金属阻尼器的焊接性分析

金属阻尼器的焊接性分析

罗文才1，姚瑞敏1，段鑫臣2，杨延霖1

【1】云南建投技工学校，云南昆明651700【2】玉溪技师学院，云南玉溪653101

摘要

金属阻尼器作为一种重要的减振和吸能装置，在结构工程中得到了广泛应用。由于阻尼器通常由两种及以上材料加工制备，故存在异种材料的焊接，本论文旨在对金属阻尼器各部件的材料焊接性能进行分析和评估，通过计算碳当量，确定选择出合适的焊接方法、焊材以及焊接参数。

关键词：阻尼器，焊接性，碳当量，异种材料焊接，LYP160

1.引言

阻尼器是一种利用阻尼特性来减缓机械振动及消耗动能的装置。[1]在抗震减震方面，常常采用剪切型阻尼器。该类型阻尼器利用特种软钢板材的非弹性特性，在发生地震等外部激烈输入时，通过消耗结构中的能量来减震和减震。剪切型阻尼器属于位移相关型减震装置，其使用软钢板材具有多项优势。首先，软钢板材具有较低的屈服点，能够在相对较小的力作用下发生屈服，从而实现能量的耗散。其次，软钢板材坚固耐用，能够长期使用而无需维护。此外，软钢板材的抗震性能不受温度影响，能够在不同环境条件下稳定工作，确保结构的安全性和可靠性。通过应用剪切型阻尼器，可以有效提高结构的抗震能力，减轻地震对建筑物和桥梁等结构的破坏程度，保障人们的生命财产安全。[2]本次研究金属阻尼器的母材:筋板采用Q235B，连接板和翼缘板采用Q345B，能耗板采用LYP160。连接板—厚30mmQ345B碳钢、翼缘板—厚12mmQ345B碳钢、能耗板—厚10mmLYP160碳钢、筋板—厚8mmQ235B碳钢。其化学成分如下所示：

2.材料的焊接性分析

根据国际焊接学会推荐的碳当量公式计算：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%),得到Q235B、Q345B、LY160的碳当量分别为：0.433、0.483、0.117。可见三者都具有良好的焊接性，淬硬倾向不大，焊前无需预热。

丝成分的选择应与母材的化学成分相近或相同，物理性能也应相接近或更好。此外，保护气体的种类也会对焊缝金属的化学成分和力学性能产生影响，因此焊丝的成分应与所使用的保护气体种类相匹配。另外，焊丝尺寸的选择应考虑被焊工件的厚度和焊接位置等因素。[3]由于阻尼器的实际生产采用实心焊丝，并且使用实心焊丝在生产中可以大幅度节约成本，故焊接时选用的焊接方法为GMAW。所采用的的焊接方法是活性气体保护焊，目前在活性气体保护汉中所用到的气体有CO2、CO2+Ar或CO2+Ar+O2这三种。由于所焊接的材料为Q345B、Q235B和LYP160，都属于碳钢，所以对于气体没有太大的要求，为了焊缝的美观采用混合气体，混合气体的比例是Ar80%+CO220%，气体流量根据经验选用15L/min。

根据焊缝布置原则，焊缝应对称，焊缝尽量分散，以及尽量减少焊缝长度，并且在结构设计中连接焊缝应尽量避开应力集中和高应力区域，阻尼器的焊缝布置以及焊缝顺序如下图所示，其中筋板与耗能板的焊缝，以及耗能板与翼缘板的焊缝，为分段焊缝，以降低热输入。焊缝设计采用50°双边V型坡口,留根2mm,组对间隙2mm的焊缝形式。为了确保焊缝质量，通常会采用45°±5°的V型坡口。这样可以减小主焊缝的坡口截面，从而降低受热量和减少焊缝的收缩量。[4]

（一）耗能板与肋板相焊（Q235B与LY160相焊）

Q235B中碳含量和硫、磷含量不高，且Mn/S较高，有较强的脱硫能力，同时能改善硫化物的具体分布形态，使薄膜状的FeS改变为球状分布。[5]因此具有良好的抗结晶裂纹性能，在正常情况下，Q235B是很难出现热裂纹的。LY160中锰元素含量低，为了防止热裂纹的出现，需要一种锰元素较多的焊丝。

两种钢的碳含量都很低，可焊性好，基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小，基本不会出现冷裂纹。这两种材料不含易形成强碳化物的元素，因此对再热裂纹不敏感。若需要，可以考虑采取焊前预热和焊后保温等措施，以防止再热裂纹的生成。[6]

综上，本次采用二氧化碳气体保护焊，焊丝选用H08MnA，直径φ=1.2mm。焊接参数如下表：

（二）耗能板与连接板相焊（Q345B与LY160相焊）

Q345B与LY160相焊，很难出现冷裂纹和再热裂纹，因为含碳量低，可焊性好，基本无淬硬倾向，冷裂敏感性小，此外，这种材料中也不含有易于形成强碳化物的元素，因此对再热裂纹的敏感度较低。如果需要，可以采用焊前预热和焊后保温等措施来防止再热裂纹的产生。

[7]需要注意的是，由于连接板较厚（20mm），焊接时可能会产生层状撕裂，故需控制好热输入，如有需要，可以焊前预热，焊后保温，防止层状撕裂。

综上，本次采用二氧化碳气体保护焊，焊丝选用H10Mn2/HJ431，直径φ=1.6mm。焊接参数如下表：

（三）连接板与翼缘板相焊（Q345B焊接）

根据国际焊接学会推荐的碳当量公式计算：

CE=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15(%),计算结果CE≤0.483，可见Q335B具有较好的焊接性，淬硬倾向不大，焊前无需预热。热裂纹是在焊接过程中高温条件下形成的一种常见缺陷。不仅在常用的低碳钢、低合金钢中，而且在奥氏体不锈钢、铝合金和镍基合金等材料中都有可能产生热裂纹。[8]其中，最具危害性的是结晶裂纹，它是由于在结晶后期形成的液态薄膜，该薄膜由低熔点物质引发而产生。[9]热裂纹的产生与焊缝金属的成分密切相关，尤其是与主要成分中的碳、硫、镍和锰等元素有关。Q345B钢材中的碳含量较低，硫、磷含量也不高，而且Mn/S比值较高，具有较强的脱硫能力，同时也能改善硫化物的分布形态，使薄膜状的FeS改变为球状分布。[5]因此具有良好的抗结晶裂纹性能，在正常情况下，Q345B是很难出现热裂纹的。Q345B钢材的含碳量较低，因此具有良好的可焊性，基本上不会出现淬硬倾向，冷裂敏感性也较小。因此，在进行焊接时，通常无需采取预热措施或严格控制焊接热输入。[10]Q345B中不含有强碳化物形成元素，因此对再热裂纹不敏感，如有必要可采用焊前预热和焊后保温等措施来防止再热裂纹的产生。

综上，本次采用二氧化碳气体保护焊，焊丝选用H08MnA，直径φ=1.2mm。焊接参数如下表：

3.结论

金属屈服型阻尼器的失效样品中，“耗能板失效”占比约20.9%，“筋板失效”占比约14.0%，“翼缘板失效”占比约53.5%，“焊接工艺缺陷破坏”占比约11.6%。根据统计结果我们可得阻尼器的大部分失效都是发生在翼缘板-连接板的焊缝处。控制工艺参数和变形，改善阻尼器的疲劳性能。可减少焊缝的应力集中系数，使结构受力均匀。采用小的焊接参数和大的焊接参数都能够避免淬硬组织，在采用小的焊接参数时要注意控制层间温度和焊后的冷却速度。焊接后的矫正处理只是辅助方法，想要拥有良好的焊缝需要我们设计出合理优秀的焊接工艺，严格制定焊接工艺规程，严格遵守焊接工艺要求，才能得到性能优秀的焊缝，有效的控制焊接缺陷的产生，保证焊接质量。

参考文献

[1]党保卫《钢结构木结构工程技术创新与应用》［J］.北京：中国建筑工业出版社，2021.05

[2]杨明飞;杨超;陈宜网《双剪型分阶段屈服阻尼器的设计与分析》［J］.重庆科技学院学报(自然科学版)，2022

[3]米学宁;孟祥宇《智能型万能式断路器中转轴的机器人焊接工艺及应用》［J］.低压电器，2004

[4]钱金旺;张体军《大型箱型钢结构井架焊接变形的控制》［J］.中国科技信息杂志，2008

[5]林小娉《材料成形原理》［M］.北京：化学工业出版社，2010.08

[6]孟庆森《金属焊接性基础》［M］.北京：化学工业出版社，2010.05

[7]康志东,《压力容器焊接结构及工艺探究》［J］.装备制造技术，2014

[8]《化工设备设计全书》编辑委员会;王非;林英《化工设备用钢》［M］.北京：化学工业出版社，2004.01

[9]齐羿;杨建全《金属材料焊接接头的组织与性能对比》［J］.山东工业技术，2016

[10]李亚江《合金结构钢及不锈钢的焊接》［J］.北京：化学工业出版社，2013.01