典型焊接结构的焊接工艺设计与制造

一、实验目的
熟悉低碳钢焊接工艺文件内容，学习和掌握焊接工艺文件的制定；熟悉低碳钢焊接焊前准备和工艺过程，加深理解电弧焊方法的特点、焊接工艺参数对焊缝成形及焊接质量的影响，了解焊接质量的评定方法和过程。

二、实验内容
1、完成规定的典型焊接结构的焊接工艺设计（见图1），母材Q235A；
2、完成典型焊接结构制造；
3、焊接缺陷的分析处理；
4、焊接变形的控制和矫正；
图1 焊接工字梁
其中实验数据为L=500mm，B=80mm，H=120mm，A1=8mm，A2=12mm。

三、实验设备、仪器及耗材
１、主要焊接及切割设备：手工电弧焊机、半自动CO2气体保户焊机、手工及自动切割设备、碳弧气刨设备等;
2、焊接材料：药芯焊丝、实芯焊丝、焊条、CO2气体、氧气、CO2气体、乙炔、
碳棒等等;
3、Q235A钢板。

4、各类工具
四、实验要求
1、完成规定结构的制造，翼板至少两块钢板对接，焊接方法自选，焊接工艺自定并实施焊接；
2、用CAD图表述结构尺寸并进行相关焊缝标注；
3、不同尺寸及不同形式的焊缝制定相应的工艺卡（工艺卡以表格的形式，应有相应的焊接接头图）；
4、工艺卡应独立设计表格，其内容可相同，表格应有区别。

五、实验步骤
1、制定焊接工艺文件（装配、整形、焊接方法、焊接规范参数、焊接材料准备、焊接顺序等），焊接工艺卡片采用表格形式。

教师审定后实施。

2、根据焊接梁结构确定所用钢板尺寸
3、依据所定钢板尺寸下料及坡口加工
4、装配
5、整形
6、根据你所制定的焊接工艺文件焊接
7、焊接质量检验、焊接缺陷分析处理
8、焊后变形矫正
六、实验过程记录
1、焊接工艺卡
表1 对接接头焊缝工艺卡
表2 交接接头焊接工艺卡
2、根据焊接梁结构确定所用钢板尺寸
根据梁结构确定所用钢板尺寸为：
图2 腹板实际切割所需尺寸
图3 翼板实际切割过程所用尺寸
考虑到火焰切割后平整度不够以及开坡口所需要加工余量，故相应增加了尺寸。

3、依据所定钢板尺寸下料及坡口加工
°
50
120
50°
图4 翼板和腹板下料图
4、焊接顺序及应力分析
图5
工字梁上下角焊缝对称分布．在相同数值的焊接规范下进行焊接，每道焊缝引起的变形量并非互相抵消，而且先焊的引起的变形最大，但最后焊接的焊缝变形一般总是和最先焊的焊缝引起的变形方向一致，所以在装配完毕以后，焊接顺序也是很重要的，正确的焊接顺序能减少变形，根据图5出现的弯曲变形会很小。

图6
扭曲变形产生的根本原因主要是焊缝的角变形沿焊缝长度分布不均匀,在焊接工字梁的时候如图所示的焊接顺序和焊接方向，则会产生如图6所示的扭曲变形，这主要是角变形沿焊缝长度逐渐增大的结果。

如果改变焊接顺序，沿同向焊接，就会克服这种扭曲变形，这是因为两条相邻的焊缝同时同向同一个方向焊接，这样就会相互抵消各自的焊接变形
5、装配
装配时为保证腹板在翼板的中间位置，可在两块翼板中心出画上标记，在将其中一块翼板和腹板装好，用直角尺确保垂直度，并靠在压块上进行点固，同样的方法将第二块翼板也点固在一起。

6整形
焊后出现变形的矫正的方法为：
（1）、机械矫正法
机械矫正法是利用外力使构件产生
与焊接变形相反的变形，使两者抵消。

焊接变形是由于塑性区缩短而造成的，而
机械矫正法就是通过外力使那些
缩短的部分拉长，以此来矫正焊接变形，
外力通常是采用压力机。

此外还可以用锤击法来延展焊缝及附近区域的金属，以减小变形。

还可用碾压法，碾压焊缝及两侧使之伸长。

运用此法，对冷作硬化大的材料要引起注意，高强钢要注意冷脆。

（2）火焰矫正法
该法是利用火焰局部加热时产生的压缩塑性变形使较长部位的金属缩短来达到矫正变形的目的。

所以说本法的基本原理与前者正好相反，前者是使短的部分拉长而后者是使长的部位缩短。

具体做法是用气焊焊炬在工件较长的部位加热。

为了提高矫形效率，可以在加热的同时在加热点周围喷水冷却来限制火焰加热的范围，提高对加热点的挤压作用。

7、根据所制定的焊接工艺文件焊接
焊接顺序：
（1）用反变形法对接翼板。

（2）将翼板和腹板整体组装在一起，用点固的方式整体固定装配，注意几条焊缝间交叉放置，间距至少是板厚的20倍。

（3) 长条角焊缝的焊接顺序是底面左侧-上面右侧-上面左侧-底面右侧。

8、焊后结构照片
9、焊后分析
焊后工字梁出现了明显的变形，其中以翼板与腹板的角焊缝的的角变形为主。

此工字梁翼板于腹板的垂直度不是很好，很显然是由于焊接时缺少必要的工装夹具，导致在焊接过程中无法控制变形。

表3：箱形梁的结构参数变化。

单位（mm）
由表3知，在翼板的对接中，钢板发生了收缩变形，长度方向上收缩量为2mm 左右。

宽度方向上的收缩量为1mm。

高度方向为1mm。

表4：焊接工艺参数
由上表可计算得出
翼板正面焊速为196~212mm/min，反面焊速为497~527mm/min
角焊缝焊速为138~151mm/min
由表4可知，本次实验的焊接速度
表5 焊缝参数
由焊接参数计算可知，正面对接接头的余高超出了预设的3mm，说明焊接速度过慢，焊丝的熔敷量过大。

角焊缝厚度
由于腹板跟翼板上焊脚高度保持一致，故焊脚高k=。

角焊缝k值由上到下分别为6.79mm、8.77mm、8.91mm、8.34mm。

除了底面左侧焊缝，其他的k 值均大于预设的8m，这里的焊接速度而是过慢，焊丝的熔敷量过大。

七、思考题
1、你是如何控制焊接变形的？你所制造的焊接结构焊后变形如何？如变形太大，如何矫正？
答：通过选择焊接顺序、反变形法、恰当的焊接规范的选择以及开坡口来进行控制。

焊接顺序的角焊缝为同方向焊，对接焊缝为左下→右上→左上→右下，对接焊缝焊前采用反变形法，事先反向弯曲一个小角度。

同时在保证结构的承载能力的条件下，采用开坡口的焊缝可以比一般角焊缝减少焊缝金属，对减小变形有利。

这次焊后变形比较大，原因是没有合适的工装夹具，基本上是用手扶着焊，导致无法精确控制变形。

在本次实验中，主要采用了机械矫正的方法。

由于火焰矫正对技术要求较高，只是现场了解了下，主要是靠焊后小锤敲击的方法来矫正。

2、有无焊接缺陷出现？原因是什么？
答：首先是角变形。

由于没有夹具，无法再对接接头焊接时准确对准，同时对反变形法操作不熟练，导致焊后出现多次角变形。

不得不将翼板重新切割，再次打磨进行对接接头焊接。

其次是未焊透。

原因有两个。

一个是由于之前翼板存在一定程度的角变形，导致跟腹板无法保持一定距离。

使得前后距离保持不一致。

如下图
腹板
翼板
另一个原因是焊接规范中电流实际使用时比预定稍小，预定为180~200A，但实际多为160~190A，导致热输入量过小。

在这里，另一个比较重要的焊接速度因素反而影响不大。

因为我们的焊接速度控制的很好，熔敷量也足够。

这次的未焊透主要就是实际电流过小。

还出现了弧坑。

由于收弧和断弧操作不当在焊道末端形成的低洼部分，其原理是焊条停留时间短，填充金属不够。

气体保护焊短路过渡中不可避免的缺陷，还出现了飞溅。

这主要是CO
2。