圓鋼管桁架焊接變形控制

張祥龍，劉明寶，黃傳青

(1、3.山東廣播電視大學(xué)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東建大建筑工程鑒定檢測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250013)

圓鋼管截面結(jié)構(gòu)具有較高的慣性半徑和抗扭剛度，表面沒有凹凸角，對(duì)風(fēng)、浪等動(dòng)力阻力系數(shù)小，同時(shí)管端部封閉，比表面積小，節(jié)省涂刷造價(jià)，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)建筑師奇特造型的構(gòu)思，外形美觀，因而被廣泛應(yīng)用到大跨度公共建筑中，如濟(jì)南“東荷西柳”奧體中心、北京國(guó)家體育館和天津團(tuán)泊曲棍球場(chǎng)等[1-4]。在鋼管結(jié)構(gòu)中，管與管交匯連接形成管節(jié)點(diǎn)。管節(jié)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)承受外力的重要部分，因管節(jié)點(diǎn)處匯交鋼管數(shù)量多少、管徑大少、管壁厚薄、鋼管位置和方位不同，使得鋼管節(jié)點(diǎn)受力復(fù)雜。為了建筑結(jié)構(gòu)外形美觀，工程上多采取直接焊接連接時(shí)，控制不當(dāng)會(huì)帶來(lái)較大的殘余應(yīng)力和焊接變形，不僅影響美觀，嚴(yán)重者還降低結(jié)構(gòu)承載力。如何較好地控制鋼結(jié)構(gòu)的焊接變形，一直是鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)者探尋的課題，本文針對(duì)管桁架結(jié)構(gòu)焊接變形控制進(jìn)行分析。

一、管結(jié)構(gòu)相貫節(jié)點(diǎn)

現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50017-2017)[5]根據(jù)節(jié)點(diǎn)相貫鋼管空間關(guān)系給出焊接管節(jié)點(diǎn)分類，包括X型、T型、K型、Y型平面管節(jié)點(diǎn)以及由平面組合而成的空間管節(jié)點(diǎn)KK型、TT型。圓管節(jié)點(diǎn)相貫線剖開呈空間曲面形狀，手工操作難以實(shí)施，現(xiàn)在多用數(shù)控切割機(jī)床根據(jù)深度設(shè)計(jì)編制程序自動(dòng)切割形成不同的坡口，但對(duì)鋼管質(zhì)量要求高，因?yàn)橹挥袌A鋼管才能切出符合要求的相貫線坡口。

二、焊接變形(一)焊接變形的危害

鋼管結(jié)構(gòu)焊接時(shí)會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，被焊桿件施焊和冷卻時(shí)，不均勻溫度場(chǎng)影響產(chǎn)生熱應(yīng)力；金相在金屬組織內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力受到結(jié)構(gòu)約束，產(chǎn)生約束應(yīng)力。如果在焊接過(guò)程中沒有控制好內(nèi)應(yīng)力，會(huì)造成桿件形狀、尺寸變化，過(guò)小變形影響結(jié)構(gòu)拼裝精度，給拼裝帶來(lái)困難，過(guò)大變形還會(huì)產(chǎn)生裂紋降低結(jié)構(gòu)承載能力。因此，焊接變形不僅影響建筑結(jié)構(gòu)外觀，降低適用性，還能導(dǎo)致焊接桿件報(bào)廢，造成經(jīng)濟(jì)損失。

(二)焊接變形的成因

1.焊接材料

焊接母材和焊材是影響焊接變形的主要因素。焊接材料屬于金屬，其特有的熱物理性能和力學(xué)性能的變化在焊接過(guò)程中都會(huì)帶來(lái)?xiàng)U件變形。材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)越大，所受到的溫度梯度就越小，焊接時(shí)產(chǎn)生較小的焊接變形。金屬材料有熱脹冷縮性質(zhì)，材料的線膨脹系數(shù)增加會(huì)使焊接桿件變形增大。同時(shí)不同材料在化學(xué)成分上存在差別而影響力學(xué)性能，如Q345B結(jié)構(gòu)鋼沖擊韌性較低，G20Mn5鑄鋼在鑄造過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生縮孔、成分偏析、晶粒粗大等缺陷，這些因素都在一定程度上影響焊接性能。[6]

2.焊接技術(shù)

焊接技術(shù)對(duì)焊接變形的影響是復(fù)雜的。管桁架結(jié)構(gòu)加工時(shí)，焊接胎架制作、定位和拼裝要求以及運(yùn)輸?shù)纫蛩貨Q定了管桁架管件焊接方式，從而影響焊接電流、焊接電壓、結(jié)構(gòu)定位、固定方法和焊接順序的選用。如多層焊接對(duì)焊接技術(shù)參數(shù)影響較大，研究表明，首層焊縫收縮量最大，第二層和第三層收縮量迅速減小，第二層收縮量是第一層的20%，第三層是第一層的5%左右，焊接層數(shù)越多，焊接變形影響越大；斷續(xù)焊縫比連續(xù)焊縫引起的變形??；焊接順序?qū)Σ牧蠚堄鄳?yīng)力和應(yīng)力分布影響較大。通常認(rèn)為，焊接變形過(guò)大的原因往往是沒有按照合理的焊接程序進(jìn)行施焊或者沒有焊接好分部構(gòu)件就進(jìn)行整體拼接焊接。[7]

3.結(jié)構(gòu)因素

焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是影響焊接變形的一個(gè)重要方面。一般情況下，結(jié)構(gòu)的約束度增加時(shí)，焊接變形相對(duì)減小。焊接過(guò)程中，結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的約束隨著結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增加，隨著焊接工作的開展而不斷變化。在焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用耳板或者加勁板提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件穩(wěn)定性和剛性可以降低焊接變形，但是這種做法增加裝配和焊接工作量，加大焊接變形分析難度。

三、控制焊接變形措施

目前，研究者已基本認(rèn)識(shí)焊接應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理，從而采取針對(duì)性措施減小焊接變形。

(一)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)工程結(jié)構(gòu)受力分析和所選取材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合適的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，盡量避免節(jié)點(diǎn)構(gòu)件偏心，或者將偏心限定在允許范圍內(nèi)：-0.55d0≤e≤0.25 d0(d0為圓管直徑；e為偏心距)，如圖1所示。[8]另一方面，針對(duì)具體的破壞形式對(duì)節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，如主管壁加厚、主管加套管或者加墊板、加內(nèi)隔板或者節(jié)點(diǎn)板甚至加勁肋等，同時(shí)采用適宜的焊縫尺寸和焊縫形式。

圖1 斜腹桿、弦桿中心線的偏心示意圖

(二)焊接方法

企業(yè)在施工前，針對(duì)具體工程，深入研究焊接方法和拼接順序。在焊接工作中常常采用剛性固定法和反變形法，反變形法借助不同的施焊順序，對(duì)稱性分布的焊接技術(shù)，使不同部位施焊完成后引起的撓曲變形相互抵消，從而減小總焊接變形；剛性固定法是制作焊接胎架將焊接桿件固定在胎架上，或者采用耳板和加勁板增加桿件剛度以此減小焊接時(shí)變形，當(dāng)焊接完成構(gòu)件冷卻后去掉固定設(shè)施。另外，還可以采取低應(yīng)力無(wú)變形焊接法，在實(shí)施焊接前對(duì)管件焊縫周邊進(jìn)行預(yù)熱處理，當(dāng)達(dá)到一定溫度后再施焊，同時(shí)焊接中要預(yù)防焊接構(gòu)件局部溫度過(guò)高，可先施焊收縮量較大的部位，如施焊空間允許，可以采用多人分段焊進(jìn)行焊接，能夠有效降低焊接殘余應(yīng)力，減小焊縫角變形、翹曲變形和焊縫的彎曲度。

(三)協(xié)調(diào)管理

企業(yè)要加強(qiáng)管理，綜合考慮影響焊接質(zhì)量的各種因素，針對(duì)工作的問(wèn)題及時(shí)協(xié)調(diào)處理。首先，根據(jù)具體的工作實(shí)際，選擇與之相符的焊接技術(shù)，選擇最佳電流、焊接順序和焊接速度等。其次，針對(duì)焊接工作中焊縫集中問(wèn)題，及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的焊接技術(shù)，如之前使用跳焊法，而后續(xù)工作不適合跳焊法技術(shù)使用，要及時(shí)調(diào)整使用對(duì)稱性焊接技術(shù)，從而有效減少焊接變形的發(fā)生。再次，針對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工作，加強(qiáng)對(duì)焊接工作人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其靈活應(yīng)用焊接技術(shù)，能夠按照焊接原則熟練操作，如第一步焊中間，第二步左右兩邊，第三步焊短，最后焊長(zhǎng)，采取正確的拼接方式，有序的完成焊接工作。最后，要做好焊件質(zhì)量驗(yàn)收工作。

(四)智能焊接

將大型工件焊接智能機(jī)器人[9]應(yīng)用到鋼管桁架結(jié)構(gòu)加工制作中。焊接智能機(jī)器人是基于視覺控制技術(shù)的機(jī)器人裝置，該裝置是由機(jī)器人本體、傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。焊接智能機(jī)器人利用機(jī)架進(jìn)行大范圍的三維運(yùn)動(dòng)，由機(jī)頭微動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行補(bǔ)償，并提供旋轉(zhuǎn)自由度。焊接智能機(jī)器人可以適應(yīng)大型工件焊接操作的大范圍和精確定位的運(yùn)動(dòng)要求。通過(guò)視覺傳感技術(shù)和智能視覺控制技術(shù)，提高焊接機(jī)器人自動(dòng)焊接的質(zhì)量和效率。機(jī)器人操控人員不僅要對(duì)焊件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、焊接技術(shù)、焊接材料的物理性能等方面有詳細(xì)的了解，還要對(duì)焊接機(jī)器人的操控系統(tǒng)熟練，操控人員的穩(wěn)定性影響焊接機(jī)器人應(yīng)用效率。因此，操控人員要具有大量的理論知識(shí)和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)。焊接機(jī)器人應(yīng)用是一個(gè)復(fù)雜、綜合的過(guò)程，需要高新技術(shù)型人才操控行使焊接工作，這是鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。

圓管節(jié)點(diǎn)制作加工焊接變形控制是每個(gè)管桁架工程都需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題之一。在施工中，企業(yè)要深入分析工程實(shí)際，綜合考慮相貫節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、焊縫形式、施工的可操作性和加工制作能力，研究焊接變形的主要原因，選擇合理的焊接方法、焊接順序、焊接工藝和拼接技術(shù)，嚴(yán)格按照國(guó)家規(guī)范、規(guī)程組織實(shí)施，提高制作加工精度，確保工程安裝順利進(jìn)行。同時(shí)，企業(yè)要提升科技研發(fā)和應(yīng)用能力，大力發(fā)展智能機(jī)器人焊接技術(shù)。