工字梁设计.docx
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工字梁设计
常州机电职业技术学院
毕业设计（论文）
作者：
孟祥永学号：
21330122
系部：
模具技术系
专业：
焊接技术及自动化
题目：
工字梁生产工艺设计
校内指导教师：
骆敏
企业指导教师
评阅者：
2016年4月
毕业设计（论文）中文摘要
随着建造工业的发展，工字梁被广泛的运用于其中。
工字形的截面形状是前辈工程师研究创造的，它能节省大量的材料而获得几乎相近于外轮廓一样的矩形截面的惯性矩以抗弯，同时，由于钢的强度很高，也有足够的抗剪能力。
只有工字钢能办得到，如工字形的截面和H形截面。
节省大量的材料也减轻了构件的自身重量。
而工字梁的工艺生产的关键点在于装配和焊接，在焊接过程中通常都会产生焊接变形，对焊接变形的处理和预防同样也很重要。
其良好的力学性能，承载能力在厂房建造等诸多方面有广泛的应用。
这次我的设计任务是工字梁的生产流程的分析，制造工序分析，确定制造要求、难点，以及焊接变形的控制措施。
关键字：
工字梁力学性能焊接焊接变形生产流程
1.引言
1.1工字梁的概述
工字梁的定义：
工字形断面的轧制铁梁、钢梁或铸钢梁;亦指工字形断面的组合梁,尤其是用于钢铁结构（如钢架建筑物）中的梁
工字梁的力学原理：
在两个支架上水平放置一个横梁，当横梁受到垂直于轴线向下的压力时，横梁发生弯曲。
在横梁的上部发生压缩形变，即出现压应力，越接近上缘压缩越严重；在横梁的下部发生拉伸形变，即出现拉应力，越接近下缘拉伸越严重。
而中间一层既不拉伸也不压缩，所以无应力，通常称该层为中性层。
由于中性层对抗弯的贡献很小，因此工程应用上经常用工字梁代替方形梁，用空心管代替实心柱。
1.2本课题研究的对象及要求
本课题研究了
1结构与母材性能分析
1.1工字形梁结构分析
1.1.1结构特点及应用
工字梁通常用于制作承重桩和支柱。
工字梁的宽边和腹板的厚度大致相同。
在高层建筑中，通过柱子支撑着的工字梁也用来承受非常大的载荷。
此外，工字梁能在平行和垂直腹板的方向上提供平衡外力的作用，工字梁特别适合用来抵抗地震力。
1.1.2受力情况
焊接组合梁根据其受力特点，可以设计成不同的截面形式。
最常用的是由三块钢板焊接而成的工字形截面组合梁（本次设计即是），必要时也可以采用双层翼板组成的截面。
当梁的上翼缘平面内还受到侧向作用时，也可以绕强轴不对称的工字形截面或由槽钢和工形钢焊接而成的组合截面。
对于两个主平面内具有较大载荷又要求具有较好抗扭刚度的梁，可采用焊接Y形截面和焊接箱形截面，或型钢焊接组合截面。
近年来在轻钢结构中也常用到由薄壁钢板冷弯焊接而成的组合梁或由薄壁钢管代替普通翼缘板与腹板焊接而成的组合梁。
1.2母材性能分析
1.2.1Q235-A钢简介
Q235-A钢是一种普通碳素结构钢，这种钢容易冶炼，工艺性好，价格低廉。
而且在力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求应用十分广泛。
Q235-A表示这种钢的屈服强度为235MPa，质量等级为A级，Q235-A钢含碳量约为0.14%～0.22%属于低碳钢，Q235-A沸腾钢Mn含量上限为0.65%，S、P和非金属夹杂物较多在相同含碳量及热处理条件下，其塑性、韧性较低，加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。
通常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板，大量应用于建筑及工程结构，用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件（如铆钉、螺钉、螺母、轴套、及某些农机零件等）。
1.2.2化学成分及其影响
Q235-A钢含有碳、硅、锰、磷、硫等化学元素，具体的化学成分如表1-1所示。
表1-1Q235-A的化学成分
化学元素
碳（C）
硅（Si）
锰（Mn）
磷（P）
硫（S）
质量分数/%
≤0.22
≤0.30
≤0.65
≤0.045
≤0.050
化学元素对Q235-A钢性能也有一定的影响，比如对塑性、强度、焊接性的影响，具体影响如表1-2所示。
表1-2化学元素对Q235-A钢性能的主要影响
元素名称
对性能主要影响
碳（C）
钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
硅（Si）
常用的脱氧剂，有固熔强化作用，提高电阻率，降低磁滞损耗，改善磁导率，提高淬透性，抗回火性，对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐蚀性。
含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆。
中碳钢和高碳钢易于在回火时产生石墨化。
锰（Mn）
降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向。
磷（P）
固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。
硫（S）
改善切削性。
产生热脆现象，恶化钢质量，硫含量高，对焊接性产生不好影响。
1.2.3Q235-A钢的力学性能
金属材料的力学性能是指金属材料抵抗外加载荷或外力引起变形和断裂的能力或金属的失效抗力。
主要包括：
强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等性能。
Q235-A钢有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。
主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。
Q235-A钢的力学性能如表1-3所示。
牌
号
等
级
屈服强度ReH（N/mm2）,不小于
抗拉
强度
Rm/（N/mm2）
断后伸长率A/%，不小于
厚度（或直径）/mm
厚度（或直径）/mm
≤16
>16~40
>40~60
>60~
100
>100~
150
>150~200
≤40
>40~60
>60~
100
>100~150
>150~200
Q235
A
235
225
215
205
195
185
375~500
26
24
23
22
21
表1-3Q235-A钢的力学性能
1.2.4Q235-A钢的焊接性分析
Q235-A钢属于低碳钢。
低碳钢因C、Mn、Si含量少，正常情况下焊接时，整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层（道）间温度和后热，，焊后也不必采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，其焊接热影响区不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织。
此时，钢材的塑性和冲击韧性优良。
当含碳量在0.14％～0.22％范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。
而Q235-A钢的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接的。
但在少数情况下，Q235-A钢的焊接性也会变差，焊接时出现困难。
例如，接头热影响区产生性能不合格几种情况：
接头的性能不合格主要表现为接头的弯曲性能不合格，焊缝热影响区或焊缝的冲击性能不合格，焊接接头的强度不足，疲劳或腐蚀等性能不合格。
对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。
因此对于低碳厚板，尤其是特厚板，应关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。
低碳钢焊接热影响区产生冷裂纹，应从焊接热影响区淬硬组织、接头拘束度和焊缝中的含氢量等角度分析，应采取相应的措施防止和解决。
低碳钢焊接热影响区出现冷裂纹情况主要是与母材中局部存在S、P偏聚及其氧化物形成低熔点的复合相有关。
当含碳量在0.14%～0.22%范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。
而Q235A的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接的。
但在少数情况下，Q235A的的焊接性也会变差，焊接时出现困难。
例如，接头热影响区产生性能不合格几种情况：
接头的性能不合格主要表现为接头的弯曲性能不合格，焊缝热影响区或焊缝的冲击性能不合格，焊接接头的强度不足，疲劳或腐蚀等性能不合格。
对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。
因此对于低碳厚板，尤其是特厚板，应关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。
2生产工艺流程图
工字形梁的生产工艺流程图如图2—1所示。
成品检验
成品检验
3装配焊接工艺流程
钢材进厂后，应首先对其尺寸规格进行复检，由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的制造质量。
因此在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。
使用砂轮、钢丝刷、喷丸、喷砂等方法对钢材进行表面除锈。
因为自重、支撑不当，或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形，因此在下料前使用多辊矫平机对钢材进行矫正。
3.1钢材规格的选用
所设计的工字形梁主体，翼缘板长度2.5m，即2500mm，宽0.3m，即300mm，厚度为10mm，共2块；腹板长度为2500mm，宽780mm，厚8mm，共2块；对于肋板，每块长度为780mm，宽300mm，厚度为6mm，共6块。
根据所设计的工字形梁各个部件的尺寸和数量对钢材规格进行选用，现选用钢材规格如表3—1所示。
表3—1选用钢材规格及数量
序号
尺寸
块数
用途
长度/mm
宽度/mm
厚度/mm
①
2500
300
10
2
翼缘板
②
2000
300
10
2
翼缘板
③
700
300
10
2
翼缘板
④
2500
780
8
2
腹板
⑤
780
300
6
6
肋板
钢材规格选用时要考虑到各种影响，如工字形梁主体尺寸、各个部件尺寸、边缘切割、下料和加工余量等各个方面的综合作用。
3.2材料复检与预处理
3.2.1复检
使用前应根据金属材料的出厂质量检验证明书（或合格证）加以鉴定，同时，还必须进行外部质量检查以检查在运输过程中产生的外部缺陷，防止材料型号错乱。
对于存在严重外部缺陷的原材料应标记、取出，严禁转入后续生产工序。
对于没有出厂证明或新使用的材料必须进行化学成分分析、力学性能检验及焊接性试验后才能投产使用。
焊接钢板不得有机械分层和严重的金相组织分层，钢板表面不得有裂纹、气泡、结疤、折叠、夹杂、压入的氧化皮等缺陷，以上表面缺陷允许用修磨的方法清除，清除深度不应使钢板不小于标准规定的最小厚度，而且要达到表面平滑过渡。
钢板入厂检验时，还需要根据供货条件对化学成分、力学性能进行复检。
对同一批次的原材料进行编号，并做好标记移植，保证每种钢板与其材质单实现对应，便于查找、追踪、核对等工作。
3.2.2预处理
①矫正
焊件矫正方法有冷加工法和热加工法。
冷加工包括手工矫正和机械矫正。
冷加工矫正有时会使金属产生冷作硬化，并且会产生附加应力，一般对尺寸较小、变性较小的零件可以采用。
对于变性较大的应采用热加工矫正（火焰矫正）。
火焰矫正法是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧放出的热量对变形件的局部进行加热，使之产生压缩塑性变形，使伸长的部位冷却后局部缩短，利用收缩产生变形抵消焊接引起的变形。
加热采用的主要是气焊炬，操作简单方便，对机械矫正的变形，尤其是大型钢结构的变形，采用火焰矫正法可达到较好的效果。
本次加工构件较大，故用火焰矫正法。
在对钢材进行火焰矫正时，使用气割的大号割炬，采用中性氧丙烷焰作为加热源。
加热温度的高低取决于工件厚度、材质、结构形式和回火温度的大小，要控制在钢材回火温度以下。
加热部位及形状也以工件的结构形式和变形情况而定。
其基本原则是在平面突起部位及弯曲凸出的一侧，及纤维被拉长处进行加热。
加热区的大小和数量以完全得到矫正为依据。
②机械喷砂清理
机械喷砂清理是利用净化的压缩空气，将砂流剧烈的喷向金属材料表面，利用磨料的强力撞击作用去除金属材料表面的污垢物，其成本较低。
机械喷砂清理不仅用于材料预处理，在焊接结构的后处理工艺中也要用其进行除锈。
机械喷砂处理分为干喷砂法和湿喷砂法。
由于环境污染小、劳动条件较好，所以采用湿喷砂法。
湿喷砂法的在砂料中加入一定量的水，使之成为砂水混合物，以减少砂料对金属表面的冲击作用，从而减少金属材料的磨损量，使金属表面更光洁。
在喷砂除锈处理时，水砂比值控制在7：
3，所使用的压缩空气压力为0.5～0.7MPa。
320～400目的水砂粒中，应加入10%膨润土作为悬浮剂，以防止砂粒沉入储存箱底。
水中还可加入0.5%碳酸钠和0.5%的重铬酸钠作缓蚀剂。
经过湿喷砂处理的金属材料尽量减少触摸，并及时进行表面处理，以防止短期内再度生锈。
表面防护处理方法一般是喷涂专用防护底漆或进行钝化处理。
钝化时可以在10%磷酸锰铁水溶液中浸泡10s，也可在2%亚硝酸钠水溶液中钝化1s。
表面所加上的防护层（钝化或专用底漆），焊接时毋需清除，对焊接质量没有影响。
3.3加工余量与放样、划线、号料
3.3.1加工余量
对钢板进行切割和坡口加工前，需要进行放样、划线与号料工序。
放样、划线与号料的工作好坏对后序加工及半成品、最终产品的质量都有重要影响。
在这些工序中，需要考虑焊接收缩变形及气体火焰切割间隙的影响。
焊接收缩量参考值如表3—2所示，气体火焰下料的切割间隙如表3—3所示。
表3—2焊接收缩量参考表
焊缝横向收缩量参考表
接头形式
板厚/mm
3~4
4~8
8~12
12~16
16~20
20~24
24~30
收缩量/mm
V型坡口对接接头
0.7~1.3
1.3~1.4
1.4~1.8
1.8~2.1
2.1~2.6
2.6~3.1
—
X型坡口对接接头
—
—
—
单面坡口十字接头
1.5~1.6
1.6~1.8
1.8~2.1
2.1~2.5
2.5~3.0
3.0~3.5
3.5~4.0
单面坡口角焊缝
0.8
0.7
0.6
0.4
—
无坡口单面角焊缝
0.9
0.8
0.7
0.4
—
双面断续角焊缝
0.4
0.3
0.2
—
—
—
焊缝纵向收缩量近似值/（mm·m-1）
对接焊缝
0.15~0.30
连续角焊缝
0.20~0.40
断续角焊缝
0~0.10
表3—3火焰切割下料切割间隙值
火焰切割
材料厚度/mm
≤10
12~20
32~50
52~65
70~130
135~200
手工/mm
3
4
5
6
8
10
自动半自动/mm
2
4
4
5
6
—
在进行材料放样时应综合考虑横向收缩、纵向收缩和下料切割间隙值等各个方面的影响。
3.3.2放样、划线、号料
在金属结构制造前，按产品零件图纸的要求，在放样台上用1:
1比例绘出实际零件的展开图形和尺寸。
放样的目的是确定零件毛坯的下料尺寸，为此它在零件的展开尺寸基础上，还要考虑焊接加工工艺的特点，如焊缝的收缩变形量、坡口加工余量等有关工序所需要的加工余量。
因为每块钢板的边缘部分要切割掉不用，所以放样时要将钢材的尺寸向里缩小一部分，具体为20mm，mm，10mm，2mm，所得到的钢板尺寸如表3—4所示。
表3—4钢材原尺寸与边缘加工后尺寸比较
板号
原尺寸/mm
边缘切割后尺寸/mm
长度
宽度
厚度
长度
宽度
厚度
①
2500
300
10
2480
288
10
②
2000
300
10
1984
288
10
③
700
300
10
695
288
10
④
2500
780
8
2480
775
8
⑤
780
300
6
775
288
6
划线是将待加工零件毛坯下料尺寸直接在材料上放样划线，或者利用样板在金属材料上进行零件轮廓线的复制。
为避免金属材料在搬运过程中将零件的轮廓线擦去，在金属材料的轮廓线上用小锤和冲子打上标记，即是号料。
综合考虑，本次加工用样板号料较为方便省时。
3.4下料方法及设备
下料用的方法用全自动火焰切割。
气割是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使预热处金属燃烧并放出热量实现切割的方法。
钢材的切割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气流中燃烧的温度（即燃点），然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热。
借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直到工件的底部。
与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。
气体火焰切割的实质是被切割的材质在纯氧中燃烧的过程，不是熔化过程。
从宏观上来说，气体火焰切割是钢中的铁在高纯度氧中燃烧的化学过程和借助切割氧流动量排除熔渣的物理过程相结合的一种加工方法。
低碳钢及其氧化物的熔点、燃烧热及切割性如表3—5所示。
表3—5低碳钢及其氧化物的熔点、燃烧热及切割性
金属
熔点/℃
金属氧化物
氧化反应热/KJ
氧化物熔点
/℃
气割性
低碳钢
≈1500
FeO
Fe2O3
Fe3O4
267.8~1120.5
1370~1565
良好
气割中常用的气体有乙炔、丙烷、石油气及各种混合燃气等。
其中，乙炔和丙烷是最常用的两种气体。
它们的的物理性能和化学性能比较如表3—6所示。
表3—6乙炔与丙烷的性能比较
气体
相对分子质量
密度
/Kg·m-3
着火点
/℃
16℃相对空气质量之比
总热值/KJ·m-3
需氧量
中性焰温度/℃
爆炸范围/%
理论
实际
氧
气
中
空
气
中
氧
气
中
空
气
中
乙炔
C2H2
26
1.17
335
0.91
52963
2.5
1.1
3100
2630
2.8
~93
2.5
~80
丙烷
C3H8
44
1.85
510
1.52
85746
1.1
3.5
2520
2116
2.3
~55
2.5
~10
根据使用效果、成本、气源等情况综合分析，丙烷是乙炔比较理想的代用燃料。
氧-丙烷切割要求氧气纯度高于99.5%，丙烷气的纯度也要高于99.5%。
与氧-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特点如下：
①切割面上缘不烧塌，熔化量少；切割面下缘黏性熔渣少，易于清除；
②切割面的氧化皮易剥落，切割面的粗糙度相对较低；
③切割厚钢板时不塌边，后劲足，切口表面光洁，棱角整齐，精度高；
④倾斜切割时，倾斜角度越大，切割难度越大；
⑤比氧-乙炔切割成本低，总成本约降低30%以上。
综上，所以选用的燃气是丙烷气，而不是乙炔气。
氧-丙烷切割按使用的割炬分为射吸式割炬和等压式，射吸式割炬用于手工切割，等压式割炬多用于机械切割。
氧丙烷等压式割炬机械切割的工艺参数如表3—7所示。
表3—7压式割炬机械切割工艺参数
切割厚度
/mm
割嘴号
氧气压力
/MPa
燃气压力
/MPa
切割速度
/mm·min-1
5~10
1
0.30
0.03
450~500
10~20
2
0.30
0.03
350~450
20~40
3
0.35
0.03
300~350
40~60
4
0.45
0.04
250~300
60~100
5
0.60
0.04
230~250
100~150
6
0.70
0.04
200~230
150~180
7
0.80
0.05
170~200
180~220
8
0.90
0.05
140~70
220~260
9
0.95
0.05
90~140
260~300
10
1.00
0.05
70~90
切割时，切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号，可根据工件厚度选择氧气压力。
切割氧气压力过大，易使切口变宽、粗糙；压力过小，易造成粘渣。
切割氧气压力的推荐值如表3—8所示。
表3—8切割氧压力推荐值
工件厚度/mm
3~12
12~30
30~50
50~100
100~150
150~200
200~300
切割氧压力/MPa
0.4~0.5
0.5~0.6
0.5~0.7
0.6~0.8
0.8~1.0
1.0~1.4
1.0~1.4
综上，可选切割参数：
切割翼缘板，切割氧压力0.6MPa，切割速度：
250～300mm/min；切割腹板，切割氧压力0.6MPa，切割速度为350～450mm/min；切割筋板，切割氧压力为0.5MPa，切割速度为350～450mm/min。
切割前，应仔细清除切割金属表面的铁锈、尘垢和油污。
切割时，预热火焰开始用氧化焰（氧气与丙烷混合比为5：
1），以缩短预热时间。
正常切割时转换用中性焰（混合比为3.5:
1）。
相对于氧-乙炔切割，氧-丙烷切割速度要慢一些。
3.5装配与焊接
3.5.1翼板与腹板的装配焊接
①、装配
对称的工字断面的梁结构制造的程序应是先装配后焊接，即先装配成工字形状并定位焊后再进行焊接。
不应边装配边焊接，即不能先焊成T形断面再装另一翼板，最后焊成完整的工字形，这样做变形大、工序多、生产周期长。
装配时先在翼板上划出腹板的位置线，如图3-1a所示。
并焊上定位角铁2。
为便于吊装在腹板背上角铁，如图3-1b所示。
用90°角尺检查腹板与翼板的垂直度，如图3-1c所示。
图3-1工字形结构的装配
a）划线与安装定位角铁b）装配T形梁c）装配工字梁
1、3－翼板2－定位角铁4－腹板5－吊具6－直角尺
②、定位焊
此次装配选择二氧化碳气体保护焊进行定位焊。
定位焊是为了装配和固定焊件上的接缝位置而进行的焊接。
定位焊缝本身易产生气孔和夹渣，也是导致随后二氧化碳气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。
定位焊缝间距为150～250mm，为增加定位焊缝的强度，应适当增大定位焊缝长度，一般为2～40mm长。
焊丝为H08Mn2SiA，具体焊接工艺参数如表3—9所示。
表3-9定位焊焊接参数
焊脚尺寸/mm
焊丝直径/mm
焊接电流/A
焊接电压/V
焊接速度/m·h-1
焊丝伸出长度/mm
气体流量/L·min-1
6
1.6
260~280
27~29
20~26
18~20
16~18
③、焊接工艺
为保证四条纵向角焊缝的焊接质量，生产中常采用“船形”位置施焊，其倾角为45°。
图3-2即为倾斜焊件的简易装置。
图3-2倾斜焊件的简易装置
工字形柱四条纵向角焊缝采用自动埋弧焊进行焊接，需安装引弧板和熄弧板，焊前要认真清理焊接区。
焊丝为H08A，焊剂为HJ431。
具体焊接工艺参数如表3—10所示。
表3-10翼板与腹板的焊接参数
焊脚尺寸/mm
焊丝直径/mm
焊接电流/A
电弧电压/V
焊接速度/m·h-1
10
2
450~475
34~36
40
焊接顺序如图3-3所示。
图3-3工字形结构的焊接顺序
焊后采用气体火焰加热对焊接变形进行
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