金属圆柱工件节点焊接工艺分析

2020-12-10王雪梅

世界有色金属 2020年22期

王雪梅

（甘肃钢铁职业技术学院，甘肃嘉峪关 735100）

圆柱形金属构件与其他形态构件相比的主要特点在于强度高、韧性和塑性较好，装配化程度相对较高，在施工过程中的便捷程度更加突出，且施工不受到环境的严重限制。需注意的是金属圆柱无论是在装配还是在焊接过程中都可能出现某些问题，因此在焊接环节需要进行综合控制或是其它技术手段，让构件到达施工现场后就能完成安装过程。

1 节点焊接工艺的过程分析

我国现代化工程施工要具有良好的稳定性和绿色环保性能[1]。国外在这一方面的研究起步时间较早，例如美国早在20 世纪30 年代就在工程施工设计方面采用了金属结构。国内工程施工中的金属结构也变得更加多样化和复杂化，并且复杂组合金属圆柱结构形式凭借着其技术优势得到推广应用。尽管在金属用量和结构方面还有一些需要完善的地方，但在结构层面，实现了从单一化的等截面形式转化为多截面、多方向的复杂系统转变，在焊接工艺研究方面进行了很多针对性的探索。

（1）节点制作的主要难点。由于构件结构形式比较复杂，且节点布置较为密集，涉及到的焊接接头形式包括交接、对接等不同方式，对加工过程中的异型构件工装设计因素进行分析后，可以确定整个节点制作的难点体现在如何避免母材产生层状撕裂，以及厚板焊接时的变形程度控制。

（2）出图设计。特殊的节点构件结构让图纸的制作过程非常关键，在经过细致分析之后可以在制作工艺上对图纸提出一些特殊要求[2]。首先要根据构件的结构形式设计胎架，以点对点的方式先设计图纸，再对主体内部的隔板定位尺寸做好标注。其中主体、牛腿区域的尺寸、牛腿端口之间的点对点距离也应该在图面坐标中准确地体现。

在图纸会审环节，需要进行深化设计，加工单位和施工单位根据施工参数和施工条件确定分段加工的具体措施，遵循相应的原则要求。首先在构造层面上看，需要综合分析斜支撑轴线位置与操作平台之间的距离，另外在箱体和圆柱构件运输过程时，如果进行公路运输，则构件的长度和宽度势必要进行限制[3]。在使用塔吊起重时，根据塔吊覆盖的范围进行起重能力的分析。施工之前业主、监理方和施工方等技术人员可以共同拟定相应的焊接工艺方案。在不影响结构构造整体性的前提下保障良好的强度、刚度，满足所选择的机械设备起重条件。

（3）工装设计。金属圆柱的拼装过程难度较大，在角度方面一般是通过胎架来控制，在制作环节中一方面要考虑到圆柱的角度，另一方面又要考虑到生产制作中的简便化要求。箱体的设置过程在胎架之上进行，腹板、翼板在安装时要注意角度控制，根据构件的具体特点在制作环节使用焊接定位卡板的方法进行组装，利用角度样板确定定位角度。

（4）焊接控制。以坡口控制为例，厚板角接接头焊接工程量比较大，且难度比较高，有一定的层状撕裂风险，如果使用小坡口进行焊接，不仅会产生区域偏析现象，还会在较大的拘束应力前提下产生焊接热裂纹。但采用大坡口焊接时会增加焊接质量和焊接残余应力，对于结构体系应力控制工作产生不利影响，增加整个工程消耗的时间。考虑到接头的填充量、焊接质量以及厚板层状撕裂可能出现的影响，可以采取坡口角度合理，并且利于正常状态下进行焊接。

为了加速焊接接头当中的氢扩散减少焊接冷裂纹，可以通过后热与消氢处理，获得良好的力学性能。焊接环节热状态下可以采用小圆弧锤锤击焊缝金属进行焊缝延展，并减少焊件的收缩应力。一般来说在300℃以下时锤击力就要进行控制，且100℃以下不进行锤击。

（5）自动定位装配机控制。对于一些复杂的金属圆柱结构焊接节点来说，采取自动定位装配机进行方案设计可以成为一种可供参考的控制方案，确定结构布局、尺寸与传动方案设计，能够提出不同的设计方案，在经过对比分析后选择最佳的自动装配焊接设计方案。通常情况下，焊接节点自动定位装配的结构设计会直接影响到结构设计部分，确定模块的运动方式和结构尺寸之后进行驱动方式、驱动形式的设计，这些设计内容都会极大的影响到金属圆柱焊接节点的装配机控制要求，包括传动方案设计。

2 实际案例

某工程包括云端塔、住宅区、地下停车场和设备功能建筑组成，其中云端塔地上40 层，结构高度160m，并且采用金属圆柱嵌入混凝土中，作为梁和组合楼板组合框架支撑，装配精度非常高，且质量要求非常严格。

（1）工程节点分析。从节点角度来看，箱型、圆管和十字的组合是由十字插板、圆柱端头所组成，圆管柱上具有连接金属梁所使用的箱型牛腿，单重大约为20t。整体构件节点的关键尺寸和形式比较复杂，涉及到管控范围的节点焊缝比较多，以厚板焊接为主，因此在进行焊接前需要细致地考虑到焊接顺序以预防焊接变形现象，同时保障良好的焊接填充量。

在节点制作时的重点在于涉及到的金属圆柱节点比较复杂，且存在压弧精度控制和装配精度控制工作要求。另外为了防止母材出现撕裂或是焊接变形情况，就要考虑到特定构件的加工制作要求，设定好牛腿的装配精度等。

（2）焊接工艺。基于金属圆柱复杂节点和采购周期计划，在进行材料准备时会先选择相同管径的圆管，然后在车间进行切割，使用液压机对弧度进行校正。校正时我们先利用铅锤法等将圆管进行划线，再使用切割机切割圆管，保持圆管端口预留工艺桥并做好支撑措施。根据圆管的实际直径情况制作样板之后，在压弧过程中要注意压弧的精度，一旦出现偏差，应及时调整液压机，再利用火焰校正方法对出现偏差的部分进行处理，让圆弧精度控制在合理范围之内。

（3）焊接因素控制。考虑到节点区域的焊缝比较多，焊接时的工作量非常大，因此要考虑到焊接坡口的要求，因为坡口过大会让焊缝的收缩量增加，同时增加材料的填充量，不仅影响到工作效率也增加了工程消耗的成本；反之焊接坡口过小会让焊接根部产生质量问题。按照国家标准规定，对于出现层状撕裂风险的焊接接头要采取相应的质量控制措施。例如十字插板和圆管处的坡口焊接过程中要预留好一定的间隙，并且在坡口表面先焊接塑性层，在确定焊接吮吸之后采取多层、多道焊接模式，一方面避免焊接应力过于集中，另一方面也减少有害气体的生成。对于一些潜在的接头质量问题或是焊接缺陷，可以考虑采取接头错位焊接措施。焊接操作环节要注意道间的温度控制，室温控制在20℃左右，焊接操作之前先进行局部加热和预热，焊接过程的道间温度应高于预热温度。焊接后回火消除应力也是需要重点关注的部分，因为在厚板焊接过程当中会存在典型的应力集中现象，进行回火处理不仅可以规避焊接应力过于集中产生的开裂现象，还可以防止局部的氢产生集聚。

（4）节点装配。金属圆柱结构的类型一般比较复杂，再加上圆柱区域的“牛腿”存在，使得整个系统的精度要求比较高，设计过程当中也会大量应用中厚板。而各个工序之间也会出现交叉影响，操作时要在平整的装配平台进行，让十字板垂直于水平面方向并采用铅锤定位法，水平方向采用水平仪定位法，定位完毕之后开始十字插板焊接，从中间开始朝两端进行焊接预防变形。相关技术人员应该在焊缝冷却之后进行检测，检测合格之后可以确定定位线然后装配箱体面板。箱体装配焊接结束并检测完毕之后即可按照构件图的尺寸与坐标定位对牛腿进行装配，可以根据工程的实际需求来进行装配，但要考虑到装配和焊接的尺寸符合工程要求，全部检测合格之后再进入下一道工序。

（5）焊接管理措施与注意事项。以焊接过程来说，焊接前要搭设好防护棚，对棚内的温度、风速进行控制，风速需控制在1m/s 以下，环境温度不低于5℃。为了保障焊接过程的安全性，每一层操作平台都应该在焊口下方布置好接火盆，整个操作平台要铺设石棉布以避免火花进行坠落。焊接之前，坡口区域的污渍或其它杂物需事先清理，再对坡口、组对情况进行实测和记录，所有的坡口面距离测量过程当中都要进行记录，目的在于可以确定焊接之后的点位距离。在焊接施工前进行工艺评定，确保技术人员能够熟练掌握操作过程。然后选择电加热板对焊缝两侧2 倍的板厚范围进行预热，温度应保持在140℃以上，对于一些无法达到预热要求的区域使用火焰加热补偿。焊接结束后对加热板进行覆盖并通电，温度达到250℃后再停止通电，让焊缝自然冷却直至恢复常温。在外观质量检查方面，首先要检查是否有裂纹、夹渣存在，焊缝两侧和坡口之间的距离宽度要求等。按照设计要求，进行超声波探伤，如无明显缺陷则可以验收。存在质量缺陷需要焊缝返修时需对照缺陷区域使用砂轮机先去除缺陷，然后将刨口打磨平滑之后进行补焊。

（6）质量保障措施。在某些低温环境之下，要保障焊缝的检测合格，在焊接开始后可以先将电加热板移至一侧焊缝区域保持通电以维持焊接过程的温度，并且焊接过程要定期对层间温度进行检验，温度过低时要立即停止焊接过程并使用火焰烤枪加热至200℃以上后再继续焊接。每一层焊接结束后使用焊接小锤敲打焊缝，可以在消除应力的前提下清除周围的焊渣。如涉及到超长或是超厚区域的焊缝成型工作，应该安排不同的焊接人员对同一区段的焊缝进行成焊，确保每一个过程状态的质量满足技术标准。