金屬圓柱工件節(jié)點(diǎn)焊接工藝分析

王雪梅

（甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān) 735100）

圓柱形金屬構(gòu)件與其他形態(tài)構(gòu)件相比的主要特點(diǎn)在于強(qiáng)度高、韌性和塑性較好，裝配化程度相對(duì)較高，在施工過(guò)程中的便捷程度更加突出，且施工不受到環(huán)境的嚴(yán)重限制。需注意的是金屬圓柱無(wú)論是在裝配還是在焊接過(guò)程中都可能出現(xiàn)某些問(wèn)題，因此在焊接環(huán)節(jié)需要進(jìn)行綜合控制或是其它技術(shù)手段，讓構(gòu)件到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后就能完成安裝過(guò)程。

1 節(jié)點(diǎn)焊接工藝的過(guò)程分析

我國(guó)現(xiàn)代化工程施工要具有良好的穩(wěn)定性和綠色環(huán)保性能[1]。國(guó)外在這一方面的研究起步時(shí)間較早，例如美國(guó)早在20 世紀(jì)30 年代就在工程施工設(shè)計(jì)方面采用了金屬結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)工程施工中的金屬結(jié)構(gòu)也變得更加多樣化和復(fù)雜化，并且復(fù)雜組合金屬圓柱結(jié)構(gòu)形式憑借著其技術(shù)優(yōu)勢(shì)得到推廣應(yīng)用。盡管在金屬用量和結(jié)構(gòu)方面還有一些需要完善的地方，但在結(jié)構(gòu)層面，實(shí)現(xiàn)了從單一化的等截面形式轉(zhuǎn)化為多截面、多方向的復(fù)雜系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，在焊接工藝研究方面進(jìn)行了很多針對(duì)性的探索。

（1）節(jié)點(diǎn)制作的主要難點(diǎn)。由于構(gòu)件結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，且節(jié)點(diǎn)布置較為密集，涉及到的焊接接頭形式包括交接、對(duì)接等不同方式，對(duì)加工過(guò)程中的異型構(gòu)件工裝設(shè)計(jì)因素進(jìn)行分析后，可以確定整個(gè)節(jié)點(diǎn)制作的難點(diǎn)體現(xiàn)在如何避免母材產(chǎn)生層狀撕裂，以及厚板焊接時(shí)的變形程度控制。

（2）出圖設(shè)計(jì)。特殊的節(jié)點(diǎn)構(gòu)件結(jié)構(gòu)讓圖紙的制作過(guò)程非常關(guān)鍵，在經(jīng)過(guò)細(xì)致分析之后可以在制作工藝上對(duì)圖紙?zhí)岢鲆恍┨厥庖骩2]。首先要根據(jù)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)胎架，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式先設(shè)計(jì)圖紙，再對(duì)主體內(nèi)部的隔板定位尺寸做好標(biāo)注。其中主體、牛腿區(qū)域的尺寸、牛腿端口之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離也應(yīng)該在圖面坐標(biāo)中準(zhǔn)確地體現(xiàn)。

在圖紙會(huì)審環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行深化設(shè)計(jì)，加工單位和施工單位根據(jù)施工參數(shù)和施工條件確定分段加工的具體措施，遵循相應(yīng)的原則要求。首先在構(gòu)造層面上看，需要綜合分析斜支撐軸線位置與操作平臺(tái)之間的距離，另外在箱體和圓柱構(gòu)件運(yùn)輸過(guò)程時(shí)，如果進(jìn)行公路運(yùn)輸，則構(gòu)件的長(zhǎng)度和寬度勢(shì)必要進(jìn)行限制[3]。在使用塔吊起重時(shí)，根據(jù)塔吊覆蓋的范圍進(jìn)行起重能力的分析。施工之前業(yè)主、監(jiān)理方和施工方等技術(shù)人員可以共同擬定相應(yīng)的焊接工藝方案。在不影響結(jié)構(gòu)構(gòu)造整體性的前提下保障良好的強(qiáng)度、剛度，滿(mǎn)足所選擇的機(jī)械設(shè)備起重條件。

（3）工裝設(shè)計(jì)。金屬圓柱的拼裝過(guò)程難度較大，在角度方面一般是通過(guò)胎架來(lái)控制，在制作環(huán)節(jié)中一方面要考慮到圓柱的角度，另一方面又要考慮到生產(chǎn)制作中的簡(jiǎn)便化要求。箱體的設(shè)置過(guò)程在胎架之上進(jìn)行，腹板、翼板在安裝時(shí)要注意角度控制，根據(jù)構(gòu)件的具體特點(diǎn)在制作環(huán)節(jié)使用焊接定位卡板的方法進(jìn)行組裝，利用角度樣板確定定位角度。

（4）焊接控制。以坡口控制為例，厚板角接接頭焊接工程量比較大，且難度比較高，有一定的層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)，如果使用小坡口進(jìn)行焊接，不僅會(huì)產(chǎn)生區(qū)域偏析現(xiàn)象，還會(huì)在較大的拘束應(yīng)力前提下產(chǎn)生焊接熱裂紋。但采用大坡口焊接時(shí)會(huì)增加焊接質(zhì)量和焊接殘余應(yīng)力，對(duì)于結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力控制工作產(chǎn)生不利影響，增加整個(gè)工程消耗的時(shí)間。考慮到接頭的填充量、焊接質(zhì)量以及厚板層狀撕裂可能出現(xiàn)的影響，可以采取坡口角度合理，并且利于正常狀態(tài)下進(jìn)行焊接。

為了加速焊接接頭當(dāng)中的氫擴(kuò)散減少焊接冷裂紋，可以通過(guò)后熱與消氫處理，獲得良好的力學(xué)性能。焊接環(huán)節(jié)熱狀態(tài)下可以采用小圓弧錘錘擊焊縫金屬進(jìn)行焊縫延展，并減少焊件的收縮應(yīng)力。一般來(lái)說(shuō)在300℃以下時(shí)錘擊力就要進(jìn)行控制，且100℃以下不進(jìn)行錘擊。

（5）自動(dòng)定位裝配機(jī)控制。對(duì)于一些復(fù)雜的金屬圓柱結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，采取自動(dòng)定位裝配機(jī)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)可以成為一種可供參考的控制方案，確定結(jié)構(gòu)布局、尺寸與傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，能夠提出不同的設(shè)計(jì)方案，在經(jīng)過(guò)對(duì)比分析后選擇最佳的自動(dòng)裝配焊接設(shè)計(jì)方案。通常情況下，焊接節(jié)點(diǎn)自動(dòng)定位裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)直接影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)部分，確定模塊的運(yùn)動(dòng)方式和結(jié)構(gòu)尺寸之后進(jìn)行驅(qū)動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)形式的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)內(nèi)容都會(huì)極大的影響到金屬圓柱焊接節(jié)點(diǎn)的裝配機(jī)控制要求，包括傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)。

2 實(shí)際案例

某工程包括云端塔、住宅區(qū)、地下停車(chē)場(chǎng)和設(shè)備功能建筑組成，其中云端塔地上40 層，結(jié)構(gòu)高度160m，并且采用金屬圓柱嵌入混凝土中，作為梁和組合樓板組合框架支撐，裝配精度非常高，且質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。

（1）工程節(jié)點(diǎn)分析。從節(jié)點(diǎn)角度來(lái)看，箱型、圓管和十字的組合是由十字插板、圓柱端頭所組成，圓管柱上具有連接金屬梁所使用的箱型牛腿，單重大約為20t。整體構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵尺寸和形式比較復(fù)雜，涉及到管控范圍的節(jié)點(diǎn)焊縫比較多，以厚板焊接為主，因此在進(jìn)行焊接前需要細(xì)致地考慮到焊接順序以預(yù)防焊接變形現(xiàn)象，同時(shí)保障良好的焊接填充量。

在節(jié)點(diǎn)制作時(shí)的重點(diǎn)在于涉及到的金屬圓柱節(jié)點(diǎn)比較復(fù)雜，且存在壓弧精度控制和裝配精度控制工作要求。另外為了防止母材出現(xiàn)撕裂或是焊接變形情況，就要考慮到特定構(gòu)件的加工制作要求，設(shè)定好牛腿的裝配精度等。

（2）焊接工藝。基于金屬圓柱復(fù)雜節(jié)點(diǎn)和采購(gòu)周期計(jì)劃，在進(jìn)行材料準(zhǔn)備時(shí)會(huì)先選擇相同管徑的圓管，然后在車(chē)間進(jìn)行切割，使用液壓機(jī)對(duì)弧度進(jìn)行校正。校正時(shí)我們先利用鉛錘法等將圓管進(jìn)行劃線，再使用切割機(jī)切割圓管，保持圓管端口預(yù)留工藝橋并做好支撐措施。根據(jù)圓管的實(shí)際直徑情況制作樣板之后，在壓弧過(guò)程中要注意壓弧的精度，一旦出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時(shí)調(diào)整液壓機(jī)，再利用火焰校正方法對(duì)出現(xiàn)偏差的部分進(jìn)行處理，讓圓弧精度控制在合理范圍之內(nèi)。

（3）焊接因素控制。考慮到節(jié)點(diǎn)區(qū)域的焊縫比較多，焊接時(shí)的工作量非常大，因此要考慮到焊接坡口的要求，因?yàn)槠驴谶^(guò)大會(huì)讓焊縫的收縮量增加，同時(shí)增加材料的填充量，不僅影響到工作效率也增加了工程消耗的成本；反之焊接坡口過(guò)小會(huì)讓焊接根部產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于出現(xiàn)層狀撕裂風(fēng)險(xiǎn)的焊接接頭要采取相應(yīng)的質(zhì)量控制措施。例如十字插板和圓管處的坡口焊接過(guò)程中要預(yù)留好一定的間隙，并且在坡口表面先焊接塑性層，在確定焊接吮吸之后采取多層、多道焊接模式，一方面避免焊接應(yīng)力過(guò)于集中，另一方面也減少有害氣體的生成。對(duì)于一些潛在的接頭質(zhì)量問(wèn)題或是焊接缺陷，可以考慮采取接頭錯(cuò)位焊接措施。焊接操作環(huán)節(jié)要注意道間的溫度控制，室溫控制在20℃左右，焊接操作之前先進(jìn)行局部加熱和預(yù)熱，焊接過(guò)程的道間溫度應(yīng)高于預(yù)熱溫度。焊接后回火消除應(yīng)力也是需要重點(diǎn)關(guān)注的部分，因?yàn)樵诤癜搴附舆^(guò)程當(dāng)中會(huì)存在典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)行回火處理不僅可以規(guī)避焊接應(yīng)力過(guò)于集中產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，還可以防止局部的氫產(chǎn)生集聚。

（4）節(jié)點(diǎn)裝配。金屬圓柱結(jié)構(gòu)的類(lèi)型一般比較復(fù)雜，再加上圓柱區(qū)域的“牛腿”存在，使得整個(gè)系統(tǒng)的精度要求比較高，設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中也會(huì)大量應(yīng)用中厚板。而各個(gè)工序之間也會(huì)出現(xiàn)交叉影響，操作時(shí)要在平整的裝配平臺(tái)進(jìn)行，讓十字板垂直于水平面方向并采用鉛錘定位法，水平方向采用水平儀定位法，定位完畢之后開(kāi)始十字插板焊接，從中間開(kāi)始朝兩端進(jìn)行焊接預(yù)防變形。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該在焊縫冷卻之后進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)合格之后可以確定定位線然后裝配箱體面板。箱體裝配焊接結(jié)束并檢測(cè)完畢之后即可按照構(gòu)件圖的尺寸與坐標(biāo)定位對(duì)牛腿進(jìn)行裝配，可以根據(jù)工程的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行裝配，但要考慮到裝配和焊接的尺寸符合工程要求，全部檢測(cè)合格之后再進(jìn)入下一道工序。

（5）焊接管理措施與注意事項(xiàng)。以焊接過(guò)程來(lái)說(shuō)，焊接前要搭設(shè)好防護(hù)棚，對(duì)棚內(nèi)的溫度、風(fēng)速進(jìn)行控制，風(fēng)速需控制在1m/s 以下，環(huán)境溫度不低于5℃。為了保障焊接過(guò)程的安全性，每一層操作平臺(tái)都應(yīng)該在焊口下方布置好接火盆，整個(gè)操作平臺(tái)要鋪設(shè)石棉布以避免火花進(jìn)行墜落。焊接之前，坡口區(qū)域的污漬或其它雜物需事先清理，再對(duì)坡口、組對(duì)情況進(jìn)行實(shí)測(cè)和記錄，所有的坡口面距離測(cè)量過(guò)程當(dāng)中都要進(jìn)行記錄，目的在于可以確定焊接之后的點(diǎn)位距離。在焊接施工前進(jìn)行工藝評(píng)定，確保技術(shù)人員能夠熟練掌握操作過(guò)程。然后選擇電加熱板對(duì)焊縫兩側(cè)2 倍的板厚范圍進(jìn)行預(yù)熱，溫度應(yīng)保持在140℃以上，對(duì)于一些無(wú)法達(dá)到預(yù)熱要求的區(qū)域使用火焰加熱補(bǔ)償。焊接結(jié)束后對(duì)加熱板進(jìn)行覆蓋并通電，溫度達(dá)到250℃后再停止通電，讓焊縫自然冷卻直至恢復(fù)常溫。在外觀質(zhì)量檢查方面，首先要檢查是否有裂紋、夾渣存在，焊縫兩側(cè)和坡口之間的距離寬度要求等。按照設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行超聲波探傷，如無(wú)明顯缺陷則可以驗(yàn)收。存在質(zhì)量缺陷需要焊縫返修時(shí)需對(duì)照缺陷區(qū)域使用砂輪機(jī)先去除缺陷，然后將刨口打磨平滑之后進(jìn)行補(bǔ)焊。

（6）質(zhì)量保障措施。在某些低溫環(huán)境之下，要保障焊縫的檢測(cè)合格，在焊接開(kāi)始后可以先將電加熱板移至一側(cè)焊縫區(qū)域保持通電以維持焊接過(guò)程的溫度，并且焊接過(guò)程要定期對(duì)層間溫度進(jìn)行檢驗(yàn)，溫度過(guò)低時(shí)要立即停止焊接過(guò)程并使用火焰烤槍加熱至200℃以上后再繼續(xù)焊接。每一層焊接結(jié)束后使用焊接小錘敲打焊縫，可以在消除應(yīng)力的前提下清除周?chē)暮冈Ｈ缟婕暗匠L(zhǎng)或是超厚區(qū)域的焊縫成型工作，應(yīng)該安排不同的焊接人員對(duì)同一區(qū)段的焊縫進(jìn)行成焊，確保每一個(gè)過(guò)程狀態(tài)的質(zhì)量滿(mǎn)足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有金屬圓柱焊接工藝技術(shù)方案的分析和研究，能夠有效地綜合制作過(guò)程中的難點(diǎn)與注意事項(xiàng)，同時(shí)結(jié)合簡(jiǎn)易工裝設(shè)計(jì)，讓構(gòu)件在裝配精度、裝配質(zhì)量方面得到良好控制。焊接順序控制可以讓整體的焊接變形情況得到控制，避免出現(xiàn)嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題，在今后類(lèi)似構(gòu)件的加工制作環(huán)節(jié)可以提供穩(wěn)定的技術(shù)參考依據(jù)。