建筑钢结构焊接连接

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学习情境2.2钢结构焊接连接 能力目标：能认知焊材，并能正确选择焊材能判别焊缝类型能进行简单焊缝连接计算能进行焊缝的质量检验 焊接相关概念基础知识焊接方法对接焊缝构造与计算第一步：资讯角焊缝构造与计算焊缝符号、标注方法焊接结构设计焊缝质量等级焊接残余变形和残余应力 一、焊接相关概念1.什么叫焊接?答：两种或两种以上材质(同种或异种)，通过加热或加压或二者并用,来达到原子之间的结合而形成永久性连接的工艺过程叫焊接。2.什么叫电弧？答：由焊接电源供给的，在两极间产生强烈而持久的气体放电现象—叫电弧。3.什么叫母材？答：被焊接的金属---叫做母材。4.什么叫熔滴？答：焊丝先端受热后熔化，并向熔池过渡的液态金属滴---叫做熔滴。5.什么叫熔池？答：熔焊时焊件上所形成的具有一定几何形状的液态金属部分---叫做熔池。 6.什么叫焊缝？答：焊接后焊件中所形成的结合部分。7.什么叫焊缝金属？答：由熔化的母材和填充金属（焊丝、焊条等）凝固后形成的那部分金属。8.什么叫保护气体？答：焊接中用于保护金属熔滴以及熔池免受外界有害气体（氢、氧、氮）侵入的气体---保护气体。9.什么叫焊接工艺？它有哪些内容？答：焊接过程中的一整套工艺程序及其技术规定。内容包括：焊接方法、焊前准备加工、装配、焊接材料、焊接设备、焊接顺序、焊接操作、焊接工艺参数以及焊后处理等。 焊接材料1.什么叫焊接材料？包括哪些内容？答：焊接材料包括焊条、焊丝、焊剂、气体、电极、衬垫等。2.什么叫焊丝？答：焊接时作为填充金属，同时用来导电的金属丝—叫焊丝。分实心焊丝和药芯焊丝两种。3.什么叫药芯焊丝？答：由薄钢带卷成圆形钢管，同时在其中填满一定成分的药粉，经拉制而成的一种焊丝。4.药皮由什么组成？答：药皮主要由矿石粉、有机物粉、铁合金粉和粘接剂等原料组成。 焊接设备1.什么叫焊接电源？答：电焊机中，供给焊接所需的电能并具有适宜于焊接电气特性的设备称为焊接电源。2.什么是半自动切割机？答：是指被加工物的安装及卸载作业均采用手动方式进行，只有加工工序实施自动化操作的切割机。在有些机型上也可实施自动化位置校准作业。3.什么叫正接法？答：直流电弧焊时，焊件接电焊机输出端的正极，焊枪（焊钳）接输出端的负极的接线法，叫“正接法”也称正极性。也称反极性。碱性焊条（结507等）、碳弧气刨、CO2焊接均用反接法。 4.什么叫反接法？答：直流电弧焊时，焊件接电焊机输出端的负极，焊枪（焊钳）接输出端的正极的接线法，叫“反接法”。 1.钢结构连接方法？答：焊接、螺栓连接、铆钉连接。2.焊接的方法？答：金属焊接方法有40种以上，主要分为熔焊、压焊和钎焊三大类。焊缝连接常用的有三种形式：电弧焊、电阻焊及气焊。电弧焊是工程中应用最普遍的焊接形式。熔焊主要类型：手工电弧焊、自动或半自动埋弧焊和气体保护焊、气焊、电渣焊、等离子弧焊。手工电弧焊埋弧自动焊CO2气体保护焊电渣焊气焊1234二、焊接方法 （一）焊接过程熔化的焊条金属与熔化的工件金属混合，形成金属熔池。药皮熔化形成了熔渣并与熔池中的液态金属发生物理化学反应，熔渣又从熔池中上浮，覆盖在熔池表面。气流和熔渣起到了保护作用。1、手工电弧焊 1、手工电弧焊（二）电焊条1．焊条的组成焊条是由焊条芯和焊条药皮两部分组成。（1）焊条芯（简称焊芯）--特殊冶炼的钢丝，焊接用钢。焊条芯的作用：1、作为电极，2、作为填充金属。焊丝常用的有H08和H08A、H08MnA等。（2）焊条药皮主要作用是：1、机械保护作用，2、冶金处理作用，除去有害杂质（如O、H、S、P等）并添加有益的合金元素。3、改善工艺性能，稳定电弧。。焊条药皮的组成物相当复杂，一种焊条药皮的配方中，通常由七、八种以上原料配成。 2．焊条分类按照国家标准，手弧焊用焊条共分九大类。其中应用最多的是结构钢焊条。老牌号，结422，“42”表示焊缝金属的σb≥420MPa，最后一位“2”表示钛钙型药皮、交直流两用。结507，“50”表示焊缝金属的σb≥500MPa，最后一位“7”表示低氢型药皮、直流专用。新牌号，E4303、E5015和E5016。（结422，结507，结506）型号中的“E”表示焊条；前两位数字“43”或“50”表示焊缝金属的抗拉强度；第三位数字“0”或“1”表示适用于各种位置焊接（平焊、立焊、仰焊、横焊）；第四位数字表示焊条药皮类型和焊接电源的种类，“3”表示药皮为钛钙型，交、直流两用；“5”表示低氢（钠）型，用直流焊机；“6”表示低氢（钾）型，交、直流两用。1、手工电弧焊 结构钢焊条生产上还常按其药皮熔化后形成熔渣的酸碱度，分成酸性焊条和碱性焊条两大类。酸性焊条，工艺性能好，价格便宜，因而获得了广泛的应用，但焊缝金属的塑性、韧性及抗裂性较差。碱性焊条，焊缝金属的塑性、韧性好，具有较高的抗裂性能。主要用于重要结构、承受冲击载荷结构的焊接。工艺性差，成本高。3．焊条的选用原则（1）根据被焊金属的强度焊条的选择应满足等强度原则。（2）根据被焊结构的特点和工作条件在承受冲击载荷或在低温、高压下工作的结构，此时要选用低氢型焊条。（3）根据具体施工条件及成本优先选用工艺性好、价格便宜的酸性焊条。1、手工电弧焊 （三）手工电弧焊工艺1、焊接的四种空间位置：平焊、立焊、横焊和仰焊。2、开坡口，以便能够焊透。坡口形式3、焊接规范（焊条直径、焊接电流、电弧弧长、焊接速度）1、手工电弧焊 2、埋弧自动焊（一）焊接过程埋弧自动焊时，电弧引燃、焊丝送进、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾，完全由机械来完成。（二）焊丝与焊剂（1）高锰焊剂（如焊剂431）配合低碳钢焊丝H08A，重要结构可用中锰焊丝H08MnA。（2）无锰焊剂（如焊剂130）或低锰焊剂（如焊剂230）配合高锰焊丝H08Mn2。 2、埋弧自动焊（三）特点及适用范围1、生产率高可以采用较大的焊接电流2、焊接质量高3、劳动条件好4、埋弧自动焊一般限于水平位置焊缝的焊接5、埋弧自动焊常用于焊接生产批量较大，长而直的且处于水平位置的焊缝或直径较大（一般要大于500mm）的环焊缝。 3、气体保护焊概念：气体保护焊是利用气体作为保护介质的一种电弧焊方法。保护气体有氩气、二氧化碳气体等。气体保护焊的特点1、与埋弧自动焊相比，可以适宜全位置焊接，焊后也不用清渣，从而提高了焊接生产率。2、与手工电弧焊相比，保护气流对电弧有压缩作用，热量集中，使焊接熔池和热影响区较窄，变形和裂纹倾向较小。3、气体保护焊不宜在室外有风的地方进行焊接，设备比较复杂。 3、气体保护焊（一）氩弧焊氩弧焊按照电极材料不同分为熔化极和不熔化极两种。氩弧焊的特点1、氩气与金属不发生化学反应，合金元素无氧化烧损2、保护效果好，并且电弧稳定，产生的飞溅少，焊缝致密，成形美观3、氩弧焊设备复杂，氩气价格较高4、主要用于焊接铝、镁、钛等金属及其合金、不锈钢、耐热钢等合金钢以及一些稀有金属等 3、气体保护焊（二）CO2气体保护焊CO2气体保护焊的特点1、合金元素烧损，2、焊接低碳钢和低合金钢等，3、焊接低碳钢时常采用H08MnSiA焊丝4、焊接低合金钢时常采用H08Mn2SiA焊丝。5、焊接成本低，约是手工电弧焊和埋弧自动焊成本的40％左右。 压焊（一）电阻焊1．点焊点焊过程，1、加预压，施加一定的压力，2、通以强大的电流。3、断电，加压力。分流现象工件材料的厚度及导电性焊点距离点焊主要用于焊接薄板冲压结构点焊工件厚度为0.3～4mm，采用搭接。 压焊2．缝焊缝焊时由于焊点重叠,分流现象严重只限于焊接3mm以下的薄板结构。采用搭接。缝常用来焊接要求密封的薄壁容器如汽车油箱、消音器等，广泛应用于汽车等制造业。 压焊3．对焊电阻对焊接头强度低，尤其是冲击韧性差。闪光对焊强度高且塑性、韧性好，所以常用于重要、受冲击工件的焊接。对焊主要用于焊接截面小而长度大的工件。不论是哪种对焊工艺，其工件对焊截面形状应尽量相同 压焊（二）摩擦焊摩擦焊是利用工件接触端面相互摩擦所产生的热量作为焊接热源，将工件接合处加热到塑性状态，然后在压力作用下进行焊接的一种压焊方法。摩擦焊接头要求有一个工件的截面为圆形或圆管形。摩擦焊可以焊接异种金属如铝-铜、铝-钢接头。 钎焊钎焊是指工件与填充金属同时被加热，在工件不熔化的情况下，填充金属熔化、浸润并填满工件连接处的间隙中，依靠溶解和扩散作用，形成牢固接头的一种焊接方法。方法硬钎焊钎料的熔点在450℃以上，接头的强度比较高。软钎焊钎料的熔点在450℃以下，接头的强度比较低。使用钎剂（或称熔剂）。钎剂在钎焊过程中所起的作用是：清除工件金属和钎料表面上的氧化膜及杂质；隔离空气起保护作用；从而增大钎料的填充能力。特点焊接变形小．尺寸精度高，并能保证致密性。钎焊不仅可以焊同种金属、异种金属，钎焊的成本较高采用搭接接头提高接头承载能力 三、焊接结构设计（一）焊接结构材料的选择在满足使用性能要求的前提下，应尽量选用焊接性好的材料来制造焊接结构。低碳钢和普通低合金结构钢，有良好的焊接性。强度等级低的普低钢，焊接性良好，可以用各种焊接方法进行焊接。强度等级较高的低合金钢，焊接性虽比低碳钢差些，但是如果采用合适的焊接材料、合理的工艺措施，也可获得满意的焊接接头，设计强度要求高的重要结构时，可以选用。如果结构中选用新钢种，应对此钢材进行必要的焊接性试验，以便为正确制定设计方案及工艺措施提供依据。 （二）焊接方法的选择在保证获得优质焊接接头的前提下，优先选择常用的焊接方法。低碳钢焊接性好，可选用各种焊接方法工件是薄板轻型结构，可以采用点焊；若有密封要求，则可采用缝焊；工件为中等厚度，长直焊缝，生产批量也较大，可以选用埋弧自动焊，以提高生产率；如果为截面小而长度大的工件（如棒材、管材、型材等）要求对接，宜采用对焊（电阻或闪光）或摩擦焊；如果为大厚度结构，可以采用电渣焊。氩弧焊的成本高，不宜用来焊接低碳钢。如果结构材料为铝合金，应选用氩弧焊。 各种焊接方法特点焊接方法热影响区大小变形大小生产率可焊的空间位置使用板厚（mm）*气焊大大低全0.5~3手弧焊较小较小较低全可焊1以上，常用3~20埋弧自动焊小小高平可焊3以上，常用6~60氩弧焊小小较高全0.5~25CO2气体保护焊小小较高全0.8~30电渣焊大小高立可焊25~1000以上，常用35~400等离子弧焊小小高全可焊0.025以上，常用1~12电子束焊极小极小高平5~60点焊小小高全可焊10以下，常用0.5~3缝焊小小高平3以下 （三）焊接接头型式的选择按照被焊工件的相互位置，焊接接头有四种基本型式，对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头。厚板焊接时，为了使整个截面、都能焊透，要在接缝处加工成一定形状的坡口。各类接头型式中应用最普遍的是对接接头。T形接头和角接接头一般应用在空间类结构的制造上，接头受力都比对接接头复杂。搭接接头，由于板材要重叠，消耗量比较大，增加了结构的重量，而且受力状态复杂，所以设计时应尽量避免，但这种接头对装配尺寸要求不严格，常常用于装配要求简单的板状结构，此外，搭接接头是薄板结构点焊和缝焊以及钎焊的基本接头型式。 （四）焊接结构工艺性一、焊缝布置应有利于减小焊接应力和变形1尽量减少焊缝数量在设计焊接结构时应多采用型材或冲压件，来减少焊缝数量。 （四）焊接结构工艺性2避免焊缝密集和交叉焊缝交叉或过分集中会造成接头处严重过热，增大热影响区范围，且增大焊接应力和变形。 （四）焊接结构工艺性3焊缝应尽量对称布置焊缝对称布置，可使焊缝引起的弯曲变形相互抵消，这对减小梁、柱等结构的焊接变形有明显效果。 （四）焊接结构工艺性二、焊缝布置应考虑焊接结构的受力情况在最大应力和应力集中的位置不应该布置焊缝。 （四）焊接结构工艺性三、焊缝位置应远离加工表面焊缝位置应远离加工表面，以避免焊接变形、焊接应力影响加工精度。 （四）焊接结构工艺性四、焊缝位置应便于操作焊缝布置必须有良好的焊接操作性，即有足够的焊接操作空间，否则无法保证焊接质量。 焊缝符号表示法建筑结构制图标准四、焊缝符号、标注方法常见的焊缝接头和焊缝形式（a）对接接头、焊缝（b）搭接接头、点焊缝（c）T形接头、角焊缝 表1常用焊缝基本符号 焊缝的表示方法（1）焊缝的结构形式用焊缝代号来表示，焊缝代号主要由：基本符号、辅助符号、补充符号、指引线和焊缝尺寸等组成。常见焊缝的基本符号如表1所示，它用来说明焊缝横截面的形状，线宽为标注字符高度的1/10，如字高为3.5mm，则符号线宽为0.35mm。辅助符号见表2所示，它是表示焊缝表面形状的符号，如凸起或凹下等；补充符号见表3所示，它是用来表示焊缝的范围等特征的符号。 表2焊缝的辅助符号 （2）指引线采用细实线绘制，一般由带箭头的指引线（称为箭头线）和两条基准线（其中一条为实线，另一条为虚线，基准线一般与图纸标题栏的长边平行）必要时可以加上尾部（90°夹角的两条细实线），如下图所示。焊缝的指引线 （3）箭头线对于焊缝的位置一般没有特殊的要求。当箭头线直接指向焊缝时，可以指向焊缝的正面或反面。但当标注单边V形焊缝、带钝边的单边V形焊缝、带钝边的单边J形焊缝时，箭头线应当指向有坡口一侧的工件。如下图a、b所示。基本符号相对基准线的位置(U、V形组合焊缝)(a)(b)(c)（4）基准线的虚线也可以画在基准线实线的上方，如上图c所示。 （5）当箭头线直接指向焊缝时，基本符号应标注在实线侧，如下图中的角焊缝符号。当箭头线指向焊缝的另一侧时，基本符号应标注在基准线的虚线侧，如上页图c中的V形焊缝的标注以及下图中下方的角焊缝。基本符号相对基准线的位置（双角焊缝）图双面焊缝（单边V形焊缝）（6）标注对称焊缝和双面焊缝时，基准线中的虚线可省略。如下图所示。图对称焊缝（角焊缝）标注 （7）在不致引起误解的情况下，当箭头线指向焊缝，而另一侧又无焊缝要求时，允许省略基准线的虚线。（8）焊缝的尺寸符号为：高度方向长度方向 焊接尺寸符号及意义在焊缝基本符号的左侧标注焊缝横截面上的尺寸，如钝边高度P、坡口深度H，焊角高度K等。如果焊缝的左侧没有任何标注又无其它说明时，说明对接焊缝要完全焊透。 （一）成因及特点1.假定焊件由纤维组成，但各纤维之间相互约束（变形时保持平面）。2.不均匀分布的温度场，同时存在局部高温，加上纤维间的相互约束，便产生了焊接残余应力。由于约束程度不同，一部分残余应力会以残余变形的形式释放出来。特点：自相平衡力系。五、焊接残余变形和残余应力 焊接残余应力对构件工作的影响1．对强度无影响2．降低构件的刚度3．降低构件的稳定承载力由于刚度降低，有效截面减小，过早地进入弹塑性区，弹性模量降低，所以稳定承载力降低。4．降低构件的疲劳强度残余应力的存在，加快了疲劳裂纹的开展速度（双向或三向拉力场），因此，疲劳强度降低。5．加剧低温冷脆材料在低温下呈脆性，焊接残余应力的同号拉力场会阻碍材料塑性的发展，加重了脆性因素。 6．构件不平整，安装困难，且产生附加应力；7．变轴心受压构件为偏心受压构件。保证焊接质量及减小焊接残余应力的措施1．设计方面（1）采用细长，不采用短粗的焊缝；（2）对称布置焊缝，减小变形；（3）不等高连接加不大于1/4的斜坡，减小应力集中；（4）尽量防止锐角连接；（5）焊缝不宜过于集中，不要出现三向交叉焊缝；（6）注意施焊方便，以保证焊接质量。 2．制造方面（1）焊件预热法；（2）锤击法；减小残余应力（3）退火法；（4）反变形法；（5）合理施焊次序；减小残余变形（6）局部加热法。 六、焊缝质量等级焊缝缺陷、质量检验和焊缝级别常见类型：焊缝尺寸偏差、咬边、弧坑、未熔合、气孔、非金属夹渣、裂纹等等级分类：三级标准三级检验——仅通过外观检查一、二级检验——通过外观检查、X或γ射线及超声波探伤因此通过一、二级检验的对接焊缝的强度可以认为与母材等强度，连接不必验算；而仅通过三级检验的焊缝，设计值为主体钢材的85%,需要验算。 分类：焊透和未焊透两种焊透的对接焊缝的计算：七、对接焊缝构造与计算 若经验算强度不够，可采用斜焊缝；当a/b≤1.5时，可以不算。例题见教材P382-1 例见教材P382-2 分类：侧焊缝——焊缝轴线平行于力线；端焊缝——焊缝轴线垂直于力线；斜焊缝——焊缝轴线倾斜于力线。角焊缝的截面形式八、角焊缝构造与计算 焊脚尺寸有效厚度焊缝构造要求：详见教材P40~41角焊缝的计算： 焊接设备焊接焊接方法焊缝质量焊接材料焊件焊缝计算 课后作业：熟读教材单元二项目二所有内容