《装备制造技术｝２０１４年第９期 浅析塔式起重机结构件焊接 魏晓光 （中国葛洲坝集团股份有限公司，湖北摘宜昌４４３０００） 要：通过对焊接工作各环节注意事项的介绍，对焊接应力和残余应力对焊接品质的影响的分析，最终总结出减少 焊接应力和消除残余应力的方法，寻找到提高焊接品质的途径，确保塔式起重机在使用过程中的安全。 关键词：焊接；焊接应力；残余应力 中图分类号：ＴＨ２１ ３．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１ ６７２—５４５Ｘ【２０１ ４）０９—０１ ４３—０２ 随着建筑工地塔式起重机的使用比率越来越 高，随着而来的由它是起重机引起的安全事故也越 来越多，而在很多情况下都是由于焊接原因而引起 的。塔式起重机的塔身标准节、起重臂、平衡臂、塔顶 等金属结构都是由角钢、无缝管、槽钢通过焊接组装 而成，因此焊接的品质直接决定着塔式起重机的安 全使用。 与工件之间的电阻增大、焊点不牢固及焊接过程中 产生飞溅，使焊接质量下降。 １．２焊接时注意事项 １ 焊接 １．１焊接准备工作 焊接前需要准备焊接的材料，和焊接方法。对于 已经进行生产的塔机结构件的焊接一般多选择牌号 Ｊ５０７（型号Ｅ５０１５低氢钠型药皮，直流焊缝金属抗拉 强度不低于５００ ＭＰａ结构钢焊条）直径４ ｍｍ碱性焊 条，直流焊机，采用手把焊的方式进行焊接，焊接前 焊条在３５０ｏＣ下烘干一小时，随取随用，焊机电流可 根据下经验公式初选。 ，（焊接电流Ａ） （经验系数Ａ／ｍｍ）×ｄ（焊条直 径ｍｍ），Ｋ和ｄ的关系见表ｌ。 ２焊接应力的分析 表１ 经济系数和焊接直径关系表 焊接时要注意电流和电压，焊接电流的大小对 焊接质量和焊接生产率的影响很大。焊接电流主要 影响熔深的大小。电流过小，电弧不稳定，熔深小，易 造成未焊透和夹渣等缺陷，而且生产率低；电流过大， 则焊缝容易产生咬边和烧穿等缺陷，同时引起飞溅。 因此，焊接电流必须选得适当，一般可根据焊条直径 按经验公式进行选择，再根据焊缝位置、接头形式、 焊接层次、焊件厚度等进行适当的调整。 焊接过程中电弧不宜过长，否则，电弧燃烧不稳 定，增加金属的飞溅，而且还会由于空气的侵人，使 焊缝产生气孔。因此，焊接时力求使用短电弧，一般 要求电弧长度不超过焊条直径。 在满足要求情况下，尽量使用小电流，减小热量 输入。尽量对称焊接，从中间往两边，分段退焊，以便 减少焊接应力和焊接变形。 焊条直径（ｍｍ） ｌ中１．６ｒａｍ １ ０２－２．５ｍｍ Ｉ ３．２ｍｍ ｌ ０４—６ｍｍ 经验系数（Ｍｍｍ）ｌ ２０—２５ Ｉ ２５ ３０ ３Ｉ０ ４０ Ｉ ４０ ５０ 立焊、横焊、仰焊时焊接电流比平焊电流小１０％ ２Ｏ％。合金钢焊条、不锈钢焊条，由于电阻大、热膨 胀系数高。若电流大则焊接过程中焊条容易发红，造 成药皮脱落，影响焊接质量，因此焊接电流应适当减 ～小。结构件焊接前需要将塔机四大机构电源断开，防 止因焊接时电流过大将塔机电器烧坏，最后还要将 塔机配平。 被焊材料在实施焊接之前必须进行清洁处理， 常用的机械清理方法有喷砂、喷丸、抛光以及用纱布 或钢丝刷等。被焊材料表面的油污和锈斑会使电极 在实际操作时焊条型号、电流、电弧长度等有经 验的技术人员都能比较好的掌握而且相对也直观一 些，比较好控制，但是焊接残余应力就相对抽象，以 此对焊接残余应力进行一些查考。 焊接应力是由于焊接产生的热量输入不均匀造 成的，简单来说就是热胀冷缩的原理。不同区域热量 不同，变形不同，产生应力。残余应力的大小由线能 量和约束力决定，而且成正比关系。 熔焊时由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热 量，又称为线能量。 线能量的计算公式：ｑ＝ＩＵ／１Ｊ 式中， ，为焊接电流Ａ： 收稿日期：２０１４—０６—１６ 作者简介：魏晓光，男，内蒙古赤峰，本科，助理工程师，从事塔式起重机相关管理工作。 １４３ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｎｏ．９，２０１４ 为电弧电压Ｖ； ｔ，为焊接速度ｃｍ／ｓ； 口为线能量Ｊ／ｃｍ。 ２．１焊接残余应力对结构工作的影响 （１）对结构刚度的影响 当外载产生的应力与结构中某区域的残余应力 叠加之和达到屈服点时，这一区域的材料就会产生 局部塑性变形，丧失了进一步承受外载的能力，造成 结构的有效截面积减小，结构的刚度也随之降低。 （２）对受压杆件稳定性的影响 当外载引起的压应力与残余应力中的压应力叠 加之和达到屈服点肘，这一部分截面就丧失进一步承 时，避免在２００ ｏＣ一３００℃时进行，此时金属处于蓝脆 阶段敲击容易断裂。多层焊缝时除了第一层和最后 层每一层都要敲击，第一层不敲击是因为避免根 部裂纹，最后一层不敲击是因为最后一层很薄，避免 冷作硬化。 （４）加热减应区法：加热那些焊接时阻碍焊缝自 由延伸的部位，使之与焊缝同时收缩同时膨胀就能 减少内应力，而加热的区域就是“减应区”。 （５）局部热处理：局部热处理只能降低残余应力 峰值，加热方法有电阻炉加热、火焰加热、感应加热、 远红外加热等，消除应力效果与加热区的范围、温度 分布有关。 一受外载的能力，这就削弱了构件的有效截面积，并改 变了有效截面积的分布，降低了受压杆件的稳定性。 （３）对静载强度的影响 没有严重应力集中的焊接结构，只要材料具有 一定的塑性变形能力，残余应力不影响结构的静载 强度。反之，如材料处于脆性状态，则拉伸残余应力 和外载应力叠加有可能使局部区域的应力首先达到 断裂强度，导致结构早期破坏。 （４）对疲劳强度的影响 残余应力的存在使变载荷的应力循环发生偏移。 这种偏移，只改变其平均值，不改变其幅值。结构的疲 劳强度与应力循环的特征有关，当应力循环的平均值 增加时，其极限幅值就降低，反之则提高。因此，如应 力集中处存在着拉伸残余应力，疲劳强度将降低。 （５）对焊件加工精度和尺寸稳定性的影响 机械加工把一部分材料从焊件上切除时，此处 的残余应力也被释放。残余应力原来的平衡状态被 破坏，焊件发生变形，加工精度受影响。 （６）对应力腐蚀开裂的影响 应力腐蚀开裂是拉伸残余应力和化学腐蚀共同 作用下产生裂纹的现象，在一定材料和介质的组合下 发生。应力腐蚀开裂所需的时间与残余应力大小有 关，拉伸残余应力越大，应力腐蚀开裂的时间越短。 由上面叙述可以看出，残余应力对结构件是有 损害，会降低结构件的使用寿命，因此我们就要减少 以至消除残余应力。 ２．２减少焊接应力的方法 （１）焊接时采用合理的顺序和方向：应该先焊接 收缩量较大的焊缝、工作时受力较大的焊缝等。 （２）采用反形变法：在焊接封闭或其他刚性较 大、自由度较小的焊缝时可以使用反形变法，它可以 增加焊缝的自由度。 （３）锤击：残余应力产生的根本原因是焊缝冷却 过程的收缩，因此在每道焊缝及其周边用手锤均匀 适度的敲击可以使焊缝得到延伸从而降低残余应 力，敲击时应该在温度大于４００℃或１００℃一１５０ ａＩ＝ １４４ ２．３消除残余应力的方法 （１）整体热处理整体炉内热处理、整体腔内热处理 整体加热热处理消除残余应力的效果取决于热 处理温度、保温时间、加热和冷却速度、加热方法和 加热范围。保温时间根据板厚确定，一般按每毫米板 厚１～２ ｍｉｎ计算，但最短不小于３０ ｍｉｎ，最长不超过 ３ｈ。碳钢及中、低合金钢：加热温度为５８０ ６８０℃；铸 铁：加热温度为６００—６５０ ｏＣ。一般随炉冷却，如冷却 过快或不均匀会影响原来的热处理效果，并且会造 成新的残余应力。 （２）低温消除应力法 将焊接接头两边金属加热到１７５—２０５℃，焊缝 本身是冷的，平行于焊缝，并紧靠着焊缝两边金属受 热带移动，在母材中形成移动的热膨胀区，并在焊缝 中产生相应的拉应力。 （３）振动消除应力法 构件承受变载荷应力达到一定数值，经过多次 循环加载后，结构中的残余应力逐渐降低，即利用振 动的方法可以消除部分焊接残余应力。这种方法是 把小构件安装在适当的台上并给予振动，对大型构 件可直接将振动设备夹固在适当支撑的构件上进行 振动，振动的大小需根据焊件的重量和几何形状等 因数来确定。 ３结束语 综上所述，只要在塔式起重机的焊接过程中，注 意相应方法的选择，合适技术的应用，就会很好的减 少在今后塔式起重机的使用过程中发生一些因为焊 接品质问题引起的安全事故。 参考文献： ［１】宗培言．焊接结构制造技术与装备【Ｍ】．北京：机械工业出版 社，２００７． 【２】张彦华．焊接力学与结构完整性原理［Ｍ】．北京：北京航空航 天大学出版社，２００７． ［３］张彦华．焊接强度分析［Ｍ］．西安：西北工业大学出版社，２０１１． （下转第１ ４７页） 《装备制造技术￣２０１４年第９期 将（１）（２）（３）（４）（５）（６）（７）式整理可得出： ：— 径变化范围是５０—１７０ ｍｍ，符合我国轮毂内孑Ｌ的尺 寸要求。 （ ＋６‘一２ａｂｃＯＳ ＋ｒ、／ａ‘＋ｂ‘一２ａｂｅｏｓ ） —－—— — ———一 ０ｆ的变化外围为Ｏ～１８０度。太阳轮的直径与齿轮 ５结束语 的直径相同。 所设计的多规格汽车轮毂夹具有以下几个特点： ４夹紧范围计算 （１）适用于多种尺寸轮毂； （２）夹紧机构具有自动定心功能，使定心简便、 三个齿轮绕着太阳轮对称分布，它们之间的夹 可靠，同时缩短了夹紧时间，提高了工作效率。 角为１２０度，保证该夹紧装置能够自动定心。立柱２ 的直径为 ２Ｏ ｍｍ，轴的到立柱的中心距离为３５，图 参考文献：１】庄继德．汽车轮胎学【Ｍ】．北京：北京理工大学出版社，２００１． 示位置时三个立柱围成的外圆直径最小，为 ５０ ａｒｉｎ， 【２】李 华．机械制造技术【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２０００． 当三个立柱旋转１８０度时，三个立柱围成的外圆直 【３］熊良山，严晓光，张福润主编．机械制造技术基础［Ｍ】．湖北： 径最大，为 １７０ ｍｍ，因此这种夹具适合轮毂孑Ｌ直 【华中科技大学出版社，２００６． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｏｆ Ｍｕｌｔｉ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ａｕｔｏ——ｈｕｂ Ｆｉｘｔｕｒｅ ＰＡＮ Ｊｉｎｇ ，ＹＡＮＧ Ｈｏｎｇ－ｙｉ２，ＧＯＮＧ Ｙａｏ－ｗａｎｇｓ，ＬＩ Ｑｉａｏ—ｍｉｎ４ （１．ＬｉａｏｎｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉｎｚｈｏｕＬｉａｏｎｉｎｇ １２１００１，Ｃｈｉｎａ；２．ＬｉａｏｎｉｎｇＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＶｏｃａｔｉｏｎａｌ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２１００１，Ｃｈｉｎａ；３．Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｗｏｎｄｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２１００１．Ｃｈｉｎａ；４．Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｈｕａｘｉｎｇ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．，ＬＴＤ，Ｊｉｎｚｈｏｕ Ｌｉａｏｎｉｎｇ １２１００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｆｘｔｕｒｅ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｕｉｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｈｕｂ ｏｆ ｗｈｉｃｈ ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｈｏｌｅ ｄｉａｍｅｔｅｒｓ ｒａｎｇｅ ｆｒｏｍ ５０ ｍｉｎ ｔｏ １７０ ｍｍ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ｓｕｐｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｆｏｒｍ ｔｏ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ ｈｅ ｃｅｎｔｔｅｒ—ｈｏｌｅ ｓｉｚｅ ｏｆ ｔｕｂｅｌｅｓｓ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｗｈｅｅｌ ｈｕｂ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｔｈｅ ｉｆｘｔｕｒｅ ｈａｓ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ，ｗｉｔｈ ｈｅ ｆｔｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ，ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｂｌａｅ ｃｌａｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｗｉｈ ｃｏｎｔｔｒｏｌｌｅｄ ｃｌｍｐｉａｎｇ ｓｐｅｅｄ，ＳＯ ａｓ ｔｏ ｓａｖｅ ｌｂｏｒ ａｆｏｒｃｅ， ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｅｆｉｃｉｆｅｎｃｙ，ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｍｕｌｔｉ—ｓｐｅｃｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ；ｔｕｂｅｌｅｓｓ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｅｎｔｅｒｉｎｇ （上接第１４４页） Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｏｗｅｒ Ｃｒａｎｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ ＷＥＩ Ｘｉａｏ－ｇｕａｎｇ （Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｇｅｚｈｏｕｂａ Ｄａｍ ｇｒｏｕｐ Ｌｉｍｉｔｅｄ ｂｙ Ｓｈａｒｅ Ｌｔｄ，Ｙｉｅｈａｎｇ Ｈｕｂｅｉ ４４３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｎｏｔｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｗｏｒｋ ｅａｃｈ ｌｉｎｋ，Ｏｎ ｈｅ ａｎａＩｔｙｓｉｓ ０ｆ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｏｎ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｑｕａｌｉ￣ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｓｉｄｕａｌ，Ｆｉｎａｌｌｙ ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ ｔｈａｔ ｒｅｄｕｃｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ，Ｆｉｎｄ ｗａｙｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ，Ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｗｅｒ ｃｒａｎｅ ｉｎ ｔｈｅ ｕｓｅ ｐｒｏｃｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｅｌｄｉｎｇ；ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ；ｒｅｓｉｄｕａｌ ｓｔｒｅｓｓ １４７