钢结构毕业设计论文仅供参考.docx
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钢结构毕业设计论文仅供参考
1工业厂房A4-3柱概述
1.1工业厂房A4-3柱的分类和特点
工业厂房A4-3柱的分类
工业厂房柱按截面形式可分为实腹柱和格构柱.钢柱按受力情况通常可分为轴心受压柱和偏心受压柱.
工业厂房A4-3柱的特点
轴心受压柱所受的纵向压力与柱的截面形心轴重合.偏心受压
同时承受轴心压力和弯矩,也称压弯构件.实腹柱具有整体的截面,最常用的是工形截面；格构柱的截面分为两肢或多肢,各肢间用缀条或缀板联系,当荷载较大、柱身较宽时钢材用量较省.
1.2工业厂房A4-3柱的组成、尺寸、材质
图1工业厂房柱A4-3
工业厂房A4-3柱为两肢格构柱,主要柱脚、柱身、柱头组成,所用材料为低合金高强钢Q345B,其中柱脚长4m,柱身长12.28m,柱头长7.22m,总长19.9m,构件重14442.4kg,焊缝重722.12kg,总重15164.56kg,板厚为6~40mm,柱肩标高12.68m,柱头标高19.9m,两肢为H型钢,两肢之间用角钢缀条连接,缀条数目为26条,所用材料为Q235B.
1.3柱A4-3技术参数
〔1〕板厚6~40mm,柱肩标高12.68m,柱头标高19.9m
〔2〕图中所有斜缀条内力为-130KN,水平缀条内力为-55KN
〔3〕图中为注明的焊缝高度均为hf=8mm
〔4〕对接工字型钢截面柱、梁翼缘和腹板的拼接,应采用加引弧
〔其厚度和坡口与母材相同〕的对接焊缝,并保证焊透.翼缘板和腹板的对接焊缝相互错开200m以上,焊缝外观检测和无损检测质量等级应符合二级焊缝标准.
〔5〕角钢相互连接的填板的距离,对于受压构件为40i,对于受拉构件为80i〔i为回转半径〕
〔6〕在螺栓的上下接触面如有1/20以上的倾斜度时,应采用斜垫圈垫平.
1.4柱A4-3制造引用标准
〔1〕JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》
〔2〕GB50205-2001《钢结构工程施工质量验收规X》
〔3〕GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊推荐坡口》
〔4〕GB/T985.2-2008《埋弧焊的推荐坡口》
〔5〕GB324-2008《焊缝符号表示方法》
〔6〕GB10854-89《钢结构焊缝外形尺寸》
〔7〕GB/T5118-1995《低合金钢焊条》
〔8〕GB/T12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》
〔9〕GB/T8110-2008《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》
〔10〕GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》
〔11〕GB/T700-2006《碳素钢结构》
<12>GBT10249-2010《电焊机型号编制方法》
<13>GB11345-89《超声波探伤标准》
2工业厂房A4-3柱焊接性分析
2.1工业厂房A4-3柱焊接工艺准备
接头类型
根据设计图纸,本次设计中主要采用对接接头、T型接头和搭接接头,按照JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》、GB／T985.2-2008《埋弧焊的推荐坡口》和GB/T985.1-2008《气焊、焊条电弧焊、气体保护焊和高能束焊推荐坡口》的要求接头横截面示意图如下所示
2.2工业厂房A4-3柱焊接性分析
工业厂房A4-3柱的主要材质是低合金钢Q345B,其焊接性受到以下几个方面的影响：
<1>化学成分
表1Q345B化学成分
标准
化学成分质量分数〔%〕
C
Si
Mn
P
S
Nb
V
Ti
Cr
Ni
Cu
N
Mo
GB/T1591-2008
≦0.20
≦0.50
≦1.70
≦0.035
≦0.035
≦0.07
≦0.15
≦0.20
≦0.30
≦0.50
≦0.30
≦0.012
≦0.10
合格证
0.17
1.45
0.36
0.017
0.010
0.03
0.07
0.08
0.12
0.2
0.15
0.005
0.4
复验
0.17
1.45
0.36
0.017
0.010
0.03
0.07
0.08
0.12
0.2
0.15
0.005
0.4
〔2〕力学性能
表2Q345B力学性能
标准
以下公称厚度下Rel〔Mpa〕
以下公称厚度Rm
以下公称厚度A〔%〕
≦16mm
16mm~40mm
≦40mm
≦40mm
GB/T1591-2008
≧345
≧335
470~630
≧20
合格证
410
400
550
26
复验
420
410
560
27
<3>碳当量
CEV=C+Mn/6+〔Cr+Mo+V〕/5+〔Ni+Cu〕/15〔1-1〕
=0.12+1.1/6+〔0.15+0.03+0.07〕/5+〔0.25+0.2〕/15
=0.39
CEV=0.39%＜0.4%,所以板厚小于20mm的钢材的淬硬倾向
大,焊接性良好,不需要预热.当CEV=0.4%~0.6%时,特别是大于0.5%时,钢材易于淬硬,焊接时必须预热才能防止裂纹.随着板厚与CEV的增加,预热温度也相应增高,一般可在70~200℃.
〔4〕由于这类钢中含有一定量的合金因素与微合金化元素,如果焊接工艺不当,也存在焊接热影响区脆化、热应变脆化、氢致裂纹、热裂纹、再热裂纹、层状撕裂等焊接缺陷的危险.
1>焊接热影响区脆化
低合金高强钢焊接时,热影响区中被加热到1100℃以上的
晶区与加热温度为700~800℃的不完全相变区是焊接接头的两个薄弱区.焊接热输入过大,粗晶区将因晶粒严重长大或出现魏氏组织等而降低韧性；焊接热输入过小,由于粗晶组织中马氏体比例增大而降低韧性.某些低合金高强度钢焊接热影响区的不完全相变区,在焊接加热时该区域只有部分富碳组元发生奥氏体转变,在随后的焊接冷却过程中,这部分富碳奥氏体将转变成高碳孪晶马氏体,而且这种高碳马氏体的转变终了温度低于室温,相当一部分奥氏体残留在马氏体岛的周围,形成所谓的M-A组元,M-A组元的形成是该区域的组织脆化的主要原因.防止不完全相变区组织脆化的是控制焊接冷却速度,避免脆硬的马氏体产生.
2〕热应变脆化
在自由氮含量较高的C-Mn系低合金钢中,焊接接头熔合区与最高加热温度低于Ac1的亚临界热影响区,常常有热应变脆化现象,它是热和应变同时作用下产生的一种动态应变时效.一般认为,这种脆化是由于氮、碳原子聚集在位错周围,对位错造成钉扎作用所造成的.热应变脆化容易出现在最高加热温度X围200~400℃的亚临界热影响区产生.如有缺口效应,则热应变脆化更为严重,熔合区常常存在缺口性质的缺陷,当缺陷周围受到连续的焊接热应变作用后,由于存在热应变集中和不利组织,热应变脆化倾向就更大,所以热应变脆化也容易发生在熔合区.
3〕氢致裂纹
焊接氢致裂纹是低合金高强钢焊接时最容易产生,而且是危害最为严重的工艺缺陷,它常常是焊接结构失效破坏的主要原因.低合金高强度钢焊接时产生的氢致裂纹主要发生在焊接热影响区,有时也出现在焊缝金属根据钢种的类型、焊接区氢含量与应力水平的不同,氢致裂纹可能在焊后200℃以下立即产生,或在焊后一段时间内产生.大量研究表明,当低合金高强钢焊接热影响区中产生淬硬的M或M+B混合组织时,对氢致裂纹敏感；而产生B或B+F组织时,对氢致裂纹不敏感.对一般低合金高强钢,为防止氢致裂纹的产生,焊接热影响区硬度应控制在350HV以下.热影响区淬硬倾向可以采用碳当量公式加以评定.对于C-Mn系低合金高强钢,可采用国际焊接学会推荐的公式〔1-1〕,对于微合金化的低碳低合金高强钢适合于采用Pcm公式：
Pcm=w〔C〕+w〔Si〕/30+w〔Mn+Cu+Cr〕/20+w〔Ni〕/60+w〔Mo〕/15+w〔V〕/10+5w〔B〕.
4>热裂纹敏感性
与碳素钢相比,低合金高强钢的w〔C〕、w〔S〕较低,且w〔Mn〕较高,其热裂纹倾向较小.但如果发生C和S偏析也会在焊缝中出现热裂纹.采用Mn、Si含量较高的焊接材料,减少焊接热输入,减少母材在焊缝中的熔合比,增大焊缝成形系数,有利于防止焊缝金属的热裂纹.
5〕再热裂纹敏感性
低合金高强钢焊接接头中的再热裂纹亦称消除应力裂纹,出现在焊后消除应力热处理过程中.再热裂纹属于沿晶裂纹,一般都出现在热影响区的粗晶区,有时也在焊缝金属中出现.其产生与杂质元素P、Sn、Sb、As在初生奥氏体晶界的偏聚导致的晶界脆化有关,也与V、Nb等元素的化合物强化晶内有关.
6〕层状撕裂倾向
大型厚板焊接结构焊接时,如在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力,可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂.这种裂纹常出现于要求熔透的角接接头或丁字接头中.选用抗层状撕裂钢；改善接头形式以减缓钢板Z向的应力应变；在满足产品使用要求的前提下,选用强度级别较低的焊接材料或采用低强焊材预堆边；采用预热与降氢等措施都有利于防止层状撕裂.
2.3预防焊接缺陷的措施
焊接缺陷分为：
裂纹、气孔、未焊透和未熔合、夹渣、焊瘤、咬边等几种,其中焊接裂纹和气孔危害最大的.
〔1〕焊接热裂纹的控制
1〕控制焊缝金属成分
其中最关键的是选择合适的焊接材料.选择低合金钢焊接材料应注意以下几个方面：
①对于低合金高强钢,在保证焊接接头强度的前提下,重点考虑焊接材料的抗裂性与焊缝金属的塑韧性.为此应优先选择低氢与超低氢的焊接材料与塑韧性优良的焊接材料.
②对于两种强度级别不同的结构之间的焊接,应按照强度级别低的母材选择焊接材料.
③选择焊接材料时,应考虑工艺条件的影响.采用同一焊接材料焊同一钢种时,如果坡口形式不同,则焊缝性能各异.焊后加工工艺的影响对于焊后经受热卷或热处理的条件,必须考虑焊缝金属经受高温热处理后对其性能的影响.应保证焊缝热处理后仍具有所要求的强度、塑性和韧性,一般正火处理后的焊缝强度要比焊态时低,对于在焊后要经受正火处理的焊缝,应选用合金分较高的焊接.焊件焊后要进行消除应力热处理,一般焊缝金属的强度将降低,这时也应选用合金成分较高的焊接材料.对于焊后经受冷卷或冷冲压的焊件,则要求焊缝具有较高的塑性.
④对厚板、拘束度大与冷裂倾向大的焊接结构应选用超低氢焊接材料,以提高抗裂性能,降低预热温度.厚板、大拘束度焊件,第一层打底焊缝最容易产生裂纹,此时可选用强度稍低、塑性、韧性良好的低氢或超低氢焊接材料.
⑤对于重要的焊接产品如海上采油平台、压力容器与船舶等,为确保产品使用的安全性,焊缝应具有优良的低温冲击韧度和断裂韧性应选用高韧性焊接材料,如高碱度焊剂、高韧性焊丝、焊条、高纯度的保护气体并采用Ar+CO2混合气体保护焊等.
⑥为提高生率可选用高效铁粉焊条、重力焊条、高熔敷率的药芯焊丝与高速焊剂等,立角焊时可用立向下焊条,大口径管接头可用高速焊剂,小口径管接头可用底层焊条.
⑦为改善卫生条件在通风不良的产品中焊接时〔如船仓、压力容器等〕,宜采用低尘低毒焊条.
成分控制中还有一个极为重要的问题是限制有害杂质的含量.对于各种材料,均需严格限制硫、硫含量.合金化程度越高,限制要越严格.
2〕调整焊接工艺
①限制过热.熔池过热易促使热裂,应降低热输入,并采用较小的焊接电流.
②控制成形系数.焊接电流不同,对成形系数的要求也有所不同.
③减小熔合比.减小熔合比即减小稀释率,同样也要求降低焊接电流.
④降低拘束度.
⑤其他.如控制装配间隙、改进装配质量等.
<2>焊接冷裂纹控制
1〕控制组织硬化
一般焊接生产中,母材化学成分是根据结构的使用要求确定的,即Pcm或CE是一定的.为限制组织硬化程度,唯一方法就是调整焊接条件以获得适宜的焊接热循环.常用t8/5,或t100等作为判据.在焊接方法一定时,焊接热输入不能随意变化,以防止过热脆化.此时,为获得需要的t8/5等,预热是可以采取的重要手段.
2〕限制扩散氢含量
采用低氢或超低氢焊接材料,并防止再吸潮,有利于防止冷裂裂纹产生.预热或后热可减少扩散氢.
后热对减小残余应力和改善组织也有一些作用.最低后热温度Tp与钢材的成分有关.
3〕控制拘束应力
从设计开始以与施焊工艺制定中,均需力求减小刚度或拘束度,并避免形成各种"缺口〞.调整焊接顺序,使焊缝有收缩余地；对于T形杆件必须避免回转变形或角变形,以防止焊根裂纹.
〔3〕防止焊缝形成气孔的措施
从根本上说,防止焊缝形成气孔的措施就在于限制熔池溶入或产生气体,以与排除熔池中存在的气体.
1〕消除气体来源
①表面处理
对钢焊件焊前应仔细清理焊件与焊丝表面的氧化膜或铁锈以与油污等.
②焊接材料防潮与烘干
各种焊接材料均应防潮包装与存放.焊条和焊剂焊前应按规定温度和时间烘干,烘干后放在专用烘干箱或保温筒中保管,随用
随取.尤其低氢焊条对吸潮很敏感,吸潮量超过1．4%就会明显产生气孔.
③加强保护
空气入侵熔池是气孔原因之一．主要是氮的作用.
引弧不正常时．不能获得正常保护.低氢焊条收弧时易产生气孔,就是因药皮中造气物质CaCO,未能与时分解,以致产生的CO2不足以形成充分的气体保护所致,焊接过程中如果药皮脱落、焊剂或保护气中断,都将破坏正常的保护.为了解决这一问题．曾将低氢焊条焊芯端部磨尖,目的是增大电流密度以提高发热量,而加快药皮升温和促使CaCO,分解.
气体保护焊时必须防风.焊枪喷嘴前端保护气体的流速一般为
2m／s左右,风速如果超过此值,保护气体不能稳定而成为紊流状态.失去保护作用.正常条件下,保护气体的流量也影响保护效果,这与焊丝直径、坡口形状、接头形式、喷嘴形状以与喷嘴距焊件距离等因素有关.保护气体的纯度也须控制.对于微气孔除了有效的机械保护外,还应通过合金元素固氮,采用H04Mn2SiTiA或H04MnSiAlTiA的CO2焊即可完全消除.
2〕正确选用焊接材料
焊接材料的选用非常重要,必须考虑与母材的匹配要求,例如低氢焊条抗锈性很差,有锈时很容易产生气孔；而氧化铁型焊条却有很好抗锈性.埋弧焊时,如果使用高碱度烧结焊剂,由于碱度允许提高到3以上,O2-活度已降低,不同于常用碱性焊条,对铁锈敏感性显著减小.
在气体保护焊时,从防止氢气孔产生的角度考虑,保护气氛的性质选用活性气体优于惰性气体,因为活性气体氧气或二氧化碳均可以促使降低氢分压而限制溶氢,同时还能降低液体金属的表面X力和增大其活动性能,有利于气体的排出.
焊丝的组成除适应与母材的匹配要求外,还必须考虑之组合的焊剂〔埋弧焊〕或保护气体〔气体保护焊〕,根据不同的冶金反应,调整熔池或焊缝金属的成分.在许多情况下,希望形成充分脱氧的条件,以抑制反应性气孔的形成.
3〕控制焊接工艺评定
控制焊接工艺条件的目的是创造熔池中气体逸出的有利条件,同时也应有利于限制电弧外围气体向熔融金属中的溶入.
对于反应型气体而言,首先应着眼于创造有利的排出条件,即适当增大熔池在液态的存在时间.由此可见,增大热输入和适当预热都是有利的.
对于氢和氮而言．只有气体逸出条件比气体溶人条件更有利.才有减少气孔的可能性.由此可见,焊接工艺参数应有最佳值,而不是简单地增大或减小问题.
横焊或仰焊条件下将比平焊时更易产生气孔,因为气体排出条件
不利.立焊时的气孔倾向与向上或向下施焊有关.向上立焊的气孔较
少,向下立焊的气孔则较多,因为向下立焊时熔融金属易向下坠落,不但不利于气体排出．且有卷入空气的可能．在这种情况下,焊接参数的影响就比较复杂.焊接过程中加脉冲可显著减少气孔的生成.
3焊接方法、焊接材料以与焊接设备的选择
3.1焊接方法选择
A4-3柱上连接板与H型钢翼缘板对接,H型钢翼缘板的对接,由于焊缝较短,焊缝等级为二级熔透焊缝,并且考虑到焊接位置的影响,因此选择CO2气体保护焊.H型钢翼缘板与腹板的角接,由于焊缝较长,板厚度大,采用埋弧自动焊,焊接效率高,焊缝质量.角钢缀条与节点板的连接以与点固焊可采用焊条电弧焊,焊接可达性好,焊接质量高.
3.2焊接材料的选择
CO2气体保护焊焊材的选择
根据GB/T8110-2008《气体保护焊用碳钢、低合金钢焊丝》选择的焊丝型号为ER50-6,因为其具有很好的塑性和韧性,合金成分稳定,焊接时电弧稳定,飞溅较小,具有良好的抗气孔能力,其化学成分和力学性能如表所示：
表3化学成分
C
Mn
Si
S
P
Cu
Ni
Cr
Mo
V
0.06~0.15
1.40~1.85
0.80~1.15
0.025
0.025
0.50
0.15
0.15
0.15
0.03
表4力学性能
实验项目
Rm〔Mpa〕
Rel〔Mpa〕
A〔%〕
Akv〔J〕
保证值
≧500
≧420
≧22
≥17〔-18℃〕
埋弧焊焊材的选择
根据GB-T12470-2003《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》选择的焊丝牌号为H08MnA,焊剂型号HJ431,HJ431焊剂具有良好的焊接工艺性,电弧稳定,焊缝成形美观,但抗绣能力一般,与H08MnA配合使用,对母材上的锈迹不太敏感,脱渣性良好,可以提高焊缝金属力学性能、抗气孔能力,形成的焊缝具有良好的力学性能.其化学成分和力学性能如下表所示：
表5H08MnA化学成分
C
Mn
Si
Cr
Ni
Cu
S
P
≦0.10
0.80~1.10
≦0.07
≦0.20
≦0.30
≤0.20
0.030
0.030
表6H08MnA力学性能
牌号
Rm〔Mpa〕
Rel〔Mpa〕
A〔%〕
Akv〔J〕
H08MnA
480
330
22
27
表7HJ431化学成分
焊剂型号
类型
化学成分〔质量分数,%〕
SiO2
Al2O3
MnO
CaO
MgO
FeO
CaF2
P≤
S≤
HJ431
5
40~44
≤4
34~38
≤6
5~8
≤1.8
3~7
0.08
0.06
表8SJ101熔敷金属力学性能
牌号
熔敷金属力学性能
Rel〔Mpa〕
Rm〔Mpa〕
A〔%〕
Akv〔J〕
HJ431
400
480~650
22
27〔-20℃〕
焊条电弧焊焊材选择
根据JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》,焊条电弧焊选择的焊条型号为E4303,牌号J422,具有优良的焊接工艺性能和力学性能,电弧稳定,飞溅少,脱渣容易,焊缝成型美观.其化学成分和力学性能如下表所示：
表9E4303化学成分
C
Mn
Si
S
P
﹤﹤0.3
0.31
﹤﹤0.18
﹤﹤0.00
﹤﹤0.035
表10E4303力学性能
型号
熔敷金属力学性能
Rel〔Mpa〕
Rm〔Mpa〕
A〔%〕
Akv〔J〕
E4303
330
420
22
27〔-20℃〕
3.3焊接设备的选择
埋弧焊设备选择
5工业厂房A4-3柱制造工艺
5.1工业厂房A4-3柱制造工艺流程图
5.2焊接工艺评定
对A4-3房柱结构的焊接所进行的焊接工艺评定如表3-1所示.
表3-1焊接工艺评定报告目录
序号
报告名称
报告编号
图号
1
Q345B钢〔20mm〕埋弧焊焊接接头
PQR-1
图2
2
Q345B钢〔20mm,6mm〕埋弧焊T形接头
PQR-2
图3
3
Q345B钢〔10mm〕二氧化碳气体保护电弧焊T形接头
PQR-3
图4
4
Q345B钢〔10mm,8mm〕二氧化碳气体保护电弧焊搭接接头
PQR-3
图5
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
表3-2焊接工艺评定报告
工程<产品>名称
焊接工艺评定
评定报告编号
PQR-1
委托单位
##大学
工艺指导书编号
WPS-1
项目负责人
姜金志
依据标准
《建筑钢结构焊接技术规程》
试样焊接单位
##大学
施焊日期
20##5月10日
焊工
资格代号
级别
母材钢号
Q345B
规格
-18mm
供货状态
热轧
生产厂
鞍钢
化学成分和力学性能
C
<%>
Mn
<%>
Si
<%>
S
<%>
P
<%>
ReL
Rm
A
<%>
T
<℃>
AKV
标准
≤0.20
≤1.7
≤0.50
≤0.035
≤0.035
335
470
~
630
≥20
20
34
合格证
0.18
1.4
0.40
0.030
0.030
325
500
21
20
35
复验
0.18
1.2
0.45
0.030
0.030
325/
500/
21/
20/
35/
碳当量
0.39%
公式
焊接材料
生产厂
牌号
类型
直径〔mm〕
烘干制度〔℃×h〕
备注
焊丝
##北方
H08MnA
实芯焊丝
φ4.0
/
/
焊剂或气体
##万德
HJ431
熔炼焊剂
250×2
/
焊接方法
埋弧自动焊
焊接位置
F
接头形式
角接
焊接工艺参数
见焊接工艺评定指导书
清根工艺
碳弧气刨
焊接设备型号
MZ-1250
电源与极性
直流反接
评定结论：
本评定按《建筑钢结构焊接技术规程》〔JGJ81〕规定,根据工程情况编制工艺评定指导书、焊接试件、制取并检验试样、测定性能,确认实验记录正确,评定结果为：
＿合格＿.焊接条件与工艺参数适用X围按本评定指导书规定执行.
评定
年月日
评定单位：
〔签章〕
年月日
审核
年月日
技术负责
年月日
表3-3焊接工艺评定指导书
工程名称
焊接工艺评定
指导书编号
WPS-1
母材钢号
Q345B
规格
20mm
供货状态
热轧
生产厂
鞍钢
焊接材料
生产厂
牌号
类型
烘干温度℃
备注
焊条
大桥/
E4303/
低碳钢/
150/
60分钟/
焊丝
##北方
H08MnA
实芯
250~300/
30~60分钟/
焊剂或气体
##万德
HJ431
熔炼
250
120分钟/
焊接方法
SAW
焊接位置
F
焊接设备型号
MZ-1250
电源与极性
直流反接
预热温度〔℃〕
/
层间温度
/
后热温度〔℃〕与时间〔min〕
/
焊后热处理
/
接头示意图
焊接顺序图
焊接工艺参数
道次
焊接方法
焊条或焊丝
焊剂
保护气流量〔L/min〕
电流
电压
焊接速度
热输入
备注
牌号
φ
1
SAW
H08MnA
4
HJ431
40/
800
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