吳銘江

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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數(shù)控切割機(jī)大型鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及應(yīng)用

吳銘江

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

分析板材的切割變形和橫梁成形的焊接變形原因、影響因素和在制作過程中采用合理的切割工藝，選用合適的切割方式，控制切割、焊接變形的措施以及焊接殘余應(yīng)力的消除方法，從而獲得橫梁長(zhǎng)期工作時(shí)其幾何尺寸和形位公差的穩(wěn)定，保證橫梁的使用壽命和機(jī)械性能。

切割機(jī)；焊接；變形；殘余應(yīng)力

0 引言

大型鋼結(jié)構(gòu)件目前在船舶、橋梁、建筑等領(lǐng)域已得到了廣泛運(yùn)用。數(shù)控切割機(jī)的生產(chǎn)也用到了大型鋼結(jié)構(gòu)件的制作。切割機(jī)鋼結(jié)構(gòu)件中，以橫梁最為典型，其長(zhǎng)度可達(dá)10 m以上，但尺寸精度和形位公差要求都很高。作為鋼結(jié)構(gòu)件，其下料、切割、裝配、焊接困難頗多。

數(shù)控裝備的鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)流程框圖如圖1所示。

1 生產(chǎn)工藝的改進(jìn)及應(yīng)用

橫梁是切割機(jī)的主要部件，其質(zhì)量對(duì)整機(jī)性能起著決定性作用，而橫梁的制作工藝則直接關(guān)系切割機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣。按常規(guī)工藝生產(chǎn)，橫梁的變形時(shí)有發(fā)生。經(jīng)長(zhǎng)期實(shí)踐及反復(fù)地進(jìn)行工藝分析研究、比對(duì)，認(rèn)為在模具生產(chǎn)工藝流程中切割和焊接是兩個(gè)關(guān)鍵。

鋼板切割是橫梁制作過程中最基本的工序。焊接亦對(duì)橫梁制作起著至關(guān)重要的作用。所以，抓住切割與焊接這兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)并加以全方位的工藝優(yōu)化整合，就能有效提高橫梁制作的質(zhì)量。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)流程框圖

1.1 下料切割

1.1.1 鋼板氣切割變形的原因

(1) 氣割時(shí),板材切割區(qū)域由于受到了高溫加熱和迅速降溫，使切割區(qū)域局部出現(xiàn)了快速的膨脹收縮,從而導(dǎo)致發(fā)生材板熱變形。

(2) 切割機(jī)橫梁使用的板材為薄形板條，其剛度和抗彎強(qiáng)度較差，從而使氣割時(shí)板材變形會(huì)更大。

1.1.2 切割變形對(duì)橫梁使用的板材影響

(1) 板條形薄鋼板的變形主要是在平面內(nèi)彎曲，它會(huì)影響切割零件的尺寸精度。

(2) 校直已變形的板條需耗費(fèi)大量工時(shí)，且效果不佳。同時(shí)，環(huán)境、場(chǎng)地和人員等因素也會(huì)影響校形工作。

控制變形是保證質(zhì)量的關(guān)鍵，因此，在下料切割的源頭就必須采取一些強(qiáng)制措施以控制變形。

1.1.3 切割工藝及防治措施

(1) 根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)件圖紙要求，編制切割工藝，排出切割路徑順序，以確保下料件的精度。

(2) 切割下料前，對(duì)所使用的半自動(dòng)氣割機(jī)及其相關(guān)器材進(jìn)行適用確認(rèn)，并特別注意半自動(dòng)氣割機(jī)行車的平穩(wěn)性和軌道直線度。

(3) 選用合適的切割方法，如割炬大小，切割氧氣壓力、流量和切割速度等。

(4) 應(yīng)反復(fù)套料、反復(fù)對(duì)比，以提高材料利用率，降低生產(chǎn)成本。

(5) 減少切割變形，須從切割下料開始，特別是長(zhǎng)線條切割。可采用切割后每隔1～1.5 m就做橋點(diǎn)固，可使切割邊彎曲變形減少80%以上。

(6) 少量長(zhǎng)度7 m以上的切割件，偶爾直線度誤差超過3 mm，可以用錘擊法矯正。矯正前錘擊法如圖2所示。

經(jīng)錘擊矯正后，切割件直線度可控制在2 mm以內(nèi)，有利于下一步裝配、焊接成形。割件矯正后如圖3所示。

圖2 割件矯正前錘擊法示意圖

圖3 割件矯正后示意圖

經(jīng)過對(duì)上述各方面不斷優(yōu)化，可以穩(wěn)定獲得合格的切割件。下料切割完工后，即著手裝配、焊接，切割機(jī)橫梁簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 典型鋼結(jié)構(gòu)件——切割機(jī)橫梁簡(jiǎn)圖

1.2 焊接

焊接不僅生產(chǎn)工序簡(jiǎn)單，而且能夠完成復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)件制造，然而其過程中形成的殘余應(yīng)力會(huì)對(duì)焊接鋼結(jié)構(gòu)件的承載能力、穩(wěn)定性等將產(chǎn)生較大的影響。因此，為保證焊接鋼結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，必須控制和減少焊接殘余應(yīng)力。

1.2.1 焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因

焊接殘余應(yīng)力的一部分是由焊接時(shí)型材本身的金相組織由于溫度突變而產(chǎn)生的，另一部分則是由原來型材本身在制造過程中已形成的殘余應(yīng)力與焊接后的殘余應(yīng)力疊加而生產(chǎn)的。但其產(chǎn)生的主要原因則是焊接時(shí)焊件受熱和冷卻時(shí)溫度改變的快慢程度。

1.2.2 焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的影響

焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件的主要影響是結(jié)構(gòu)剛度、焊接件的穩(wěn)定性和機(jī)械加工性能。針對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，可采用下列焊接工藝來控制：

(1) 按工藝規(guī)定清點(diǎn)，確認(rèn)合格的切割件。

(2) 為減少焊接變形應(yīng)采用直流焊機(jī)，并在焊前對(duì)焊機(jī)實(shí)施點(diǎn)檢。

(3) 對(duì)焊接平臺(tái)、定位器材進(jìn)行檢驗(yàn)，保障定位有效夾具也必須一一確認(rèn)。

(4) 為減少鋼結(jié)構(gòu)件焊后變形，應(yīng)盡可能避免矯正，并在焊前和焊接過程中要做好預(yù)案：

① 采用選配和調(diào)整法組裝；

② 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，適度采用反變形措施；

③ 盡量使用角焊、間斷焊方式，以減少焊接變形；

④ 焊接過程中，嚴(yán)密監(jiān)控焊接變形，必要時(shí)采用交替焊法或進(jìn)一步優(yōu)化焊接參數(shù)。

經(jīng)過長(zhǎng)期的探索優(yōu)化，目前切割機(jī)橫梁長(zhǎng)度在10 m上下，焊后尺寸精度一般可以達(dá)到3 mm，其直線度誤差小于2 mm，很少使用火工矯正法，生產(chǎn)工藝優(yōu)化效果十分明顯，橫梁的制作質(zhì)量也已基本得到保證。

為了避免鋼結(jié)構(gòu)件因長(zhǎng)期工作其幾何尺寸的改變及其形位公差的降低，焊后初驗(yàn)合格的鋼結(jié)構(gòu)件還必須進(jìn)行振動(dòng)消除應(yīng)力處理，確保其長(zhǎng)期工作的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2 焊接殘余應(yīng)力的消除措施

為有效提高焊接件的承載能力和穩(wěn)定性，保證鋼結(jié)構(gòu)件在焊接組裝后的機(jī)械加工性能，目前常采用熱處理和機(jī)械的振動(dòng)方法來減少焊接后的殘余應(yīng)力。

切割機(jī)橫梁所采用的機(jī)械振動(dòng)法是在激振器的激振力作用下，對(duì)橫梁進(jìn)行多次循環(huán)振動(dòng)，使其內(nèi)部晶格恢復(fù)平衡，以消除殘余應(yīng)力，從而保證橫梁長(zhǎng)期工作的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

橫梁具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)自重輕、構(gòu)件截面小等特點(diǎn)，在切割和焊接過程中易產(chǎn)生變形和殘余應(yīng)力。為有效控制變形和殘余應(yīng)力，便于鋼結(jié)構(gòu)件的后續(xù)加工，應(yīng)制定相應(yīng)的防治措施。鋼板切割應(yīng)采用合理的切割工藝，選用適當(dāng)?shù)那懈罘绞郊捌鞑?，必要時(shí)采用錘擊法矯正。焊接過程中也應(yīng)采用合理的焊接工藝，選用合適的裝配、焊接方法并優(yōu)化焊接參數(shù)。最后采取相應(yīng)的方法來消除殘余應(yīng)力，從而保證橫梁的使用壽命和機(jī)械性能。

[1] 高洪一. 淺析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生及其消除方法[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2015，2：43-44.

[2] 商衛(wèi)東，王華明.大直徑工程井鋼筋混凝土井壁預(yù)制中容易出現(xiàn)問題的探討與研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2011，1：66-69.

Improvement and Application of Production Technology of Large Steel Structure for CNC Cutting Machine

WU Mingjiang

(Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The cutting deformation of the plate and the cause of the welding deformation of the beam, the influencing factors and the use of reasonable cutting process in the production process, the selection of the appropriate cutting method, control cutting, welding deformation measures and welding residual stress elimination method are focused on. The stability of its geometrical dimension and form and position tolerances are obtained when long-term working of the beam is maintained. The life of the beam and the mechanical properties are guaranteed.

cutting machine; welding; deformation; residual stress

吳銘江(1959-)，男，工程師，研究方向?yàn)闇p少鋼結(jié)構(gòu)件在生產(chǎn)中的切割、焊接變形和工藝

1000-3878(2017)02-0084-03

U671

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