焊接吊耳锯切质量评定指标及影响因素

周鸿翔，熊承恺，李晓东，吴兴祥

（1.兰州理工大学 材料科学与工程学院，甘肃 兰州 730050；2.江苏科技大学，江苏 镇江212003；3.上海沪临重工有限公司，上海 201306）

焊接吊耳锯切质量评定指标及影响因素

周鸿翔1，熊承恺2，李晓东3，吴兴祥3

（1.兰州理工大学 材料科学与工程学院，甘肃 兰州 730050；2.江苏科技大学，江苏 镇江212003；3.上海沪临重工有限公司，上海 201306）

焊接吊耳是钢结构制造过程中用于吊装的重要零件。结合传统的锯切原理，从结构上分析焊接吊耳的锯切，为减小留根量，在利用带锯条锯切焊接吊耳时需要采用水平锯切方式，同时不能使用传统的带锯条扭转装置，而应该增大张紧力保证锯切质量。并将切口表面粗糙度Ra和留根斜度的正切值ρ作为锯切焊接吊耳质量的评定指标。采用正交实验法研究张紧力、锯切速度以及进给速度对焊接吊耳锯切质量的影响。研究表明：张紧力和进给速度对Ra和ρ的影响最大，锯切速度对粗糙度影响较小；张紧力越大，进给速度越小，则锯切质量越好。

吊耳；锯切；质量控制；正交实验；锯切工艺

0 前言

在大型钢结构的制造过程中，为了便于钢结构的吊装，一般需要使用焊接吊耳，吊装完成后将焊接吊耳切除[1]。目前普遍采用火焰切割吊耳，由于火焰切割对周围母材有较大的热影响，并且割口留根量大、不平整，通常需要对割口进行打磨处理,不仅降低了切割工作效率、劳动强度大，而且还因割口不平整使得吊耳只能一次使用，造成材料浪费[2-3]。

近年来市场上开发了焊接吊耳的铣削技术和带锯切割技术[4-6]。相较于火焰切割，带锯切割具有加工精度高、割口表面质量好、粗糙度小等优点。但是传统的带锯切割多为锯床式，灵活性不高，并不适用于焊接吊耳的切割[7]。特别是目前缺少针对焊接吊耳锯切质量评价的系统研究[8]。

基于此，本研究分析锯条锯切焊接吊耳时所遇到的质量问题，并根据切割留根是否需要打磨，提出焊接吊耳切割质量控制参数，研究相关工艺参数对锯切质量的影响。

1 焊接吊耳锯切质量评定

1.1 焊接吊耳特性

为保证吊耳与工件连接的可靠性，通常采用焊接连接。以CO2气保焊焊接厚50 mm的吊耳为例，其坡口形式和焊道布置如图1所示。由图1可知，焊缝高度为25 mm，当切割该吊耳时，切割面位于焊缝上，如图2所示。即在切割焊接吊耳时，实际上是沿着焊缝纵向切割。

图1 焊接吊耳示意Fig.1 Welding lifting lug

图2 焊接吊耳切割Fig.2 Cutting Welding lifting lug

与传统的板材或型材切割不同，焊缝切割是将刀具作用在焊缝填充金属上，而焊缝填充金属和母材主要有以下方面的差异[9]。

（1）切割焊缝的材料大部分是焊缝填充金属，其中包含有少量熔化的母材金属。焊接时按照焊缝材料和母材的强度匹配情况，可以将其分为高强匹配、等强匹配以及低强匹配[6]。在研究中为了简化分析，得到一般化结论，均采用等强匹配焊接吊耳。

（2）由于采用的是熔化焊工艺，焊缝受到复杂的热循环影响，必然导致焊缝中存在残余应力，该应力一般以拉应力形式存在，且平均拉应力值约等于母材的屈服强度[7]。在切割焊缝时，这些应力将会以形变的形式释放，使锯条受力情况变得更为复杂。

（3）由于焊接冶金反应的不稳定性，焊接接头中不可避免会出现组织不均匀、微小缺欠如气孔、夹渣、微裂纹等[8]，这些不均匀组织和缺欠的强度各不相同，使带锯条在切割过程中受力情况变得复杂。

1.2 焊接吊耳锯切原理

焊接吊耳锯切时需要采用水平锯切方式，如图3a所示。传统的带锯床为了降低带锯条的振动，增加带锯条锯切部分的刚度，将带锯条锯切部分夹持并扭转一定角度，显然夹持部分会影响水平锯切时的留根量。所以，传统的带锯床通常只能进行横向锯切和竖直锯切[9]，如图3b、3c所示，并不适用于焊接吊耳的锯切。为了实现焊接吊耳的锯切工作，需要特定的横向锯切工装，且不能夹持带锯条锯切部分。

由于不能有效地夹持和扭转锯条，导致锯切段刚度较低、振动较大，使切口表面粗糙度大，且会发生锯斜的现象。

1.3 质量评定方法

锯切留根如图4所示。在实际生产加工中，一般要求锯切吊耳后的平均留根量越小越好，但是由于锯斜现象的存在，使得平均留根量出现瓶颈值，即锯切结束时留根量为零的情况下，锯切中部的留根高度。若平均留根量大，则需要进一步的打磨处理；在平均留根余量满足加工要求的情况下，切口的表面粗糙度Ra决定是否需要进行后续打磨工作。

水平锯切的锯斜角度ω和切口表面粗糙度Ra是影响焊接吊耳锯切的关键问题。将留根斜度的正切值ρ和切口表面粗糙度值Ra作为焊接吊耳锯切质量的评定参考因素，ρ的表达式为

2 锯切质量影响因素工艺实验

2.1 实验原理

张紧力F、锯切速度vs以及进给速度va是影响ω和Ra的关键因素。张紧力可由应变法测量。根据带锯条张紧时的受力分析，如图5所示，可知F与应力的关系见式（2），再由胡克定律公式（3）可得应变量和张紧力的关系式（4）

图3 锯切方式Fig.3 Way of Cutting

图4 锯切留根Fig.4 Root of cutting

式中 E为本实验使用的双金属带锯条的弹性模量，E=2×105MPa。

实验采用自制焊接吊耳锯切装置，带锯条选用德国贝尔双金属带锯条，其参数见表1。吊耳材料为Q235B，T型接头方式，其焊接工艺见表2。锯切完成后利用游标卡尺测量留根高度，并建立几何模型，根据式（1）计算出留根斜度的正切值ρ。利用激光扫描共聚焦显微镜，绘制切口表面三维图，并依此测量Ra。

图5 带锯条受力分析Fig.5 Force analysis of the saw

表1 带锯条参数Table 1 Parameters of saw

表2 吊耳焊接工艺Table 2 Lifting lug welding process

2.2 实验设计

实验采用正交试验法[10]，研究张紧力A、锯切速度B、进给速度C三因素对Ra和ρ的影响。采用L9（34）表设计三因素三水平正交试验，见表3、表4。

表3 因子水平编码表Table 3 Factor table

3 实验结果分析

计算各影响因素的极差R可以直观地分析出各因素的主次影响顺序。R越大表示该因素的水平变化对试验指标的影响越大，因素越重要。极差分析如表5所示，因素影响主次顺序为：张紧力—进给速度—锯切速度，即张紧力因素A影响最大，为主要因素，锯切速度B为不重要因素。本试验结果说明吊耳切割机锯条张紧力决定着切口的切斜角度和粗糙度。

因素与指标趋势图如图6所示，图6a，6b分别为Ra和ρ的正交因素示意图，能直观分析出指标与各因素水平波动的关系。由图可知，张紧力A和进给速度C对Ra和ρ的影响最大，锯切速度对Ra影响较小。粗糙度随着张紧力的增大不断减小，随着进给速度增大而增大。其次，锯切速度在水平1～2之间粗糙度减小，在水平2～4之间增大。

表4 实验方案及结果Table 4 Test scheme and results

表5 极差分析Table 5 Range analysis

4 结论

分析焊接吊耳的锯切原理，指出锯切焊接吊耳时需要采用水平锯切法，同时不能使用传统的带锯条扭转装置，而应增大张紧力来保证锯切质量。

根据留根是否需要打磨处理，将切口表面粗糙度Ra和留根斜度的正切值ρ作为锯切焊接吊耳质量的评定指标，Ra和ρ越小，说明锯切质量越好。

采用正交实验法研究张紧力、锯切速度以及进给速度对焊接吊耳锯切质量的影响。研究表明，张紧力和进给速度这两个因素对Ra和ρ的影响最大，锯切速度对粗糙度影响较小。

图6 正交因素趋势图Fig.6 Orthogonal test coefficient factor

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Sawing quality's evaluation indices and influence factors of the welded lifting lug

ZHOU Hongxiang1，XIONG Chengkai2，LI Xiaodong3，WU Xingxiang3
（1.Lanzhou University of Technology，School of Material Science and Engineering，Lanzhou 730050，China；2.Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China；3.Shanghai Hulin Heavy Industry Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）

During the manufacture of the huge steel structure，the welded lifting lugs used for lifting are important parts.The article combines the traditional sawing theory to analyze the sawing of the welded lifting lugs on the structure.In order to reduce the root cutting，the article proposes that welded lifting lug needs to adopt horizontal sawing when using band saw blade to saw the welded lifting lug，meanwhile it can't use the traditional band saw blade twisting device.Uses surface roughness of the cuts Ra and tangent value of the root cutting gradient as quality evaluation index of the sawing welded lifting lug.Uses the orthogonal test to analyze the sawing quality efforts of welded lifting lug from tension force，sawing speed and feeding speed.The researches show that，tension force and feeding speed have the most important influence on Ra and，sawing speed has less influence on roughness.As the larger tension force and the smaller feeding speed，the sawing quality will be better.

lifting lug；saw and cutting；quality control；orthogonal experimental；sawing process

TG457

A

1001-2303（2017）10-0112-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.24

本文参考文献引用格式：周鸿翔，熊承恺，李晓东，等.焊接吊耳锯切质量评定指标及影响因素[J].电焊机，2017，47（10）：112-115.

2017-04-06；

2017-09-18

产学研合作计划项目（沪经信法（2013）353号）；研究生科研创新计划资助项目（SJLX-0489）

周鸿翔（1992—），男，在读硕士，主要从事焊接方法与工艺的研究。E-mail：593035526@qq.com。