起重機金屬結構制造基礎知識——焊接應力與變形
第一節 焊接應力與變形的產(chǎn)生
一、焊接應力與變形的基本知識
1、彈性變形和塑性變形
變形: 物體在外力或溫度等因素的作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化，這種變化稱(chēng)為物體的變形。
彈性變形: 當使物體產(chǎn)生變形的外力或其他因素去除后變形也隨之消失，物體可恢復原狀，這樣的變形稱(chēng)為彈性變形。
塑性變形: 當外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復原狀，這樣的變形稱(chēng)為塑性變形。
2、應力
物體受外力作用后所導致物體內部之間的相互作用力稱(chēng)為內力。
另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過(guò)程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時(shí)，在物體內部也會(huì )產(chǎn)生內力。
作用在物體單位面積上的內力叫做應力。
根據引起內力原因的不同，可將應力分為工作應力和內應力。
工作應力是由外力作用于物體而引起的應力；
內應力是由物體的化學(xué)成分、金相組織及溫度等因素變化，造成物體內部的不均勻性變形而引起的應力。
3、焊接應力與焊接變形
焊接應力是焊接過(guò)程中及焊接過(guò)程結束后，存在于焊件中的內應力。
焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。
三、焊接應力與變形產(chǎn)生的原因
1、焊件的不均勻受熱
?。?）不受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應力與變形 其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過(guò)程中不會(huì )產(chǎn)生任何內應力，冷卻后也不會(huì )有任何殘余應力和殘余變形。
?。?）受約束的桿件在均勻加熱時(shí)的應力與變形
如果加熱溫度較高，達到或超過(guò)材料屈服點(diǎn)溫度時(shí)（T﹥TS=600），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當溫度恢復到原始溫度時(shí)，彈性變形恢復，塑性變形不可恢復，可能出現以下三種情況：
?、偃绻麠U件能充分自由收縮，那么桿件中只出現殘余變形而無(wú)殘余應力；
?、谌绻麠U件受絕對拘束，那么桿件中沒(méi)有殘余變形而存在較大的殘余應力；
?、廴绻麠U件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應力又有殘余變形。
?。?）長(cháng)板條中心加熱（類(lèi)似于堆焊）引起的應力與變形
?。?）長(cháng)板條一側加熱（相當于板邊堆焊）引起的應力與變形
2、焊縫金屬的收縮
當焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉為固態(tài)時(shí)，其體積要收縮。由于焊縫金屬與母材是緊密聯(lián)系的，因此，焊縫金屬并不能自由收縮。這將引起整個(gè)焊件的變形，同時(shí)在焊縫中引起殘余應力。
3、金屬組織的變化
鋼在加熱及冷卻過(guò)程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會(huì )造成焊接應力與變形。
4.焊件的剛性和拘束
焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍酱?，焊接變形越小，焊接應力越大；反之，焊件自身的剛性及受周?chē)木惺潭仍叫?，則焊接變形越大，而焊接應力越小。
剛性——是指焊件抵抗變形的能力。
拘束——是指焊件周?chē)矬w對焊接變形的約束。
第二節 焊接殘余應力及分布
一、焊接殘余應力
是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內的焊接應力，焊接殘余應力對焊接結構的強度、耐蝕性和尺寸穩定性等使用性能有影響。
二、焊接殘余應力的分布
1、縱向殘余應力σx的分布
作用方向平行于焊縫軸線(xiàn)的殘余應力稱(chēng)為縱向殘余應力。
2、橫向殘余應力σy的分布
垂直于焊縫軸線(xiàn)的殘余應力稱(chēng)為橫向殘余應力。
?。?）焊縫及其附近塑性變形區的縱向收縮引起的橫向殘余應力σ?y 圖1-8a
?。?）橫向收縮所引起的橫向殘余應力σ??y
總之，橫向殘余應力的兩個(gè)組成部σ?y、σ??y同時(shí)存在，焊件中的橫向殘余應力σy是由σ?y、σ??y合成的，但它的大小要受σs的限制。
三、焊接殘余應力對焊接結構的影響
1、對焊接結構強度的影響
焊接殘余應力的存在將明顯降低脆性材料結構的靜載強度。
2、對構件加工尺寸精度的影響
3、對受壓桿件穩定性的影響
4、對疲勞強度的影響
四、減小焊接殘余應力的措施
1、設計措施
1）盡量減少結構上焊縫的數量和焊縫尺寸
2）避免焊縫過(guò)分集中
3）采用剛度較小的接頭形式
2、工藝措施
?。?）采用合理的裝配焊接順序和方向
在一個(gè)平面上的焊縫，焊接時(shí)應保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖1-20所示的拼板焊接，合理的焊接順序應是圖1-20中的1~10，即先焊相互錯開(kāi)的短焊縫，后焊直通長(cháng)焊縫。
收縮量最大的焊縫應先焊。
因為先焊的焊縫收縮時(shí)受阻較小，因而殘余應力就比較小。如圖1-21所示的帶蓋板的雙工字梁結構，應先焊蓋板上的對接焊縫1，后焊蓋板與工字梁之間的角焊縫2，原因是對接焊縫的收縮量比角焊縫的收縮量大。
工作時(shí)受力最大的焊縫應先焊。如圖1-22所示的大型工字梁，應先焊受力最大的翼板對接焊縫1，再焊腹板對接焊縫2，最后焊預先留出來(lái)的一段角焊縫3。
焊接平面交叉焊縫時(shí)，在焊縫的交叉點(diǎn)易產(chǎn)生較大的焊接殘余應力。
對接焊縫與角焊縫交叉的結構。
?。?）預熱法
?。?）冷焊法 冷焊法是通過(guò)減少焊件受熱來(lái)減小焊接部位與結構上其他部位間的溫度差。
?。?）降低焊縫的拘束度
?。?）加熱“減應區”法 焊接時(shí)加熱那些阻礙焊接區自由伸縮的部位，使之與焊接區同時(shí)膨脹和同時(shí)收縮，起到減小焊接殘余應力的作用。
五、消除焊接殘余應力的方法
1、熱處理法 包括整體高溫回火和局部回火
?。?）整體熱處理 是將整個(gè)構件緩慢加熱到一定的溫度（低碳鋼為650℃），并在該溫度下保溫一定的時(shí)間（一般按每毫米板厚保溫2~4min，但總時(shí)間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。
?。?）局部熱處理
2、機械拉伸法
在壓力容器制造的最后階段，通常要進(jìn)行水壓試驗，和起重機的靜載試驗，其目的之一也是利用加載來(lái)消除部分殘余應力。
4、錘擊焊縫
錘擊焊縫，可使焊縫金屬產(chǎn)生延伸變形，能抵消一部分壓縮塑性變形，起到減小焊接殘余應力的作用。
5、振動(dòng)法
第三節 焊接變形
一、焊接變形的基本形式
焊接變形在焊接結構中的分布是很復雜的。按變形對整個(gè)焊接結構的影響程度可將焊接變形分成局部變形和整體變形；五種基本變形形式：收縮變形、角變形、彎曲變形、波浪變形和扭曲變形。插[1]表2-1
二、矯正焊接變形的方法
1、手工矯正法
手工矯正法就是利用錘子、大錘等工具錘擊焊件的變形處。
2、機械矯正法
機械矯正法就是利用機器或工具來(lái)矯正焊接變形。
3、火焰加熱矯正法
火焰加熱矯正法就是利用火焰對焊件進(jìn)行局部加熱，使焊件產(chǎn)生新的變形去抵消焊接變形。
舉例：起重工字梁由板1、2、3組焊而成，板1、2、3均為-8×500×4000的鋼板，要將它們組焊成截面為下圖所示的工字梁，焊接次序是，先將板2和板3 組焊后，再與1組焊。請問(wèn)：
?。?）組焊完畢后，該工字梁截面和縱向可能發(fā)生什么樣的變形？
?。?）采用什么措施可減少焊接變形？
?。?）可能存在的焊接缺陷有哪些？
?。?）請畫(huà)出起重工字梁中間截面的應力分布
典型金屬結構——橋式起重機橋架的制作工藝
第一節 制造前的準備
一、進(jìn)廠(chǎng)原材料復檢
1.入庫前應進(jìn)行質(zhì)量證明書(shū)檢查
2.實(shí)物檢查
?。ㄍ庥^(guān)、尺寸、標志的檢查）
3.理化性能測試
?。ɑ瘜W(xué)成分、機械性能、工藝性能、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級起重機，當板厚大于20mm時(shí)，鋼材牌號應不低于Q235-B；對A7~A8級起重機，鋼材牌號應不低于Q235-C。
2.環(huán)境溫度低于-20℃，應選用Q235-D或16Mn，且要求在-20℃時(shí)的沖擊功不小于27J。
3.嚴禁在低溫下使用沸騰鋼。這是因為
?、俜序v鋼脫氧不完全，氧能使鋼變脆；
?、趦炔侩s質(zhì)較高，成份偏析較大，因而沖擊值較低；
?、劾浯鄡A向和時(shí)效敏感性較大；
?、芎附有暂^差。
三、鋼材預處理
熱軋鋼材表面通常有一層氧化皮，呈灰黑色，覆蓋于鋼材表面，應進(jìn)行除銹噴丸等預處理，并進(jìn)行防銹處理。通常采用的防銹底漆有703環(huán)氧脂鐵紅和無(wú)機硅酸鋅底漆等。
銹是一種有氧化物和水分子的物質(zhì)。銹和氧化物的危害有減弱結構件的承載能力，降低結構的涂漆質(zhì)量，影響乙塊火焰切割和焊接質(zhì)量等。
第二節 主梁的拼接與組裝
一、橋架結構特點(diǎn)及技術(shù)要求
1.橋式起重機橋架常見(jiàn)的結構形式
2.箱形橋式起重機的橋架結構如圖8-14所示，它是由主梁（或桁架）、欄桿（或輔助桁架）、端梁、走臺（或水平桁架）、軌道及操縱室等組成.
3.主梁的主要技術(shù)要求
橋架最主要的受力元件是主梁。主梁的制造是橋架金屬結構制造的關(guān)鍵, 主要控制：
?。?）上拱度： （0.9～1.4）S/1000。
?。?）水平旁彎（向走臺側）：f=S２/2000
?。ㄒ幎ㄏ蜃吲_側旁彎的原因是在制造橋架時(shí)，走臺側焊后有拉伸殘余應力，當運輸及使用過(guò)程中殘余應力釋放后，導致兩主梁向內旁彎；而且主梁在水平慣性載荷作用下，按剛度條件允許有一定側向彎曲，兩者疊加會(huì )造成過(guò)大的彎曲變形。當兩梁向內旁彎時(shí)，可能導致車(chē)輪與軌道咬合，使起重機不能正常工作。）
?。?）腹板波浪變形規定，受壓區≤ 0.7δ，受拉區≤ 1 .2δ。
?。?）上蓋板水平度≤B/250，腹板垂直度≤H/200，B為蓋板寬度，H為梁高。
二、主梁工藝分析
由于主梁內部有大量加筋板，加筋板的焊縫分布上下不均：
?。?）橫向大筋板與下蓋板不焊接，
?。?）小加筋全部連續角焊縫都在水平中心線(xiàn)以上， 事實(shí)：中心線(xiàn)以上焊縫數量多于中心線(xiàn)以下，這樣極易造成主梁下?lián)稀?br>
要求：分析并保證如何使下?lián)献钚?，并且能預制上撓和造成一定旁彎（在焊接走臺件之前）則是制定工藝的依據。
三、主梁制造工藝要點(diǎn)
1.蓋板和腹板對接焊工藝
為避免應力集中，翼板與腹板的拼接接頭不應在同一截面上，錯開(kāi)距離不得小于200mm；同時(shí)接頭不應安排在梁的中心附近，一般應距中心2m以上。
2.筋板的制造
筋板是一個(gè)長(cháng)方形，長(cháng)筋板中間一般也有減輕孔。由于筋板尺寸影響到裝配質(zhì)量，要求其寬度差只能小于1mm左右，長(cháng)度尺寸允許有稍大一些的誤差。筋板的四個(gè)角應保證90°，尤其是筋板與上蓋板接觸處的兩個(gè)角更應嚴格保證直角。
3.腹板上拱度的制備
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拋物線(xiàn)形或正弦曲線(xiàn)形。腹板上拱值規定為0.9～1.4S/1000，考慮氣割、焊接電流、焊接速度、操作者技術(shù)程度等因素影響，多取1.4S/1000。腹板下料有兩種方法：
?。?）腹板拱度曲線(xiàn)直接號料法
?。?）樣板號料法
4.蓋板、腹板對接焊縫焊接
?。?）開(kāi)坡口
蓋板、腹板對接焊縫要求焊透，采取開(kāi)坡口的方法，以增加熔深。板厚δ>6mm時(shí)就要開(kāi)坡口。
?。?）板件拼接間隙和定位焊
?、侔寮唇娱g隙過(guò)大，焊接時(shí)易產(chǎn)生燒穿、焊縫成形不佳的缺陷，同時(shí)焊接變形也較大。一般埋弧1mm，手工2mm。
?、诙ㄎ缓傅募夹g(shù)要求
蓋板、腹板定位焊前要檢查一下板邊的直線(xiàn)度和預拱值，可用拉粉線(xiàn)或鋼絲線(xiàn)測量。
定位焊焊肉要比正式焊縫小，焊縫質(zhì)量同正式焊縫，不得存在夾渣、裂紋、未焊透等缺陷，定位焊的間距，在根據拼接鋼板定型的條件憑經(jīng)驗確定，通常長(cháng)為20～40mm焊縫，間距在70～150mm范圍內。
?。?）引弧板和引出板
由于埋弧焊和氣體保護焊的焊接速度快，引弧時(shí)焊件來(lái)不及達到局部的熱平衡，使引弧端的熔深較淺。
?。?）對接焊縫的焊接
主梁的蓋板、腹板的對接焊縫要求焊透以保證為等強度連接。焊接方法可用手工焊、埋弧焊和氣體保護焊等。焊接方式可分為雙面焊和單面焊雙面成形。
?。?）焊縫的余高
焊縫余高不得超過(guò)國家標準規定的0~3mm，余高越大，應力集中系數越高，余高為零時(shí)，應力集中消失。
由余高帶來(lái)的應力集中，對起重機這樣動(dòng)載結構的疲勞強度是十分不利的，
余高越小越好，起重機結構的焊縫余高應小于2mm，重要的結構應削平余高。
5.對接焊縫變形的控制
?。?）對接焊縫角變形的矯正
蓋板、腹板拼接時(shí)應先拼接寬度，然后再拼接長(cháng)度。
蓋板、腹板接長(cháng)時(shí)，為防止對接板件角變形，可在待焊接口下面加墊形成反變形，然后焊接。采用這種方法焊后可以使板件平直。
如果焊后出現角變形，可采取在焊縫處加墊用重砣壓制等方法矯正。
?。?）焊接方向
焊接方向對焊接變形有影響。直線(xiàn)型板件拼長(cháng)對接時(shí)，翻個(gè)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，為不改變預定的腹板下料拱度曲線(xiàn)，也應采取上述的焊接方向。
四、 π形梁的組裝與焊接
π形梁由上翼板、腹板和筋板組成。
?。?）上翼板與筋板的定位組裝
以上翼板為基準，裝配時(shí)，采用在上翼板上的劃線(xiàn)定位的方式裝配筋板，用90°角尺檢驗垂直度后進(jìn)行點(diǎn)固。
?。?）筋板與上蓋板的焊接
為減小梁的下?lián)献冃?，裝好筋板后應進(jìn)行筋板與上翼板焊縫的焊接。為防止變形，如果翼板未預制旁彎，焊接方向應由內側向外側[見(jiàn)圖（a）]，以滿(mǎn)足一定旁彎的要求；
如翼板預制有旁彎，則方向采用圖8-19（b）所示方向。
?。?）組裝腹板
1）首先要求在上翼板和腹板上分別劃出跨度中心線(xiàn)；
2）然后用吊車(chē)將腹板吊起與翼板、筋板組裝，使腹板的跨度中心線(xiàn)對準上翼板的跨度中心圖線(xiàn)；
3）在跨中點(diǎn)定位焊；
4）腹板上邊用安全卡1將腹板臨時(shí)緊固到大筋板上；
5）可在翼板底下打楔子使上翼板與腹板靠緊；
6）通過(guò)平臺孔安放溝槽限位板3，斜拉壓桿2，并注意壓桿要放在筋板處。當壓下壓桿時(shí)，壓桿產(chǎn)生的水平力使下部腹板靠緊筋板。為了使上部腹板與筋板靠緊，可用專(zhuān)用夾具式腹板裝配胎夾緊。
7）由跨中組裝后定位焊至腹板一端，然后用墊塊墊好，再裝配定位焊另一端腹板。
?。?）π形梁內壁焊縫的焊接次序
焊接π形梁內壁焊縫時(shí)，針對焊接次序對彎曲變形的影響，考慮要使Ⅱ形梁外彎，應先焊接Ⅱ形梁內腹板焊縫，后焊接外腹板焊縫。
對偏軌箱形主梁要求主梁是直線(xiàn)形的，則焊接π形梁內壁焊縫時(shí)應考慮焊接主腹板內壁長(cháng)焊縫會(huì )產(chǎn)生較大的外彎，所以應先焊接副腹板焊縫，后焊接主腹板焊縫。
五、主梁整體組裝焊接
1. π形梁組裝定位焊下蓋板前的準備
?。?）在制定主梁的工藝規程時(shí)，除要給出腹板下料的預制拱（翹）度數值外，還要給出π形梁組裝下蓋板后的拱（翹）度值，以及單根主梁焊成后（未焊走臺和軌道壓板）的拱（翹）度值。
?。?）定位焊下蓋板之前，應首先將π形梁立起,檢查π形梁的上拱度和水平彎曲，然后檢查下蓋板的水平彎曲，應使下蓋板與π形梁的水平彎曲方向一致。
?。?）如果發(fā)現某項指標超差，應采取適應措施進(jìn)行調整。
2.定位裝配下蓋板
?。?）裝配時(shí)先在下翼板上劃出腹板的位置線(xiàn)，將Ⅱ形梁吊裝在下翼板上，
?。?）兩端用雙頭螺桿將其壓緊固定（見(jiàn)圖8-22）。
?。?）然后用水平儀和線(xiàn)錘檢驗梁中部和兩端的水平和垂直度及拱度，如有傾斜或扭曲時(shí)，用雙頭螺桿單邊拉緊。
?。?）下蓋板與腹板的間隙
3.焊接主梁的四條縱向角焊縫
當拱度不夠時(shí)，應先焊下翼板左右兩條縱縫；拱度過(guò)大時(shí)，應先焊上翼板左右兩條縱縫。
當采用焊條電弧時(shí)，應采用對稱(chēng)的焊接方法，即把箱形梁平放在支架上，由四名焊工同時(shí)從兩側的中間分別向梁的兩端對稱(chēng)焊接，焊完后翻面，以同樣的方式焊接另外一邊的兩條縱縫。
采用自動(dòng)焊焊接四條縱縫時(shí)，可采用如下圖所示的焊接方式。
圖（a）所示為“船形”位置單機頭焊，主梁不動(dòng)，靠焊接小車(chē)移動(dòng)完成焊接工作。
平焊位置可采用雙機頭焊[見(jiàn)圖(b)、(c)]，其中圖(b)所示為靠移動(dòng)工件完成焊接，圖(c)所示為通過(guò)機頭移動(dòng)來(lái)完成焊接操作。
六、主梁的矯正
箱形主梁裝焊完畢后進(jìn)行檢查，每根箱形梁在制造時(shí)均應達到技術(shù)條件的要求，如果變形超過(guò)了規定值，應進(jìn)行矯正。矯正時(shí)，應根據變形情況選擇好加熱的部位與加熱方式，一般采用火焰矯正法。
第三節 橋架組裝
一、橋架組裝焊接的工藝要求
1.作業(yè)場(chǎng)地的選擇
只要主梁有溫度差存在，就會(huì )有拱（翹）度的變化或水平彎曲（旁彎）的變化，箱形梁構成的橋架應選擇在廠(chǎng)房?jì)冉M裝焊接。橋架的檢測應在早、晚或夜間進(jìn)行為好。
2.墊架位置選擇
由于自重對主梁拱度有影響，主梁墊架位置應選擇在主梁的跨端或接近于跨端的位置。起重量較小的橋架在最后測量調整時(shí)應盡量墊到端梁處。
3.橋架組裝基準
為使橋架安裝車(chē)輪后能正常運行，四組彎板應在同一平面內。組裝時(shí)應使它們在同一水平面內，以這一水平面為組裝調整橋架各部的基準?？纱┻^(guò)端梁上蓋板的吊裝孔立T形標尺，用水平儀測量調整。
4.為減小橋架整體焊接變形，在橋架組裝前應焊完所有部件本身的焊縫，不要等到整體組裝后再補焊。
二、橋架組裝焊接的工藝要點(diǎn)
1.主、端梁組裝焊接
?。?）兩根主梁擺放在墊架上。在主梁的上蓋板中心線(xiàn)處找出兩主梁的跨度中心和跨端基準點(diǎn)，按技術(shù)要求調整各部件尺寸。
?。?）端梁與主梁焊接時(shí)將使端梁兩端向內彎而使橋架跨度縮短，故橋架組裝時(shí)應預先使端梁兩端要外彎，且跨度要有加大量。
?。?）為減小焊接變形和焊接應力，應先焊上蓋板焊縫，再焊下蓋板焊縫，然后焊連接板焊縫；先焊外側焊縫，后焊內側焊縫。各部焊接次序見(jiàn)圖。
2.組裝焊接走臺
?。?）檢測調整兩主梁的水平彎曲。偏軌箱形梁或桁架還要在離主梁兩端各1/3處上、下定位焊拉筋。
?。?）為減小橋架的整體變形，走臺的斜撐與連接板要按圖紙尺寸預先裝配焊接成組件，再進(jìn)行橋架組裝焊接。
?。?）按圖紙尺寸劃走臺的定位線(xiàn)。走臺應和主梁上蓋板平行。
?。?）裝配橫向水平角鋼。用水平尺找正，使外端略高于水平線(xiàn),定位焊于主梁腹板上。然后組裝定位焊斜撐組件，再組裝定位焊走臺邊角鋼。走臺邊角鋼應具有與走臺相同的上拱度。
?。?）走臺的裝配與焊接
?、僮吲_板應矯平，然后組裝定位焊在走臺上。要求先焊走臺板與角鋼連接的縱向焊縫，后焊橫向走臺板焊縫，以減小走臺板的波浪變形和內應力。
?、谡麄€(gè)走臺處于定位焊連接狀態(tài)，水平剛性較小。應先焊接主梁水平外彎大的一側走臺，后焊接主梁水平外彎小的一側走臺。
?、蹫闇p小焊接走臺時(shí)使主梁下?lián)?應先焊接走臺下部焊縫，后焊接走臺上部焊縫。
3.組裝焊接軌道壓板
?。?）5～30t通用橋式起重機正軌箱形在焊接軌道壓板前主梁上拱度f(wàn)
?。?）偏軌箱形梁焊接軌道壓板還會(huì )產(chǎn)生主梁外彎，焊前應將兩根主梁用角鋼拉起來(lái)。
?。?）小車(chē)軌道應平直，軌道與橋架組裝，應預先在承軌梁上劃出定位線(xiàn)，小車(chē)軌道組裝時(shí)，使軌底與蓋板接觸，然后定位焊軌道壓板。
?。?）為使主梁受熱均勻，從而使下?lián)锨€(xiàn)對稱(chēng)，可由多名焊工沿跨度均勻分布，同時(shí)焊接。
?。?）橋式起重機橋架組裝焊接后應全面檢測。
