焊接结构-第三单元课件

1、 学习目标： 通过学习了解钢板的矫正及预处理方法； 掌握零件的划线、放样号料、下料与边缘加工的方法； 掌握零件加工中的几种常用的成形工艺。 钢材受外力、加热等因素的影响，会使表面产生不平、弯曲、扭曲、波浪等变形缺陷； 另外，钢材因存放不妥和其他因素的影响，也会使钢材表面产生铁锈、氧化皮等。 这些都将影响零件和产品的质量，因此，必须对变形钢材进行矫正及预处理。 引起钢材变形的原因很多，从钢材的生产到零件加工的各个环节，都可能因各种原因而导致钢材的变形。 钢材的变形原因主要有以下几个方面： 钢材在轧制过程中可能产生残余应力而导致变形。 例如，在轧制钢板时，由于轧辊的间隙不一致，导致板料在宽度方向的

2、压缩不均匀，延伸较多的部分受到拘束产生压应力，而延伸较少部分产生拉应力。 因此，延伸较多的部分在压应力作用下可能产生失稳而导致变形。 焊接结构使用的钢材，均是较长、较大的钢板和型材， 如果吊装、运输和存放不当， 钢材就会因自重而产生弯曲、扭曲和局部变形。 钢材在划线以后，一般要经过气割、剪切、冲裁、等离子弧切割等工序。 而气割、等离子弧切割过程，是对钢材的局部进行加热使其分离的过程。 对钢材的不均匀加热必然会产生残余应力，进而导致钢材产生变形，尤其是在气割窄而长的钢板时，边上的一条钢板弯曲得最明显。 在剪切、冲裁等工序时，由于工件的边缘受到剪切，必然产生很大的塑性变形。 综上所述，造成钢材变形

3、的原因是多方面的。 当钢材的变形大于技术规定时，划线前必须进行矫正。 名 称简 图允许偏差（mm）钢板、扁钢的局部挠度表3-1图114 f114 f1.5角钢、槽钢、工字钢、管子的垂直度表3-1图2角钢两边的垂直度工字钢、槽钢翼缘的倾斜度 1钢材的矫正原理钢材的矫正原理 钢材在厚度方向上可以假设是由多层纤维组成的。 钢材平直时，各层纤维长度都相等，即ab=cd，见图3-1a。 钢材弯曲后，各层纤维长度不一致，即abcd，见图3-1b。 可见，钢材变形的原因就是其中一部分纤维与另一部分纤维长短不一致。 矫正就是采用加压或加热的方式，把已伸长的纤维缩短，把缩短的纤维伸长，最终使钢板厚度方向的纤维趋

4、于一致。 图3-1 钢材平直和弯曲时纤维长度的变化 a)平直 b)弯曲 根据外力的性质不同，可分为如下四种：（1）手工矫正 手工矫正是采用手工工具，对已变形的钢材施加外力，以达到矫正变形的目的。 手工矫正由于矫正力小、劳动强度大、效率低，所以常用于矫正尺寸较小的薄板钢材。 机械矫正使用的设备有专用设备和通用设备。 专用设备有钢板矫正机、圆钢与钢管矫正机、型钢矫正机、型钢撑直机等； 通用设备指一般的压力机、卷板机。 火焰矫正是利用火焰对钢材的伸长部位进行局部加热，使其在较高温度下发生压缩塑性变形，冷却后收缩而变短，从而使钢材的变形得到矫正。 火焰矫正操作方便灵活，所以应用比较广泛。 是在火焰矫正

5、的基础上发展起来的一种新工艺。 高频热点矫正的原理是：通入高频交流电的感应圈产生交变磁场，当感应圈靠近钢材时，钢材内部产生感应电流（涡流），使钢材局部的温度立即升高，从而进行加热矫正。 加热的位置与火焰矫正时相同，加热区域的大小取决于感应圈的形状和尺寸。 感应圈一般不宜过大，否则加热慢； 加热区域大，也会影响加热矫正的效果。 一般加热时间为45s，温度约800左右。 （1）钢板的矫正 钢板的矫正主要是在钢板矫正机上进行的。 当钢板通过多对呈交错布置的轴辊时， 钢板发生多次反复弯曲， 使各层纤维长度趋于一致，从而达到矫正的目的。 图3-2所示为钢板矫正机的工作原理。 下排轴辊是主动轴辊，由电动机

6、带动旋转； 上排轴辊是被动的，能作上下调节以适应矫正不同厚度的钢板。 一般两端的轴辊是导向辊，能单独上下调节，以引导板料出入矫正机。 钢板矫正机有多种形式，轴辊的数量越多，矫正的质量越好。 通常511辊用于矫正中厚板； 1129辊多用于矫正薄板。 常用钢板矫正机的结构形式和特点见表3-2 当钢板中间平、两边纵向呈波浪形时，应在中间加铁皮或橡胶以碾压中间。 当钢板中间呈波浪形时，应在两边加垫板后碾压两边以提高矫平的效果。 矫平薄板时，一般可加一块较厚的平钢板作衬垫一起矫正，也可将数块薄板叠在一起进行矫正。 矫平扁钢或小块板材时，应将相同厚度的扁钢或小块板材放在一个用作衬垫的钢板上通过矫正机后，将

7、原来朝上的面翻动朝下，再通过矫正机便可矫平。表3-2 常用钢板矫正机的结构和特点结构形式简图主要特点用途上排辊轮倾斜的矫正机表3-2图1上排辊轮轴整体作上下调整；角可调整薄板及屈服强度高的板料上置边辊的矫正机表3-2图2上置边辊轴可按进料方向及出料的需求进行调节中厚板成对导向辊的矫正机表3-2图3成对导向辊的矫正速度：v1 v250.400.420.440.470.4750.480.5 表表3-43-4 中性层位置系数中性层位置系数K Kr/ 0.10.20.250.30.40.50.8K0.30.330.350.36 0.38r/ K 例例1 计算图3-20所示圆角U形板料长。已知r=60m

8、m， =20mm， L1=200mm， L2=300mm， =120， 求L=? 解： 圆钢弯曲的中性层一般总是与中心线重合，所以圆钢的料长可按中心线计算。如图3-21所示，已知尺寸A、B、d、R，则展开长度应是直段长度和圆弧段长度之和。 展开长度为： 式中 L展开长度； A直段长度； R内圆角半径； d圆钢直径。 例例2 图3-21中，已知A=400mm，B=300mm， d=20mm， R=100mm， 求它的展开长度。 解解：根据长度展开长度公式 本题的展开长度为： 角钢的断面是不对称的，所以中性层的位置不在断面的中心，而是位于角钢根部的重心处，即中性层与重心线重合。 设中性层离开角钢根

9、部的距离为z0，z0值与角钢断面尺寸有关，可从有关表格中查得。 等边角钢弯曲料长计算见表3-5。表3-5 等边角钢弯曲料长计算内 弯外 弯 例例3 已知等边角钢内弯，两直边L1=450mm，L2=350mm，角钢外弧半径R=120mm，弯曲角度=120，等边角钢为70mm70mm7mm，求展开长度L。 解：查表得Z0=19.9mm 展开长度 例例3 已知等边角钢外弯，两直边L1=550mm，L2=450mm，角钢内弧半径R=80mm，弯曲角度=150，等边角钢为63mm63mm6mm，求展开长度L。 解：查表得Z0=17.8mm 展开长度 通过旋转辊轴使坯料(钢板)弯曲成形的方法称滚弯，又称卷

10、板 ，板材卷弯如图3-22所示。 滚弯时，钢板置于卷板机的上、下辊轴之间，当上辊轴下降时，钢板便受到弯矩的作用而发生弯曲变形。 由于上、下辊轴的转动，通过辊轴与钢板间的摩擦力带动钢板移动，使钢板受压位置连续不断地发生变化，从而形成平滑的曲面，完成滚弯成形工作。 钢板滚弯由预弯（压头）、对中、滚弯三个步骤组成。 卷弯时只有钢板与上辊轴接触的部分才能得到弯曲，所以钢板的两端各有一段长度不能发生弯曲，这段长度称为剩余直边。 剩余直边的大小与设备的弯曲形式有关， 对称弯曲时剩余直边约为板厚的620倍， 不对称弯曲时为对称弯曲时的1/61/10。 为了消除剩余直边应先对板料进行预弯，使剩余直边弯曲到所需

11、曲率半径后再卷弯。 预弯的方法有两种： 一是在三辊或四辊卷板机上预弯，适用于较薄的板材，如图3-23所示； 另一种方法是在压力机上预弯，适用于各种厚度板材，如图3-24所示。 a)预弯模 b)预弯过程 在卷弯时如果板料放不正，卷弯后会发生歪扭， 在卷弯前使辊的中心线与钢板的中心线平行，即所谓对中。 常用的对中方法如图3-25所示。 图3-25a是利用卷板机的侧辊对正钢板； 图3-25b是利用可转动的挡铁来对正钢板； 图3-25c是使钢板顶到下辊上，然后再放平； 图3-25d是利用下辊上的直槽对正； 图3-25e是用直角尺，使钢板上的轴线与辊平行； 图3-25f是利用卷板机两边平台上的挡铁来定位

12、，使钢板边缘垂直于轴辊。 一般情况下，卷弯时并不加热钢板。 但是，在钢板厚度较大而卷弯直径较小时，冷卷时容易产生较严重的冷作硬化及较大的内应力，甚至产生裂纹。所以这种情况需要对钢板加热卷制。 常用低碳钢、普低钢的热卷加热温度为9001050，终止温度不低于700。 热卷能防止板料的加工硬化现象，但热卷时操作困难，氧化皮危害较大，板料变薄现象较为严重。 因此，也可以试用温卷，即把钢板加热到500600进行卷弯。 冷卷时，上辊的压下量取决于来回滚动的次数、要求的曲率以及材料的回弹。 因此，实际工作中常采用逐渐分几次压下上辊并随时用卡样板检查的办法卷弯。 对于薄板件来说，可以卷得比要求大一些，用锤在

13、外面轻敲就可矫正，而曲率不足时则不易矫正。 在卷弯较厚钢板时，一定要常检查，仔细调节压下量，一旦曲率过大就很难矫正。 由于压头曲率不正确或卷弯时曲率不均匀，可能在接口处产生外凸或内凹的缺陷， 这时可以在定位焊或焊接后进行局部压制卷弯，如图3-26所示。 对于壁厚较厚的圆筒，焊后经适当加热再放入卷板机内经长时间加压滚动，可以把圆筒矫得很圆。 圆锥面的素线不是平行的，所以不能用三个辊互相平行的卷板机卷制出来。 但是，可采取调整上辊使其倾斜适当的角度，然后在很小的区域内压制并稍作滚动， 这样每次压卷一个小区域后，必须转动钢板后再压卷下一个区域，也可卷制出质量较好的圆锥面。 焊接结构制造过程中，还有许

14、多零件因为形状复杂，需要用弯曲成形以外的方法进行加工。 如锅炉用压力容器封头、带有翻边的孔的筒体、封头、锥体、翻边的管接头等。 这些复杂曲面形状的成形加工通常在压力机上进行； 常用的方法有压延、旋压和爆炸成形等工艺。 拉延也称拉深或压延，它是将平板毛坯或空心半成品，利用拉延模拉延成一个开口的空心零件。 拉延具有生产率高，成本低，成形美观等特点。 如图3-28所示为拉延成形过程。 凸模往下压时先与坯料接触，然后强行把坯料压入凹模， 迫使坯料分别转变为筒底、筒壁和凸缘， 随着上模的下压，凸缘的径向逐渐缩小，筒壁部分逐渐增长， 最后凸缘部分全部转变为筒壁。 a）拉延前 b）拉延中 c）拉延结束 1凸

15、模 2坯料 3凹模 4凸缘 （1）起皱 在圆筒形件拉延过程中，凸缘部分的材料受切向应力的作用。 当切向应力达到一定值时，凸缘部分材料失去稳定， 而在整个周边方向出现连续的波浪形弯曲，这种现象称为起皱，如图3-29所示。 防止起皱的有效方法是采用压边圈，压边圈安装在凹模上面，与凹模表面之间留有1.151.2倍板厚的间隙，如图3-30所示。 1凸模 2压边圈 3坯料 4凹模 拉延时，筒壁总拉应力增大， 超过了筒壁最薄弱处（筒壁的底部转角处）的材料强度时， 拉延件就会产生拉穿现象，如图3-31所示。 所以此处的承载能力大小是决定拉延能否顺利成形的关键。 拉延过程中拉延件各部位的壁厚都会发生变化。图3

16、-32所示是碳钢封头拉延后测得的壁厚变化情况。 图3-32a中，椭圆形封头在曲率半径最小处变薄量最大，可达8%10%；图3-32b中，球形封头在底部变薄最严重，可达12%14%。 为了弥补封头壁厚的变薄，可以适当加大封头毛坯料的板厚，以使封头变薄处的厚度接近容器的壁厚。 a）椭圆封头 b）球形封头 1）拉延件外形应简单、对称，且不要太高，以便使拉延次数尽量少。 2）拉延件的圆角半径在不增加工艺程序的情况下，最小许可半径如图3-33所示。 否则将增加拉延次数及整形工作。 旋压是在专用的旋压机上进行， 图3-34所示为旋压工作简图。 毛坯3用尾顶针4上的压块5紧紧的压在模胎2上， 当主轴1旋转时，

17、毛坯和模胎一起旋转， 操作旋棒6对毛坯施加压力，同时旋棒又作纵向运动。 1主轴 2模胎 3毛坯 4尾顶针 5压块 6旋棒 7支架 8助力臂 开始旋棒与毛坯是一点接触，由于主轴旋转和旋棒向前运动，毛坯在旋棒的压力作用下产生由点到线及由线到面的变形，逐渐地被赶向模胎，直到最后与模胎贴合为止，完成旋压成形。 这种方法的优点是不需要复杂的冲模，变形力较小，但生产率较低，故一般用于中小批生产。 1爆炸成形的基本原理 爆炸成形是将爆炸物质放在一特制的装置中，点燃爆炸后，利用所产生的化学能在极短的时间内转化为周围介质（空气或水）中的高压冲击波，使坯料在很高的速度下变形和贴模，从而达到成形的目的。 如图3-3

18、5为爆炸成形装置。 爆炸成形可以对板料进行多种工序的冲压加工，例如拉延、冲孔、剪切、翻边、胀形、校形、弯曲、压花纹等。 1-纤维板 2-炸药 3-绳 4-坯料 5-密封袋6-压边圈 7-密封圈 8-定位圈 9-凹板 10-抽气孔 1）爆炸成形不需要成对的刚性凸凹模同时对坯料施加外力，而是通过传压介质（水或空气）来代替刚性凸模的作用。因此，可使模具结构简化。 2）爆炸成形可加工形状复杂，刚性模难以加工的空心零件。 3）回弹小、精度高、质量好。由于高速成形零件回弹特别小，贴模性能好，只要模具尺寸准确，表面光洁，则零件的精度高。 4）爆炸成形属于高速成形的一种。加工成形速度快（只需1s），操作方便，成本低，产品制造周期短。 5