焊接技术与自动化

焊接技术与自动化 山东华宇职业技术学院 山东华宇职业技术学院 摘要 焊接是钢结构的主要连接方法，在建筑钢结构的建设中发挥了重要的作用。 焊接作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。目前，钢结构已在厂房建筑中得到广泛的应用。而钢结构厂房的主要构件是焊接H型钢柱、梁、撑。然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性 造成直接经济损失。特别是在大型钢结构能，如果严重的话甚至会导致焊件报废，给企业 件的焊接作业中，这一问题表现得尤其突出。有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量，降低企业生产成本。 关键词:钢结构;焊接; 施工 文明施工目标施工进度表下载283施工进度表下载施工现场晴雨表下载施工日志模板免费下载 山东华宇职业技术学院 目录 1、焊接应力及变形??????????????????????????????????????????????????2 一、焊接应力与变形的基本知识??????????????????????????????????????????????????2 二、焊接应力及变形的原因??????????????????????????????????????????????????????2 三、控制、减小与消除的方法?????????????????????????????????????????????????????3 2、焊接结构的备料及成型???????????????????????????????????????3 一、钢材的矫正与预处理????????????????????????????????????????????????????????3 二、画线、放样、下料与成型?????????????????????????????????????????????????????5 3、焊接结构的装配 ????????????????????????????????????????????????6 一、装配工艺概述 ???????????????????????????????????????????????????????????6 二、装配中的测量??????????????????????????????????????????????????????????????8 三、装配用工夹具及设备???????????????????????????????????????????????????????11 四、装配的基本方法???????????????????????????????????????????????????????????13 五、装配工艺过程的制定及典型结构件的装配?????????????????????????????????????14 4、焊接结构的焊接工艺?????????????????????????????????????????17 一、焊接工艺制订的内容和原则?????????????????????????????????????????????????17 二、焊接方法的选择 ??????????????????????????????????????????????????????????17 三、焊接工艺参数的选定???????????????????????????????????????????????????????17 四、确定合理的焊接热参数?????????????????????????????????????????????????????18 总结 ????????????????????????????????????????????????????????????????????19 参考文献????????????????????????????????????????????????????????????????????20 1 山东华宇职业技术学院 、焊接应力及变形 1 一、焊接应力与变形的基本知识 1、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 2、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 3、焊接应力与变形: 焊接应力是焊接过程中及焊接过程结束后，存在于韩建中的内应力。 焊接变形是由焊接而引起的焊件尺寸的改变 二、焊接应力及变形的原因 焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形;焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观，因此是设计和制造中必须考虑的问题。 2 山东华宇职业技术学院 钢构件在未受荷载前，由于施焊电弧高温引起的变形为焊接变形。包括缩短、角度改变、弯曲变形等。 三、控制、减小与消除的方法 )热处理法(局部与整体热处理)(2)机械拉伸法 减小变形的主要方法有:(1 (3)锤击焊缝(4)振动法 减小变形的主要方法有:(1)选择合理的焊接顺序(2)尽可能用对称焊缝(如工字形截面)(3)采用反变形法 2、采用小锤锤击中间焊道 3、焊接过程中控制变形的主要措施:1、采用反变形 采用合理的焊接顺序 4、利用工卡具刚性固定 5、分析回弹常数。 2、焊接结构的备料及成型 一、钢材的矫正与预处理 1变形原因 1)钢材的初始变形。轧制及人为因素等原因，常存在初始变形，尤其是冷弯薄壁型钢，因此在钢结构构件制作前必须认真检查材料，矫正变形，不允许超出钢材规定的变形范围。 2)加工制作中的变形。冷加工产生的变形;制作组装带来的变形;焊接变形 3)运输及安装过程中产生的变形。运输不小心、安装工序不合理、吊点位置不当、临时支撑不足、堆放场地不平等均会使结构构件产生变形。 4)使用过程中产生的变形 2、矫正原理及方法 1)矫正原理:通过对变型的钢材局部烤火加热，该处的金属发生膨胀而受到周围冷金属的限制而被压缩塑性变形。普通钢材的线膨胀系数为12.90×10-6mm/mm.?，钢材受热线膨胀率向各方向伸长.由于周围物体对火焰加热处物体的限制,受热物体受到压缩,当冷却时产生很大的冷缩应力，加热区金属冷却后，钢材就会比原来的尺寸有所缩短、减少，对周围产生拉应力而发生预期的变形。从而达到矫正变形的目的。它是利用金属材料热胀冷缩的特性进行的一种反变形。火焰校正，一方面是恢复变形，另一方面是释放焊接残余应力，矫正的方法都是设法造成新的变形来达到抵消已经发生的变形 2)矫正方法: 3 山东华宇职业技术学院 <一>冷加工法矫正变形 冷加工法是用人力或机械力矫正变形，适用于尺寸较小或变形较小的构件 1、手工矫正。采用大锤和平台为工具，用锤击使金属延伸，达到矫正变形的目的;适合于尺寸较小的零件的局部变形矫正，也可作为机械矫正和热矫正的辅助矫正方法。 2、机械矫正。采用简单弓架、千斤顶和各种机械来矫正变形 <二>热加工法矫正变形 1、采用乙炔气和氧气混合燃烧火焰为热源，对变形结构构件加热，使其产生新的变形，来抵消原有的变形。正确使用火焰和温度是其关键。加热方式有点状加热、线状加热(直线、曲线、环线、平行线和网线)和三角形加热。 2、箱形梁侧弯的变形矫正。用H01—40型长炬烤枪，4号烤嘴，碳化焰。温度可达2700ºC。碳化焰是氧与乙炔的体积比(O2/C2H2)为0.8,0.9;长矩烤枪利用氧与乙炔混合气体点燃后燃烧形成的火焰，调节氧和乙炔的混合比例，加热的深度要大一些，速度要慢一些，因为这种加热的目的不是使钢板面翘起，而是要使上、下盖板侧面收缩。采取碳化焰比较合适，碳化焰的焰芯、内焰和外焰三部分均很明显,整个火焰长而软,并且随着乙炔量的增多而更长、更柔软，碳化焰的焰芯呈蓝白色,内焰呈淡白色，碳化焰的外焰特别长,呈桔红色。 在侧弯的凸出侧，均匀地选定加热的点数和加热的部位。用两把长炬烤枪在上、下盖板上同时进行。钢板表面的加热温度达到550,580ºC，金属呈深褐红色。 需要两种加热部位。一种是延侧弯的凸出侧的翼缘板的侧沿边进行加热。二是在上、下盖板面凸出侧1/2处，分段、三角形加热，从中心向两侧扩展。 1) 边缘加热法:箱形截面产生侧变形，加热上、下盖板一侧边缘即可矫正。在侧弯的凸出侧的上下盖板(翼缘板)的侧沿边上进行加热。这种加热是直线形，直接烤凸出侧边即可。 2) 采用三角形加热法:三角形加热的面积较大，因而收缩量较大，常用于矫正厚度较大、刚度较强构件的变曲变形。用石笔在上、下盖板上凸出侧分段标出预加热的位置。加热位置分布在外凸的一侧，加热三角形的底边在被矫正的上、下盖板边缘，顶尖朝内，三角形底边宽度根据点数来确定。用两个以上长炬烤枪同时、同步、对称加热。速度慢，加热时间长，为了使加热深度大一些。使平板产生侧向反变形。达到矫正的目的。而又减少由于盖板加热又引起上拱或下挠的变形。(图4)一次矫正时要留有余地，待冷却后才能测准反变形量,如果没达到标 4 山东华宇职业技术学院 准，可参考前一次的矫正的情况重新选取加热点矫正，直至矫正达到要求。但不可矫正过火。 图4 箱形梁侧弯的变形矫正 二、画线、放样、下料与成型 放样和下料是钢结构及其它金属结构件的第一道工序，它对保证产品质量有着直接影响。因此，放样和下料是钢结构工作中一项十分重要而又细致的工作。由于放样和下料直接反映了构件(零部件)的平面图形和真实尺寸，减少了一些繁琐的计算工作。 1、放样基准 放样前首先应仔细研究图样，找出放样基准，确定哪些零件尺寸可按已知尺寸直接划出，哪些尺寸要按相关连接条件确定划出。放样基准一般按下列三种类型选择: A) 以两个互相垂直的平面为基准 5 山东华宇职业技术学院 B) 以两条中心线为基准 C) 以一个平面和一条中心线为基准 2、放样方法与程序 )展开放样3)光学放样 方法:1)实尺放样2 程序:1)结构处理又称结构放样，它是根据图样进行工艺处理的过程。2)画基本线型是在结构处理的基础上，确定放样基准和画出工件的结构轮廓。3)展开是在画基本线型的基础上，对工件上不能反应实行的立体部分，运用展开的基本方法将构件的表面摊开在平面上，求出其实形的过程。 3、下料 下料使用各种方法将毛坯或工件从原料上分离下来的工序，常使用:?锯削?砂轮切割?剪切?冲裁?热切割等方式 3、焊接结构的装配 装配与焊接是焊接结构生产过程中的核心，直接关系到焊接结构的质量和生产效率。同一种焊接结构，由于其生产批量、生产条件不同，或由于结构形式不同，可有不同的装配方式、不同的焊接工艺、不同的装配—焊接顺序，也就会有不同的工艺过程。本章重点介绍装配与焊接工艺方法。 。 一、装配工艺概述 装配方式可按结构类型及生产批量、工艺过程、工艺方法及工作地点来分类。 1、按结构类型及生产批量的大小分类 1).单件小批量生产 单件小批量生产的结构经常采用划线定位的装配方法。该方法所用的工具、设备比较简单，一般是在装配台上进行。划线法装配工作比较繁重，要获得较高的装配精度，要求装配工人必须具有熟练的操作技术。 成批生产 2). 成批生产的结构通常在专用的胎架上进行装配。胎架是一种专用的工艺装备，上面有定位器、夹紧器等，具体结构是根据焊接结构的形状特点设计的。 2、按工艺过程分类 1).由单独的零件逐步组装成结构 对结构简单的产品，可以是一次装配完毕后进行焊接;当装配复杂构件时，大多 6 山东华宇职业技术学院 数是装配与焊接交替进行。 2).由部件组装成结构 装配工作是将零件组装成部件后，再由部件组装成整个结构并进行焊接。 装配的基本条件 在金属结构装配中，将零件装配成部件的过程称为部件装配;将零件或部件总装成产品则称为总装配。无论何种装配方案都需要对零件进行定位、夹紧和测量，这就是装配的三个基本条件。 1).定位 定位就是确定零件在空间的位置或零件间的相对位置。 图1所示为在平台上装配工字梁。 2).夹紧 夹紧就是借助通用或专用夹具的外力将已定位的零件加以固定的过程。 3).测量 测量是指在装配过程中，对零件间的相对位置和各部件尺寸进行一系列的技术测量，从而鉴定定位的正确性和夹紧力的效果，以便调整。 上述三个基本条件是相辅相成的，定位是整个装配工序的关键，定位后不进行夹紧就难以保证和保持定位的可靠与准确;夹紧是在定位的基础上的夹紧，如果没有定位，夹紧就失去了意义;测量是为了保证装配的质量，但在有些情况下可以不进行测量(如一些胎夹具装配，定位元件定位装配等)。 定位原理及零件的定位 1).定位原理 7 山东华宇职业技术学院 零件在空间的定位是利用六点定位法则进行的，即限制每个零件在空间的六个自由度，使零件在空间有确定的位置，这些限制自由度的点就是定位点。 2).定位基准及其选择 (1)定位基准 在结构装配过程中，必须根据一些指定的点、线、面来确定零件或部件在结构中的位置，这些作为依据的点、线、面，称为定位基准。 图2所示为容器上各接口间的相对位置，是以轴线和组装面M为定位基准确定的。装配接口?、?、?在筒体上的相对高度是以M面为定位基准而确定的;各接口的横向定位则以筒体轴线为定位基准。 (2)定位基准的选择 选择定位基准时，应着重考虑以下几点: 1)装配定位基准尽量与设计基准重合，这样可以减少基准不重合所带来的误差。 2)同一构件上与其它构件有连接或配合关系的各个零件，应尽量采用同一定位基准，这样能保证构件安装时与其它构件的正确连接和配合。 3)应选择精度较高，又不易变形的零件表面或边棱作定位基准，这样能够避免由于基准面、线的变形造成的定位误差。 4)所选择的定位基准应便于装配中的零件定位与测量。 二、装配中的测量 测量是检验定位质量的一个工序，装配中的测量包括:正确、合理地选择测量基准;准确地完成零件定位所需要的测量项目。 1)测量基准 测量中，为衡量被测点、线、面的尺寸和位置精度而选作依据的点、线、面称为测量基准。 8 山东华宇职业技术学院 2)各种项目的测量 1.线性尺寸的测量 线性尺寸，是指工件上被测点、线、面与测量基准间的距离。线性尺寸的测量主要是利用刻度尺(卷尺、盘尺、直尺等)来完成，特殊场合利用激光测距仪来进行。 2.平行度的测量 1)相对平行度的测量 相对平行度是指工件上被测的线(或面)相对于测量基准线(或面)的平行度。 图为相对平行度测量的例子。 2)水平度的测量 水平度就是衡量零件上被测的线(或面)是否处于水平位置。施工装配中常用水平尺、软管水平仪、水准仪、经纬仪等量具或仪器来测量零件的水平度。 3.垂直度的测量 (1)相对垂直度的测量 相对垂直度，是指工件上被测的直线(或面)相对于测量基准线(或面)的垂直程度。尺寸较小的工件可以利用90o角尺直接测量;当工件尺寸很大时，可以采用辅助线测量法，即用刻度尺作为辅助线测量直角三角形的斜边长。 对于一些桁架类结构上某些部位的垂直度难以测量时，可采用间接测量法测量。 如图所示，对塔类桁架进行垂直度间接测量。 9 山东华宇职业技术学院 2)铅垂度的测量 铅垂度的测量是测定工件上线或面是否与水平面垂直。常用吊线锤或经纬仪测量。当结构尺寸较大而且铅垂度要求较高时，常采用经纬仪来测量铅垂度。 4.同轴度的测量 同轴度是指工件上具有同一轴线的几个零件，装配时其轴线的重合程度。测量同轴度的方法很多，这里介绍一种常用的测量方法。 如下图a所示，测量同轴度。 图a 5.角度的测量 装配中，通常利用各种角度样板来测量零件间的角度。 图6-10是利用角度样板测量角度的实例。 10 山东华宇职业技术学院 三、装配用工夹具及设备 1)装配用工具及量具 常用的装配工具有大锤、小锤、錾子、手砂轮、撬杠、扳手及各种划线用的工具等。常用的量具有钢卷尺、钢直尺、水平尺、90o角尺、线锤及各种检验零件定位情况的样板等。 2)装配用夹具 装配夹具是指在装配中用来对零件施加外力，使其获得可靠定位的工艺装备。主要包括通用夹具和装配胎架上的专用夹具。 1.螺旋夹具 图a为几种螺旋机构 (1)弓形螺旋夹(又称C形夹) 它是利用丝杆起夹紧作用。 (2)螺旋拉紧器 它是利用螺母在丝杆上相对运动起拉紧作用， (3)螺旋压紧器 通常是将压紧器的支架临时固定在工件上，再利用丝杠起压紧作用。 (4)螺旋推撑器 起顶紧或撑开作用，可用于装配和矫正。 图a 11 山东华宇职业技术学院 2.楔条夹具 图6-13为楔条夹具的应用 楔条夹具是用锤击或用其他机械方法获得外力，利用楔条的斜面将外力转变为夹紧力，从而达到对工件的夹紧。楔条夹具在使用中应能自锁，其自锁条件是楔条 00(或楔板)的楔角应小于其摩擦角，一般采用的楔角小于10~15。 3.杠杆夹具 图4所示为几种常用的杠杆夹具 3)装配用设备 对装配用设备的一般要求如下: 1)平台或胎架应具备足够的强度和刚度。 2)平台或胎架表面应光滑平整，要求水平放置。 3)尺寸较大的装配胎架应安置在相当坚固的基础上，以免基础下沉导致胎具变形。 4)胎架应便于对工件进行装、卸、定位焊、焊接等装配操作。 5)设备构造简单，使用方便，成本要低。 1).装配用平台 12 山东华宇职业技术学院 铸铁平台 钢结构平台 导轨平台 水泥平台 电磁平台 四、装配的基本方法 1.装配前的准备 2)装配现场和装配设备的选择(3)工量具(1)熟悉产品图样和工艺规程 ( 的准备 (4)零、部件的预检和除锈 (5)适当划分部件 2.零件的定位方法 (1)划线定位 (2)销轴定位 (3)挡铁定位 (4)样板定位 3(零件的装配方法 1).划线定位装配法 划线定位装配法是利用在零件表面或装配台表面划出工件的中心线、接合线、轮廓线等作为定位线，来确定零件间的相互位置，以定位焊固定进行装配。 图所示为钢屋架的划线定位装配。 2).工装定位装配法 (1)样板定位装配法 图所示，斜T形结构的样板定位装配 13 山东华宇职业技术学院 (2)定位元件定位装配法 它不需要划线，装配效率高，质量好，适用于批量生产。 (3)胎夹具(又称胎架)装配法 适于批量生产的焊接结构。 工件固定式装配法 3). 工件固定式装配方法是装配工作在一处固定的工作位置上装配完全部零、部件，这种装配方法一般用在重型焊接结构产品和产量不大的情况下。 4)装配中的定位焊 定位焊也称点固焊，用来固定各焊接零件之间的相互位置，以保证整体结构件得到正确的几何形状和尺寸。定位焊缝一般比较短小，而且该焊缝作为正式焊缝留在焊接结构之中，故所使用的焊条或焊丝应与正式焊缝所使用的焊条或焊丝牌号和质量相同。 五、装配工艺过程的制定及典型结构件的装配 1).装配工艺过程制定的内容 装配工艺过程制定的内容包括:零件、组件、部件的装配次序;在各装配工艺工序上采用的装配方法;选用何种提高装配质量和生产率的装备、胎卡具和工具。 2).装配工艺方法的选择 根据不同产品和不同生产类型的条件，常用的装配工艺方法，主要有以下几种:(1)手工装配(2)机械装配 3)装配顺序的制定 装配—焊接顺序基本上有三种类型:整装—整焊、零件—部件装配焊接—总装配焊接和随装随焊。 4)典型结构件的装配 1.钢板的拼接 钢板拼接是最基本的部件装配，多数的钢板结构或钢板混合结构都要进行这道工序。钢板拼接分为厚板拼接和薄板拼接。 2.T形梁的装配 T形梁是由翼板和腹板组合而成的焊接结构，根据生产类型不同，可采用下列两种装配方法: (1)划线定位装配法 在小批量或单件生产时采用。 (2)胎夹具装配法 成批量装配T形梁时，采用图5-25所示的简单胎夹具。 14 山东华宇职业技术学院 3.圆筒节对接装配 圆筒节对接装配的要点，在于保证对接环缝和两节圆筒的同轴度误差符合技术要求。 筒体装配可分卧装和立装两类。 (1)筒体的卧装 筒体卧装主要用于直径较小长度较长的筒体装配，装配时需要借助于装配胎架，图所示为筒体在滚轮架和辊筒架上装配。 (2)筒体的立装 为防止筒体因自重而产生椭圆变形，直径较大和长度较短的筒节拼装多数采用立装，即竖装。从而可以克服由于自重而引起的变形。立装时可采用图所示的方法。 15 山东华宇职业技术学院 4、焊接结构的焊接工艺 焊接是将已装配好的结构，用规定的焊接方法、焊接参数进行焊接加工，使各零、部件连接成一个牢固整体的工艺过程。制订合理的焊接工艺对保证产品质量，提高生产率，减轻劳动强度，降低生产成本非常重要。 一、焊接工艺制订的内容和原则 1.制订焊接工艺的原则 2.焊接工艺制订的内容: 1)合理的选择焊接方法及相应的焊接设备与焊接材料。 2)合理的选择焊接工艺参数。 3)合理的选择焊接热参数。 4)选择或设计合理的焊接工艺装备。 二、焊接方法的选择 为了正确地选择焊接方法，必须对各种焊接方法的生产特点及适用范围充分了解。 选择了最佳焊接方法后，就可根据所选焊接方法的工艺特点选择焊接材料和焊接设备。 三、焊接工艺参数的选定 正确合理的焊接工艺参数应有利于保证产品质量，提高生产率。焊接工艺参数的选定主要考虑以下几方面: 1)对产品的材料及其结构形式作深入的分析，着重分析材料的化学成分和结构因素共同作用下的焊接性。 2)为获得合格产品及保证焊接接头焊接应力和变形最小，应考虑焊接热循环对母材和焊缝的热作用。 3)根据产品的材料、焊件厚度、焊接接头形式、焊缝的空间位置、接缝装配间隙等，查找各种焊接方法有关标准、资料，结合实践经验来确定焊接工艺参数。 4)认真考虑与分析，正确确定焊缝的焊接顺序、焊接方向以及多层焊的熔敷顺序等。 四、确定合理的焊接热参数 1.预热 预热是焊前对焊件进行全部或局部加热，目的是减缓焊接接头加热时温度梯 16 山东华宇职业技术学院 度及冷却速度，适当延长在800~500?区的冷却时间，从而减少或避免产生淬硬组织，有利于氢的逸出，可防止冷裂纹的产生。 2.后热 后热是在焊后立即对焊件全部(或局部)利用预热装置进行加热到300~500?并保温1~2h后空冷的工艺措施，其目的是防止焊接区扩散氢的聚集，避免延迟裂纹的产生，所以后热也称除氢处理。 3.焊后热处理 焊接结构的焊后热处理，是为了改善焊接接头的组织和性能、消除残余应力而进 行的热处理。 17 山东华宇职业技术学院 参考文献 〔1〕 田锡唐(焊接结构〔M〕(北京:机械工业出版社，1996( 〔2〕 周浩森(焊接结构及装备(〔M〕北京:机械工业出版社，1998( 〔3〕 王云鹏，戴建树(焊接机构生产〔M〕(北京:机械工业出版社，1998( 〔4〕 宇永福(焊接机构制造〔M〕(北京:机械工业出版社，1995( 〔5〕 陈祝年(焊接工程师手册〔M〕(北京:机械工业出版社，2002( 〔6〕 吴润辉(船舶焊接工艺〔M〕(哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，1996( 陈裕川(现代焊接生产使用手册〔M〕(北京，机械工业出版社，2005 ( 18