +（Cr+Mo+V）/5 +（Ni+Cu）/15 （1-1）=0.12+1.1/6+（0.15+0.03+0.07）/5+（0.25+0.2）/15

=0.39

CEV=0.39%＜0.4%，所以板厚小于20mm的钢材的淬硬倾向大，焊接性良好，不需要预热。当CEV=0.4%~0.6%时，特别是大于0.5%时，钢材易于淬硬，焊接时必须预热才能防止裂纹。随着板厚及CEV的增加，预热温度也相应增高，一般可在70~200℃。

（4）由于这类钢中含有一定量的合金因素及微合金化元素，如果焊接工艺不当，也存在焊接热影响区脆化、热应变脆化、氢致裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂等焊接缺陷的危险。

1)焊接热影响区脆化

低合金高强钢焊接时，热影响区中被加热到1100℃以上的

晶区及加热温度为700~800℃的不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区。焊接热输入过大，粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏组织等而降低韧性；焊接热输入过小，由于粗晶组织中马氏体比例增大而降低韧性。某些低合金高强度钢焊接热影响区的不完全相变区，在焊接加热时该区域只有部分富碳组元发生奥氏体转变，在随后的焊接冷却过程中，这部分富碳奥氏体将转变成高碳孪晶马氏体，而且这种高碳马氏体的转变终了温度低于室温，相当一部分奥氏体残留在马氏体岛的周围，形成所谓的M-A组元，M-A组元的形成是该区域的组织脆化的主

要原因。防止不完全相变区组织脆化的是控制焊接冷却速度，避免脆硬的马氏体产生。

2）热应变脆化

在自由氮含量较高的C-Mn系低合金钢中，焊接接头熔合区及最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区，常常有热应变脆化现象，它是热和应变同时作用下产生的一种动态应变时效。一般认为，这种脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围，对位错造成钉扎作用所造成的。热应变脆化容易出现在最高加热温度范围200~400℃的亚临界热影响区产生。如有缺口效应，则热应变脆化更为严重，熔合区常常存在缺口性质的缺陷，当缺陷周围受到连续的焊接热应变作用后，由于存在热应变集中和不利组织，热应变脆化倾向就更大，所以热应变脆化也容易发生在熔合区。

3）氢致裂纹

焊接氢致裂纹是低合金高强钢焊接时最容易产生，而且是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。低合金高强度钢焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区，有时也出现在焊缝金属根据钢种的类型、焊接区氢含量及应力水平的不同，氢致裂纹可能在焊后200℃以下立即产生，或在焊后一段时间内产生。大量研究表明，当低合金高强钢焊接热影响区中产生淬硬的M或M+B 混合组织时，对氢致裂纹敏感；而产生B或B+F组织时，对氢致裂纹不敏感。对一般低合金高强钢，为防止氢致裂纹的产生，焊接热影响区硬度应控制在350HV以下。热影响区淬硬倾向可以采用碳当量公式

加以评定。对于C-Mn系低合金高强钢，可采用国际焊接学会推荐的公式（1-1），对于微合金化的低碳低合金高强钢适合于采用P cm公式：

P cm=w（C）+w（Si）/30+w（Mn+Cu+Cr）/20+w（Ni）/60+w（Mo）/15+w （V）/10+5w（B）。

4)热裂纹敏感性

与碳素钢相比，低合金高强钢的w（C）、w（S）较低，且w（Mn）较高，其热裂纹倾向较小。但如果发生C和S偏析也会在焊缝中出现热裂纹。采用Mn、Si含量较高的焊接材料，减少焊接热输入，减少母材在焊缝中的熔合比，增大焊缝成形系数，有利于防止焊缝金属的热裂纹。

5）再热裂纹敏感性

低合金高强钢焊接接头中的再热裂纹亦称消除应力裂纹，出现在焊后消除应力热处理过程中。再热裂纹属于沿晶裂纹，一般都出现在热影响区的粗晶区，有时也在焊缝金属中出现。其产生与杂质元素P、Sn、Sb、As在初生奥氏体晶界的偏聚导致的晶界脆化有关，也与V、Nb等元素的化合物强化晶内有关。

6）层状撕裂倾向

大型厚板焊接结构焊接时，如在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。这种裂纹常出现于要求熔透的角接接头或丁字接头中。选用抗层状撕裂钢；改善接头形式以减缓钢板Z向的应力应变；在满足产品使用要求的前提下，选用

强度级别较低的焊接材料或采用低强焊材预堆边；采用预热及降氢等措施都有利于防止层状撕裂。

2.3预防焊接缺陷的措施

焊接缺陷分为：裂纹、气孔、未焊透和未熔合、夹渣、焊瘤、咬边等几种，其中焊接裂纹和气孔危害最大的。

（1）焊接热裂纹的控制

1）控制焊缝金属成分

其中最关键的是选择合适的焊接材料。选择低合金钢焊接材料应注意以下几个方面：

①对于低合金高强钢，在保证焊接接头强度的前提下，重点考虑焊接材料的抗裂性及焊缝金属的塑韧性。为此应优先选择低氢及超低氢的焊接材料及塑韧性优良的焊接材料。

②对于两种强度级别不同的结构之间的焊接，应按照强度级别低的母材选择焊接材料。

③选择焊接材料时，应考虑工艺条件的影响。采用同一焊接材料焊同一钢种时，如果坡口形式不同，则焊缝性能各异。焊后加工工艺的影响对于焊后经受热卷或热处理的条件，必须考虑焊缝金属经受高温热处理后对其性能的影响。应保证焊缝热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性，一般正火处理后的焊缝强度要比焊态时低，对于在焊后要经受正火处理的焊缝，应选用合金分较高的焊接。焊件焊后要进行消除应力热处理，一般焊缝金属的强度将降低，这时也应选用合金成分较高的焊接材料。对于焊后经受冷卷或冷冲压的焊件，则要求

焊缝具有较高的塑性。

④对厚板、拘束度大及冷裂倾向大的焊接结构应选用超低氢焊接材料，以提高抗裂性能，降低预热温度。厚板、大拘束度焊件，第一层打底焊缝最容易产生裂纹，此时可选用强度稍低、塑性、韧性良好的低氢或超低氢焊接材料。

⑤对于重要的焊接产品如海上采油平台、压力容器及船舶等，为确保产品使用的安全性，焊缝应具有优良的低温冲击韧度和断裂韧性应选用高韧性焊接材料，如高碱度焊剂、高韧性焊丝、焊条、高纯度的保护气体并采用 Ar+CO2混合气体保护焊等。

⑥为提高生率可选用高效铁粉焊条、重力焊条、高熔敷率的药芯焊丝及高速焊剂等，立角焊时可用立向下焊条，大口径管接头可用高速焊剂，小口径管接头可用底层焊条。

⑦为改善卫生条件在通风不良的产品中焊接时（如船仓、压力容器等），宜采用低尘低毒焊条。

成分控制中还有一个极为重要的问题是限制有害杂质的含量。对于各种材料，均需严格限制硫、硫含量。合金化程度越高，限制要越严格。

2）调整焊接工艺

①限制过热。熔池过热易促使热裂，应降低热输入，并采用较小的焊接电流。

②控制成形系数。焊接电流不同，对成形系数的要求也有所不同。

③减小熔合比。减小熔合比即减小稀释率，同样也要求降低焊接

电流。

④降低拘束度。

⑤其他。如控制装配间隙、改进装配质量等。

(2)焊接冷裂纹控制

1）控制组织硬化

一般焊接生产中，母材化学成分是根据结构的使用要求确定的，即Pcm或CE是一定的。为限制组织硬化程度，唯一方法就是调整焊接条件以获得适宜的焊接热循环。常用t8/5，或t100等作为判据。在焊接方法一定时，焊接热输入不能随意变化，以防止过热脆化。此时，为获得需要的t8/5等，预热是可以采取的重要手段。

2）限制扩散氢含量

采用低氢或超低氢焊接材料，并防止再吸潮，有利于防止冷裂裂纹产生。预热或后热可减少扩散氢。

后热对减小残余应力和改善组织也有一些作用。最低后热温度Tp与钢材的成分有关。

3）控制拘束应力

从设计开始以及施焊工艺制定中，均需力求减小刚度或拘束度，并避免形成各种“缺口”。调整焊接顺序，使焊缝有收缩余地；对于T形杆件必须避免回转变形或角变形，以防止焊根裂纹。

（3）防止焊缝形成气孔的措施

从根本上说，防止焊缝形成气孔的措施就在于限制熔池溶入或产生气体，以及排除熔池中存在的气体。

1）消除气体来源

①表面处理

对钢焊件焊前应仔细清理焊件及焊丝表面的氧化膜或铁锈以及

油污等。

②焊接材料防潮与烘干

各种焊接材料均应防潮包装与存放。焊条和焊剂焊前应按规定温度和时间烘干，烘干后放在专用烘干箱或保温筒中保管，随用

随取。尤其低氢焊条对吸潮很敏感，吸潮量超过1．4%就会明显产生气孔。

③加强保护

空气入侵熔池是气孔原因之一．主要是氮的作用。

引弧不正常时．不能获得正常保护。低氢焊条收弧时易产生气孔，就是因药皮中造气物质CaCO，未能及时分解，以致产生的CO2不足以形成充分的气体保护所致，焊接过程中如果药皮脱落、焊剂或保护气中断，都将破坏正常的保护。为了解决这一问题．曾将低氢焊条焊芯端部磨尖，目的是增大电流密度以提高发热量，而加快药皮升温和促使CaCO，分解。

气体保护焊时必须防风。焊枪喷嘴前端保护气体的流速一般为

2m／s左右，风速如果超过此值，保护气体不能稳定而成为紊流状态。失去保护作用。正常条件下，保护气体的流量也影响保护效果，这与焊丝直径、坡口形状、接头形式、喷嘴形状以及喷嘴距焊件距离等因素有关。保护气体的纯度也须控制。对于微气孔除了有效的机械保护

外，还应通过合金元素固氮，采用H04Mn2SiTiA或H04MnSiAlTiA的CO2焊即可完全消除。

2）正确选用焊接材料

焊接材料的选用非常重要，必须考虑与母材的匹配要求，例如低氢焊条抗锈性很差，有锈时很容易产生气孔；而氧化铁型焊条却有很好抗锈性。埋弧焊时，如果使用高碱度烧结焊剂，由于碱度允许提高到3以上，O2-活度已降低，不同于常用碱性焊条，对铁锈敏感性显著减小。

在气体保护焊时，从防止氢气孔产生的角度考虑，保护气氛的性质选用活性气体优于惰性气体，因为活性气体氧气或二氧化碳均可以促使降低氢分压而限制溶氢，同时还能降低液体金属的表面张力和增大其活动性能，有利于气体的排出。

焊丝的组成除适应与母材的匹配要求外，还必须考虑之组合的焊剂（埋弧焊）或保护气体（气体保护焊），根据不同的冶金反应，调整熔池或焊缝金属的成分。在许多情况下，希望形成充分脱氧的条件，以抑制反应性气孔的形成。

3）控制焊接工艺评定

控制焊接工艺条件的目的是创造熔池中气体逸出的有利条件，同时也应有利于限制电弧外围气体向熔融金属中的溶入。

对于反应型气体而言，首先应着眼于创造有利的排出条件，即适当增大熔池在液态的存在时间。由此可见，增大热输入和适当预热都是有利的。

对于氢和氮而言．只有气体逸出条件比气体溶人条件更有利。才有减少气孔的可能性。由此可见，焊接工艺参数应有最佳值，而不是简单地增大或减小问题。

横焊或仰焊条件下将比平焊时更易产生气孔，因为气体排出条件不利。立焊时的气孔倾向与向上或向下施焊有关。向上立焊的气孔较少，向下立焊的气孔则较多，因为向下立焊时熔融金属易向下坠落，不但不利于气体排出．且有卷入空气的可能．在这种情况下，焊接参数的影响就比较复杂。焊接过程中加脉冲可显著减少气孔的生成。

3 焊接方法、焊接材料以及焊接设备的选择

3.1焊接方法选择

A4-3柱上连接板与H型钢翼缘板对接，H型钢翼缘板的对接，由于焊缝较短，焊缝等级为二级熔透焊缝，并且考虑到焊接位置的影响，因此选择CO2气体保护焊。H型钢翼缘板与腹板的角接，由于焊缝较长，板厚度大，采用埋弧自动焊，焊接效率高，焊缝质量。角钢缀条与节点板的连接以及点固焊可采用焊条电弧焊，焊接可达性好，焊接质量高。

3.2焊接材料的选择

3.2.1CO2气体保护焊焊材的选择

根据GB/T8110-2008《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》选择的焊丝型号为ER50-6，因为其具有很好的塑性和韧性，合金成分稳定，焊接时电弧稳定，飞溅较小，具有良好的抗气孔能力，其化学成分和力学性能如表所示：

表3化学成分

表4力学性能

3.2.2埋弧焊焊材的选择

根据GB-T 12470-2003 《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》选择的焊丝牌号为H08MnA，焊剂型号HJ431,HJ431焊剂具有良好的焊接工艺性，电弧稳定，焊缝成形美观，但抗绣能力一般，与H08MnA 配合使用，对母材上的锈迹不太敏感，脱渣性良好，可以提高焊缝金属力学性能、抗气孔能力，形成的焊缝具有良好的力学性能。其化学成分和力学性能如下表所示：

表6 H08MnA力学性能

3.2.3焊条电弧焊焊材选择

根据JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》，焊条电弧焊选择的焊条型号为E4303，牌号J422，具有优良的焊接工艺性能和力学性能，电弧稳定，飞溅少，脱渣容易，焊缝成型美观。其化学成分和力学性能如下表所示：

表10 E4303力学性能

3.3焊接设备的选择

3.3.1埋弧焊设备选择

5工业厂房A4-3柱制造工艺

5.1工业厂房A4-3柱制造工艺流程图

5.2焊接工艺评定

对A4-3房柱结构的焊接所进行的焊接工艺评定如表3-1所示。

表3-1 焊接工艺评定报告目录

评定结论：本评定按《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）规定，根据工程情况编制工艺评定指导书、焊接试件、制取并检验试样、测定性能，确认实验记录正确，评定结果为：＿合格＿。焊接条件及工艺参数适用范围按本评定指导书规定执行。

表3-3 焊接工艺评定指导书

表3-4 焊接工艺评定记录表

施焊工艺参数记录