鋼結構的焊接變形與應力分析畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 此H型鋼在各個方向上都具有抗彎能力強、施工簡單、節約成本和結構重量輕等優點，已被廣泛應用。常用于要求承截能力大，截面穩定性好的大型建筑（如廠房、高層建筑等），以及橋梁、船舶、起重運輸機械、石油鉆井平臺、設備基礎、支架、基礎樁等。 H型鋼結構對連接的要求基本構件通過連接制成整體結構。例如：屋架。在H型鋼結構中，連接的設計、制作、安裝占有很重要的地位，所以設計時，在選用合理的連接方式時，應考慮以下問題：1 連接設計與結構內力分析時的假定相一致；2 連接設計應選擇最不利的荷載工況；2 傳力直接、明確，避免應力集中；4 節點的變形協調；5 避免偏心的影響；6 連接的方式應避免在結構中產生過大的殘余應力；7 利用厚鋼板時，應避免層間撕裂；8 連接的構造簡單，便于施工。第3章H型鋼焊接工藝及變形成品（軋制）H型鋼規格有限，大部分的H型鋼均需拼裝焊接制造，為了保證焊接質量，需制定相關工藝措施。 H型鋼焊接工藝設計 H型鋼結構特點近年來，輕鋼結構建筑在國內因施工進度快（構件為預制，與土建基礎部分可同時施工）、外形色彩美觀、時尚、環保（拆除時較混凝土結構易處理）等得到較快發展。這種結構形式，大多采用的是焊接H型鋼制作而成。焊接H型鋼是由3塊一定規格尺寸的鋼板組焊而成，如圖31。兩塊翼板和腹板通過兩個T型接頭結合成整體。這種結構形式雖然簡單，但對外觀要求較高。因此，對焊接變形的控制、校正尤其重要。圖31 焊接H型鋼 H型鋼的制作要點：1 要求全焊透（熔透焊），無損檢測應達到GB11345之Ⅰ級標準。2 鋼梁連接板處的焊縫也是同樣的要求。3 翼緣板與腹板焊接后的角變形Δ≤3mm(國家標準Δ≤3mm)。 焊接過程中的難點：1 對于H型鋼的熔透焊（鋼板厚度δ=25mm）的焊接量非常大。2 在焊接中，容易出現以下幾種較難處理的變形（非對稱）：翼緣板與腹板焊接變形，見圖32；連接板與H型鋼焊接變形，見圖33。 圖32 翼緣板與腹板焊接變形 圖33 連接板與H型鋼焊接變形 產生變形原因產生變形的原因是焊接應力。金屬焊接是局部加熱、熔化的過程。焊縫加熱區受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態或加熱溫度不高狀態，因而對焊接區受熱母材的膨脹起約束作用， 焊接區因此受壓應力，而母材受拉應力。隨著電弧的前移，已完成的焊縫和熱影響區冷卻并收縮，而周圍的母材起約束其收縮作用。在這種作用下產生的是焊接應力，金屬冷卻后還存在焊接殘余應力。殘余應力（橫向、縱向及母材厚度方向）根據應力大小及構件的結構形式、約束程度的不同，產生的變形方向也不相同，因而產生變形結果也不相同。 焊接工藝分析 熔透焊（Ⅰ級）的難點：1 焊縫集中，鋼板較厚（δ=25mm）。2 位置狹小，不便操作。3 構件長，重量大，擺放、翻身較困難。 焊接工藝方案根據上述情況，工藝的制定主要是滿足焊透及焊后的變形控制。由于板厚按常規焊接，這樣的規格大多數采用K型坡口形式。這種坡口形式焊接的優點是：焊縫對稱，焊接填充量少，焊后的變形及整體側彎較小。但由于操作位置小，清根很難，內部質量很難保證。根據這樣的情況，技術人員制定了單面40176。～45176。的坡口，留鈍邊。采用CO2氣體保護焊填充、背面清根的工藝。 焊接工藝方法在操作過程中為防止變形（T型焊縫的角變形及整體構件側彎超差），各零件的尺寸要精確，在組對時要做到“頂緊”。由于焊縫交叉處40～50mm范圍內無法清根（碳弧氣刨、磨光機都因位置限制無法處理），因此在零件下料時4個角50mm范圍內短2mm組對時此處預留出2～3mm組對間隙， 選用CO2氣體保護焊，直接扎到根部，穿透能力強可保證焊透；由于是氣體保護，不易出現夾渣，同時受熱面積小，焊后的變形量也較小。為防止整體側彎和保證焊縫外形的美觀，構件要在專用平臺上焊接。所有的焊縫填充時不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置盡可能焊平角縫，少焊立縫。為加快施工進度，背面清根選擇在構件側立時，即一側焊接另一側清根同時進行。依據情況具體確定參數見表31。表31 CO2氣體保護焊參數表項目焊絲直徑（mm）焊接電流（A） 電弧電壓（V）CO2氣體保護焊180～20025～35 焊接變形控制與矯正前面從理論上表明焊接應力是產生焊接變形的原因，是焊接過程中不可避免的問題。消除焊接應力對于這種鋼結構件從經濟的角度是不可取的，解決的辦法通常有三種：一是預變形，對于結構簡單、零部件組合較單一的構件易采用；二是使之對稱變形，H型鋼焊接通常產生的角變形（對稱），用H型鋼矯直機可解決；三是變形后的矯正。對于前面提到的兩種變形（見圖3圖33）是處理較困難的變形。這些變形產生的原因，對于圖32的變形來說與焊接順序及兩側焊接線能量不均有關。這種變形一般采用火焰加熱方法矯正，對于個別變形量較大還需配千斤頂支撐。 表32 埋弧焊H型鋼焊接參數表板厚（mm）焊絲牌號及規格焊劑牌號焊接電流（A）電弧電壓（V）焊速（m/min）25 H08MnA，Ф5mm焊劑431730～75036～3818 采取的預防方法和產生的效果1 用兩面同時打底焊接，自動焊使用相同的焊接工藝參數。若使用手工焊可采用對稱的焊接順序，以及翼緣板固定在鋼平臺上施焊等。2 組對時采用預變形的方法來控制，見圖34（數字經實踐驗證效果理想，埋弧焊H型鋼焊接參數見表32）。對于圖33的變形，產生的原因是腹板與連接板要求焊透，焊接時熱量過大而產生的，這種變形產生后矯正較為困難。矯正的方法是采用火焰加熱（加熱區域見圖35涂黑處）。加熱的溫度應在正火溫度以內600～800。C，鋼板的外觀呈暗紅色。這種方法實際是將上、下翼緣板“烤短”（即使鋼板經加熱冷卻后收縮），因此，根據實際情況在下料預留焊接收縮余量時考慮進去收縮余量值一般根據經驗留取，也可以利用經驗公式計算。這種“烤短”方法雖然可行，但對操作工人的技術、經驗要求較高，況且非常費時、費氣（氧、乙炔）。如何控制這種變形，所采取的方法是在保證焊透的前提下，盡可能減小坡口角度。使用CO2氣體保護焊，挑選技術較好的焊工施焊，減少返修（清根）等來控制，此方法 鋼結構制作過程中取得較好的效果。 圖34 預變形法控制變形 圖35 矯正變形加熱區域第4章 H型鋼的應力與變形分析焊接時，由于局部高溫加熱而造成焊件上溫度分布不均勻，最終導致在結構內部產生了焊接應力與變形。 H型鋼焊接變形種類及影響因素由于H型鋼點固時的剛性較低又采用了大線能量焊接，H型鋼的焊接變形是嚴重的，而GB 50205295《鋼結構工程施工及驗收規范》中對H型鋼的幾何尺寸要求十分嚴格， 因此，嚴格控制焊接變形對于H型鋼的焊接非常重要。H型鋼的焊接變形主要是角變形、彎曲變形、扭曲變形等，如圖41 所示。1 角變形角變形的產生是由于焊接時溫度在翼板厚度方向分布不均引起的。控制方法主要是采用剛性固定措施，但在埋弧自動焊中不適合采用，因此，H型鋼的角變形一般是通過焊后的機械矯正來消除的。2 彎曲變形圖41 焊接變形形式彎曲變形是由于焊接時溫度在腹板上分布不均引起腹板的縱向收縮產生的。其控制方法是采取控制焊接順序和焊接線能量等措施。如采用對稱焊接，并保證各條焊縫線能量的一致。3 扭曲變形扭曲變形是由于工件裝配質量不好及焊接順序和焊接方向不當引起的，其控制方法是采取剛性固定并嚴格控制焊接順序和焊接方向。 H型鋼焊接應力與變形金屬焊接時在局部加熱、熔化過程中，焊縫區受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態或加熱溫度不高，因而對焊縫區的膨脹起約束作用。焊縫區產生塑性壓縮變形，冷卻后經過塑性壓縮的焊縫區由于金屬體積變小而產生了拉應力，而在該拉應力的作用下使相鄰焊縫兩側的母材金屬產生了壓應力，這兩種力就是我們常說的焊接應力。按焊縫殘余應力的分布方向我們可以把它分成三種：沿焊縫長度分布的縱向殘余應力σx，橫向分布的應力σy，厚度方向分布的σz。 縱向殘余應力該應力是由于焊縫的縱向收縮引起的，在焊縫區產生的是拉應力，母材區產生的為壓應力，該數值的大小取決于鋼材的塑性，鋼號越高其數值越大。另外在焊縫的引弧區和收弧區段數值較小，中間區段數值較大，其分布情況見圖42。圖42 縱向殘余應力σx分布示意圖由圖42 可以看出，縱向殘余應力在焊縫兩端由小到大變化，是過渡區，中間部分數值較為穩定。在該應力的作用下H型鋼會產生縱向收縮變形，計算公式如下: （41）式中的A為焊縫截面積（mm2）；A 為桿件截面積（mm2）；L 為桿件長度（mm）；L為縱向收縮量（mm）；K1為焊接方法、材料熱膨脹系數和多層焊層數有關的系數，對于不同焊接方法，系數 K1的數值不同，當用CO2焊時，K1=；當用埋弧焊時，K1=～；當用手工電弧焊時，K1=～。對焊接 H型鋼來講，由于四道主焊縫均偏離中性軸，因此任何一道焊縫的收縮都會產生撓度，由縱向收縮引起的撓度值 f(cm)的計算公式如下： （42） 式中的e為焊縫到構件中性軸的距離(cm )；L 為桿件長度(cm)；Aw為焊縫截面積(cm