工字形梁的CO2气体保护焊工艺

刘智昕，宋汉卿

（白银有色集团股份有限公司深部矿业公司，甘肃白银471000）

1 引言

小吨位天车（≤20t）在金属非金属地下矿山卷扬房、破碎机硐室中是不可缺少的设备之一，主要用来安装、检修设备时做起吊工具用。而天车梁是工字形钢结构，由于承受的载荷较大，安全系数要求较高，普通的工字钢不能满足其使用要求，只能用低碳钢（Q235）板焊接成工字形焊件。因此，在工字形梁的加工制作过程中，选择合理的焊接工艺和焊后矫正方法，对减小或矫正焊接变形，保证天车梁安全平稳运行至关重要。

2 工字形天车轨道梁的加工工艺性分析

2.1 天车基本参数

某公司井下破碎机硐室天车型号为：LDA10t，提升质量：10t，跨度：11m，高度：9m，速度：20m/min。

2.2 天车轨道梁基本参数

天车轨道梁是工字形钢结构，总长11m，上翼板宽200mm，下翼板宽250mm，翼板厚20mm，腹板高300mm，腹板厚14mm。轨道梁结构截面外形如图1 所示。

图1 轨道梁结构截面图

要求加工制作完成后的轨道梁弯曲度不大于5mm，焊角高度不小于8mm，由于其焊缝布置基本上是对称的，如果不采取合理的焊接、装配工艺措施，焊接完成就会不可避免地出现较大的挠曲变形和扭曲变形[1]。

3 低碳钢（Q235）焊接工艺性分析

3.1 低碳钢（Q235）的化学成分和机械性能

低碳钢的化学成分（质量分数）如表1 所示，低碳钢的机械性能如表2 所示。

表1 低碳钢的化学成分

表2 低碳钢的机械性能

3.2 低碳钢的焊接性

低碳钢由于含碳量及合金元素低，强度不高，塑性好，具有优良的焊接性，可以制成各种焊接接头形式，适宜于全位置焊接，也适合于各种焊接方法。

3.3 工字形轨道梁制作焊接方法的选择

经过仔细分析，决定采焊接变形较小，生产效率高的CO2气体保护焊，并采用合理的装配、焊接工艺，可以把挠曲变形控制在设计范围之内。

与手工电弧焊相比，CO2气体保护焊具有以下优点:（1）工作效率高，是手工焊的1~3 倍，最高可达4 倍；（2）生产成本低，约是手工焊的50%；（3）熔深可达10mm，熔透性好；（4）采用CO2气体保护，降低焊缝中的含氢量，焊缝抗裂性好；（5）保护气体的压缩降低了焊接热输入（线能量）降低了焊接变形[2]。

4 工字形天车梁的制作工艺

4.1 设计注意事项

焊脚尺寸决定了焊接的工作量和焊接变形程度。选择大焊脚尺寸，焊接工作量，同时会引起更大的焊接变形。故在保证结构刚度的前提下，尽量使用小的焊脚尺寸。

4.2 气割下料注意事项

严格控制下料时的气割变形，以避免长焊缝收缩导致腹板侧弯。采用先中间后两端的下料方法，达到控制变形的目的。如图2 所示，先在钢板两端各100mm 处分别划线，钻Φ5mm 气割孔作为气割起始点及结束点，采用半自动气割机从左至右沿直线逐条切割。整块钢板切割后冷却5～8h，使未割断的钢板在2 段连接的情况下释放内应力。再采用用手工气割将宽100mm 的钢板条割下，最后根据规范对钢板测量及矫正。

图2 气割下料图

上翼板由于宽度较小（只有200mm）,可采用双割矩同时气割的方法，使翼板两边同时受热同时冷却，减小气割产生的变形。

4.3 焊前（焊件组装）控制翼板角变形的措施

焊件组装时，采用刚性固定法控制翼板的角变形。刚性固定可预防翼板产生角变形，也可预防翼板相对于腹板所发生的转动。利用实践经验结合理论计算确定刚性固定工件的位置和尺寸，如图3 所示。图中斜支撑主要是预防翼板产生角变形作用，而设置立筋板则可预防翼板相对于腹板所发生的转动。组装点焊时可采用手工电弧焊，点焊长度不小于20mm，在工件长度方向上均匀对称点焊，并严格保证工件的尺寸要求[3]。

图3 刚性固定工件的位置和尺寸

4.4 施焊顺序的确定

工字形钢结构接头的焊缝密集，制定其焊接顺序的基本原则是：（1）优先焊接收缩量大的焊缝；（2）优先焊接离中性轴远的焊缝；（3）对称焊缝，要用相同的焊接参数，同时施焊；（4）对于与受压构件相联系的焊缝，应使这条焊缝（在构件中）形成拉应力或至少不应当有较大的压应力。

根据上述原则，采用图4 所示的焊接顺序，可以把焊接应力和焊接变形量均控制到最小。

图4 工字形钢接头焊接顺序

一般情况下，焊缝的横向收缩量远大于其纵向收缩量，先焊翼板对接焊缝，其收缩比较自由；后焊腹板对接焊缝，其横向收缩受到已焊翼板的约束，在腹板、翼板中形成了残余拉应力。腹板中的残余拉应力有利于提高腹板的稳定性，这对于较薄的腹板尤为重要。为了减小应力集中，可将图4a 中焊缝3 与焊缝1、2 错开200~300mm。

4.5 制定合理的焊接工艺参数

焊接工艺参数为：（1）直径Φ1.2mm 镀铜实芯焊丝，型号H08Mn2SiA；（2）焊接电流：290A；（3）焊接电压：28~29V；（4）焊接速度：15~20m/h；（5）焊丝伸出长度15mm；（6）CO2气体流量15~20L/min；（7）焊角高度：8mm；（8）焊接方法：CO2气体保护焊，直流反接。

4.6 焊接操作要点

焊接操作要点包括：（1）采用左焊法，一层一道，焊枪与水平方向成45°角，与焊接反方向成80°角；（2）调试好焊接工艺参数后从工件右端引弧，从右向左方向焊接。

5 焊接后工字形天车梁变形的矫正

变形的矫正是工字形钢结构焊接的最后一道工序。焊接变形矫正主要机械矫正法和火焰矫正法2 种方法，大批量工字形钢结构普遍采用机械矫正法。机械矫正可以采用翼缘矫直机矫正法，也可采用大吨位压力机与工装结合的工装压力法。LDA10t 天车梁属于小型结构的工字形梁，只要严格按上述工艺加工制作后变形不大，基本不用矫正，一旦变形量超标需要矫正的话，用人工火焰矫正即可。

6 结语

该公司井下破碎机硐室1 台LDA10t 天车梁采用以上组装、焊接工艺加工制作，焊接完成后变形量在设计技术要求范围内，完全满足工程质量的要求，基本上不需要矫正。实践证明，工字形梁的加工制作只要选择正确的焊接方法，选取合理的焊接工艺参数，再辅助一定的变形矫正，是能够完全满足设计使用要求的。