空間鋼節(jié)點焊接裝配工藝研究*

陳志平，沈禮林，張季平，李春光，壽建軍

（1. 杭州電子科技大學(xué)，浙江 杭州310018；2. 杭州圣建供應(yīng)鏈管理有限公司，浙江 杭州310002）

引 言

近年來，鋼結(jié)構(gòu)因其造型美觀、重量輕、強度高、延性大、抗震性能好、施工速度快等優(yōu)點得到了廣泛運用[1]。隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)的不斷提高，國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)建筑也隨之興起（如上海世博會企業(yè)聯(lián)合館、青島世界園藝博覽會主題館、國家體育場——鳥巢等）。在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點是關(guān)鍵構(gòu)件。因鋼結(jié)構(gòu)建筑的獨特性，其鋼節(jié)點截面大多不同，因此為了保證鋼結(jié)構(gòu)的造型和穩(wěn)定性，需要合理設(shè)計和制作鋼節(jié)點[2]。鋼節(jié)點焊接裝配技術(shù)是鋼節(jié)點制作的關(guān)鍵，直接影響鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，因此有必要從實際出發(fā)研究鋼節(jié)點的焊接裝配工藝。

本文以某大廈裙房屋頂異形網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點為例，研究其焊接裝配的關(guān)鍵工藝。整個鋼結(jié)構(gòu)建筑為異形網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)建筑，包括鋼節(jié)點、圈梁、梁柱、箱型連接桿件等。其中鋼節(jié)點屬于焊接鋼節(jié)點，具有成本低、周期短、與鋼梁焊接工藝性好等優(yōu)點。由于建筑外觀設(shè)計的獨特要求，每個鋼節(jié)點有多個不同方向的外伸牛腿，以滿足空間上箱型桿件與圈梁的連接要求。

1 鋼節(jié)點構(gòu)型特征與放樣

1.1 鋼結(jié)構(gòu)整體構(gòu)型

本文研究的鋼結(jié)構(gòu)建筑為典型的網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，造型美觀，采光性能好。該鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)標(biāo)高為31 m，整體呈六邊形，結(jié)構(gòu)采用單層三向網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)。如圖1 所示，整個網(wǎng)殼鋼結(jié)構(gòu)呈雙曲造型，鋼節(jié)點從6 個方向伸出牛腿與箱型桿件連接，桿件呈彎矩形狀，桿件再與其他鋼節(jié)點相連接或直接與圈梁連接。在不改變造型的情況下，為了降低制作難度，不將桿件彎曲制作，而是改變鋼節(jié)點牛腿的角度。中間桿件為標(biāo)準(zhǔn)矩形管，鋼節(jié)點為異形件。

圖1 大廈鋼結(jié)構(gòu)建筑模型

1.2 鋼節(jié)點構(gòu)型特征

鋼節(jié)點是空間鋼結(jié)構(gòu)的連接樞紐。該工程項目中共有380 個獨立節(jié)點，其牛腿連接方向和扭曲角度各不相同。若采用鑄鋼節(jié)點，則需要各種注模，工藝復(fù)雜且經(jīng)濟上也不允許，因此采用Q345-B 型鋼板焊接加工制作。單個鋼節(jié)點重達130 kg，分別由2 塊六邊形中心翼板、外伸的6 個鋼牛腿口和表面蓋板等構(gòu)成，如圖2 所示。上下2 塊六邊形鋼板在空間上平行錯開，各個支腿的截面為標(biāo)準(zhǔn)矩形截面。為了提高鋼節(jié)點的承載能力，中間加2 塊筋板。支腿上下蓋板具有一定的折彎角度，從而得到光滑弧形曲面，保證鋼結(jié)構(gòu)的美觀性。

圖2 空間鋼節(jié)點三維示意圖

1.3 鋼節(jié)點放樣設(shè)計

在鋼節(jié)點制作中，放樣是非常重要的一環(huán)，關(guān)系到后續(xù)鋼節(jié)點的施工制作。放樣是焊接施工前的必需工序，可以防止在下料切割過程中因尺寸問題而浪費材料，也可用于輔助研究鋼節(jié)點的組裝焊接順序。

在進行放樣開發(fā)時，需根據(jù)鋼節(jié)點的構(gòu)型特征，對鋼節(jié)點進行三維建模，將三維展開成二維圖，并畫出其節(jié)點平面圖。由于鋼節(jié)點的設(shè)計已在實驗室研究[3]完成，故可從該研究中知曉鋼節(jié)點的大致尺寸。如圖3 所示，翼板的六邊尺寸為150 mm，板厚8 mm；母板的最長邊為800 mm，板厚10 mm，寬度可由蓋板厚度和總長推算出來；筋板厚12 mm；腹板厚10 mm。

圖3 節(jié)點平面示意圖

確定零部件尺寸后，在放樣板上畫出實體零件，采用切割技術(shù)將放樣的零件從原材料上分離。根據(jù)設(shè)計要求，利用加工設(shè)備將分離的零件組裝焊接制作成鋼節(jié)點樣板模型。

2 鋼節(jié)點焊接工藝

2.1 焊前準(zhǔn)備

為確保組裝焊接過程順利進行，需要進行以下焊前準(zhǔn)備：

1）確定坡口形式。鋼節(jié)點箱體內(nèi)側(cè)有角度狹小的焊縫，故采用內(nèi)坡口形式，以保證內(nèi)部焊透。

2）選擇焊材。焊接過程采用手工焊接，選用的鋼材為Q345-B 型鋼，宜用E4303 型焊條[4]。

3）確定焊接工藝參數(shù)。為提高焊縫的塑性和韌性，鋼節(jié)點焊接采用多層焊，第1 層焊縫的焊條直徑宜為3.2 ～4.0 mm[4]。焊接變形量的大小與輸入的熱量密切相關(guān)。在焊速和電壓不變的情況下，減小電流可以有效減小焊接對構(gòu)件的熱輸入量，從而減小焊接變形量，因此將焊接熱輸入量控制在15 ～25 J/cm[5]。

4）選擇焊接方法。由于鋼節(jié)點相貫連接的特點，每組裝一塊鋼板就要進行焊接，以滿足全位置焊接的要求，故選擇CO2氣體保護焊[4]。

2.2 鋼節(jié)點組裝

文中的鋼節(jié)點形式復(fù)雜，為了降低制作的難度，采用分體式制作后再整體組裝焊接的方法。組裝時，按先組裝大構(gòu)件再組裝小構(gòu)件的原則進行。節(jié)點外伸的6 個牛腿位姿不同，但都焊接在中間的箱型構(gòu)件上，因此先焊接中間箱體。中間箱體包括2 塊六邊形鋼板、2 塊母板、2 塊筋板以及2 個從母板伸出的牛腿。然后以箱體為中心，再焊接另外4 個鋼節(jié)點牛腿，這樣有利于保證中間箱體的穩(wěn)定性，也為后續(xù)焊接提供便利。

2.3 鋼節(jié)點焊接位置及焊接順序

文中焊接的鋼節(jié)點結(jié)構(gòu)復(fù)雜，牛腿口角度多變，焊接的鋼板數(shù)量多，為了保證箱體內(nèi)部鋼板全熔透焊接以及箱體穩(wěn)定，有必要確定鋼節(jié)點焊接的焊接位置及焊接順序。

選擇焊接順序的基本原則是由鋼節(jié)點中心向外依次焊接。焊接順序如圖4 所示，依次為：

1）固定鋼節(jié)點的下翼板，其中一塊母板位于下翼板的對角線處并與下翼板拼接焊接（圖4 中的①、②）；

2）將2塊加筋肋板與母板、下翼板組焊，加筋肋板位于下翼板六邊形邊上且與該邊之間預(yù)留10 mm的空間，以保證肋板兩側(cè)全焊接（圖4 中的③）；

3）再將另一塊母板與筋板、下翼板組裝焊接，位置與第1 塊母板相同（圖4 中的④）；

4）焊接上翼板，注意上翼板與下翼板平行錯開且六角方向一致（圖4 中的⑤）；

5）中間箱體組焊成功后，焊接另外4 個牛腿，依次將8 塊腹板分別與上下翼板、母板組焊，各腹板位于上下翼板同方向角上且腹板短邊與翼板邊垂直，其中一長邊與母板接觸（圖4 中的⑥）；

6）最后組焊上下蓋板，三角蓋板與翼板、腹板延縫焊接，兩三角蓋板接觸焊接時需成一定角度，這是為了讓網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在各個方向上看起來都是雙曲面，使鋼結(jié)構(gòu)建筑造型美觀（圖4 中的⑦、 ⑧）。

組裝焊接完成后，校正焊接變形，檢查合格后對鋼節(jié)點進行除銹、涂裝、編號等處理。

圖4 鋼節(jié)點焊接順序圖

2.4 鋼節(jié)點制作工藝流程

鋼節(jié)點的制作程序較為繁雜，包括前期的鋼材、焊材準(zhǔn)備，中期的放樣切割以及后期的組裝焊接等。為了更好地管理并制作鋼節(jié)點，繪制了該工程箱型鋼節(jié)點的制作工藝流程圖，如圖5 所示。

圖5 鋼節(jié)點制作工藝流程

3 焊接應(yīng)力控制

為確保鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全，保證鋼節(jié)點的質(zhì)量，有必要分析關(guān)鍵節(jié)點在焊接過程中的殘余應(yīng)力。文中的鋼節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜，焊縫過多，殘余應(yīng)力分布復(fù)雜，而殘余應(yīng)力會導(dǎo)致鋼節(jié)點焊縫處產(chǎn)生許多工藝缺陷（如冷熱裂紋、脆性斷裂等），這些缺陷會影響鋼節(jié)點的穩(wěn)定性和鋼結(jié)構(gòu)建筑的安全性。因此，有必要利用有限元工具觀察鋼節(jié)點的殘余應(yīng)力分布，找出節(jié)點的應(yīng)力集中部位。

3.1 有限元模型

這里主要研究鋼節(jié)點焊接時產(chǎn)生的溫度場以及冷卻后的殘余應(yīng)力。在進行有限元分析時，首先需要確定鋼節(jié)點和焊條的材料及其屬性。設(shè)置的焊條屬性應(yīng)與Q345-B 型鋼的屬性一致，導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)為48 W/(m2·?C)，對流換熱系數(shù)設(shè)為20 W/(m2·?C)[6]。材料屬性定義好后，對模型進行網(wǎng)格劃分。焊縫及焊縫周邊位置采用六面體劃分，且單元尺寸設(shè)置為5 mm；模型其余位置采用自動網(wǎng)殼劃分，單元尺寸設(shè)置為10 mm。這樣將焊縫密化有利于模擬計算的精度。網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖6 所示。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分模型

在仿真過程中，考慮到鋼節(jié)點焊縫太多且過于分散，故簡化了仿真實體。從模型的結(jié)構(gòu)和焊縫位置可知：母板和翼板都處于箱體中心，腹板與母板接觸且夾在翼板之間，它們之間的焊縫均分布在箱體內(nèi)部且采取全焊接方式，結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定；而蓋板裸露在外，若出現(xiàn)缺陷易發(fā)生斷裂、掉落等安全問題。故著重分析下翼板與三角蓋板焊縫處的殘余應(yīng)力，若此處的焊接殘余應(yīng)力能夠滿足應(yīng)力控制要求，則焊接就能滿足鋼節(jié)點的質(zhì)量要求。

3.2 焊接熱源設(shè)定

由于焊接時焊槍是移動的且焊頭溫度會發(fā)生變化，因此需要加載一個移動熱源。選用高斯熱源函數(shù)作為熱源加載方式，熱分析加載的熱流密度通過下式計算得到：

式中：q 為坐標(biāo)系上點(x,y,z) 的熱流密度；Q 為熱輸入率，取為2e7 W/m2；v 為熱源掃描速度，v =0.002 m/s；t 為熱源掃描時間，在APDL 里設(shè)為TIME，由自己設(shè)定；R 為熱源半徑，R=0.005 m。

焊接仿真時為了提高準(zhǔn)確度，一般采用生死單元法，即在熱源加載之前先將所有焊縫單元“殺死”，隨著熱源的移動依次將死單元“激活”，計算得到焊接過程中各時間段的溫度場[6]；然后將瞬態(tài)熱分析的結(jié)果轉(zhuǎn)化為瞬態(tài)結(jié)構(gòu)分析，把溫度場作為焊接殘余應(yīng)力分析的熱載荷，設(shè)置好焊接約束條件以及時間和步長（結(jié)構(gòu)分析時間應(yīng)與熱載荷讀取的時間一致），計算得到應(yīng)力場。

3.3 結(jié)果與分析

經(jīng)過軟件計算處理后，可以看到焊接過程的溫度場變化。圖7 所示為焊接過程中4 個典型時間點的溫度場。從圖7 可以看出：隨著熱源的移動，焊接路徑上各個單元點逐漸達到溫度峰值，單元點處的溫度峰值基本相同，說明是穩(wěn)態(tài)溫度場；先焊點熱量的傳遞使得后焊點的溫度峰值比先焊點的溫度峰值略高，與實際的焊接過程類似。

圖7 溫度場分布云圖

溫度場分析完成后，在該熱載荷作用下再進行殘余應(yīng)力計算，即采用熱力耦合的間接方法，利用ANSYS 的自動轉(zhuǎn)換功能由熱分析轉(zhuǎn)為應(yīng)力分析，同時添加底面固定約束[7]。圖8 為焊接冷卻到30?C 時的焊接殘余應(yīng)力分布云圖和變形云圖。從圖8 可以看出：等效殘余應(yīng)力主要集中于焊縫及其附近區(qū)域，遠離焊縫位置的殘余應(yīng)力逐漸減??；等效殘余應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫終焊點，為213.53 MPa，小于Q345-B型鋼的屈服強度（300 ～400 MPa），滿足應(yīng)力控制要求；變形量約為0.01 mm，相對較小，說明基本無焊接變形。

圖8 焊接殘余應(yīng)力分布云圖及變形云圖

因終焊處殘余應(yīng)力較大，為了降低鋼節(jié)點因殘余應(yīng)力而產(chǎn)生工藝缺陷的可能性，在殘余應(yīng)力最大區(qū)域需采取一定的方法（如錘擊消除法、振動消除法等）進行處理。

4 結(jié)束語

本文旨在研究鋼節(jié)點的焊接裝配工藝，圍繞該問題進行了以下幾方面的研究：1）分析鋼節(jié)點的構(gòu)型特征，采用放樣方法試制鋼節(jié)點，以輔助各項工序；2）研究鋼節(jié)點的焊接工藝，保證鋼節(jié)點的焊接質(zhì)量和建筑造型要求；3）分析焊接殘余應(yīng)力，對鋼節(jié)點做有限元分析。結(jié)果表明等效殘余應(yīng)力主要集中在焊縫及其附近區(qū)域，且在應(yīng)力控制范圍內(nèi)。本文研究的空間鋼節(jié)點焊接裝配工藝提高了鋼節(jié)點的制作質(zhì)量，可為同類型鋼節(jié)點的制作與應(yīng)用提供技術(shù)借鑒。

目前鋼節(jié)點的焊接裝配多由人工完成，存在精度低、質(zhì)量不穩(wěn)定、生產(chǎn)效率低等問題，而自動焊接裝配技術(shù)具有高精度、高穩(wěn)定度、高產(chǎn)能等特點。希望日后采用自動焊接裝配技術(shù)以解決此類問題。