結(jié)構(gòu)件質(zhì)量影響因素分析

文／姬明月·一拖（洛陽）福萊格車身有限公司

結(jié)構(gòu)件是目前主機(jī)產(chǎn)品及建筑工程中的重要組成部分，是具有一定形狀，并能夠承受載荷的實(shí)體。從定義可以看出，承受載荷是其基本屬性之一，因此結(jié)構(gòu)件成品質(zhì)量的好壞對其所在的整體的性能、強(qiáng)度起到重要影響。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，影響其性能的因素主要有三點(diǎn)：

①原材料：由于結(jié)構(gòu)件多使用型材或者異型材，此類材料在加工過程中，本身經(jīng)過一次變形加工，材料本身內(nèi)部存在應(yīng)力，經(jīng)過外界溫度變化等時(shí)效影響后，本身會(huì)發(fā)生變形，可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的變形；

②對接方式：結(jié)構(gòu)件均是由多件型材或鈑金件對接而成，其主受力方式不同，要采取不同的對接方式，借用材料本身的截面系數(shù)來提高其承重或者抗變形能力。

③焊接變形：傳統(tǒng)的焊接方式往往會(huì)導(dǎo)致成品出現(xiàn)熱變形，導(dǎo)致產(chǎn)品本身的性能發(fā)生改變，這就需要通過采取措施來減少焊接熱變形的發(fā)生。

以下將從上述三方面進(jìn)行分析。

原材料

目前國內(nèi)型材的主要加工方式為兩種，以下分別進(jìn)行說明。

一種是使用帶鋼經(jīng)過輥壓后形成所需的截面形狀，之后經(jīng)過高頻焊接得到所需要的型材。

此種成形方式是指通過對原材料（一般指帶鋼）進(jìn)行開卷，經(jīng)過輥壓成形后得到所需規(guī)格的型材，直接成方形、矩形或異形管。該工藝流程如圖1所示：

圖1 輥壓成形工藝流程

此種成形方式又分為兩種類型，一種是帶鋼直接成形為所需截面的型材，即逐道成形；二是帶鋼先成形為圓管，之后利用輥壓模具將成形后的圓管輥壓成所需要截面的型材，即二次成形。

二次成形整體工藝流程與逐道成形一致，只是在輥壓整形后增加二次成形工序，與逐道成形相比，雖然工藝層級增加，但是同等尺寸精度下所需輥壓模具總架數(shù)相比逐道成形來說要少，可以節(jié)約一部分的模具費(fèi)用。但是另一方面，帶鋼經(jīng)過圓管、方管兩次塑性變形后，最終型材的內(nèi)部應(yīng)力會(huì)增大。相比逐道成形來說，可能會(huì)出現(xiàn)兩方面的質(zhì)量問題對使用產(chǎn)生影響：①型材經(jīng)過長時(shí)間存放后，內(nèi)部應(yīng)力釋放，造成型材彎曲，影響使用；②由于內(nèi)部應(yīng)力的存在，在后期加工過程時(shí)，管材變形會(huì)使應(yīng)力一定程度釋放，最終可能出現(xiàn)同一加工參數(shù)下，零件的狀態(tài)不一致，存在差異的現(xiàn)象。

同時(shí)，金屬材料普遍存在加工硬化現(xiàn)象，隨著冷作變形程度的增加，金屬材料的強(qiáng)度和硬度指標(biāo)都有所提高，但是塑性、韌性有所下降，帶鋼經(jīng)過兩次變形后，材料的力學(xué)性能變化與逐道成形相比，不穩(wěn)定性會(huì)升高，也會(huì)對最終零件的一致性造成影響。

另一種是拉拔成形，其所使用的材料均為不同孔徑的圓管，經(jīng)過拉拔模具得到所需要的型材，加工前后材料外圓周長相等，需要注意的是拉拔所用的圓管也是使用帶鋼輥壓成形的方式加工。

與逐道成形和二次成形不同，拉拔工藝是指在外力作用下，迫使金屬坯料通過預(yù)設(shè)模具，以獲得與模具外形相一致的制品的塑性加工方法。拉拔時(shí)金屬的變形流動(dòng)與擠壓相似，但是其變化比擠壓時(shí)簡單，金屬流動(dòng)的不均勻性也比擠壓時(shí)小。

該工藝特點(diǎn)為外徑變化但是總的周長不變，需要注意的是，外徑變化過程中，壁厚根據(jù)外徑與壁厚比值的不同會(huì)有所增減。當(dāng)減徑量比較大時(shí)，管材內(nèi)壁會(huì)變得比較粗糙。

與逐道成形和二次成形相比，拉拔工藝所需要的設(shè)備和模具均相對簡單，操作維護(hù)方便，但是需要額外增加酸洗、退火、時(shí)效處理等表面處理工序，以去除加工過程中材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并且由于內(nèi)應(yīng)力釋放產(chǎn)生的變形不可控，往往需要二次、多次拉拔才能最終得到所需要的制品。生產(chǎn)效率相對較低，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，同時(shí)拉拔由于夾頭的存在，每根型材的端頭均需要進(jìn)行去除，會(huì)產(chǎn)生一定的材料浪費(fèi)。

上述是常見的三種不同加工方式，其最終所形成的型材雖然外觀尺寸差異不大，但是內(nèi)部性能差異明顯，需要根據(jù)具體需求進(jìn)行選取，例如如果僅僅是用作支撐，不進(jìn)行二次加工，選取拉拔成形的型材，不僅材料強(qiáng)度高，加工費(fèi)用也相對較低；如果后期需要使用型材加工成其他形狀，如彎梁等帶有變形的產(chǎn)品，建議選取采用輥壓成形的方式加工的原材料，此種加工方式最終的材料內(nèi)部應(yīng)力相對較小，加工成零件或者產(chǎn)品后產(chǎn)生的變形相對較小，成品一致性相對較好。

常見的幾種結(jié)構(gòu)件對接方式

各種結(jié)構(gòu)件往往是由多件零件對接焊接而成，對接方式對其最終的性能也會(huì)產(chǎn)生影響。對接方式不合理，會(huì)無法合理利用材料本身的剛性，導(dǎo)致性能的下降。以下進(jìn)行舉例說明：

⑴三個(gè)面拐角對接時(shí)，框架式結(jié)構(gòu)采用此種方式交過，如果主要受力方向?yàn)樗矫?，如廠房等，建議選取垂直方向上鋼梁作為支撐點(diǎn)，其余兩邊的鋼梁連接面均在作為支撐點(diǎn)的鋼梁上，水平方向上兩根邊梁直接與立梁對接，當(dāng)水平方向上受到外作用力后，力經(jīng)過水平方向的梁傳導(dǎo)作用在立梁上，立梁的邊可以作為一個(gè)支撐面，水平方向上的梁同樣可以起到支撐作用，這樣可以充分利用材料本身的強(qiáng)度，降低整體結(jié)構(gòu)在水平面方向上的變形，如圖2箭頭所示。

圖2 兩根邊梁直接與立梁對接

⑵兩根豎梁之間的對接有兩種方式，為便于說明，選取帶有形狀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。如圖3所示狀態(tài)，兩根立梁之間使用一根橫梁進(jìn)行連接，但是橫梁在兩根立梁的外側(cè)，此時(shí)水平方向上受到力后，只能靠焊接焊縫位置的強(qiáng)度來保證，焊縫強(qiáng)度如果不足會(huì)產(chǎn)生脫焊，橫梁本身的剛性無法起到明顯的支撐作用。

圖3 兩根邊梁直接與立梁對接

圖4所示為另外一種連接方式，橫梁在兩件豎梁之間，橫梁支撐點(diǎn)在兩件豎梁相對面上，此時(shí)整體結(jié)構(gòu)受到水平方向力后，橫梁本身的剛性和焊接處焊縫強(qiáng)度均可以作為整體結(jié)構(gòu)的支撐，并且橫梁本身的剛性得到充分利用，整體結(jié)構(gòu)的剛性可以得到有效的提升。

圖4 兩根立梁之間使用一根橫梁進(jìn)行連接

垂直方向上連接結(jié)構(gòu)類似，盡可能的使材料本身的剛性參與到整體結(jié)構(gòu)的剛性支撐中，避免單純的依靠焊縫強(qiáng)度來保證整體結(jié)構(gòu)的剛性。

焊接變形

焊接屬于熱加工，利用電流產(chǎn)生的瞬間高溫使鋼材發(fā)生熔融，使零件粘接在一起。此種方式加工后連接處強(qiáng)度高，但是由于高溫，使材料內(nèi)部的應(yīng)力平衡被打破，將會(huì)使結(jié)構(gòu)件發(fā)生變形，并且隨著時(shí)間的持續(xù)，變形會(huì)逐步發(fā)生，直至達(dá)到新的平衡，且此種現(xiàn)象不可避免。

⑴利用夾具進(jìn)行固定：在焊接前使用剛性不低于所加工零件的材料制作定位夾具，將所需焊接的所有零件的空間位置進(jìn)行固定，在實(shí)現(xiàn)零件位置尺寸精確的同時(shí)，通過夾具上夾緊器將零件位置和外形進(jìn)行固定，利用夾具本身的剛性控制焊接過程中零件的變形。如圖5所示，利用U形固定塊，夾緊器等將零件固定后進(jìn)行焊接。

圖5 固定后進(jìn)行焊接

此種方式雖然焊接后產(chǎn)品變形量小，但是各個(gè)零部件內(nèi)部存在較大的內(nèi)應(yīng)力，長時(shí)間在外存放或者露天環(huán)境中會(huì)受到時(shí)效影響，長時(shí)間后可能會(huì)發(fā)生變形。

⑵反變形法：與沖壓調(diào)整回彈的原理類似，對需要進(jìn)行焊接的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)提前預(yù)判其變形方向和變形程度，在焊接的過程中，將零件往變形相反的方向進(jìn)行焊接，利用焊接后的變形量使結(jié)構(gòu)件達(dá)到需要的尺寸。此種方式的缺點(diǎn)是全過程依據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，無法做到精確控制，適用于對尺寸要求不高或者不進(jìn)行配合安裝的產(chǎn)品。

⑶提前點(diǎn)定后焊接：在焊接前，將零件位置確定后，先在部件連接處進(jìn)行點(diǎn)焊，原理同使用夾具類似，利用焊點(diǎn)將零件外形固定，之后進(jìn)行焊接，利用焊點(diǎn)的強(qiáng)度來控制零件的熱變形。此種方式由于需要進(jìn)行提前點(diǎn)定，工作量較大。

⑷確定合理的焊接順序：焊接過程中，每道焊縫引起的變形量一般不能相互抵消，最后的變形方向總和最先焊的焊縫引起的變形方向相一致。利用此現(xiàn)象，可以確定焊接順序以達(dá)到降低焊接變形的目的。

結(jié)束語

本文通過從原材料、構(gòu)件對接方式和焊后變形解決措施三方面對鋼結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)、加工進(jìn)行了說明，通過本文分析可得知，原材料的選擇要根據(jù)最終使用環(huán)境進(jìn)行選擇，合理的構(gòu)件對接方式可以對鋼結(jié)構(gòu)性能的影響起到重要影響，合理的對接方式可以提高結(jié)構(gòu)件本身的整體剛性；焊接變形目前是無法有效避免的，但是通過制作夾具、優(yōu)化焊接工藝等方式，可以減少焊接變形，減少對性能質(zhì)量的影響，

從而來保證最終結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的穩(wěn)定。