空间钢节点焊接装配工艺研究*

陈志平，沈礼林，张季平，李春光，寿建军

（1. 杭州电子科技大学，浙江 杭州310018；2. 杭州圣建供应链管理有限公司，浙江 杭州310002）

引 言

近年来，钢结构因其造型美观、重量轻、强度高、延性大、抗震性能好、施工速度快等优点得到了广泛运用[1]。随着钢结构建筑技术的不断提高，国内的钢结构建筑也随之兴起（如上海世博会企业联合馆、青岛世界园艺博览会主题馆、国家体育场——鸟巢等）。在钢结构建筑中，钢结构的连接节点是关键构件。因钢结构建筑的独特性，其钢节点截面大多不同，因此为了保证钢结构的造型和稳定性，需要合理设计和制作钢节点[2]。钢节点焊接装配技术是钢节点制作的关键，直接影响钢结构的施工质量，因此有必要从实际出发研究钢节点的焊接装配工艺。

本文以某大厦裙房屋顶异形网壳钢结构节点为例，研究其焊接装配的关键工艺。整个钢结构建筑为异形网壳结构建筑，包括钢节点、圈梁、梁柱、箱型连接杆件等。其中钢节点属于焊接钢节点，具有成本低、周期短、与钢梁焊接工艺性好等优点。由于建筑外观设计的独特要求，每个钢节点有多个不同方向的外伸牛腿，以满足空间上箱型杆件与圈梁的连接要求。

1 钢节点构型特征与放样

1.1 钢结构整体构型

本文研究的钢结构建筑为典型的网壳结构，造型美观，采光性能好。该钢结构基础标高为31 m，整体呈六边形，结构采用单层三向网壳结构。如图1 所示，整个网壳钢结构呈双曲造型，钢节点从6 个方向伸出牛腿与箱型杆件连接，杆件呈弯矩形状，杆件再与其他钢节点相连接或直接与圈梁连接。在不改变造型的情况下，为了降低制作难度，不将杆件弯曲制作，而是改变钢节点牛腿的角度。中间杆件为标准矩形管，钢节点为异形件。

图1 大厦钢结构建筑模型

1.2 钢节点构型特征

钢节点是空间钢结构的连接枢纽。该工程项目中共有380 个独立节点，其牛腿连接方向和扭曲角度各不相同。若采用铸钢节点，则需要各种注模，工艺复杂且经济上也不允许，因此采用Q345-B 型钢板焊接加工制作。单个钢节点重达130 kg，分别由2 块六边形中心翼板、外伸的6 个钢牛腿口和表面盖板等构成，如图2 所示。上下2 块六边形钢板在空间上平行错开，各个支腿的截面为标准矩形截面。为了提高钢节点的承载能力，中间加2 块筋板。支腿上下盖板具有一定的折弯角度，从而得到光滑弧形曲面，保证钢结构的美观性。

图2 空间钢节点三维示意图

1.3 钢节点放样设计

在钢节点制作中，放样是非常重要的一环，关系到后续钢节点的施工制作。放样是焊接施工前的必需工序，可以防止在下料切割过程中因尺寸问题而浪费材料，也可用于辅助研究钢节点的组装焊接顺序。

在进行放样开发时，需根据钢节点的构型特征，对钢节点进行三维建模，将三维展开成二维图，并画出其节点平面图。由于钢节点的设计已在实验室研究[3]完成，故可从该研究中知晓钢节点的大致尺寸。如图3 所示，翼板的六边尺寸为150 mm，板厚8 mm；母板的最长边为800 mm，板厚10 mm，宽度可由盖板厚度和总长推算出来；筋板厚12 mm；腹板厚10 mm。

图3 节点平面示意图

确定零部件尺寸后，在放样板上画出实体零件，采用切割技术将放样的零件从原材料上分离。根据设计要求，利用加工设备将分离的零件组装焊接制作成钢节点样板模型。

2 钢节点焊接工艺

2.1 焊前准备

为确保组装焊接过程顺利进行，需要进行以下焊前准备：

1）确定坡口形式。钢节点箱体内侧有角度狭小的焊缝，故采用内坡口形式，以保证内部焊透。

2）选择焊材。焊接过程采用手工焊接，选用的钢材为Q345-B 型钢，宜用E4303 型焊条[4]。

3）确定焊接工艺参数。为提高焊缝的塑性和韧性，钢节点焊接采用多层焊，第1 层焊缝的焊条直径宜为3.2 ～4.0 mm[4]。焊接变形量的大小与输入的热量密切相关。在焊速和电压不变的情况下，减小电流可以有效减小焊接对构件的热输入量，从而减小焊接变形量，因此将焊接热输入量控制在15 ～25 J/cm[5]。

4）选择焊接方法。由于钢节点相贯连接的特点，每组装一块钢板就要进行焊接，以满足全位置焊接的要求，故选择CO2气体保护焊[4]。

2.2 钢节点组装

文中的钢节点形式复杂，为了降低制作的难度，采用分体式制作后再整体组装焊接的方法。组装时，按先组装大构件再组装小构件的原则进行。节点外伸的6 个牛腿位姿不同，但都焊接在中间的箱型构件上，因此先焊接中间箱体。中间箱体包括2 块六边形钢板、2 块母板、2 块筋板以及2 个从母板伸出的牛腿。然后以箱体为中心，再焊接另外4 个钢节点牛腿，这样有利于保证中间箱体的稳定性，也为后续焊接提供便利。

2.3 钢节点焊接位置及焊接顺序

文中焊接的钢节点结构复杂，牛腿口角度多变，焊接的钢板数量多，为了保证箱体内部钢板全熔透焊接以及箱体稳定，有必要确定钢节点焊接的焊接位置及焊接顺序。

选择焊接顺序的基本原则是由钢节点中心向外依次焊接。焊接顺序如图4 所示，依次为：

1）固定钢节点的下翼板，其中一块母板位于下翼板的对角线处并与下翼板拼接焊接（图4 中的①、②）；

2）将2块加筋肋板与母板、下翼板组焊，加筋肋板位于下翼板六边形边上且与该边之间预留10 mm的空间，以保证肋板两侧全焊接（图4 中的③）；

3）再将另一块母板与筋板、下翼板组装焊接，位置与第1 块母板相同（图4 中的④）；

4）焊接上翼板，注意上翼板与下翼板平行错开且六角方向一致（图4 中的⑤）；

5）中间箱体组焊成功后，焊接另外4 个牛腿，依次将8 块腹板分别与上下翼板、母板组焊，各腹板位于上下翼板同方向角上且腹板短边与翼板边垂直，其中一长边与母板接触（图4 中的⑥）；

6）最后组焊上下盖板，三角盖板与翼板、腹板延缝焊接，两三角盖板接触焊接时需成一定角度，这是为了让网壳结构在各个方向上看起来都是双曲面，使钢结构建筑造型美观（图4 中的⑦、 ⑧）。

组装焊接完成后，校正焊接变形，检查合格后对钢节点进行除锈、涂装、编号等处理。

图4 钢节点焊接顺序图

2.4 钢节点制作工艺流程

钢节点的制作程序较为繁杂，包括前期的钢材、焊材准备，中期的放样切割以及后期的组装焊接等。为了更好地管理并制作钢节点，绘制了该工程箱型钢节点的制作工艺流程图，如图5 所示。

图5 钢节点制作工艺流程

3 焊接应力控制

为确保钢结构建筑的安全，保证钢节点的质量，有必要分析关键节点在焊接过程中的残余应力。文中的钢节点构造复杂，焊缝过多，残余应力分布复杂，而残余应力会导致钢节点焊缝处产生许多工艺缺陷（如冷热裂纹、脆性断裂等），这些缺陷会影响钢节点的稳定性和钢结构建筑的安全性。因此，有必要利用有限元工具观察钢节点的残余应力分布，找出节点的应力集中部位。

3.1 有限元模型

这里主要研究钢节点焊接时产生的温度场以及冷却后的残余应力。在进行有限元分析时，首先需要确定钢节点和焊条的材料及其属性。设置的焊条属性应与Q345-B 型钢的属性一致，导热系数设为48 W/(m2·◦C)，对流换热系数设为20 W/(m2·◦C)[6]。材料属性定义好后，对模型进行网格划分。焊缝及焊缝周边位置采用六面体划分，且单元尺寸设置为5 mm；模型其余位置采用自动网壳划分，单元尺寸设置为10 mm。这样将焊缝密化有利于模拟计算的精度。网格划分后的有限元模型如图6 所示。

图6 有限元网格划分模型

在仿真过程中，考虑到钢节点焊缝太多且过于分散，故简化了仿真实体。从模型的结构和焊缝位置可知：母板和翼板都处于箱体中心，腹板与母板接触且夹在翼板之间，它们之间的焊缝均分布在箱体内部且采取全焊接方式，结构较为稳定；而盖板裸露在外，若出现缺陷易发生断裂、掉落等安全问题。故着重分析下翼板与三角盖板焊缝处的残余应力，若此处的焊接残余应力能够满足应力控制要求，则焊接就能满足钢节点的质量要求。

3.2 焊接热源设定

由于焊接时焊枪是移动的且焊头温度会发生变化，因此需要加载一个移动热源。选用高斯热源函数作为热源加载方式，热分析加载的热流密度通过下式计算得到：

式中：q 为坐标系上点(x,y,z) 的热流密度；Q 为热输入率，取为2e7 W/m2；v 为热源扫描速度，v =0.002 m/s；t 为热源扫描时间，在APDL 里设为TIME，由自己设定；R 为热源半径，R=0.005 m。

焊接仿真时为了提高准确度，一般采用生死单元法，即在热源加载之前先将所有焊缝单元“杀死”，随着热源的移动依次将死单元“激活”，计算得到焊接过程中各时间段的温度场[6]；然后将瞬态热分析的结果转化为瞬态结构分析，把温度场作为焊接残余应力分析的热载荷，设置好焊接约束条件以及时间和步长（结构分析时间应与热载荷读取的时间一致），计算得到应力场。

3.3 结果与分析

经过软件计算处理后，可以看到焊接过程的温度场变化。图7 所示为焊接过程中4 个典型时间点的温度场。从图7 可以看出：随着热源的移动，焊接路径上各个单元点逐渐达到温度峰值，单元点处的温度峰值基本相同，说明是稳态温度场；先焊点热量的传递使得后焊点的温度峰值比先焊点的温度峰值略高，与实际的焊接过程类似。

图7 温度场分布云图

温度场分析完成后，在该热载荷作用下再进行残余应力计算，即采用热力耦合的间接方法，利用ANSYS 的自动转换功能由热分析转为应力分析，同时添加底面固定约束[7]。图8 为焊接冷却到30◦C 时的焊接残余应力分布云图和变形云图。从图8 可以看出：等效残余应力主要集中于焊缝及其附近区域，远离焊缝位置的残余应力逐渐减小；等效残余应力最大值出现在焊缝终焊点，为213.53 MPa，小于Q345-B型钢的屈服强度（300 ～400 MPa），满足应力控制要求；变形量约为0.01 mm，相对较小，说明基本无焊接变形。

图8 焊接残余应力分布云图及变形云图

因终焊处残余应力较大，为了降低钢节点因残余应力而产生工艺缺陷的可能性，在残余应力最大区域需采取一定的方法（如锤击消除法、振动消除法等）进行处理。

4 结束语

本文旨在研究钢节点的焊接装配工艺，围绕该问题进行了以下几方面的研究：1）分析钢节点的构型特征，采用放样方法试制钢节点，以辅助各项工序；2）研究钢节点的焊接工艺，保证钢节点的焊接质量和建筑造型要求；3）分析焊接残余应力，对钢节点做有限元分析。结果表明等效残余应力主要集中在焊缝及其附近区域，且在应力控制范围内。本文研究的空间钢节点焊接装配工艺提高了钢节点的制作质量，可为同类型钢节点的制作与应用提供技术借鉴。

目前钢节点的焊接装配多由人工完成，存在精度低、质量不稳定、生产效率低等问题，而自动焊接装配技术具有高精度、高稳定度、高产能等特点。希望日后采用自动焊接装配技术以解决此类问题。