數(shù)控切割機大型鋼結構件生產工藝的改進及應用

吳銘江

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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數(shù)控切割機大型鋼結構件生產工藝的改進及應用

吳銘江

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

分析板材的切割變形和橫梁成形的焊接變形原因、影響因素和在制作過程中采用合理的切割工藝，選用合適的切割方式，控制切割、焊接變形的措施以及焊接殘余應力的消除方法，從而獲得橫梁長期工作時其幾何尺寸和形位公差的穩(wěn)定，保證橫梁的使用壽命和機械性能。

切割機；焊接；變形；殘余應力

0 引言

大型鋼結構件目前在船舶、橋梁、建筑等領域已得到了廣泛運用。數(shù)控切割機的生產也用到了大型鋼結構件的制作。切割機鋼結構件中，以橫梁最為典型，其長度可達10 m以上，但尺寸精度和形位公差要求都很高。作為鋼結構件，其下料、切割、裝配、焊接困難頗多。

數(shù)控裝備的鋼結構件生產流程框圖如圖1所示。

1 生產工藝的改進及應用

橫梁是切割機的主要部件，其質量對整機性能起著決定性作用，而橫梁的制作工藝則直接關系切割機質量的優(yōu)劣。按常規(guī)工藝生產，橫梁的變形時有發(fā)生。經長期實踐及反復地進行工藝分析研究、比對，認為在模具生產工藝流程中切割和焊接是兩個關鍵。

鋼板切割是橫梁制作過程中最基本的工序。焊接亦對橫梁制作起著至關重要的作用。所以，抓住切割與焊接這兩個關鍵點并加以全方位的工藝優(yōu)化整合，就能有效提高橫梁制作的質量。

圖1 鋼結構件生產流程框圖

1.1 下料切割

1.1.1 鋼板氣切割變形的原因

(1) 氣割時,板材切割區(qū)域由于受到了高溫加熱和迅速降溫，使切割區(qū)域局部出現(xiàn)了快速的膨脹收縮,從而導致發(fā)生材板熱變形。

(2) 切割機橫梁使用的板材為薄形板條，其剛度和抗彎強度較差，從而使氣割時板材變形會更大。

1.1.2 切割變形對橫梁使用的板材影響

(1) 板條形薄鋼板的變形主要是在平面內彎曲，它會影響切割零件的尺寸精度。

(2) 校直已變形的板條需耗費大量工時，且效果不佳。同時，環(huán)境、場地和人員等因素也會影響校形工作。

控制變形是保證質量的關鍵，因此，在下料切割的源頭就必須采取一些強制措施以控制變形。

1.1.3 切割工藝及防治措施

(1) 根據(jù)鋼結構件圖紙要求，編制切割工藝，排出切割路徑順序，以確保下料件的精度。

(2) 切割下料前，對所使用的半自動氣割機及其相關器材進行適用確認，并特別注意半自動氣割機行車的平穩(wěn)性和軌道直線度。

(3) 選用合適的切割方法，如割炬大小，切割氧氣壓力、流量和切割速度等。

(4) 應反復套料、反復對比，以提高材料利用率，降低生產成本。

(5) 減少切割變形，須從切割下料開始，特別是長線條切割。可采用切割后每隔1～1.5 m就做橋點固，可使切割邊彎曲變形減少80%以上。

(6) 少量長度7 m以上的切割件，偶爾直線度誤差超過3 mm，可以用錘擊法矯正。矯正前錘擊法如圖2所示。

經錘擊矯正后，切割件直線度可控制在2 mm以內，有利于下一步裝配、焊接成形。割件矯正后如圖3所示。

圖2 割件矯正前錘擊法示意圖

圖3 割件矯正后示意圖

經過對上述各方面不斷優(yōu)化，可以穩(wěn)定獲得合格的切割件。下料切割完工后，即著手裝配、焊接，切割機橫梁簡圖如圖4所示。

圖4 典型鋼結構件——切割機橫梁簡圖

1.2 焊接

焊接不僅生產工序簡單，而且能夠完成復雜的鋼結構件制造，然而其過程中形成的殘余應力會對焊接鋼結構件的承載能力、穩(wěn)定性等將產生較大的影響。因此，為保證焊接鋼結構件的質量，必須控制和減少焊接殘余應力。

1.2.1 焊接殘余應力產生的原因

焊接殘余應力的一部分是由焊接時型材本身的金相組織由于溫度突變而產生的，另一部分則是由原來型材本身在制造過程中已形成的殘余應力與焊接后的殘余應力疊加而生產的。但其產生的主要原因則是焊接時焊件受熱和冷卻時溫度改變的快慢程度。

1.2.2 焊接殘余應力對鋼結構件的影響

焊接殘余應力對鋼結構件的主要影響是結構剛度、焊接件的穩(wěn)定性和機械加工性能。針對焊接殘余應力的影響，可采用下列焊接工藝來控制：

(1) 按工藝規(guī)定清點，確認合格的切割件。

(2) 為減少焊接變形應采用直流焊機，并在焊前對焊機實施點檢。

(3) 對焊接平臺、定位器材進行檢驗，保障定位有效夾具也必須一一確認。

(4) 為減少鋼結構件焊后變形，應盡可能避免矯正，并在焊前和焊接過程中要做好預案：

① 采用選配和調整法組裝；

② 根據(jù)經驗數(shù)據(jù)，適度采用反變形措施；

③ 盡量使用角焊、間斷焊方式，以減少焊接變形；

④ 焊接過程中，嚴密監(jiān)控焊接變形，必要時采用交替焊法或進一步優(yōu)化焊接參數(shù)。

經過長期的探索優(yōu)化，目前切割機橫梁長度在10 m上下，焊后尺寸精度一般可以達到3 mm，其直線度誤差小于2 mm，很少使用火工矯正法，生產工藝優(yōu)化效果十分明顯，橫梁的制作質量也已基本得到保證。

為了避免鋼結構件因長期工作其幾何尺寸的改變及其形位公差的降低，焊后初驗合格的鋼結構件還必須進行振動消除應力處理，確保其長期工作的結構穩(wěn)定性。

2 焊接殘余應力的消除措施

為有效提高焊接件的承載能力和穩(wěn)定性，保證鋼結構件在焊接組裝后的機械加工性能，目前常采用熱處理和機械的振動方法來減少焊接后的殘余應力。

切割機橫梁所采用的機械振動法是在激振器的激振力作用下，對橫梁進行多次循環(huán)振動，使其內部晶格恢復平衡，以消除殘余應力，從而保證橫梁長期工作的結構穩(wěn)定性。

3 結論

橫梁具有強度高、結構自重輕、構件截面小等特點，在切割和焊接過程中易產生變形和殘余應力。為有效控制變形和殘余應力，便于鋼結構件的后續(xù)加工，應制定相應的防治措施。鋼板切割應采用合理的切割工藝，選用適當?shù)那懈罘绞郊捌鞑?，必要時采用錘擊法矯正。焊接過程中也應采用合理的焊接工藝，選用合適的裝配、焊接方法并優(yōu)化焊接參數(shù)。最后采取相應的方法來消除殘余應力，從而保證橫梁的使用壽命和機械性能。

[1] 高洪一. 淺析焊接殘余應力的產生及其消除方法[J].農機使用與維修，2015，2：43-44.

[2] 商衛(wèi)東，王華明.大直徑工程井鋼筋混凝土井壁預制中容易出現(xiàn)問題的探討與研究[J].水利與建筑工程學報，2011，1：66-69.

Improvement and Application of Production Technology of Large Steel Structure for CNC Cutting Machine

WU Mingjiang

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The cutting deformation of the plate and the cause of the welding deformation of the beam, the influencing factors and the use of reasonable cutting process in the production process, the selection of the appropriate cutting method, control cutting, welding deformation measures and welding residual stress elimination method are focused on. The stability of its geometrical dimension and form and position tolerances are obtained when long-term working of the beam is maintained. The life of the beam and the mechanical properties are guaranteed.

cutting machine; welding; deformation; residual stress

吳銘江(1959-)，男，工程師，研究方向為減少鋼結構件在生產中的切割、焊接變形和工藝

1000-3878(2017)02-0084-03

U671

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