金屬圓柱工件節(jié)點焊接工藝分析

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)件相比的主要特點在于強度高、韌性和塑性較好，裝配化程度相對較高，在施工過程中的便捷程度更加突出，且施工不受到環(huán)境的嚴重限制。需注意的是金屬圓柱無論是在裝配還是在焊接過程中都可能出現(xiàn)某些問題，因此在焊接環(huán)節(jié)需要進行綜合控制或是其它技術(shù)手段，讓構(gòu)件到達施工現(xiàn)場后就能完成安裝過程。

1 節(jié)點焊接工藝的過程分析

我國現(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]。國外在這一方面的研究起步時間較早，例如美國早在20 世紀30 年代就在工程施工設(shè)計方面采用了金屬結(jié)構(gòu)。國內(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行了很多針對性的探索。

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

（2）出圖設(shè)計。特殊的節(jié)點構(gòu)件結(jié)構(gòu)讓圖紙的制作過程非常關(guān)鍵，在經(jīng)過細致分析之后可以在制作工藝上對圖紙?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)計胎架，以點對點的方式先設(shè)計圖紙，再對主體內(nèi)部的隔板定位尺寸做好標注。其中主體、牛腿區(qū)域的尺寸、牛腿端口之間的點對點距離也應(yīng)該在圖面坐標中準確地體現(xiàn)。

在圖紙會審環(huán)節(jié)，需要進行深化設(shè)計，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之間的距離，另外在箱體和圓柱構(gòu)件運輸過程時，如果進行公路運輸，則構(gòu)件的長度和寬度勢必要進行限制[3]。在使用塔吊起重時，根據(jù)塔吊覆蓋的范圍進行起重能力的分析。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度、剛度，滿足所選擇的機械設(shè)備起重條件。

（3）工裝設(shè)計。金屬圓柱的拼裝過程難度較大，在角度方面一般是通過胎架來控制，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)制作中的簡便化要求。箱體的設(shè)置過程在胎架之上進行，腹板、翼板在安裝時要注意角度控制，根據(jù)構(gòu)件的具體特點在制作環(huán)節(jié)使用焊接定位卡板的方法進行組裝，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，如果使用小坡口進行焊接，不僅會產(chǎn)生區(qū)域偏析現(xiàn)象，還會在較大的拘束應(yīng)力前提下產(chǎn)生焊接熱裂紋。但采用大坡口焊接時會增加焊接質(zhì)量和焊接殘余應(yīng)力，對于結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力控制工作產(chǎn)生不利影響，增加整個工程消耗的時間。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)下進行焊接。

為了加速焊接接頭當中的氫擴散減少焊接冷裂紋，可以通過后熱與消氫處理，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行焊縫延展，并減少焊件的收縮應(yīng)力。一般來說在300℃以下時錘擊力就要進行控制，且100℃以下不進行錘擊。

（5）自動定位裝配機控制。對于一些復(fù)雜的金屬圓柱結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點來說，采取自動定位裝配機進行方案設(shè)計可以成為一種可供參考的控制方案，確定結(jié)構(gòu)布局、尺寸與傳動方案設(shè)計，能夠提出不同的設(shè)計方案，在經(jīng)過對比分析后選擇最佳的自動裝配焊接設(shè)計方案。通常情況下，焊接節(jié)點自動定位裝配的結(jié)構(gòu)設(shè)計會直接影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計部分，確定模塊的運動方式和結(jié)構(gòu)尺寸之后進行驅(qū)動方式、驅(qū)動形式的設(shè)計，這些設(shè)計內(nèi)容都會極大的影響到金屬圓柱焊接節(jié)點的裝配機控制要求，包括傳動方案設(shè)計。

2 實際案例

某工程包括云端塔、住宅區(qū)、地下停車場和設(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)量要求非常嚴格。

（1）工程節(jié)點分析。從節(jié)點角度來看，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)點焊縫比較多，以厚板焊接為主，因此在進行焊接前需要細致地考慮到焊接順序以預(yù)防焊接變形現(xiàn)象，同時保障良好的焊接填充量。

在節(jié)點制作時的重點在于涉及到的金屬圓柱節(jié)點比較復(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?；诮饘賵A柱復(fù)雜節(jié)點和采購周期計劃，在進行材料準備時會先選擇相同管徑的圓管，然后在車間進行切割，使用液壓機對弧度進行校正。校正時我們先利用鉛錘法等將圓管進行劃線，再使用切割機切割圓管，保持圓管端口預(yù)留工藝橋并做好支撐措施。根據(jù)圓管的實際直徑情況制作樣板之后，在壓弧過程中要注意壓弧的精度，一旦出現(xiàn)偏差，應(yīng)及時調(diào)整液壓機，再利用火焰校正方法對出現(xiàn)偏差的部分進行處理，讓圓弧精度控制在合理范圍之內(nèi)。

（3）焊接因素控制?？紤]到節(jié)點區(qū)域的焊縫比較多，焊接時的工作量非常大，因此要考慮到焊接坡口的要求，因為坡口過大會讓焊縫的收縮量增加，同時增加材料的填充量，不僅影響到工作效率也增加了工程消耗的成本；反之焊接坡口過小會讓焊接根部產(chǎn)生質(zhì)量問題。按照國家標準規(guī)定，對于出現(xiàn)層狀撕裂風(fēng)險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)力過于集中，另一方面也減少有害氣體的生成。對于一些潛在的接頭質(zhì)量問題或是焊接缺陷，可以考慮采取接頭錯位焊接措施。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，焊接操作之前先進行局部加熱和預(yù)熱，焊接過程的道間溫度應(yīng)高于預(yù)熱溫度。焊接后回火消除應(yīng)力也是需要重點關(guān)注的部分，因為在厚板焊接過程當中會存在典型的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進行回火處理不僅可以規(guī)避焊接應(yīng)力過于集中產(chǎn)生的開裂現(xiàn)象，還可以防止局部的氫產(chǎn)生集聚。

（4）節(jié)點裝配。金屬圓柱結(jié)構(gòu)的類型一般比較復(fù)雜，再加上圓柱區(qū)域的“牛腿”存在，使得整個系統(tǒng)的精度要求比較高，設(shè)計過程當中也會大量應(yīng)用中厚板。而各個工序之間也會出現(xiàn)交叉影響，操作時要在平整的裝配平臺進行，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，定位完畢之后開始十字插板焊接，從中間開始朝兩端進行焊接預(yù)防變形。相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)該在焊縫冷卻之后進行檢測，檢測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)束并檢測完畢之后即可按照構(gòu)件圖的尺寸與坐標定位對牛腿進行裝配，可以根據(jù)工程的實際需求來進行裝配，但要考慮到裝配和焊接的尺寸符合工程要求，全部檢測合格之后再進入下一道工序。

（5）焊接管理措施與注意事項。以焊接過程來說，焊接前要搭設(shè)好防護棚，對棚內(nèi)的溫度、風(fēng)速進行控制，風(fēng)速需控制在1m/s 以下，環(huán)境溫度不低于5℃。為了保障焊接過程的安全性，每一層操作平臺都應(yīng)該在焊口下方布置好接火盆，整個操作平臺要鋪設(shè)石棉布以避免火花進行墜落。焊接之前，坡口區(qū)域的污漬或其它雜物需事先清理，再對坡口、組對情況進行實測和記錄，所有的坡口面距離測量過程當中都要進行記錄，目的在于可以確定焊接之后的點位距離。在焊接施工前進行工藝評定，確保技術(shù)人員能夠熟練掌握操作過程。然后選擇電加熱板對焊縫兩側(cè)2 倍的板厚范圍進行預(yù)熱，溫度應(yīng)保持在140℃以上，對于一些無法達到預(yù)熱要求的區(qū)域使用火焰加熱補償。焊接結(jié)束后對加熱板進行覆蓋并通電，溫度達到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)計要求，進行超聲波探傷，如無明顯缺陷則可以驗收。存在質(zhì)量缺陷需要焊縫返修時需對照缺陷區(qū)域使用砂輪機先去除缺陷，然后將刨口打磨平滑之后進行補焊。

（6）質(zhì)量保障措施。在某些低溫環(huán)境之下，要保障焊縫的檢測合格，在焊接開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程的溫度，并且焊接過程要定期對層間溫度進行檢驗，溫度過低時要立即停止焊接過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)力的前提下清除周圍的焊渣。如涉及到超長或是超厚區(qū)域的焊縫成型工作，應(yīng)該安排不同的焊接人員對同一區(qū)段的焊縫進行成焊，確保每一個過程狀態(tài)的質(zhì)量滿足技術(shù)標準。

3 結(jié)語

通過對現(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程中的難點與注意事項，同時結(jié)合簡易工裝設(shè)計，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)嚴重質(zhì)量問題，在今后類似構(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)。