钢结构的焊接变形与应力分析毕业论文

钢结构的焊接变形与应力分析毕业论文 钢结构的焊接变形与应力分析 摘 要 近年来，随着我国的工业发展，钢结构工程因其结构性能好、结构组织均匀、强度高、弹性模量高、塑性和韧性好，适于承受冲击和地震荷载、要求施工速度快、节能环保、便于机械化生产和工业化程度高等很多优越条件，因此钢结构工程在建筑领域被广泛应用。 本课题主要对H型钢焊接变形与应力进行研究，主要内容包括H型钢结构概述、H型钢结构焊接工艺、H型钢结构焊接应力与变形分析、典型H型钢结构焊接生产工艺等，本文通过研究分析H钢结构焊接应力与变形的类型及原因，以指导钢结构的生产及应用。 关键词:钢结构，焊接变形，应力，强度 STEEL STRUCTURE WELDING DEFORMATION AND STRESS ANALYSI ABSTRACT In recent years, along with China's industrial development, steel structure engineering because of its structure performance is good, structural organization uniformity, high strength, high modulus of elasticity, plasticity and toughness, suitable for bear impact and the seismic load, construction speed and facilitate the mechanization of manufacturing and higher degree industrialization superior conditions, so many steel structure engineering in architecture has been widely used. But, can't deny, steel structure still exist defects and hidden trouble. Steel structure welding process is the welding deformation and the welding stress wait for blemish. Steel structure welding process is actually in welding after heating and cooling local area, but due to the solidification process of non-uniform temperature field, causing welding uneven expansion and contraction, thereby internally generated welding welding stress and cause the welding deformation. This paper mainly analyzes the steel structure types and reasons of the welding deformation and stress elimination. KEY WORDS: steel structure， The welding deformation， Stress， Strength 毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计,论文,～是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知～除文中特别加以标注和致谢的地方外～不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果～也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体～均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计,论文,的规定～即:按照学校要求提交毕业设计,论文,的印刷本和电子版本,学校有权保存毕业设计,论文,的印刷本和电子版～并提供目录检索与阅览服务,学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文,在不以赢利为目的前提下～学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外～本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体～均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定～同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版～允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索～可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名: 日期: 年 月 日 导师签名: 日期: 年 月 日 指导教师评阅书 指导教师评价: 一、撰写,设计,过程 1、学生在论文,设计,过程中的治学态度、工作精神 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 4、研究方法的科学性,技术线路的可行性,设计方案的合理性 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 5、完成毕业论文,设计,期间的出勤情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文,设计,质量 1、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 三、论文,设计,水平 1、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文,设计说明书,所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 建议成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 (在所选等级前的?内画“?”) 指导教师: (签名) 单位: (盖章) 年 月 日 评阅教师评阅书 评阅教师评价: 一、论文,设计,质量 1、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文,设计,水平 1、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文,设计说明书,所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 建议成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 (在所选等级前的?内画“?”) 评阅教师: (签名) 单位: (盖章) 年 月 日 洛阳理工学院毕业设计(论文) 教研室(或答辩小组)及教学系意见 I 洛阳理工学院毕业设计(论文) 教研室(或答辩小组)评价: 一、答辩过程 1、毕业论文,设计,的基本要点和见解的叙述情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 二、论文,设计,质量 1、论文,设计,的整体结构是否符合撰写规范, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、是否完成指定的论文,设计,任务,包括装订及附件,, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 三、论文,设计,水平 1、论文,设计,的理论意义或对解决实际问题的指导意义 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 2、论文的观念是否有新意,设计是否有创意, ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 3、论文,设计说明书,所体现的整体水平 ? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及格 评定成绩:? 优 ? 良 ? 中 ? 及格 ? 不及 格 (在所选等级前的?内画“?”) 教研室主任(或答辩小组组长): (签名) 年 月 日 教学系意见: II 系主任: (签名) 年 月 日 洛阳理工学院毕业设计(论文) 目 录 钢结构的焊接变形与应力分析........................................................... 1 摘 要 .................................................................................................. 1 前 言 .................................................................................................. 1 第一章 钢结构的组成及发展........................................................... 3 1.1 钢结构主要组成部分............................................................. 3 1.2 钢结构的发展前景................................................................. 3 1.2.1 H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展 ................................................................................................ 3 1.2.2 钢结构住宅前景广阔................................................... 4 第2 章 H型钢概述............................................................................ 6 2.1 H型钢优点、适用范围 .......................................................... 6 2.1.1 H型钢使用中有以下显著优点: ................................ 6 2.1.2 H型钢适应范围............................................................ 6 2.2 H型钢结构对连接的要求 ...................................................... 6 第3章H型钢焊接工艺及变形.......................................................... 8 3.1 H型钢焊接工艺设计 .............................................................. 8 3.1.1 H型钢结构特点............................................................ 8 3.1.2 H型钢的制作要点:.................................................... 8 3.1.3 焊接过程中的难点:................................................... 9 3.1.4 产生变形原因 .............................................................. 9 3.2 焊接工艺分析......................................................................... 9 3.2.1 熔透焊(?级)的难点: ........................................... 9 3.2.2 焊接工艺方案 ............................................................ 10 3.2.3 焊接工艺方法 ............................................................ 10 3.2.4 焊接变形控制与矫正..................................................11 3.2.5 采取的预防方法和产生的效果..................................11 第4章 H型钢的应力与变形分析 ................................................... 13 4.2 H型钢焊接应力与变形 ........................................................ 14 4.2.1 纵向残余应力 ............................................................ 14 III 洛阳理工学院毕业设计(论文) 4.2.2 横向残余应力 ............................................................ 15 4.2.3 厚度方向的残余应力................................................. 16 4.2.4 焊接应力与变形产生的原因..................................... 16 5.1焊接变形的基本类型分析和原因分析 ................................ 19 5.1.2 工艺措施 .................................................................... 20 5.2 柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲 ....................................... 21 结 论 .................................................................................................. 22 谢 辞 ................................................................................................ 23 参考文献 ............................................................................................ 24 IV 洛阳理工学院毕业设计(论文) 前 言 钢结构的发展有悠久的历史。钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。我国是最早用铁制造承重结构的国家，远在秦始皇时代(公元前246-219年)，就已经用铁做简单的承重结构， 而西方国家在17世纪才开始使用金属承重结构。公元3-6世纪， 聪明勤劳的我国人民就用铁链修建铁索悬桥，著名的四川泸定大渡河铁索桥，云南的元江桥和贵州的盘江桥等都是我国早期铁体承重结构的例子。 在世界上钢结构的发展也很迅速，1960 日本积水(SEKISUI HOUSE)公司推出A型钢结构住宅。1961 建成北京工人体育馆。中国现代悬索结构的开始。 1962 日本大和公司推出A型钢结构住宅。 1965 日本松下住宅推出R2N型钢结构住宅。1970 当时世界最高大厦纽约世界贸易大厦建成，高410米 1973 当时最高的芝加哥西尔斯大厦Sears Tower完工，110层，高442米。1974 中国颁布TJ 17-44 (半概率，半经验的设计法)。 钢结构因其技术成熟、施工周期短、易于回收等独特优势，得到了迅速发展和普遍应用。而焊接作为一项重要的钢结构制作和连接技术，但随之带来的焊接变形与应力问题也日益突出。金属构件焊接时，焊缝区域局部受热膨胀，而周围的母材还处于冷态式或加热温度不高，因而对受热区域母材的膨胀起约束作用，因而焊接区受压，而母材受拉;随着电弧前移，已完成焊接的热影响冷却收缩，而其周围的母材此时起到了约束其收缩的作用，因而焊缝区域受拉，而其周围的母材金属受压。 在焊接应力作用下，如果焊件的拘束度较小，则焊件会产生相应的变形，如缩短、弯曲、翘曲等;如果焊件的拘束度很大，此时焊件不能自由变形，但在应力作用下会产生局部的应变，同时产生较大的残余应力。焊接应力是指对钢构件进行焊接加工过程中，在焊件上产生局部高温的不均匀温度场，焊接中心处温度可达1800?，局部高温使材料产生不均匀的膨胀。处于高温区域的材料受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行膨胀，于是焊件内出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变，在冷却过程中，经受压缩塑性应变的材料，由于 1 洛阳理工学院毕业设计(论文) 不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现了一个与焊件加热方向大致相反的内应力场。另外，由于构件受到焊接热循环的作用，使焊缝金属的内部组织发生了不同的变化，引起了因金属组织转变而造成体积上的变化。产生相变应力。除上述两种原因外，如果焊件被刚性固定或焊件之间相互牵制住，也会在焊接件中产生焊接应力，上述因素就是焊接残余应力的形成过程钢结构的焊接过程实际上是在焊件局部区域加热后又冷却凝固的过程。但由于不均匀温度场，导致焊件不均匀的膨胀和收缩，从而使焊件内部产生焊接应力而引起焊接变形。本课题主要从H型钢结构的焊接变形与应力对钢结构的影响来分析。 2 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第一章 钢结构的组成及发展 1.1 钢结构主要组成部分 钢结构是由型钢和钢板通过焊接、螺栓连接或铆接而制成，是主要的建筑结构类型之一。 钢结构是现代建筑工程中较普通的结构形式之一。 钢结构为确保达到保温效果，在建筑物的外墙和屋面中使用的保温隔热材料能长期使用并能保温隔热。迈特建筑轻钢结构住宅一般除了在墙的墙柱间填充玻璃纤维外，在墙外侧再贴一层保温材料，有效隔断了通过墙柱至外墙板的热桥;楼层之间搁栅内填充玻璃纤维，减少通过楼层的热传递;所有内墙墙体的墙柱之间均填充玻璃纤维，减少户墙之间的热传递。 1.2 钢结构的发展前景 近年来轻钢结构建筑在国内以施工进度快(构件为预制，与土建基础部分可同时施工) 、外形色彩美观、时尚、环保(拆除时较混凝土结构易处理) 得到较快发展。这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢。 作为钢结构主体材料的结构设计，H型钢已被业内专家认为是今后的发展趋势。据统计2005年我国H型钢需求量约250万吨，2010年需求量500万吨，但目前我国H型钢年生产能力为120万吨，市场需求量非常巨大。 1.2.1 H型钢的广泛应用与钢结构建筑形式的多元化发展 钢结构建筑形式的多元化、多样化，促进了钢结构形式多种多样。有普通钢结构、薄壁轻钢结构、高层民用建筑钢结构、门式钢架轻型房屋钢结构、网架结构、压型钢板结构、钢结构焊接和高强度螺栓连接、钢与混凝土结合楼盖、钢管混凝土结构及钢骨(型钢)混凝土结构等等。如:轻钢结构，目前在国际上，特别是在我国，是被重点推荐的一种结构形式。 3 洛阳理工学院毕业设计(论文) 它具有重量轻、经济性好等特点，目前在各种屋盖结构及单层房屋中得到广泛应用。在中、小跨度的屋盖中，轻型钢及轻型钢管拱型结构(平面曲线材架)也是较多采用的形式之一。网壳结构在大跨度空间结构的建造中越来越多，网壳结构在地震作用下的动力性能与设计也得到了普遍关注。网壳结构形式较多，有空间网格结构、单桩层面网壳结构、单层球面网壳结构、索承网壳结构等。钢管结构因其形式多样，结构灵活多变，可与其他钢结构相互关连，更是城镇建设中大型建筑常见的结构形式。目前一些造型优美的体育场馆如“鸟巢”、机场候机楼和会展中心应用钢结构等都采用了这些形式。不过，螺旋焊管在高层大厦、重工业厂房等重钢结构中新的应用，都使热轧H型钢在钢结构领域应用受到限制。 1.2.2 钢结构住宅前景广阔 轻钢结构住宅也是近10年来发展最快的领域，在美国采用轻型钢结构占非住宅建筑投资的50%以上。这些结构工业化、商品化程度高，施工快，综合效益高，市场需求量很大，已引起结构设计人员认识。轻钢住宅的研究开发已在各地试点，是轻钢发展的一个重要方向，目前已经有多种低层、多层和高层的设计方案和实例。 钢结构住宅通用体系用于民用住宅，具有独特的优势，与其它住宅通用体系相比，其主要特点是: 1 自重轻，可减轻建筑物的重量约30%，有利于建设高层，特别是在地质承载力低的地方和地震烈度较高的地方，其综合经济效益优于一般住宅建筑体系。 2 布置灵活，开间大，房型丰富，约可提高建筑面积3%,5%。具有充分的灵活性、可改性和安全性，有利于满足现代人的居住需要，适应现代住宅的市场需求。 3 可以工厂化生产，更易实现工业化、定型化、批量化生产，提高劳动生产率。 4 施工周期大大缩短。据研究，钢结构建筑施工周期比混凝土建筑施工周期可缩短一半，减少作业量，且其节能指标可达50%，属环保型绿色 4 洛阳理工学院毕业设计(论文) 建筑体系。 钢结构住宅因其可做到大跨度、大空间，分隔使用灵活，而且施工速度快、抗震有利的特点，必将对我国传统的住宅结构产生较大冲击。但由于受到相关领域如墙体材料、消防验收的制约，特别是在工业化、城市化快递进程中，人们环保意识淡薄，劳动力成本低等因素，导致住宅钢结构在我国短时间内难以形成规模。一旦住宅钢结构技术上取得突破性进展，逐步取代传统建筑形态进入住宅建设市场，钢结构行业将引来爆发性的增长。 5 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第2 章 H型钢概述 H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材，因其断面与英文字母“H”相同而得名。 2.1 H型钢优点、适用范围 2.1.1 H型钢使用中有以下显著优点: 1 H型钢可使建筑等钢结构件重量减轻15,30%，用于桥梁上可减轻结构件重量13,15%; 2 在荷载相同的情况下，使用H型钢可节省用钢量; 3 用H型钢建造建筑物或工程，可比采用钢筋砼缩短一半的建设工期并减少施工对周围环境的影响; 4 建造同等面积的楼宇，用H型钢比用钢筋砼能增加约6%的有效使用面积，在同样跨度时可减少梁的高度，故同净空高度时可减少楼层高度，节约内外墙工作量约3%; 2.1.2 H型钢适应范围 由于H型钢的各个部位均以直角排布，因此H型钢在各个方向上都具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点，已被广泛应用。常用于要求承截能力大，截面稳定性好的大型建筑(如厂房、高层建筑等)，以及桥梁、船舶、起重运输机械、石油钻井平台、设备基础、支架、基础桩等。 2.2 H型钢结构对连接的要求 基本构件通过连接制成整体结构。例如:屋架。在H型钢结构中，连 6 洛阳理工学院毕业设计(论文) 接的设计、制作、安装占有很重要的地位，所以设计时，在选用合理的连 接方式时，应考虑以下问题: 1 连接设计与结构内力分析时的假定相一致; 2 连接设计应选择最不利的荷载工况; 2 传力直接、明确，避免应力集中; 4 节点的变形协调; 5 避免偏心的影响; 6 连接的方式应避免在结构中产生过大的残余应力; 7 利用厚钢板时，应避免层间撕裂; 8 连接的构造简单，便于施工。 7 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第3章H型钢焊接工艺及变形 成品(轧制)H型钢规格有限，大部分的H型钢均需拼装焊接制造，为了保证焊接质量，需制定相关工艺措施。 3.1 H型钢焊接工艺设计 3.1.1 H型钢结构特点 近年来，轻钢结构建筑在国内因施工进度快(构件为预制，与土建基础部分可同时施工)、外形色彩美观、时尚、环保(拆除时较混凝土结构易处理)等得到较快发展。这种结构形式，大多采用的是焊接H型钢制作而成。焊接H型钢是由3块一定规格尺寸的钢板组焊而成，如图3-1。两块翼板和腹板通过两个T型接头结合成整体。这种结构形式虽然简单，但对外观要求较高。因此，对焊接变形的控制、校正尤其重要。 图3-1 焊接H型钢 3.1.2 H型钢的制作要点: 1 要求全焊透(熔透焊)，无损检测应达到GB11345之?级标准。 2 钢梁连接板处的焊缝也是同样的要求。 3 翼缘板与腹板焊接后的角变形Δ?3mm(国家标准Δ?3mm)。 8 洛阳理工学院毕业设计(论文) 3.1.3 焊接过程中的难点: 1 对于H型钢的熔透焊(钢板厚度δ=25mm)的焊接量非常大。 2 在焊接中，容易出现以下几种较难处理的变形(非对称):翼缘板与腹板焊接变形，见图3-2;连接板与H型钢焊接变形，见图3-3。 图3-2 翼缘板与腹板焊接变形 图3-3 连接板与H型钢焊接变形 3.1.4 产生变形原因 产生变形的原因是焊接应力。金属焊接是局部加热、熔化的过程。焊缝加热区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高状态，因而对焊接区受热母材的膨胀起约束作用， 焊接区因此受压应力，而母材受拉应力。随着电弧的前移，已完成的焊缝和热影响区冷却并收缩，而周围的母材起约束其收缩作用。在这种作用下产生的是焊接应力，金属冷却后还存在焊接残余应力。残余应力(横向、纵向及母材厚度方向)根据应力大小及构件的结构形式、约束程度的不同，产生的变形方向也不相同，因而产生变形结果也不相同。 3.2 焊接工艺分析 3.2.1 熔透焊(?级)的难点: 1 焊缝集中，钢板较厚(δ=25mm)。 9 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2 位置狭小，不便操作。 3 构件长，重量大，摆放、翻身较困难。 3.2.2 焊接工艺方案 根据上述情况，工艺的制定主要是满足焊透及焊后的变形控制。由于板厚按常规焊接，这样的规格大多数采用K型坡口形式。这种坡口形式焊接的优点是:焊缝对称，焊接填充量少，焊后的变形及整体侧弯较小。但由于操作位置小，清根很难，内部质量很难保证。根据这样的情况，技术人员制定了单面40?,45?的坡口，留钝边。采用CO气体保护焊填充、2 背面清根的工艺。 3.2.3 焊接工艺方法 在操作过程中为防止变形(T型焊缝的角变形及整体构件侧弯超差)，各零件的尺寸要精确，在组对时要做到“顶紧”。由于焊缝交叉处40,50mm范围内无法清根(碳弧气刨、磨光机都因位置限制无法处理)，因此在零件下料时4个角50mm范围内短2mm组对时此处预留出2,3mm组对间隙， 选用CO气体保护焊，因其焊丝的直径只有1.2mm，直接扎到根部，穿透能力2 强可保证焊透;由于是气体保护，不易出现夹渣，同时受热面积小，焊后的变形量也较小。为防止整体侧弯和保证焊缝外形的美观，构件要在专用平台上焊接。所有的焊缝填充时不可一次焊完，均要分2次完成。焊接位置尽可能焊平角缝，少焊立缝。为加快施工进度，背面清根选择在构件侧立时，即一侧焊接另一侧清根同时进行。依据情况具体确定参数见表3-1。 表3-1 CO气体保护焊参数表 2 项目 焊丝直径(mm) 焊接电流(A) 电弧电压(V) CO气体保护焊 180,200 25,35 Ф1.2 2 10 洛阳理工学院毕业设计(论文) 3.2.4 焊接变形控制与矫正 前面从理论上表明焊接应力是产生焊接变形的原因，是焊接过程中不可避免的问题。消除焊接应力对于这种钢结构件从经济的角度是不可取的，解决的办法通常有三种:一是预变形，对于结构简单、零部件组合较单一的构件易采用;二是使之对称变形，H型钢焊接通常产生的角变形(对称)，用H型钢矫直机可解决;三是变形后的矫正。 对于前面提到的两种变形(见图3-2、图3-3)是处理较困难的变形。这些变形产生的原因，对于图3-2的变形来说与焊接顺序及两侧焊接线能量不均有关。这种变形一般采用火焰加热方法矫正，对于个别变形量较大还需配千斤顶支撑。 表3-2 埋弧焊H型钢焊接参数表 板厚焊丝牌号 焊接电流电弧电压焊速 焊剂牌号 (mm) 及规格 (A) (V) (m/min) H08MnA，焊剂431 730,750 36,38 25 18 Ф5mm 3.2.5 采取的预防方法和产生的效果 1 用两面同时打底焊接，自动焊使用相同的焊接工艺参数。若使用手工焊可采用对称的焊接顺序，以及翼缘板固定在钢平台上施焊等。 2 组对时采用预变形的方法来控制，见图3-4(数字经实践验证效果理想，埋弧焊H型钢焊接参数见表3-2)。对于图3-3的变形，产生的原因是腹板与连接板要求焊透，焊接时热量过大而产生的，这种变形产生后矫正较为困难。矫正的方法是采用火焰加热(加热区域见图3-5涂黑处)。加 。热的温度应在正火温度以内600,800C，钢板的外观呈暗红色。这种方法实际是将上、下翼缘板“烤短”(即使钢板经加热冷却后收缩)，因此，根据实际情况在下料预留焊接收缩余量时考虑进去收缩余量值一般根据经验留取，也可以利用经验公式计算。 11 洛阳理工学院毕业设计(论文) 这种“烤短”方法虽然可行，但对操作工人的技术、经验要求较高，况且非常费时、费气(氧、乙炔)。如何控制这种变形，所采取的方法是在保证焊透的前提下，尽可能减小坡口角度。使用CO气体保护焊，挑选技2 术较好的焊工施焊，减少返修(清根)等来控制，此方法 钢结构制作过程中取得较好的效果。 图3-4 预变形法控制变形 图3-5 矫正变形加热区域 12 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第4章 H型钢的应力与变形分析 焊接时，由于局部高温加热而造成焊件上温度分布不均匀，最终导致在结构内部产生了焊接应力与变形。 4.1 H型钢焊接变形种类及影响因素 由于H型钢点固时的刚性较低又采用了大线能量焊接，H型钢的焊接变形是严重的，而GB 50205295《钢结构工程施工及验收规范》中对H型钢的几何尺寸要求十分严格， 因此，严格控制焊接变形对于H型钢的焊接非常重要。H型钢的焊接变形主要是角变形、弯曲变形、扭曲变形等，如图4-1 所示。 1 角变形 角变形的产生是由于焊接时温度在翼板厚度方向分布不均引起的。控制方法主要是采用刚性固定措施，但在埋弧自动焊中不适合采用，因此，H型钢的角变形一般是通过焊后的机械矫正来消除的。 2 弯曲变形 图4-1 焊接变形形式 弯曲变形是由于焊接时温度在腹板上分布不均引起腹板的纵向收缩产生的。其控制方法是采取控制焊接顺序和焊接线能量等措施。如采用对称焊接，并保证各条焊缝线能量的一致。 3 扭曲变形 13 洛阳理工学院毕业设计(论文) 扭曲变形是由于工件装配质量不好及焊接顺序和焊接方向不当引起的，其控制方法是采取刚性固定并严格控制焊接顺序和焊接方向。 4.2 H型钢焊接应力与变形 金属焊接时在局部加热、熔化过程中，焊缝区受热膨胀，而周围的母材还处于冷态或加热温度不高，因而对焊缝区的膨胀起约束作用。焊缝区产生塑性压缩变形，冷却后经过塑性压缩的焊缝区由于金属体积变小而产生了拉应力，而在该拉应力的作用下使相邻焊缝两侧的母材金属产生了压应力，这两种力就是我们常说的焊接应力。 按焊缝残余应力的分布方向我们可以把它分成三种:沿焊缝长度分布的纵向残余应力σ，横向分布的应力σ，厚度方向分布的σ。 xyz4.2.1 纵向残余应力 ,x 该应力是由于焊缝的纵向收缩引起的，在焊缝区产生的是拉应力，母材区产生的为压应力，该数值的大小取决于钢材的塑性，钢号越高其数值越大。另外在焊缝的引弧区和收弧区段数值较小，中间区段数值较大，其分布情况见图4-2。 图4-2 纵向残余应力σ分布示意图 x 由图4-2 可以看出，纵向残余应力在焊缝两端由小到大变化，是过渡区，中间部分数值较为稳定。在该应力的作用下H型钢会产生纵向收缩变形，计算公式如下: (4-1) 14 洛阳理工学院毕业设计(论文) 22式中的A为焊缝截面积(mm);A 为杆件截面积(mm);L 为杆件长度(mm);L为纵向收缩量(mm);K为焊接方法、材料热膨胀系数和多层1 焊层数有关的系数，对于不同焊接方法，系数 K的数值不同，当用CO焊12时，K=0.043;当用埋弧焊时，K=0.071,0.076;当用手工电弧焊时，11 K=0.048,0.057。 1 对焊接 H型钢来讲，由于四道主焊缝均偏离中性轴，因此任何一道焊缝的收缩都会产生挠度，由纵向收缩引起的挠度值 f(cm)的计算公式如下: (4-2) 式中的e为焊缝到构件中性轴的距离(cm );L 为杆件长度(cm);Aw 24为焊缝截面积(cm);I 为杆件截面惯性矩(cm);K为系数(数值同K)。 f1 4.2.2 横向残余应力, y 在焊接过程中由于焊缝沿长度方向各部分的横向收缩，随着焊接熔化过程前移不能同时发生。先焊的焊缝冷却后，焊缝形成约束而产生了横向应力，冷却后 形成的稳定数值即为横向残余应力。其数值的大小按板宽方向来讲焊缝区最大，随着偏离焊缝横向距离的逐渐加大而降低，横向残余应力σ 的y分布情况见图3-3。 图4-3 横向残余应力σ分布示意图 y 在横向应力的作用下会产生横向收缩变形，计算公式如下: (式4-3) 15 洛阳理工学院毕业设计(论文) 2式中的ΔB为对接接头横向收缩量(mm);A为焊缝横截面积(mm);bw 为根部间隙(mm );σ为板厚(mm)。 横向残余应力σ 除了会产生横向收缩变形外，还由于其在焊缝横向y 和纵向数值分布的不均匀会产生焊后H型钢扭曲现象，因此应合理控制焊接工艺，采用钢性装卡，减少扭曲变形。 4.2.3 厚度方向的残余应力 ,z 在焊缝厚度方向产生的残余应力为σ。σ是由焊缝在Z向塑性变形zz 积累产生，其分布情况见图3-4。 图4-4 σ在厚度上的分布z 残余应力σ对H型钢最明显的影响是产生焊接角变形，降低其使用强z 度，因此必须加以控制。其角变形计算公式如下: (式4-4) 式中的Δθ为角变形量(rad);B为翼缘宽(mm);δ为翼缘厚(mm);h为焊角尺寸(mm)。 f 4.2.4 焊接应力与变形产生的原因 1 焊件的不均匀受热 2 焊缝金属的收缩 3 金属组织的变化: 钢在加热与冷却过程中发生相变可得到不同的组织，这些组织的比体 16 洛阳理工学院毕业设计(论文) 积不一样，由此造成焊接应力与变形。 4 焊件的刚性和拘束: 焊件自身的刚性及受周围的拘束程度越大，焊接变形越小，焊接应力越大。 (1) 不受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形:冷却后不会有任何残余应力与变形。 (2) 受约束的杆件在均匀加热时的应力与变形: a 当加热温度TTs时，可能出现以下三种情况: 如果杆件能充分自由收缩，那么杆件中只出现残余变形面无残余应力; 如果杆件受绝对拘束，那么杆件中没有残余变形而存在较大的残余应力; 如果杆件收缩不充分，那么杆件中既有残余应力又有残余变形。 (3) 长板条中心加热引起的应力与变形，如图4-5。 (4) 长板条一侧加热引起的应力与变形，如图4-6。 图4-5 钢板条中心加热和冷却的应力与变形 a)原始状态 b)、c)加热过程 d)、e)冷却过程 17 洛阳理工学院毕业设计(论文) 图4-6 钢板边缘一侧加热和冷却的应力与变形 a)原始状态 b)假设各板条的伸长 c)加热后的变形 d)假设各板条的收缩 e)冷却后的变形 由上述讨论可知: a 对构件进行不均匀加热，在加热过程中，只要温度高于材料屈服点的温度，构件就会产生压缩塑性变形，冷却后，构件必然有残余应力和残余变形 。 b 通常，焊接过程中焊件的变形方向与焊后焊件的变形方向相反。 c 焊接加热时，焊缝及其附近区域将产生压缩塑性变形，冷却时压缩塑性变形区要收缩。 d 焊接过程中及焊接结束后，焊件中的应力分布是不均匀的。焊接结束后，焊缝及其附近区域的残余应力通常是拉应力。 18 洛阳理工学院毕业设计(论文) 第五章 钢结构焊接变形与应力的分析及防治方法 作为钢结构制作和连接的主要技术，焊接已经被广泛应用于钢结构的制作和安装工艺之中。然而，焊接中产生的变形问题不仅影响了钢结构的外观和使用性能，如果严重的话甚至会导致焊件报废，给企业造成直接经济损失。特别是在大型钢结构件的焊接作业中，这一问题表现得尤其突出。有鉴于此，必须对焊接变形不同类型和原因进行全面分析，并采取有力措施控制焊接变形量，以确保不断提高生产效率和钢结构工程质量，降低企业生产成本。 5.1焊接变形的基本类型分析和原因分析 5.1.1 焊接节点构造设计 1 控制焊缝的数量和大小。钢结构焊缝数量多、尺寸大，焊接时的热输入量也越多，造成的焊接变形也更大。因此，在钢结构焊接节点构造设计时，应设法控制焊缝的数量和大小，尽可能减少焊接变形。 2 根据焊接工艺选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸。对焊缝坡口形成与大小合理的选择应能够确保钢结构整体的承载能力充分。适当的坡口形状和大小，可以通过减少截面积，进一步减少结构的焊接变形量。 3 焊接节点的位置应处于构件截面的对称处。结构中性轴焊接节点的位置应尽可能在构件截面的中性轴对称位置，或尽量接近中性轴，同时应避免在高应力区。 4 对于节点形式的选择，应选用的刚性小的节点形式。节点应避免在双向、三向交叉处，这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中，从而减少焊接变形。 19 洛阳理工学院毕业设计(论文) 5.1.2 工艺措施 1 组装和焊接顺序。钢结构的制作、组装应该在一个标准的水平面上进行。该平台应确保所受的自重压力的程度足够大，不会出现钢构件失稳和下沉的现象，以满足构件组装的基本要求。在焊接小型构件时可一次完成，即在焊接固定好位置后，用合适的焊接顺序组装完毕。而大型钢结构组装与焊接需要先将小件组焊接完毕，然后再进行最后的组装和焊接。在进行部件组装时，为了防止组装过程中产生过度的应力和变形，应该使不同型号的零配件符合构件规定的规格、形状大小和样板的要求，并且组装时不能有较大外力强制拼装，以防止零部件过度焊接应力和较大约束力带来的变形。此外，组装与焊接过程中应使焊接接头热量均匀，消除应力并减少变形;焊缝应做到对接间隙、坡口角度、搭接长度和T形贴角的尺寸无误，且形式、大小应与构件的设计和焊接规范一致。 2 反变形。由于在冷却过程焊缝会产生收缩反应，结果使得减少了工件焊接后的尺寸。针对这个问题，为了弥补热胀冷缩带来的变形，在大型构件焊接时常用反变形的方法。反变形方法是在进行焊接前使构件预先发生变形，使变形方向和焊接变形方向相反、变形量大小基本相等。例如，为了防止工字钢梁上下盖板的焊接角变形，可以在焊前用油压机或折边机在相反方向预先压弯盖板。 3 焊件夹具。大型结构件在焊接接头时各个工件和零件在自重和焊接应力的作用下，要想使其位置固定是比较困难的。所以，每件焊接工件和零件除了要用焊接平台固定位置外，还需要用到焊件夹具有效地夹紧，以便防止工件发生变形。 在大多数的情况下，通过采取适当的焊接节点构造设计措施和技术措施，可以有效地控制钢结构的焊接变形，以达到确保工程质量的目的。但由于材料、结构以及焊接施工现场环境等因素的复杂多变,还应该在实践中不断总结和积累焊接经验,提高控制焊接应力和焊接变形技术水平。 钢结构焊接变形的火焰矫正施工方法 在生产过程中普遍应用的矫正方法，主要有机械矫正、火焰矫正和综合矫正。但火焰矫正是一门较难操作的工作，方法掌握、温度控制不当还 20 洛阳理工学院毕业设计(论文) 会造成构件新的更大变形。因此，火焰矫正要有丰富的实践经验。本文对钢结构焊接变形的种类、矫正方法作了一个粗略的分析。 钢结构焊接变形的种类与火焰矫正 钢结构的主要构件是焊接H型钢柱、梁、撑。焊接变形经常采用以下三种火焰矫正方法:(1)线状加热法;(2)点状加热法;(3)三角形加热法。下面介绍解决不同部位的施工方法。 以下为火焰矫正时的加热温度(材质为低碳钢) 低温矫正 500度,600度 冷却方式:水 中温矫正 600度,700度 冷却方式:空气和水 高温矫正 700度,800度 冷却方式:空气 矫正H型钢柱、梁、撑角变形。在翼缘板上面(对准焊缝外)纵向线状加热(加热温度控制在650度以下)，注意加热范围不超过两焊脚所控制的范围，所以不用水冷却。线状加热时要注意:(1)不应在同一位置反复加热;(2)加热过程中不要进行浇水。这两点是火焰矫正一般原则。 5.2 柱、梁、撑的上拱与下挠及弯曲 1、在翼缘板上，对着纵长焊缝，由中间向两端作线状加热，即可矫正弯曲变形。为避免产生弯曲和扭曲变形，两条加热带要同步进行。可采取低温矫正或中温矫正法。这种方法有利于减少焊接内应力，但这种方法在纵向收缩的同时有较大的横向收缩，较难掌握。 2、翼缘板上作线状加热，在腹板上作三角形加热。用这种方法矫正柱、梁、撑的弯曲变形，效果显著，横向线状加热宽度一般取20—90mm，板厚小时，加热宽度要窄一些，加热过程应由宽度中间向两边扩展。线状加热最好由两人同时操作进行，再分别加热三角形三角形的宽度不应超过板厚的2倍，三角形的底与对应的翼板上线状加热宽度相等。加热三角形从顶部开始，然后从中心向两侧扩展，一层层加热直到三角形的底为止。加热腹板时温度不能太高，否则造成凹陷变形，很难修复。 注:以上三角形加热方法同样适用于构件的旁弯矫正。加热时应采用中温矫正，浇水要少。 21 洛阳理工学院毕业设计(论文) 结 论 鉴于钢结构由于具有强度高、结构自重轻、构件截面小、抗震性好、平面布置灵活、有效节约空间、质量可靠、施工速度快、现场用工省，建设周期短等一些优点，其在建筑行业得到广泛的应用。但由于在焊接过程中易产生焊接应力和焊接变形，然而由于焊接应力和焊接变形的存在存首先在加工过程中大量增加了加工制造物力和人力，同时使整个构件丧失稳定性，使建筑框架系统承载能力下降，从而使建筑安全使用性大为降低。故在钢结构施工过程中应制定合理有效控制焊接应力和焊接变形措施，把焊接应力和焊接变形程度降到最低，同时针对仍有超标部分的变形应根据具体结构和变形量采用有效矫正方法进行矫正，以此保证整个建筑工程使用安全性。 根据以上研究可得以下结论: 1 焊接H型钢需制定合理的焊接方案:焊接方法、材料选择、焊接顺序，主要满足焊透及焊后的变形控制 2 焊接残余应力是产生各种变形的根源，可通过预变形、对称变形、反变形、刚性固定、火焰矫正等工艺措施来降低其影响。 3 箱形柱常见的焊接变形有:(1)纵向收缩变形;(2)横向收缩变形;(3)角变形;(4)弯曲变形;(5)扭曲变形;(6)波浪变形。认真分析其焊接变形原因和规律，采取相应控制措施。 4 严格控制焊接组装程序，选择合理的焊接顺序和焊接工艺参数，是保证焊接质量，减小焊接应力和焊接残余变形的关键性因素。 5 选择正确的预变形的方法，一定要根据箱形柱结构形状和尺寸，并分析其变形特征在生产中通过采取焊前预防措施，可以明显减小加工件的变形量，基本上消除变形，提高了工件合格率以及生产效率。 22 洛阳理工学院毕业设计(论文) 谢 辞 本论文的完成，得益于洛阳理工学院焊接技术及自动化老师传授的知识，使本人有了完成论文所要求的知识积累，更得益于导师安老师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，在此对导师安老师表示感谢～ 在这里，还要特别感谢大学三年学习期间给我诸多教诲和帮助的洛阳理工学院的各位老师，你们给予我的指导和教诲我将永远记在心里～ 回首本人的求学生涯，父母的支持是本人最大的动力。父母不仅在经济上承受了巨大的负担，在心里上更有思子之情的煎熬与望子成龙的期待。忆往昔，每次回到家时父母的欣喜之情，每次离家时父母的依依不舍之眼神，电话和信件中的殷殷期待和思念之语，皆使本人刻苦铭心，目前除了学习成绩尚可外无以为报，希望以后的学习、工作和生活能使父母宽慰。 非常感谢安老师在我大学的最后学习阶段——毕业设计阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，放弃了自己的休息时间，她们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向她们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这三年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习，教会了我如何做人。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意，并祝所有的老师培养出越来越多的优秀人才，桃李满天下～ 通过这一阶段的努力，我的毕业论文《钢结构的焊接变形与应力分析》终于完成了，这意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上都受益非浅，这除了自身的努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。 23 洛阳理工学院毕业设计(论文) 参考文献 [1] 张建中，何晓玲主编 《机械设计 机械设计基础课程设计》，北京:高等教育出版社，2009。 [2] 邓昭铭，张莹主编 《机械设计基础》(第二版)，北京:高等教育出版 社，2008。 [3] 周开勤，唐蓉城，杨景蕙主编 《机械设计师实用手册》，天津:天津 科学技术出版社，1991。 [4] 徐灏主编 《机械设计手册?4》(第二版)，北京:机械工业出版社，2000。 [5] 王政主编 《焊接工装夹具及变位机械-性能?设计?选用》，北京:机械 工业出版社，2001。 [6] 陈祝年主编 《焊接夹具》，北京:机械工业出版社1985。 [7] 陈焕明主编 《焊接工装设计》，北京:航空工业出版社，2006。 [8] 崔忠圻，贾耀春主编 《金属学与热处理》(第二版)，北京:机械工业 出版社，2007。 [9] 北京科技大学，东北大学主编 《工程力学?材料力学》(第四版)，北京: 高等教育出版社，2008。 [10] 赵丽玲主编 《焊接专业英语》，北京:机械工业出版社，2008。 [11] 周浩森主编 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_______年_____月_____日 _______年_____月_____日 27 洛阳理工学院毕业设计(论文) 独 创 声 明 本人郑重声明:所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计(论文)不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 毕业设计(论文)使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计(论文);同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计(论文)的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。 (保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名: 二〇一〇年九月二十日 28 洛阳理工学院毕业设计(论文) 致 谢 时间飞逝～大学的学习生活很快就要过去～在这四年的学习生活中～收获了很多～而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。 首先非常感谢学校开设这个课题～为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验～奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年～现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计～我的能力有了很大的提高～比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血～在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助～我将无法顺利完成这次设计。 首先～我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导～在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导～为我理清了设计思路和操作方法～并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上～我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。 其次～我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求～感谢他们对我学习上和生活上的帮助～使我了解了许多专业知识和为人的道理～能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。 另外～我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持～与他们一起学习、生活～让我在大学期间生活的很充实～给我留下了很多难忘的回忆。 最后～我要感谢我的父母对我的关系和理解～如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持～我将无法顺利完成今天的学业。 四年的大学生活就快走入尾声～我们的校园生活就要划上句号～心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出～对我的人生来说～将是踏上一个新的征程～要把所学的知识应用到实际工作中去。 回首四年～取得了些许成绩～生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲～对我成长的关心和爱护。 29 洛阳理工学院毕业设计(论文) 学友情深～情同兄妹。四年的风风雨雨～我们一同走过～充满着关爱～给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。 在我的十几年求学历程里～离不开父母的鼓励和支持～是他们辛勤的劳作～无私的付出～为我创造良好的学习条件～我才能顺利完成完成学业～感激他们一直以来对我的抚养与培育。 最后～我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励～给了我很多解决问题的思路～在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度～严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中～都给与我很大的帮助～使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助～感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助～帮助解决了不少的难点～使得论文能够及时完成～这里一并表示真诚的感谢。 内 部资料 仅 供参考 内 部资料 仅 供参考 30 洛阳理工学院毕业设计(论文) 31