【文章內(nèi)容簡介】 ？？市特種設(shè)備檢驗所監(jiān)檢人員： 日期：第五章 起重機金屬結(jié)構(gòu)制造基礎(chǔ)知識——焊接應(yīng)力與變形第一節(jié) 焊接應(yīng)力與變形的產(chǎn)生? 一、焊接應(yīng)力與變形的基本知識? 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，這種變化稱為物體的變形。? 彈性變形: 當(dāng)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(fù)原狀，這樣的變形稱為彈性變形。? 塑性變形: 當(dāng)外力或其他因素去除后變形仍然存在，物體不能恢復(fù)原狀，這樣的變形稱為塑性變形。?? 應(yīng)力? 物體受外力作用后所導(dǎo)致物體內(nèi)部之間的相互作用力稱為內(nèi)力。? 另外，在物理、化學(xué)或物理化學(xué)變化過程中，如溫度、金相組織或化學(xué)成分等變化時，在物體內(nèi)部也會產(chǎn)生內(nèi)力。? 作用在物體單位面積上的內(nèi)力叫做應(yīng)力。? 根據(jù)引起內(nèi)力原因的不同，可將應(yīng)力分為工作應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力。? 工作應(yīng)力是由外力作用于物體而引起的應(yīng)力；? 內(nèi)應(yīng)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(nèi)部的不均勻性變形而引起的應(yīng)力。? 焊接應(yīng)力與焊接變形? 焊接應(yīng)力是焊接過程中及焊接過程結(jié)束后，存在于焊件中的內(nèi)應(yīng)力。? 焊接變形是由焊接而引起的焊件尺寸的改變。? 三、焊接應(yīng)力與變形產(chǎn)生的原因? 焊件的不均勻受熱? （1）不受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形 其變形屬于自由變形，因此在桿件加熱過程中不會產(chǎn)生任何內(nèi)應(yīng)力，冷卻后也不會有任何殘余應(yīng)力和殘余變形。? （2）受約束的桿件在均勻加熱時的應(yīng)力與變形? 如果加熱溫度較高，達(dá)到或超過材料屈服點溫度時（T﹥TS=600），則桿件中產(chǎn)生壓縮塑性變形，內(nèi)部變形由彈性變形和塑性變形兩部分組成。當(dāng)溫度恢復(fù)到原始溫度時，彈性變形恢復(fù)，塑性變形不可恢復(fù)，可能出現(xiàn)以下三種情況：? ①如果桿件能充分自由收縮，那么桿件中只出現(xiàn)殘余變形而無殘余應(yīng)力；? ②如果桿件受絕對拘束，那么桿件中沒有殘余變形而存在較大的殘余應(yīng)力；? ③如果桿件收縮不充分，那么桿件中既有殘余應(yīng)力又有殘余變形。? （3）長板條中心加熱（類似于堆焊）引起的應(yīng)力與變形（4）長板條一側(cè)加熱（相當(dāng)于板邊堆焊）引起的應(yīng)力與變形? 焊縫金屬的收縮? 當(dāng)焊縫金屬冷卻、由液態(tài)轉(zhuǎn)為固態(tài)時，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。這將引起整個焊件的變形，同時在焊縫中引起殘余應(yīng)力。? 金屬組織的變化? 鋼在加熱及冷卻過程中發(fā)生金相組織的變化，這些組織的比體積不一樣，也會造成焊接應(yīng)力與變形。? 焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越大，焊接變形越小，焊接應(yīng)力越大；反之，焊件自身的剛性及受周圍的拘束程度越小，則焊接變形越大，而焊接應(yīng)力越小。? 剛性——是指焊件抵抗變形的能力。? 拘束——是指焊件周圍物體對焊接變形的約束。第二節(jié) 焊接殘余應(yīng)力及分布? 一、焊接殘余應(yīng)力 是焊件焊完冷卻后殘留在焊件內(nèi)的焊接應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的強度、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性等使用性能有影響。? 二、焊接殘余應(yīng)力的分布? 縱向殘余應(yīng)力σx的分布? 作用方向平行于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為縱向殘余應(yīng)力。? 橫向殘余應(yīng)力σy的分布? 垂直于焊縫軸線的殘余應(yīng)力稱為橫向殘余應(yīng)力。? （1）焊縫及其附近塑性變形區(qū)的縱向收縮引起的橫向殘余應(yīng)力σ?y 圖18a? （2）橫向收縮所引起的橫向殘余應(yīng)力σ??y? 總之，橫向殘余應(yīng)力的兩個組成部σ?y、σ??y同時存在，焊件中的橫向殘余應(yīng)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(yīng)力對焊接結(jié)構(gòu)的影響? 對焊接結(jié)構(gòu)強度的影響? 焊接殘余應(yīng)力的存在將明顯降低脆性材料結(jié)構(gòu)的靜載強度。? 對構(gòu)件加工尺寸精度的影響? 對受壓桿件穩(wěn)定性的影響? 對疲勞強度的影響? 四、減小焊接殘余應(yīng)力的措施? 設(shè)計措施? 1）盡量減少結(jié)構(gòu)上焊縫的數(shù)量和焊縫尺寸? 2）避免焊縫過分集中? 3）采用剛度較小的接頭形式? 工藝措施? （1）采用合理的裝配焊接順序和方向 ? 在一個平面上的焊縫，焊接時應(yīng)保證焊縫的縱向和橫向收縮均能比較自由，如圖120所示的拼板焊接，合理的焊接順序應(yīng)是圖120中的1~10，即先焊相互錯開的短焊縫，后焊直通長焊縫。收縮量最大的焊縫應(yīng)先焊。因為先焊的焊縫收縮時受阻較小，因而殘余應(yīng)力就比較小。如圖121所示的帶蓋板的雙工字梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)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。工作時受力最大的焊縫應(yīng)先焊。如圖122所示的大型工字梁，應(yīng)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(yù)先留出來的一段角焊縫3。? 焊接平面交叉焊縫時，在焊縫的交叉點易產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力。對接焊縫與角焊縫交叉的結(jié)構(gòu)。? （2）預(yù)熱法? （3）冷焊法 冷焊法是通過減少焊件受熱來減小焊接部位與結(jié)構(gòu)上其他部位間的溫度差。? （4）降低焊縫的拘束度? （5）加熱“減應(yīng)區(qū)”法 焊接時加熱那些阻礙焊接區(qū)自由伸縮的部位，使之與焊接區(qū)同時膨脹和同時收縮，起到減小焊接殘余應(yīng)力的作用。? 五、消除焊接殘余應(yīng)力的方法? 熱處理法 包括整體高溫回火和局部回火? （1）整體熱處理 是將整個構(gòu)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間（一般按每毫米板厚保溫2~4min，但總時間不少于30min），然后空冷或隨爐冷卻。? （2）局部熱處理? 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消除部分殘余應(yīng)力。? 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(yīng)力的作用。? 振動法? 第三節(jié) 焊接變形? 一、焊接變形的基本形式? 焊接變形在焊接結(jié)構(gòu)中的分布是很復(fù)雜的。按變形對整個焊接結(jié)構(gòu)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21? 二、矯正焊接變形的方法? 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。? 機械矯正法? 機械矯正法就是利用機器或工具來矯正焊接變形。? 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3組焊而成，板3均為85004000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：⑴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？⑵采用什么措施可減少焊接變形？⑶可能存在的焊接缺陷有哪些？（4）請畫出起重工字梁中間截面的應(yīng)力分布第六章 典型金屬結(jié)構(gòu)——橋式起重機橋架的制作工藝? 第一節(jié) 制造前的準(zhǔn)備? 一、進(jìn)廠原材料復(fù)檢? ? ? （外觀、尺寸、標(biāo)志的檢查）? ? （化學(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：? ~A6級起重機，當(dāng)板厚大于20mm時，鋼材牌號應(yīng)不低于Q235B；對A7~A8級起重機，鋼材牌號應(yīng)不低于Q235C。? ℃，應(yīng)選用Q235D或16Mn，且要求在20℃時的沖擊功不小于27J。這是因為? ①沸騰鋼脫氧不完全，氧能使鋼變脆；? ②內(nèi)部雜質(zhì)較高，成份偏析較大，因而沖擊值較低；? ③冷脆傾向和時效敏感性較大；? ④焊接性較差。? 三、鋼材預(yù)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(yīng)進(jìn)行除銹噴丸等預(yù)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(jié)構(gòu)件的承載能力，降低結(jié)構(gòu)的涂漆質(zhì)量，影響乙塊火焰切割和焊接質(zhì)量等。第二節(jié) 主梁的拼接與組裝一、橋架結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求，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.橋架最主要的受力元件是主梁。主梁的制造是橋架金屬結(jié)構(gòu)制造的關(guān)鍵, 主要控制：（1）上拱度： （～）S/1000。? （2）水平旁彎（向走臺側(cè)）：f=S２/2000? （規(guī)定向走臺側(cè)旁彎的原因是在制造橋架時，走臺側(cè)焊后有拉伸殘余應(yīng)力，當(dāng)運輸及使用過程中殘余應(yīng)力釋放后，導(dǎo)致兩主梁向內(nèi)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(cè)向彎曲，兩者疊加會造成過大的彎曲變形。當(dāng)兩梁向內(nèi)旁彎時，可能導(dǎo)致車輪與軌道咬合，使起重機不能正常工作。）? （3）腹板波浪變形規(guī)定，受壓區(qū)≤ ，受拉區(qū)≤ 1 .2δ。? （4）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(nèi)部有大量加筋板，加筋板的焊縫分布上下不均：? （1）橫向大筋板與下蓋板不焊接，? （2）小加筋全部連續(xù)角焊縫都在水平中心線以上， 事實：中心線以上焊縫數(shù)量多于中心線以下，這樣極易造成主梁下?lián)稀? 要求：分析并保證如何使下?lián)献钚。⑶夷茴A(yù)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(jù)。? 三、主梁制造工藝要點? ? 為避免應(yīng)力集中，翼板與腹板的拼接接頭不應(yīng)在同一截面上，錯開距離不得小于200mm；同時接頭不應(yīng)安排在梁的中心附近，一般應(yīng)距中心2m以上。? ? 筋板是一個長方形，長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，長度尺寸允許有稍大一些的誤差。筋板的四個角應(yīng)保證90176。，尤其是筋板與上蓋板接觸處的兩個角更應(yīng)嚴(yán)格保證直角。? ? 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形或正弦曲線形。～，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。腹板下料有兩種方法：? （1）腹板拱度曲線直接號料法? （2）樣板號料法? 、腹板對接焊縫焊接? （1）開坡口? 蓋板、腹板對接焊縫要求焊透，采取開坡口的方法，以增加熔深。板厚δ6mm時就要開坡口。? （2）板件拼接間隙和定位焊? ①板件拼接間隙過大，焊接時易產(chǎn)生燒穿、焊縫成形不佳的缺陷，同時焊接變形也較大。一般埋弧1mm，手工2mm。? ②定位焊的技術(shù)要求? 蓋板、腹板定位焊前要檢查一下板邊的直線度和預(yù)拱值，可用拉粉線或鋼絲線測量。? 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(jù)拼接鋼板定型的條件憑經(jīng)驗確定，通常長為20～40mm焊縫，間距在70～150mm范圍內(nèi)。? （3）引弧板和引出板? 由于埋弧焊和氣體保護(hù)焊的焊接速度快，引弧時焊件來不及達(dá)到局部的熱平衡，使引弧端的熔深較淺。 ? （4）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(hù)焊等。焊接方式可分為雙面焊和單面焊雙面成形。? （5）焊縫的余高? 焊縫余高不得超過國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0~3mm，余高越大，應(yīng)力集中系數(shù)越高，余高為零時，應(yīng)力集中消失。? 由余高帶來的應(yīng)力集中，對起重機這樣動載結(jié)構(gòu)的疲勞強度是十分不利的，? 余高越小越好，起重機結(jié)構(gòu)的焊縫余高應(yīng)小于2mm，重要的結(jié)構(gòu)應(yīng)削平余高。? ? （1）對接焊縫角變形的矯正? 蓋板、腹板拼接時應(yīng)先拼接寬度，然后再拼接長度。? 蓋板、腹板接長時，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(xiàn)角變形，可采取在焊縫處加墊用重砣壓制等方法矯正。? （2）焊接方向? 焊接方向?qū)附幼冃斡杏绊憽Ｖ本€型板件拼長對接時，翻個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(yù)定的腹板下料拱度曲線，也應(yīng)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。? （1）上翼板與筋板的定位組裝? 以上翼板為基準(zhǔn)，裝配時，采用在上翼板上的劃線定位的方式裝配筋板，用90176。角尺檢驗垂直度后進(jìn)行點固。? （2）筋板與上蓋板的焊接? 為減小梁的下?lián)献冃危b好筋板后應(yīng)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(yù)制旁彎，焊接方向應(yīng)由內(nèi)側(cè)向外側(cè)[見圖（a）]，以滿足一定旁彎的要求；? 如翼板預(yù)制有旁彎，則方向采用圖819（b）所示方向。? （3）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；? 2）然后用吊車將腹板吊起與翼板、筋板組裝，使腹板的跨度中心線對準(zhǔn)上翼板的跨度中心圖線；? 3）在跨中點定位焊；? 4）腹板上邊用安全卡1將腹板臨時緊固到大筋板上；? 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(dāng)壓下壓桿時，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。? （4） π形梁內(nèi)壁焊縫的焊接次序? 焊接π形梁內(nèi)壁焊縫時，針對焊接次序?qū)澢冃蔚挠绊?，考慮要使Ⅱ形梁外彎，應(yīng)先焊接Ⅱ形梁內(nèi)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形的，則焊接π形梁內(nèi)壁焊縫時應(yīng)考慮焊接主腹板內(nèi)壁長焊縫會產(chǎn)生較大的外彎，所以應(yīng)先