建筑钢结构工型钢焊接毕业设计论文.doc

建筑钢结构工型钢焊接摘 要 本文主要针对钢结构制作当中所用到的 H 型钢焊接进行详细论述，由于钢结构的材 料力学性能及特点决定着它的焊接性，所以在设计过程中必须选择合适的焊接顺序、焊接 方法和焊接工艺参数。由于钢结构制作过程中大部分都是采用的 H 型钢焊接，翼板和腹板 的拼接所采用的是埋弧自动焊，构件之间的连接主要是焊缝连接，所以焊接质量要十分重 视。预防较长的 H 型钢在生产过程中产生变形，必要情况下采取二次矫正。最后对焊接过 程中容易出现的缺陷进行分析，并提出有效的防止措施。 关键词： H 型钢 翼板 腹板1 目 录前言····································································1 第一章 绪论· ························································2 第一节 钢结构组成部分···························································2第二节 H 型钢的特点··························································2 第二章 钢结构 H 型钢制作工艺··································3 第一节H 型钢焊接主要焊接前准备················································3一、开坡口双面焊································································3 二、焊接收缩量加工余量的计算·················································3 三、焊接 H 型钢组对····························································3四、H 型钢定位焊接·····························································3 五、引弧板、收弧板的设置·····················································4 六、腹板厚度小于 6mm，宽度大于 600mm 的反变形处理············4 第二节H 型钢自动埋弧焊接工艺及变形控制·····································4一、自动埋弧焊的焊接参数的确定·············································4 二、焊接变形的控制······························································6 三、焊接变形矫正·································································6 第三节 质量检验·····································································7第三章 焊接缺陷的产生危害及其防止措施· ····················9 一、 焊缝尺寸不合要求·································································9二、 裂纹危害及防止措施···································· ·························9 三、 未熔合危害及防止措施··································· ······················11 四、 未焊透危害及防止措施··························································11 五、 气孔危害及防止措施·····························································12 六、夹渣危害及防止措施·······························································12 参考文献······················································································ 14 致谢·····························································································15 前 言目前许多大跨度的建筑都用了钢结构，广州新电视塔、珠江新城西塔等一些大型的公用 建筑等基本上都是钢结构建筑。这种结构坚固耐久，建造迅速，易于改建，便于拆除，是住 宅建筑和结构发展的重要趋势。随着我国钢产量的快速增长，新型建材的发展和应用，符合 上述需求的钢结构住宅体系逐步发展起来并引起了广泛的关注。H 型钢是钢结构重要组成部 分，它的生产制造对整个钢结构的质量起着至关重要的作用。本文针对钢结构制作当中主要 运用到的 H 型钢焊接进行详细论述，并对整个焊接过程中所可能出现的焊接缺陷提出了防止 措施。通过对 H 型钢焊接质量的控制从而达到对钢结构质量的控制，这将直接影响到人们的 日常生活和娱乐。 3 第一章绪论第一节钢结构主要组成部分钢结构主要构架一般由钢梁、钢柱及钢架与钢架之间的钢支撑组成。各构件之间采用焊 接、螺栓或铆钉连接。而在各种连接方式中，焊缝连接用的较多。（参看图 1） 第二节 H 型钢的特点 建筑刚结构是以热轧 H 型钢为主要基本构件的，它的翼缘较宽，侧向钢度较大，抗弯 能力比较强。除此之外还有以下特点： 1塑性和韧性好、适宜于承受振动和冲击荷载； 2钢材容重与强度的比值一般小于混凝土和木材，因而 H 型钢的重量轻； 3结构简单便于机械化制造，精确度较高，安装方便，是工程结构中工业化程度最高的 一种结构； 4施工较快，可尽快地发挥投资的经济效益。 作为主要支撑和连接件的 H 型钢制作质量，对钢结构的质量与性能影响很大，有时可影 响到整体结构的承载安全，因此，对 H 型钢的制作工艺必须严格要求。5 第二章 钢结构 H 型钢制作工艺第一节 H 型钢焊接前准备一、开坡口双面焊 对于不宜采用较大热输入焊接的钢材或厚度较大的焊件，可采用开坡口双面焊，坡口形 式由焊件厚度决定，通常焊件厚度小于 22mm 时开 Y 形坡口，大于 22mm 时开 X 形坡口。开 坡口的焊件焊接第一面时，可采用焊剂垫。当无法采用焊剂垫时 可用悬空焊，此时坡口应加 工平整，同时保证坡口装配间隙不大于 1mm，以防止熔化金属流溢。 二、焊接收缩量加工余量的计算 焊接 H 型钢纵向焊缝较长， 焊缝收缩问题在下料时应关注。 尤其在翼板和腹板厚度较大， 焊脚高度较大时，更应十分注意，焊缝收缩量以每米收缩 1mm 计算（焊脚高在小于 12mm） 加在下料的总长度内即可。焊脚高大于 12mm 时，收缩量应在每米 1.5-2mm 计算。 另外，焊缝 H 型钢，长度应再加预算量，除考虑焊缝收缩外，还应考虑，端面角度，铣 端面（磨）等因素。一般在 30-50mm 为加工余量。三、焊接 H 型钢组对 对半成品板材进行质量检验，合格者进行组对。组对时应按下列工艺要求进行： 1、对半成品表面扭曲度超差的板材应进行矫正，再进行组对，严禁超应力组对。 2、 注意对接的翼板和腹板的相互位置，其翼板和腹板的对接相距不大于 300mm。 3、 待组对的翼板与定位夹辊接触均匀，压力适宜时便可开始组对。组对时，应首先操正 组对件的位置，与纵向组对移动轨道相平行，前后偏移不超过 100mm。 四、H 型钢定位焊接 将 H 型钢组对后，要先将其进行定位焊接。定位焊接时应按下述工艺要求进行： 1、定位焊高度不得超过焊缝高度 2/3；设计有坡口时，组对点焊高度不应超过破口尺寸。 2、定位焊，由于焊缝长度短，截面小，冷却快，焊缝容易开裂。应该选择较大的热输入 进行定位焊。3、定位焊间距以 200mm 为宜，偏差不超过 20mm；而且两端必须点焊，点焊长度如下：4、严禁在焊缝区外的母材和设备上引弧，在坡口内引弧局部面积不得留下弧坑。 五、引弧板、收弧板的设置 在每根 H 型钢组对的同时，为了保证焊缝质量，需在两端设引弧板、收弧板，材质要求 相同长度为 600mm，焊接结束后切割去掉。 六、腹板厚度小于 6mm，宽度大于 600mm 的反变形处理 将面积较大厚度较小腹板放在砧板上用锤击（需加垫板，以免锤击出伤痕） ，这样才能消 除切割收缩的压力。第二节 H 型钢自动埋弧焊接工艺及变形控制 组对定位完成后即可进行 H 型钢主焊接工艺，主焊接过程主要采用自动埋弧焊方法。 一、自动埋弧焊的焊接参数的确定 自动埋弧焊的焊接参数一般包括焊接电流、电弧电压、焊接速度及焊接直径。 1、焊接电流的确定 焊接电流主要影响焊缝厚度。其他条件一定时，随着电流的增大，电弧力和电弧对焊件 的热输入量及焊丝的熔化量增大，熔深将增加。焊缝厚度和余高增加，而焊缝宽度几乎不变， 焊缝成形系数减小，焊接电流对焊缝熔深大小影响最大。 2、电弧电压的确定 电弧电压主要影响焊缝宽度。其他条件一定时，电弧电压低时,熔深大、焊缝宽度窄;电 弧电压高时,熔深浅、 焊缝宽度增加;过分增加电压,会使电弧不稳,熔深减少,易造成未焊透的 现象,严重时还会造成咬边、气孔等缺陷。 3、焊丝直径的确定 在焊接电流、电压和速度不变的情况下,焊丝直径将直接影响焊缝的熔深。随着焊丝直径 的减少,熔深将加大,成型系数减小。根据焊件的外形和尺寸可选定细丝埋弧焊，还是粗丝埋 弧焊。 例如小直径圆筒的内外环缝应采用 2mm 焊丝的细丝埋弧焊;厚板深坡口对接街头纵缝 和环缝宜采用 5mm、6mm 焊丝的粗丝埋弧焊。 4、焊接速度的确定 焊接速度的快慢主要影响母材的热输入量。焊接速度的确定一般根据焊接电流的大小来 确定，同时兼顾生产效率。如焊接速度增加,焊缝的线能量减少,使熔宽减少、熔深增加,然而 继续加大焊接速度,反而会使熔深减少,焊接速度过快,电弧对焊件加热不足,使熔合比减少, 还会造成咬边、未焊透及气孔等缺陷。 根据上述焊接参数的确定原则，在大量试焊的基础上得出如下焊接工艺参数： 二、焊接变形的控制自动埋弧焊电流大,热量高,构件易产生变形(翼缘板角变形，H 钢的纵向弯曲，H 钢扭曲 变形)。针对上述问题主要采取以下技术措施: 1、在专用工作台上,将 H 钢的四条纵向角焊变为船形焊，以保证焊缝的焊透，提高焊接 质量，减少熔敷金属。 2、根据翼缘板与腹板的不同配置调整焊接参数,将角变形控制在 3 mm 以内，然后用翼 缘矫正机对其进行校正。3、纵向弯曲是由于 H 型钢单边受热产生的残余应力分布不均造成的。通过实验决定利 用后续焊缝的残余应力平衡上道焊缝的残余应力的办法，即第 1、2 道焊缝焊接时，电流调至 下限值，第 3 道焊缝焊接时，电流调至平均值，在最后一道焊缝焊接时，将电流调至上限值， 以期消除变形。如采用上述措施后仍有少量变形，则在后续工序中用火焰法予以校正。 4、扭曲变形与纵向弯曲产生的原因大致相同，因此，也是通过合理调整焊接顺序，以后 续焊缝的残余应力来平衡前面的焊接残余应力。 5、为了减少变形和装配顺序，尽量可采取先组装焊接成小件，并进行矫正，使尽可能消 除施焊产生的内应力，再将小件组装成整体构件。 三、焊接变形矫正 在焊接 H 钢生产中对构件变形的校正，主要采用三种方法：火焰校正法、机械校正法和 反变形法。 1、机械校正法主要校正翼缘板的角变形，在专用的翼缘矫正机上,通过机械力进行反复 的强制性校正，直到角变形量符合标准为止。 2、火焰校正法主要用于校正 H 钢的纵向弯曲变形，在拱起的一侧用火焰加热至 850 900 ，在翼缘板上进行条形加热，在腹板上进行三角形区加热，加热后用冷水进行 跟踪冷却。加热时根据不同的变形量，控制加热区的大小和加热的温度，以防校正过量和出 现过烧现象。 3、反变形法用于控制端头板焊接变形。在端头板焊接前，在施焊部位的反面用大号气焊 枪进行烘烤，产生残余应力，待正式施焊时达到焊接残余应力平衡。最终实现端头板的平整。 第三节 质量检验焊缝质量一般进行三方面的检验，即焊缝内部缺陷检验、焊缝表面缺陷检验和焊缝尺寸 偏差检验。 一、焊缝内部缺陷检验：焊缝内部缺陷主要有裂纹、未熔合、根部未焊透、气孔和夹渣等， 检验主要是采用无损探伤的方法，即超声波探伤，超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、 反射和衰减检测方法。 二、焊缝表面缺陷检验：焊缝表面缺陷主要采用观察检查或使用放大镜观察，还可以采用表 面渗透探伤（着色或磁粉）检验。 三、焊缝尺寸偏差及外观检验：焊缝尺寸偏差主要是采用焊缝尺寸量规进行检验。 1、焊缝应略有余高，但最大余高不能超出 3mm； 2、焊缝与母材之间应平缓过度； 3、焊缝外表应整洁、均匀、无溢瘤、凹陷和凸起； 4、焊缝与母材及层间应完全熔合弧坑必须填满； 5、任意长度焊缝上咬肉深度不得超过 0.5mm，对任意 300mm 长度焊缝咬肉不得大于 50mm； 6、焊角尺寸应满足图纸要求两焊角应均等，偏差不能超过 3mm； 7、 任意一条单角焊缝焊角尺寸下差不得超过 1.6mm， 其长度不得超过焊缝长度的 100%。表4.焊缝余高和错边允许偏差第三章 焊接缺陷及防止措施一、焊缝尺寸不合要求 焊接缺陷及防止措施 焊波粗、外形高低不平、焊波宽度不一及角焊缝单边或下陷量过大等均为焊缝尺寸不合 要求，其原因是： 1、焊件坡口角度不当或装配间隙不均匀。 2、焊接电流过大或过小，焊接规范选用不当。 所以应在焊接前先调整好焊接工艺参数，根据板厚需要开破口的要适当的开坡口。 二、裂纹 焊缝中原子结合遭到破坏,形成新的界面而产生的缝隙称为裂纹。 通常情况下，埋弧焊接头有可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和氢致裂纹。前者只限 于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。 1、结晶裂纹 钢材焊接时，焊缝中的 S 、P 等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。随着 结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成了“液态薄膜”。焊缝凝固过程中，由于收缩 作用，焊缝金属受拉应力，“液态薄膜”，不能承受拉应力而形成裂纹。可见产生“液态薄膜” 和焊缝的拉应力是形成结晶裂纹的两方面原因。 钢材的化学成分对结晶裂纹的形成有重要影响。硫对形成结晶裂纹影响最大，但其影响程 度又与钢中其他元素含量有关，如 Mn 与 S 结合成 MnS 而除硫，从而对 S 的有害作用起抑 制作用。Mn 还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。因此，为了防止产生结晶裂纹，对焊 缝金属中的 MnS 值有一定要求。MnS 值多大才有利于防止结晶裂纹，还与含碳量有关。 含 C 量愈高，要求 MnS 值也愈高。 2、氢致裂纹 较多的发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的焊接热影它可能在焊后立 即出现，也可能在焊后几时、几天、甚至更长时间才出现。这种焊后若干时间才出现的裂纹 称为延迟裂纹。 氢致裂纹是焊接接头含氢量、接头显微组织、接头拘束情况等因素相互作用的结果。在 焊接厚度 10mm 以下的工件时，一般很少发现这种裂纹。工件较厚时，焊接接头冷却速度较 大，对淬硬倾向大的母材金属，易在接头处产生硬脆的组织。另一方面，焊接时溶解于焊缝 金属中的氢，由于冷却过程中溶解度下降， 向热影响区扩散。当热影响区的某些区域氢浓度 很高而温度继续下降时，一些氢原子开始结合成氢分子，在金属内部造成很大的局部应力，接头拘束应力作用下产生裂纹。 焊接某些超高强度钢时，这种裂纹也会出现在焊缝金属中。 针对氢致裂纹产生的原因，可以从以下几方面采取措施。 a.减少氢的来源及其在焊缝金属中的溶解，采用低氢焊剂；焊剂保管中注意防潮，使用 前严格烘干；对焊丝、工件焊口附近的锈、油污、水分等焊前必须清理干净。 通过焊剂的冶金反应把氢结合成不溶于液态金属的化合物，如高 Mn 高 Si 焊剂可以把 H 结合成 HF 和 OH 两种稳定化合物进入熔渣中，减少氢对生成裂纹的影响。 b.正确的选择焊接工艺参数，降低钢材的淬硬程度并有利于氢的逸出和改善应力状态， 必要时可采用预热。 c.采用后热或焊后热处理 焊后后热有利于焊缝中的溶解氢顺利的逸出。 有些工件焊后需 要进行熟处理，一般情况下多采用回火处理。这种热处理的效果一方面可消除焊接残余应力， 另一方面使已产生的马氏体高温回火，改善组织。同时接头中的氢可进一步逸出，有利于消 除氢致裂纹，改善热影响区的延性。 d.改善接头设计，降低焊接接头的拘束应力在焊接接头设计上，应尽可能消除引起应力 集中的因素，如避免缺口、防止焊缝的分布过分密集等。坡口形状尽量对称为宜，不对称的 坡口裂纹敏感性较大。在满足焊缝强度的基本要求下，应尽量减少填充金属的用量。 三、未熔合 未熔合是指焊缝金属与母材金属,或焊缝金属之间未熔化结合在一起的缺陷。按其所在部 位,未熔合可分为坡口未熔合,层间未熔合根部未熔合三种。 （一）产生未熔合缺陷的原因 1、焊接电流过小 待添加的隐藏文字内容32、焊接速度过快 3、焊条角度不对 4、产生了弧偏吹现象 5、焊接处于下坡焊位置,母材未熔化时已被铁水复盖 6、母材表面有污物或氧化物影响熔敷金属与母材间的熔化结合等 （二）未熔合的危害 未熔合是一种面积型缺陷,坡口未熔合和根部未熔合对承载截面积的减小都非常明显,应 力集中也比较严重,其危害性仅次于裂纹。. （三）未熔合的防止采用较大的焊接电流,正确地进行施焊操作,注意坡口部位的清洁 三、未焊透 母材之间或母材与熔敷金属之间存在局部未熔合现象。 它一般存在于单面焊的焊缝根部， 对应力集中很敏感，对强度疲劳等性能影响较大。 （一）未焊透产生的原因是： 1、坡口设计不良，角度小、钝边大、间隙小。 2、焊条、焊丝角度不正确。 3、电流过小，电压过低，焊速过快，电弧过长，有磁偏吹等。 4、焊件上有厚锈未清除干净。 5、埋弧焊时的焊偏。 （二）未焊透的危害 1、是减少了焊缝的有效截面积,使接头强度下降。 2、未焊透焊透引起的应力集中所造成的危害,比强度下降的危害大得多。 3、未焊透严重降低焊缝的疲劳强度。 4、未焊透可能成为裂纹源,是造成焊缝破坏的重要原因。 （三）未焊透的防止 使用较大电流来焊接是防止未焊透的基本方法。 另外,焊角焊缝时,用交流代替直流以防止 磁偏吹,合理设计坡口并加强清理,用短弧焊等措施也可有效防止未焊透的产生。 四、气孔 对于低碳钢埋弧焊来说，最主要的冶金反应有硅、锰的还原，碳的氧化（烧损）反应， 以及焊缝中氢和硫、磷含量的控制。所以就比较容易产生气孔。 1、形成气孔的气体主要是一氧化碳、氢和氮。（1）一氧化碳气孔： FeO + C Fe + CO 焊丝中加入足够的脱氧剂和限制焊丝的含碳量，就可有效地防止 CO 气孔产生。 （2）氢气孔 氢主要来源于焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及 CO2 气体中所含的水分。CO2 气体的 氧化性可制约氢的危害-H2 + CO2 H2O + CO 所以在生产中，为了防止经常出现的氢气孔，一定要在焊接前清理干净工件表面的油污 和铁锈。 （3）氮气孔 N2 的来源：空气侵入焊接区；CO2 气体不纯（可能性不大） 焊缝中产生 N 气孔的主要原因是由于保护气层遭破坏，大量空气侵入焊接区所致。造成 保护气层失效的因素有：过小的 CO2 气流量；喷嘴被飞溅物部分堵塞；喷嘴与工件的距离过 大；焊接场地有侧向风等。 保证气层稳定、可靠是防止焊缝中 N 气孔的关键。 2、气孔的危害 气孔减少了焊缝的有效截面积,使焊缝疏松,从而降低了接头的强度,降低塑性,还会引起 泄漏。气孔也是引起应力集中的因素。氢气孔还可能促成冷裂纹。 五、夹渣 在焊缝金属内部或熔合线部位存在非金属夹杂物。夹渣对力学性能有影响，影响程度与 夹杂的数量和形状有关。 埋弧焊时，焊缝的夹渣除与焊剂的脱渣性能有关外，还与工件的装配情况和焊接工艺有 关。对接焊缝装配不良时，易在焊缝底层产生夹渣。 1、其产生的原因是： 1. 焊件上留有厚锈。 2. 焊层形状不良，坡口角度设计不当。 3. 焊缝的熔宽与熔深之比过小，咬边过深。 4. 电流过小，焊速过快，熔渣来不及浮出。 2、夹渣的危害 点状夹渣的危害与气孔相似,带有尖角的夹渣会产生尖端应力集中,尖端还会发展为裂纹 源,危害较大。 3、夹渣的防止措施 多层焊时清理干净每层焊渣及其锈蚀物，保证表面的清洁，合理选择坡口形状，调整 焊接参数。 参考文献1焊接方法与设备：雷世明主编，机械工业出版社，1999 2自动埋弧焊弧长自动控制系统：李开斌著，电焊机，1988 3焊接与连接工程学导论：何德孚主编，上海交通大学出版社，1998 4实用焊接手册：北京市技术协作委员会编，水利电力出版社，1985 5气体保护焊工艺及设备：王震薇等主编，西北工业大学出版社，1991 6气体保护焊工艺：殷树言等编，哈尔滨工业大学出版社，1989 7钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001 8钢焊缝手工超声波探伤方法和探伤结果分级法GB11345 9建筑钢结构焊接技术规程JGJ81 1