工字形梁的CO2氣體保護(hù)焊工藝

劉智昕，宋漢卿

（白銀有色集團(tuán)股份有限公司深部礦業(yè)公司，甘肅白銀471000）

1 引言

小噸位天車（≤20t）在金屬非金屬地下礦山卷揚(yáng)房、破碎機(jī)硐室中是不可缺少的設(shè)備之一，主要用來安裝、檢修設(shè)備時(shí)做起吊工具用。而天車梁是工字形鋼結(jié)構(gòu)，由于承受的載荷較大，安全系數(shù)要求較高，普通的工字鋼不能滿足其使用要求，只能用低碳鋼（Q235）板焊接成工字形焊件。因此，在工字形梁的加工制作過程中，選擇合理的焊接工藝和焊后矯正方法，對(duì)減小或矯正焊接變形，保證天車梁安全平穩(wěn)運(yùn)行至關(guān)重要。

2 工字形天車軌道梁的加工工藝性分析

2.1 天車基本參數(shù)

某公司井下破碎機(jī)硐室天車型號(hào)為：LDA10t，提升質(zhì)量：10t，跨度：11m，高度：9m，速度：20m/min。

2.2 天車軌道梁基本參數(shù)

天車軌道梁是工字形鋼結(jié)構(gòu)，總長11m，上翼板寬200mm，下翼板寬250mm，翼板厚20mm，腹板高300mm，腹板厚14mm。軌道梁結(jié)構(gòu)截面外形如圖1 所示。

圖1 軌道梁結(jié)構(gòu)截面圖

要求加工制作完成后的軌道梁彎曲度不大于5mm，焊角高度不小于8mm，由于其焊縫布置基本上是對(duì)稱的，如果不采取合理的焊接、裝配工藝措施，焊接完成就會(huì)不可避免地出現(xiàn)較大的撓曲變形和扭曲變形[1]。

3 低碳鋼（Q235）焊接工藝性分析

3.1 低碳鋼（Q235）的化學(xué)成分和機(jī)械性能

低碳鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1 所示，低碳鋼的機(jī)械性能如表2 所示。

表1 低碳鋼的化學(xué)成分

表2 低碳鋼的機(jī)械性能

3.2 低碳鋼的焊接性

低碳鋼由于含碳量及合金元素低，強(qiáng)度不高，塑性好，具有優(yōu)良的焊接性，可以制成各種焊接接頭形式，適宜于全位置焊接，也適合于各種焊接方法。

3.3 工字形軌道梁制作焊接方法的選擇

經(jīng)過仔細(xì)分析，決定采焊接變形較小，生產(chǎn)效率高的CO2氣體保護(hù)焊，并采用合理的裝配、焊接工藝，可以把撓曲變形控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)。

與手工電弧焊相比，CO2氣體保護(hù)焊具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）工作效率高，是手工焊的1~3 倍，最高可達(dá)4 倍；（2）生產(chǎn)成本低，約是手工焊的50%；（3）熔深可達(dá)10mm，熔透性好；（4）采用CO2氣體保護(hù)，降低焊縫中的含氫量，焊縫抗裂性好；（5）保護(hù)氣體的壓縮降低了焊接熱輸入（線能量）降低了焊接變形[2]。

4 工字形天車梁的制作工藝

4.1 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

焊腳尺寸決定了焊接的工作量和焊接變形程度。選擇大焊腳尺寸，焊接工作量，同時(shí)會(huì)引起更大的焊接變形。故在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下，盡量使用小的焊腳尺寸。

4.2 氣割下料注意事項(xiàng)

嚴(yán)格控制下料時(shí)的氣割變形，以避免長焊縫收縮導(dǎo)致腹板側(cè)彎。采用先中間后兩端的下料方法，達(dá)到控制變形的目的。如圖2 所示，先在鋼板兩端各100mm 處分別劃線，鉆Φ5mm 氣割孔作為氣割起始點(diǎn)及結(jié)束點(diǎn)，采用半自動(dòng)氣割機(jī)從左至右沿直線逐條切割。整塊鋼板切割后冷卻5～8h，使未割斷的鋼板在2 段連接的情況下釋放內(nèi)應(yīng)力。再采用用手工氣割將寬100mm 的鋼板條割下，最后根據(jù)規(guī)范對(duì)鋼板測(cè)量及矯正。

圖2 氣割下料圖

上翼板由于寬度較小（只有200mm）,可采用雙割矩同時(shí)氣割的方法，使翼板兩邊同時(shí)受熱同時(shí)冷卻，減小氣割產(chǎn)生的變形。

4.3 焊前（焊件組裝）控制翼板角變形的措施

焊件組裝時(shí)，采用剛性固定法控制翼板的角變形。剛性固定可預(yù)防翼板產(chǎn)生角變形，也可預(yù)防翼板相對(duì)于腹板所發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)。利用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)結(jié)合理論計(jì)算確定剛性固定工件的位置和尺寸，如圖3 所示。圖中斜支撐主要是預(yù)防翼板產(chǎn)生角變形作用，而設(shè)置立筋板則可預(yù)防翼板相對(duì)于腹板所發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)。組裝點(diǎn)焊時(shí)可采用手工電弧焊，點(diǎn)焊長度不小于20mm，在工件長度方向上均勻?qū)ΨQ點(diǎn)焊，并嚴(yán)格保證工件的尺寸要求[3]。

圖3 剛性固定工件的位置和尺寸

4.4 施焊順序的確定

工字形鋼結(jié)構(gòu)接頭的焊縫密集，制定其焊接順序的基本原則是：（1）優(yōu)先焊接收縮量大的焊縫；（2）優(yōu)先焊接離中性軸遠(yuǎn)的焊縫；（3）對(duì)稱焊縫，要用相同的焊接參數(shù)，同時(shí)施焊；（4）對(duì)于與受壓構(gòu)件相聯(lián)系的焊縫，應(yīng)使這條焊縫（在構(gòu)件中）形成拉應(yīng)力或至少不應(yīng)當(dāng)有較大的壓應(yīng)力。

根據(jù)上述原則，采用圖4 所示的焊接順序，可以把焊接應(yīng)力和焊接變形量均控制到最小。

圖4 工字形鋼接頭焊接順序

一般情況下，焊縫的橫向收縮量遠(yuǎn)大于其縱向收縮量，先焊翼板對(duì)接焊縫，其收縮比較自由；后焊腹板對(duì)接焊縫，其橫向收縮受到已焊翼板的約束，在腹板、翼板中形成了殘余拉應(yīng)力。腹板中的殘余拉應(yīng)力有利于提高腹板的穩(wěn)定性，這對(duì)于較薄的腹板尤為重要。為了減小應(yīng)力集中，可將圖4a 中焊縫3 與焊縫1、2 錯(cuò)開200~300mm。

4.5 制定合理的焊接工藝參數(shù)

焊接工藝參數(shù)為：（1）直徑Φ1.2mm 鍍銅實(shí)芯焊絲，型號(hào)H08Mn2SiA；（2）焊接電流：290A；（3）焊接電壓：28~29V；（4）焊接速度：15~20m/h；（5）焊絲伸出長度15mm；（6）CO2氣體流量15~20L/min；（7）焊角高度：8mm；（8）焊接方法：CO2氣體保護(hù)焊，直流反接。

4.6 焊接操作要點(diǎn)

焊接操作要點(diǎn)包括：（1）采用左焊法，一層一道，焊槍與水平方向成45°角，與焊接反方向成80°角；（2）調(diào)試好焊接工藝參數(shù)后從工件右端引弧，從右向左方向焊接。

5 焊接后工字形天車梁變形的矯正

變形的矯正是工字形鋼結(jié)構(gòu)焊接的最后一道工序。焊接變形矯正主要機(jī)械矯正法和火焰矯正法2 種方法，大批量工字形鋼結(jié)構(gòu)普遍采用機(jī)械矯正法。機(jī)械矯正可以采用翼緣矯直機(jī)矯正法，也可采用大噸位壓力機(jī)與工裝結(jié)合的工裝壓力法。LDA10t 天車梁屬于小型結(jié)構(gòu)的工字形梁，只要嚴(yán)格按上述工藝加工制作后變形不大，基本不用矯正，一旦變形量超標(biāo)需要矯正的話，用人工火焰矯正即可。

6 結(jié)語

該公司井下破碎機(jī)硐室1 臺(tái)LDA10t 天車梁采用以上組裝、焊接工藝加工制作，焊接完成后變形量在設(shè)計(jì)技術(shù)要求范圍內(nèi)，完全滿足工程質(zhì)量的要求，基本上不需要矯正。實(shí)踐證明，工字形梁的加工制作只要選擇正確的焊接方法，選取合理的焊接工藝參數(shù)，再輔助一定的變形矯正，是能夠完全滿足設(shè)計(jì)使用要求的。