工字形梁的CO2氣體保護焊工藝

劉智昕，宋漢卿

（白銀有色集團股份有限公司深部礦業公司，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房、破碎機硐室中是不可缺少的設備之一，主要用來安裝、檢修設備時做起吊工具用。而天車梁是工字形鋼結構，由于承受的載荷較大，安全系數要求較高，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，對減小或矯正焊接變形，保證天車梁安全平穩運行至關重要。

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

某公司井下破碎機硐室天車型號為：LDA10t，提升質量：10t，跨度：11m，高度：9m，速度：20m/min。

2.2 天車軌道梁基本參數

天車軌道梁是工字形鋼結構，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。軌道梁結構截面外形如圖1 所示。

圖1 軌道梁結構截面圖

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稱的，如果不采取合理的焊接、裝配工藝措施，焊接完成就會不可避免地出現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）的化學成分和機械性能

低碳鋼的化學成分（質量分數）如表1 所示，低碳鋼的機械性能如表2 所示。

表1 低碳鋼的化學成分

表2 低碳鋼的機械性能

3.2 低碳鋼的焊接性

低碳鋼由于含碳量及合金元素低，強度不高，塑性好，具有優良的焊接性，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

經過仔細分析，決定采焊接變形較小，生產效率高的CO2氣體保護焊，并采用合理的裝配、焊接工藝，可以把撓曲變形控制在設計范圍之內。

與手工電弧焊相比，CO2氣體保護焊具有以下優點:（1）工作效率高，是手工焊的1~3 倍，最高可達4 倍；（2）生產成本低，約是手工焊的50%；（3）熔深可達10mm，熔透性好；（4）采用CO2氣體保護，降低焊縫中的含氫量，焊縫抗裂性好；（5）保護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 設計注意事項

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，同時會引起更大的焊接變形。故在保證結構剛度的前提下，盡量使用小的焊腳尺寸。

4.2 氣割下料注意事項

嚴格控制下料時的氣割變形，以避免長焊縫收縮導致腹板側彎。采用先中間后兩端的下料方法，達到控制變形的目的。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及結束點，采用半自動氣割機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應力。再采用用手工氣割將寬100mm 的鋼板條割下，最后根據規范對鋼板測量及矯正。

圖2 氣割下料圖

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

4.3 焊前（焊件組裝）控制翼板角變形的措施

焊件組裝時，采用剛性固定法控制翼板的角變形。剛性固定可預防翼板產生角變形，也可預防翼板相對于腹板所發生的轉動。利用實踐經驗結合理論計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防翼板產生角變形作用，而設置立筋板則可預防翼板相對于腹板所發生的轉動。組裝點焊時可采用手工電弧焊，點焊長度不小于20mm，在工件長度方向上均勻對稱點焊，并嚴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

工字形鋼結構接頭的焊縫密集，制定其焊接順序的基本原則是：（1）優先焊接收縮量大的焊縫；（2）優先焊接離中性軸遠的焊縫；（3）對稱焊縫，要用相同的焊接參數，同時施焊；（4）對于與受壓構件相聯系的焊縫，應使這條焊縫（在構件中）形成拉應力或至少不應當有較大的壓應力。

根據上述原則，采用圖4 所示的焊接順序，可以把焊接應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大于其縱向收縮量，先焊翼板對接焊縫，其收縮比較自由；后焊腹板對接焊縫，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力。腹板中的殘余拉應力有利于提高腹板的穩定性，這對于較薄的腹板尤為重要。為了減小應力集中，可將圖4a 中焊縫3 與焊縫1、2 錯開200~300mm。

4.5 制定合理的焊接工藝參數

焊接工藝參數為：（1）直徑Φ1.2mm 鍍銅實芯焊絲，型號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氣體保護焊，直流反接。

4.6 焊接操作要點

焊接操作要點包括：（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）調試好焊接工藝參數后從工件右端引弧，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構焊接的最后一道工序。焊接變形矯正主要機械矯正法和火焰矯正法2 種方法，大批量工字形鋼結構普遍采用機械矯正法。機械矯正可以采用翼緣矯直機矯正法，也可采用大噸位壓力機與工裝結合的工裝壓力法。LDA10t 天車梁屬于小型結構的工字形梁，只要嚴格按上述工藝加工制作后變形不大，基本不用矯正，一旦變形量超標需要矯正的話，用人工火焰矯正即可。

6 結語

該公司井下破碎機硐室1 臺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計技術要求范圍內，完全滿足工程質量的要求，基本上不需要矯正。實踐證明，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，再輔助一定的變形矯正，是能夠完全滿足設計使用要求的。