焊接吊耳鋸切質(zhì)量評定指標及影響因素

周鴻翔，熊承愷，李曉東，吳興祥

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.上海滬臨重工有限公司，上海 201306）

焊接吊耳鋸切質(zhì)量評定指標及影響因素

周鴻翔1，熊承愷2，李曉東3，吳興祥3

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江212003；3.上海滬臨重工有限公司，上海 201306）

焊接吊耳是鋼結(jié)構(gòu)制造過程中用于吊裝的重要零件。結(jié)合傳統(tǒng)的鋸切原理，從結(jié)構(gòu)上分析焊接吊耳的鋸切，為減小留根量，在利用帶鋸條鋸切焊接吊耳時需要采用水平鋸切方式，同時不能使用傳統(tǒng)的帶鋸條扭轉(zhuǎn)裝置，而應(yīng)該增大張緊力保證鋸切質(zhì)量。并將切口表面粗糙度Ra和留根斜度的正切值ρ作為鋸切焊接吊耳質(zhì)量的評定指標。采用正交實驗法研究張緊力、鋸切速度以及進給速度對焊接吊耳鋸切質(zhì)量的影響。研究表明：張緊力和進給速度對Ra和ρ的影響最大，鋸切速度對粗糙度影響較小；張緊力越大，進給速度越小，則鋸切質(zhì)量越好。

吊耳；鋸切；質(zhì)量控制；正交實驗；鋸切工藝

0 前言

在大型鋼結(jié)構(gòu)的制造過程中，為了便于鋼結(jié)構(gòu)的吊裝，一般需要使用焊接吊耳，吊裝完成后將焊接吊耳切除[1]。目前普遍采用火焰切割吊耳，由于火焰切割對周圍母材有較大的熱影響，并且割口留根量大、不平整，通常需要對割口進行打磨處理,不僅降低了切割工作效率、勞動強度大，而且還因割口不平整使得吊耳只能一次使用，造成材料浪費[2-3]。

近年來市場上開發(fā)了焊接吊耳的銑削技術(shù)和帶鋸切割技術(shù)[4-6]。相較于火焰切割，帶鋸切割具有加工精度高、割口表面質(zhì)量好、粗糙度小等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的帶鋸切割多為鋸床式，靈活性不高，并不適用于焊接吊耳的切割[7]。特別是目前缺少針對焊接吊耳鋸切質(zhì)量評價的系統(tǒng)研究[8]。

基于此，本研究分析鋸條鋸切焊接吊耳時所遇到的質(zhì)量問題，并根據(jù)切割留根是否需要打磨，提出焊接吊耳切割質(zhì)量控制參數(shù)，研究相關(guān)工藝參數(shù)對鋸切質(zhì)量的影響。

1 焊接吊耳鋸切質(zhì)量評定

1.1 焊接吊耳特性

為保證吊耳與工件連接的可靠性，通常采用焊接連接。以CO2氣保焊焊接厚50 mm的吊耳為例，其坡口形式和焊道布置如圖1所示。由圖1可知，焊縫高度為25 mm，當切割該吊耳時，切割面位于焊縫上，如圖2所示。即在切割焊接吊耳時，實際上是沿著焊縫縱向切割。

圖1 焊接吊耳示意Fig.1 Welding lifting lug

圖2 焊接吊耳切割Fig.2 Cutting Welding lifting lug

與傳統(tǒng)的板材或型材切割不同，焊縫切割是將刀具作用在焊縫填充金屬上，而焊縫填充金屬和母材主要有以下方面的差異[9]。

（1）切割焊縫的材料大部分是焊縫填充金屬，其中包含有少量熔化的母材金屬。焊接時按照焊縫材料和母材的強度匹配情況，可以將其分為高強匹配、等強匹配以及低強匹配[6]。在研究中為了簡化分析，得到一般化結(jié)論，均采用等強匹配焊接吊耳。

（2）由于采用的是熔化焊工藝，焊縫受到復(fù)雜的熱循環(huán)影響，必然導(dǎo)致焊縫中存在殘余應(yīng)力，該應(yīng)力一般以拉應(yīng)力形式存在，且平均拉應(yīng)力值約等于母材的屈服強度[7]。在切割焊縫時，這些應(yīng)力將會以形變的形式釋放，使鋸條受力情況變得更為復(fù)雜。

（3）由于焊接冶金反應(yīng)的不穩(wěn)定性，焊接接頭中不可避免會出現(xiàn)組織不均勻、微小缺欠如氣孔、夾渣、微裂紋等[8]，這些不均勻組織和缺欠的強度各不相同，使帶鋸條在切割過程中受力情況變得復(fù)雜。

1.2 焊接吊耳鋸切原理

焊接吊耳鋸切時需要采用水平鋸切方式，如圖3a所示。傳統(tǒng)的帶鋸床為了降低帶鋸條的振動，增加帶鋸條鋸切部分的剛度，將帶鋸條鋸切部分夾持并扭轉(zhuǎn)一定角度，顯然夾持部分會影響水平鋸切時的留根量。所以，傳統(tǒng)的帶鋸床通常只能進行橫向鋸切和豎直鋸切[9]，如圖3b、3c所示，并不適用于焊接吊耳的鋸切。為了實現(xiàn)焊接吊耳的鋸切工作，需要特定的橫向鋸切工裝，且不能夾持帶鋸條鋸切部分。

由于不能有效地夾持和扭轉(zhuǎn)鋸條，導(dǎo)致鋸切段剛度較低、振動較大，使切口表面粗糙度大，且會發(fā)生鋸斜的現(xiàn)象。

1.3 質(zhì)量評定方法

鋸切留根如圖4所示。在實際生產(chǎn)加工中，一般要求鋸切吊耳后的平均留根量越小越好，但是由于鋸斜現(xiàn)象的存在，使得平均留根量出現(xiàn)瓶頸值，即鋸切結(jié)束時留根量為零的情況下，鋸切中部的留根高度。若平均留根量大，則需要進一步的打磨處理；在平均留根余量滿足加工要求的情況下，切口的表面粗糙度Ra決定是否需要進行后續(xù)打磨工作。

水平鋸切的鋸斜角度ω和切口表面粗糙度Ra是影響焊接吊耳鋸切的關(guān)鍵問題。將留根斜度的正切值ρ和切口表面粗糙度值Ra作為焊接吊耳鋸切質(zhì)量的評定參考因素，ρ的表達式為

2 鋸切質(zhì)量影響因素工藝實驗

2.1 實驗原理

張緊力F、鋸切速度vs以及進給速度va是影響ω和Ra的關(guān)鍵因素。張緊力可由應(yīng)變法測量。根據(jù)帶鋸條張緊時的受力分析，如圖5所示，可知F與應(yīng)力的關(guān)系見式（2），再由胡克定律公式（3）可得應(yīng)變量和張緊力的關(guān)系式（4）

圖3 鋸切方式Fig.3 Way of Cutting

圖4 鋸切留根Fig.4 Root of cutting

式中 E為本實驗使用的雙金屬帶鋸條的彈性模量，E=2×105MPa。

實驗采用自制焊接吊耳鋸切裝置，帶鋸條選用德國貝爾雙金屬帶鋸條，其參數(shù)見表1。吊耳材料為Q235B，T型接頭方式，其焊接工藝見表2。鋸切完成后利用游標卡尺測量留根高度，并建立幾何模型，根據(jù)式（1）計算出留根斜度的正切值ρ。利用激光掃描共聚焦顯微鏡，繪制切口表面三維圖，并依此測量Ra。

圖5 帶鋸條受力分析Fig.5 Force analysis of the saw

表1 帶鋸條參數(shù)Table 1 Parameters of saw

表2 吊耳焊接工藝Table 2 Lifting lug welding process

2.2 實驗設(shè)計

實驗采用正交試驗法[10]，研究張緊力A、鋸切速度B、進給速度C三因素對Ra和ρ的影響。采用L9（34）表設(shè)計三因素三水平正交試驗，見表3、表4。

表3 因子水平編碼表Table 3 Factor table

3 實驗結(jié)果分析

計算各影響因素的極差R可以直觀地分析出各因素的主次影響順序。R越大表示該因素的水平變化對試驗指標的影響越大，因素越重要。極差分析如表5所示，因素影響主次順序為：張緊力—進給速度—鋸切速度，即張緊力因素A影響最大，為主要因素，鋸切速度B為不重要因素。本試驗結(jié)果說明吊耳切割機鋸條張緊力決定著切口的切斜角度和粗糙度。

因素與指標趨勢圖如圖6所示，圖6a，6b分別為Ra和ρ的正交因素示意圖，能直觀分析出指標與各因素水平波動的關(guān)系。由圖可知，張緊力A和進給速度C對Ra和ρ的影響最大，鋸切速度對Ra影響較小。粗糙度隨著張緊力的增大不斷減小，隨著進給速度增大而增大。其次，鋸切速度在水平1～2之間粗糙度減小，在水平2～4之間增大。

表4 實驗方案及結(jié)果Table 4 Test scheme and results

表5 極差分析Table 5 Range analysis

4 結(jié)論

分析焊接吊耳的鋸切原理，指出鋸切焊接吊耳時需要采用水平鋸切法，同時不能使用傳統(tǒng)的帶鋸條扭轉(zhuǎn)裝置，而應(yīng)增大張緊力來保證鋸切質(zhì)量。

根據(jù)留根是否需要打磨處理，將切口表面粗糙度Ra和留根斜度的正切值ρ作為鋸切焊接吊耳質(zhì)量的評定指標，Ra和ρ越小，說明鋸切質(zhì)量越好。

采用正交實驗法研究張緊力、鋸切速度以及進給速度對焊接吊耳鋸切質(zhì)量的影響。研究表明，張緊力和進給速度這兩個因素對Ra和ρ的影響最大，鋸切速度對粗糙度影響較小。

圖6 正交因素趨勢圖Fig.6 Orthogonal test coefficient factor

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Sawing quality's evaluation indices and influence factors of the welded lifting lug

ZHOU Hongxiang1，XIONG Chengkai2，LI Xiaodong3，WU Xingxiang3
（1.Lanzhou University of Technology，School of Material Science and Engineering，Lanzhou 730050，China；2.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；3.Shanghai Hulin Heavy Industry Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）

During the manufacture of the huge steel structure，the welded lifting lugs used for lifting are important parts.The article combines the traditional sawing theory to analyze the sawing of the welded lifting lugs on the structure.In order to reduce the root cutting，the article proposes that welded lifting lug needs to adopt horizontal sawing when using band saw blade to saw the welded lifting lug，meanwhile it can't use the traditional band saw blade twisting device.Uses surface roughness of the cuts Ra and tangent value of the root cutting gradient as quality evaluation index of the sawing welded lifting lug.Uses the orthogonal test to analyze the sawing quality efforts of welded lifting lug from tension force，sawing speed and feeding speed.The researches show that，tension force and feeding speed have the most important influence on Ra and，sawing speed has less influence on roughness.As the larger tension force and the smaller feeding speed，the sawing quality will be better.

lifting lug；saw and cutting；quality control；orthogonal experimental；sawing process

TG457

A

1001-2303（2017）10-0112-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.24

本文參考文獻引用格式：周鴻翔，熊承愷，李曉東，等.焊接吊耳鋸切質(zhì)量評定指標及影響因素[J].電焊機，2017，47（10）：112-115.

2017-04-06；

2017-09-18

產(chǎn)學(xué)研合作計劃項目（滬經(jīng)信法（2013）353號）；研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目（SJLX-0489）

周鴻翔（1992—），男，在讀碩士，主要從事焊接方法與工藝的研究。E-mail：593035526@qq.com。