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起重机金属结构制造基础知识——焊接应力与变形 第一节 焊接应力与变形的产生 一、焊接应力与变形的基本知识 1、弹性变形和塑性变形 变形: 物体在外力或温度等因素的作用下，其形状和尺寸发生变化，这种变化称为物体的变形。 弹性变形: 当使物体产生变形的外力或其他因素去除后变形也随之消失，物体可恢复原状，这样的变形称为弹性变形。 塑性变形: 当外力或其他因素去除后变形仍然存在，物体不能恢复原状，这样的变形称为塑性变形。  2、应力 物体受外力作用后所导致物体内部之间的相互作用力称为内力。 另外，在物理、化学或物理化学变化过程中，如温度、金相组织或化学成分等变化时，在物体内部也会产生内力。 作用在物体单位面积上的内力叫做应力。 根据引起内力原因的不同，可将应力分为工作应力和内应力。 工作应力是由外力作用于物体而引起的应力； 内应力是由物体的化学成分、金相组织及温度等因素变化，造成物体内部的不均匀性变形而引起的应力。 3、焊接应力与焊接变形 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于焊件中的内应力。 焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变。 三、焊接应力与变形产生的原因 1、焊件的不均匀受热 （1）不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 其变形属于自由变形，因此在杆件加热过程中不会产生任何内应力，冷却后也不会有任何残余应力和残余变形。 （2）受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形 如果加热温度较高，达到或超过材料屈服点温度时（T﹥TS=600），则杆件中产生压缩塑性变形，内部变形由弹性变形和塑性变形两部分组成。当温度恢复到原始温度时，弹性变形恢复，塑性变形不可恢复，可能出现以下三种情况： ①如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形而无残余应力； ②如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力； ③如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。 （3）长板条中心加热（类似于堆焊）引起的应力与变形  （4）长板条一侧加热（相当于板边堆焊）引起的应力与变形  2、焊缝金属的收缩 当焊缝金属冷却、由液态转为固态时，其体积要收缩。由于焊缝金属与母材是紧密联系的，因此，焊缝金属并不能自由收缩。这将引起整个焊件的变形，同时在焊缝中引起残余应力。 3、金属组织的变化 钢在加热及冷却过程中发生金相组织的变化，这些组织的比体积不一样，也会造成焊接应力与变形。 4.焊件的刚性和拘束 焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大；反之，焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越小，则焊接变形越大，而焊接应力越小。 刚性——是指焊件抵抗变形的能力。 拘束——是指焊件周围物体对焊接变形的约束。 第二节 焊接残余应力及分布 一、焊接残余应力 是焊件焊完冷却后残留在焊件内的焊接应力，焊接残余应力对焊接结构的强度、耐蚀性和尺寸稳定性等使用性能有影响。 二、焊接残余应力的分布 1、纵向残余应力σx的分布 作用方向平行于焊缝轴线的残余应力称为纵向残余应力。 2、横向残余应力σy的分布  垂直于焊缝轴线的残余应力称为横向残余应力。 （1）焊缝及其附近塑性变形区的纵向收缩引起的横向残余应力σ?y 图1-8a （2）横向收缩所引起的横向残余应力σ??y 总之，横向残余应力的两个组成部σ?y、σ??y同时存在，焊件中的横向残余应力σy是由σ?y、σ??y合成的，但它的大小要受σs的限制。  三、焊接残余应力对焊接结构的影响 1、对焊接结构强度的影响 焊接残余应力的存在将明显降低脆性材料结构的静载强度。 2、对构件加工尺寸精度的影响 3、对受压杆件稳定性的影响 4、对疲劳强度的影响 四、减小焊接残余应力的措施 1、设计措施 1）尽量减少结构上焊缝的数量和焊缝尺寸 2）避免焊缝过分集中 3）采用刚度较小的接头形式  2、工艺措施 （1）采用合理的装配焊接顺序和方向 在一个平面上的焊缝，焊接时应保证焊缝的纵向和横向收缩均能比较自由，如图1-20所示的拼板焊接，合理的焊接顺序应是图1-20中的1~10，即先焊相互错开的短焊缝，后焊直通长焊缝。 收缩量最大的焊缝应先焊。  因为先焊的焊缝收缩时受阻较小，因而残余应力就比较小。如图1-21所示的带盖板的双工字梁结构，应先焊盖板上的对接焊缝1，后焊盖板与工字梁之间的角焊缝2，原因是对接焊缝的收缩量比角焊缝的收缩量大。  工作时受力最大的焊缝应先焊。如图1-22所示的大型工字梁，应先焊受力最大的翼板对接焊缝1，再焊腹板对接焊缝2，最后焊预先留出来的一段角焊缝3。  焊接平面交叉焊缝时，在焊缝的交叉点易产生较大的焊接残余应力。  对接焊缝与角焊缝交叉的结构。 （2）预热法 （3）冷焊法 冷焊法是通过减少焊件受热来减小焊接部位与结构上其他部位间的温度差。 （4）降低焊缝的拘束度 （5）加热“减应区”法 焊接时加热那些阻碍焊接区自由伸缩的部位，使之与焊接区同时膨胀和同时收缩，起到减小焊接残余应力的作用。 五、消除焊接残余应力的方法 1、热处理法 包括整体高温回火和局部回火 （1）整体热处理 是将整个构件缓慢加热到一定的温度（低碳钢为650℃），并在该温度下保温一定的时间（一般按每毫米板厚保温2~4min，但总时间不少于30min），然后空冷或随炉冷却。 （2）局部热处理 2、机械拉伸法 在压力容器制造的最后阶段，通常要进行水压试验，和起重机的静载试验，其目的之一也是利用加载来消除部分残余应力。 4、锤击焊缝 锤击焊缝，可使焊缝金属产生延伸变形，能抵消一部分压缩塑性变形，起到减小焊接残余应力的作用。 5、振动法 第三节 焊接变形 一、焊接变形的基本形式 焊接变形在焊接结构中的分布是很复杂的。按变形对整个焊接结构的影响程度可将焊接变形分成局部变形和整体变形；五种基本变形形式：收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形。插[1]表2-1 二、矫正焊接变形的方法 1、手工矫正法 手工矫正法就是利用锤子、大锤等工具锤击焊件的变形处。 2、机械矫正法 机械矫正法就是利用机器或工具来矫正焊接变形。 3、火焰加热矫正法 火焰加热矫正法就是利用火焰对焊件进行局部加热，使焊件产生新的变形去抵消焊接变形。 举例：起重工字梁由板1、2、3组焊而成，板1、2、3均为-8×500×4000的钢板，要将它们组焊成截面为下图所示的工字梁，焊接次序是，先将板2和板3 组焊后，再与1组焊。请问： （1）组焊完毕后，该工字梁截面和纵向可能发生什么样的变形？ （2）采用什么措施可减少焊接变形？ （3）可能存在的焊接缺陷有哪些？ （4）请画出起重工字梁中间截面的应力分布 典型金属结构——桥式起重机桥架的制作工艺 第一节 制造前的准备 一、进厂原材料复检 1.入库前应进行质量证明书检查 2.实物检查 （外观、尺寸、标志的检查） 3.理化性能测试 （化学成分、机械性能、工艺性能、金相分析） 二、主梁、支腿等重要部件所用的材料的要求： 1.A1~A6级起重机，当板厚大于20mm时，钢材牌号应不低于Q235-B；对A7~A8级起重机，钢材牌号应不低于Q235-C。 2.环境温度低于-20℃，应选用Q235-D或16Mn，且要求在-20℃时的冲击功不小于27J。 3.严禁在低温下使用沸腾钢。这是因为 ①沸腾钢脱氧不完全，氧能使钢变脆； ②内部杂质较高，成份偏析较大，因而冲击值较低； ③冷脆倾向和时效敏感性较大； ④焊接性较差。 三、钢材预处理 热轧钢材表面通常有一层氧化皮，呈灰黑色，覆盖于钢材表面，应进行除锈喷丸等预处理，并进行防锈处理。通常采用的防锈底漆有703环氧脂铁红和无机硅酸锌底漆等。 锈是一种有氧化物和水分子的物质。锈和氧化物的危害有减弱结构件的承载能力，降低结构的涂漆质量，影响乙块火焰切割和焊接质量等。 第二节 主梁的拼接与组装 一、桥架结构特点及技术要求 1.桥式起重机桥架常见的结构形式 2.箱形桥式起重机的桥架结构如图8-14所示，它是由主梁（或桁架）、栏杆（或辅助桁架）、端梁、走台（或水平桁架）、轨道及操纵室等组成. 3.主梁的主要技术要求 桥架最主要的受力元件是主梁。主梁的制造是桥架金属结构制造的关键, 主要控制： （1）上拱度： （0.9～1.4）S/1000。 （2）水平旁弯（向走台侧）：f=S２/2000 （规定向走台侧旁弯的原因是在制造桥架时，走台侧焊后有拉伸残余应力，当运输及使用过程中残余应力释放后，导致两主梁向内旁弯；而且主梁在水平惯性载荷作用下，按刚度条件允许有一定侧向弯曲，两者叠加会造成过大的弯曲变形。当两梁向内旁弯时，可能导致车轮与轨道咬合，使起重机不能正常工作。） （3）腹板波浪变形规定，受压区≤ 0.7δ，受拉区≤ 1 .2δ。 （4）上盖板水平度≤B/250，腹板垂直度≤H/200，B为盖板宽度，H为梁高。 二、主梁工艺分析 由于主梁内部有大量加筋板，加筋板的焊缝分布上下不均： （1）横向大筋板与下盖板不焊接， （2）小加筋全部连续角焊缝都在水平中心线以上， 事实：中心线以上焊缝数量多于中心线以下，这样极易造成主梁下挠。 要求：分析并保证如何使下挠最小，并且能预制上挠和造成一定旁弯（在焊接走台件之前）则是制定工艺的依据。 三、主梁制造工艺要点 1.盖板和腹板对接焊工艺 为避免应力集中，翼板与腹板的拼接接头不应在同一截面上，错开距离不得小于200mm；同时接头不应安排在梁的中心附近，一般应距中心2m以上。 2.筋板的制造 筋板是一个长方形，长筋板中间一般也有减轻孔。由于筋板尺寸影响到装配质量，要求其宽度差只能小于1mm左右，长度尺寸允许有稍大一些的误差。筋板的四个角应保证90°，尤其是筋板与上盖板接触处的两个角更应严格保证直角。 3.腹板上拱度的制备 主梁成拱最常用的方法是腹板下料成拱法。腹板的拱形可采用二次抛物线形或正弦曲线形。腹板上拱值规定为0.9～1.4S/1000，考虑气割、焊接电流、焊接速度、操作者技术程度等因素影响，多取1.4S/1000。腹板下料有两种方法： （1）腹板拱度曲线直接号料法 （2）样板号料法 4.盖板、腹板对接焊缝焊接 （1）开坡口 盖板、腹板对接焊缝要求焊透，采取开坡口的方法，以增加熔深。板厚δ>6mm时就要开坡口。 （2）板件拼接间隙和定位焊 ①板件拼接间隙过大，焊接时易产生烧穿、焊缝成形不佳的缺陷，同时焊接变形也较大。一般埋弧1mm，手工2mm。 ②定位焊的技术要求 盖板、腹板定位焊前要检查一下板边的直线度和预拱值，可用拉粉线或钢丝线测量。 定位焊焊肉要比正式焊缝小，焊缝质量同正式焊缝，不得存在夹渣、裂纹、未焊透等缺陷，定位焊的间距，在根据拼接钢板定型的条件凭经验确定，通常长为20～40mm焊缝，间距在70～150mm范围内。 （3）引弧板和引出板 由于埋弧焊和气体保护焊的焊接速度快，引弧时焊件来不及达到局部的热平衡，使引弧端的熔深较浅。 （4）对接焊缝的焊接 主梁的盖板、腹板的对接焊缝要求焊透以保证为等强度连接。焊接方法可用手工焊、埋弧焊和气体保护焊等。焊接方式可分为双面焊和单面焊双面成形。 （5）焊缝的余高 焊缝余高不得超过国家标准规定的0~3mm，余高越大，应力集中系数越高，余高为零时，应力集中消失。 由余高带来的应力集中，对起重机这样动载结构的疲劳强度是十分不利的， 余高越小越好，起重机结构的焊缝余高应小于2mm，重要的结构应削平余高。 5.对接焊缝变形的控制 （1）对接焊缝角变形的矫正 盖板、腹板拼接时应先拼接宽度，然后再拼接长度。 盖板、腹板接长时，为防止对接板件角变形，可在待焊接口下面加垫形成反变形，然后焊接。采用这种方法焊后可以使板件平直。 如果焊后出现角变形，可采取在焊缝处加垫用重砣压制等方法矫正。 （2）焊接方向 焊接方向对焊接变形有影响。直线型板件拼长对接时，翻个清根焊接第二面的方向要和焊第一面的方向相反。有拱度的板件如主梁的腹板，为不改变预定的腹板下料拱度曲线，也应采取上述的焊接方向。 四、 π形梁的组装与焊接 π形梁由上翼板、腹板和筋板组成。 （1）上翼板与筋板的定位组装 以上翼板为基准，装配时，采用在上翼板上的划线定位的方式装配筋板，用90°角尺检验垂直度后进行点固。 （2）筋板与上盖板的焊接 为减小梁的下挠变形，装好筋板后应进行筋板与上翼板焊缝的焊接。为防止变形，如果翼板未预制旁弯，焊接方向应由内侧向外侧[见图（a）]，以满足一定旁弯的要求； 如翼板预制有旁弯，则方向采用图8-19（b）所示方向。 （3）组装腹板 1）首先要求在上翼板和腹板上分别划出跨度中心线； 2）然后用吊车将腹板吊起与翼板、筋板组装，使腹板的跨度中心线对准上翼板的跨度中心图线； 3）在跨中点定位焊； 4）腹板上边用安全卡1将腹板临时紧固到大筋板上； 5）可在翼板底下打楔子使上翼板与腹板靠紧； 6）通过平台孔安放沟槽限位板3，斜拉压杆2，并注意压杆要放在筋板处。当压下压杆时，压杆产生的水平力使下部腹板靠紧筋板。为了使上部腹板与筋板靠紧，可用专用夹具式腹板装配胎夹紧。 7）由跨中组装后定位焊至腹板一端，然后用垫块垫好，再装配定位焊另一端腹板。 （4）π形梁内壁焊缝的焊接次序 焊接π形梁内壁焊缝时，针对焊接次序对弯曲变形的影响，考虑要使Ⅱ形梁外弯，应先焊接Ⅱ形梁内腹板焊缝，后焊接外腹板焊缝。 对偏轨箱形主梁要求主梁是直线形的，则焊接π形梁内壁焊缝时应考虑焊接主腹板内壁长焊缝会产生较大的外弯，所以应先焊接副腹板焊缝，后焊接主腹板焊缝。 五、主梁整体组装焊接 1. π形梁组装定位焊下盖板前的准备 （1）在制定主梁的工艺规程时，除要给出腹板下料的预制拱（翘）度数值外，还要给出π形梁组装下盖板后的拱（翘）度值，以及单根主梁焊成后（未焊走台和轨道压板）的拱（翘）度值。 （2）定位焊下盖板之前，应首先将π形梁立起,检查π形梁的上拱度和水平弯曲，然后检查下盖板的水平弯曲，应使下盖板与π形梁的水平弯曲方向一致。 （3）如果发现某项指标超差，应采取适应措施进行调整。 2.定位装配下盖板 （1）装配时先在下翼板上划出腹板的位置线，将Ⅱ形梁吊装在下翼板上， （2）两端用双头螺杆将其压紧固定（见图8-22）。 （3）然后用水平仪和线锤检验梁中部和两端的水平和垂直度及拱度，如有倾斜或扭曲时，用双头螺杆单边拉紧。 （4）下盖板与腹板的间隙 3.焊接主梁的四条纵向角焊缝 当拱度不够时，应先焊下翼板左右两条纵缝；拱度过大时，应先焊上翼板左右两条纵缝。 当采用焊条电弧时，应采用对称的焊接方法，即把箱形梁平放在支架上，由四名焊工同时从两侧的中间分别向梁的两端对称焊接，焊完后翻面，以同样的方式焊接另外一边的两条纵缝。 采用自动焊焊接四条纵缝时，可采用如下图所示的焊接方式。 图（a）所示为“船形”位置单机头焊，主梁不动，靠焊接小车移动完成焊接工作。 平焊位置可采用双机头焊[见图(b)、(c)]，其中图(b)所示为靠移动工件完成焊接，图(c)所示为通过机头移动来完成焊接操作。 六、主梁的矫正 箱形主梁装焊完毕后进行检查，每根箱形梁在制造时均应达到技术条件的要求，如果变形超过了规定值，应进行矫正。矫正时，应根据变形情况选择好加热的部位与加热方式，一般采用火焰矫正法。 第三节 桥架组装 一、桥架组装焊接的工艺要求 1.作业场地的选择 只要主梁有温度差存在，就会有拱（翘）度的变化或水平弯曲（旁弯）的变化，箱形梁构成的桥架应选择在厂房内组装焊接。桥架的检测应在早、晚或夜间进行为好。 2.垫架位置选择 由于自重对主梁拱度有影响，主梁垫架位置应选择在主梁的跨端或接近于跨端的位置。起重量较小的桥架在最后测量调整时应尽量垫到端梁处。 3.桥架组装基准 为使桥架安装车轮后能正常运行，四组弯板应在同一平面内。组装时应使它们在同一水平面内，以这一水平面为组装调整桥架各部的基准。可穿过端梁上盖板的吊装孔立T形标尺，用水平仪测量调整。 4.为减小桥架整体焊接变形，在桥架组装前应焊完所有部件本身的焊缝，不要等到整体组装后再补焊。 二、桥架组装焊接的工艺要点 1.主、端梁组装焊接 （1）两根主梁摆放在垫架上。在主梁的上盖板中心线处找出两主梁的跨度中心和跨端基准点，按技术要求调整各部件尺寸。 （2）端梁与主梁焊接时将使端梁两端向内弯而使桥架跨度缩短，故桥架组装时应预先使端梁两端要外弯，且跨度要有加大量。 （3）为减小焊接变形和焊接应力，应先焊上盖板焊缝，再焊下盖板焊缝，然后焊连接板焊缝；先焊外侧焊缝，后焊内侧焊缝。各部焊接次序见图。 2.组装焊接走台 （1）检测调整两主梁的水平弯曲。偏轨箱形梁或桁架还要在离主梁两端各1/3处上、下定位焊拉筋。 （2）为减小桥架的整体变形，走台的斜撑与连接板要按图纸尺寸预先装配焊接成组件，再进行桥架组装焊接。 （3）按图纸尺寸划走台的定位线。走台应和主梁上盖板平行。 （4）装配横向水平角钢。用水平尺找正，使外端略高于水平线,定位焊于主梁腹板上。然后组装定位焊斜撑组件，再组装定位焊走台边角钢。走台边角钢应具有与走台相同的上拱度。 （5）走台的装配与焊接 ①走台板应矫平，然后组装定位焊在走台上。要求先焊走台板与角钢连接的纵向焊缝，后焊横向走台板焊缝，以减小走台板的波浪变形和内应力。 ②整个走台处于定位焊连接状态，水平刚性较小。应先焊接主梁水平外弯大的一侧走台，后焊接主梁水平外弯小的一侧走台。 ③为减小焊接走台时使主梁下挠,应先焊接走台下部焊缝，后焊接走台上部焊缝。 3.组装焊接轨道压板 （1）5～30t通用桥式起重机正轨箱形在焊接轨道压板前主梁上拱度f （2）偏轨箱形梁焊接轨道压板还会产生主梁外弯，焊前应将两根主梁用角钢拉起来。 （3）小车轨道应平直，轨道与桥架组装，应预先在承轨梁上划出定位线，小车轨道组装时，使轨底与盖板接触，然后定位焊轨道压板。 （4）为使主梁受热均匀，从而使下挠曲线对称，可由多名焊工沿跨度均匀分布，同时焊接。 （5）桥式起重机桥架组装焊接后应全面检测。 |
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