TC5013塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形分析

馬冠杰 逯洪濤 王仁超 路來驍 陳慶強(qiáng)

1山東建筑大學(xué) 濟(jì)南 250101 2大漢科技股份有限公司 濟(jì)南 250200

0 引言

塔式起重機(jī)是高層建筑施工中重要的起重設(shè)備，高度可達(dá)百米以上，其主要特點有工作高度高、起身高度大、吊臂位于塔身上部等。因此，能靠近所施工的建筑物，使吊臂之下有較大的工作空間[1,2]。

焊接是塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)生產(chǎn)過程中必不可少的工序。在焊接過程中，焊接區(qū)域被急劇加熱直至局部熔化，體積迅速膨脹后又在冷卻過程中急速收縮，導(dǎo)致焊接區(qū)域附近累積了大量殘余應(yīng)力，最終不可避免地導(dǎo)致焊接變形的發(fā)生[3]。目前，已有很多學(xué)者對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接變形控制做了大量研究，楊少秀等[4]以STC600塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿為例對其加工工藝進(jìn)行了優(yōu)化分析，改變了工裝原有的定位裝夾方式，提高了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接質(zhì)量；盛陳[5]研究了以角鋼為主弦桿的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)作為研究對象，通過分析連接耳和主弦桿處的焊接變形，改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計、調(diào)整工裝尺寸、改進(jìn)焊接工藝，最終使以角鋼作為主弦桿的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)制造質(zhì)量得到大幅提高；賈雪紅[6]對主弦桿的傳統(tǒng)焊接工藝做出調(diào)整，經(jīng)過研究和實踐，對所有拼點采用統(tǒng)一工裝，將主弦桿的焊接和附件的焊接分為2步，層層控制焊接變形，使標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的尺寸控制在公差范圍內(nèi)，保證了焊接質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接變形嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)的加工精度和尺寸穩(wěn)定性，對塔式起重機(jī)作業(yè)時的穩(wěn)定性與可靠性造成了威脅[7,8]。然而目前對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形的研究主要集中在焊接工裝等方面，對主弦桿的焊接順序和焊接參數(shù)的研究還較少。因此，本文以TC5013塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)為研究對象，分別研究了主弦桿焊接順序、焊接參數(shù)、焊接工裝對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿收縮變形的影響，以期為塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)生產(chǎn)工藝的提升提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)要求

1.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的結(jié)構(gòu)特點分析

圖1b為TC5013塔式起重機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三維圖，從圖中可知標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主要由主弦桿、水平腹桿、斜腹桿、拉桿、連接套、踏步等焊接組成，其高度為2 800 mm，頂部和底部的方框邊長為1 061 mm。主弦桿是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的重要組成部分，其兩端焊有腹桿、連接套、踏板、拉桿等，主弦桿的尺寸穩(wěn)定性會對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。為了便于描述，對三維圖中的主弦桿用編號1～4進(jìn)行標(biāo)注，如圖1b所示。由圖1b可以看出，2號主弦桿和4號主弦桿的上下端部焊有2根水平腹桿、1根斜腹桿和1根斜拉桿。1號主弦桿和3號主弦桿的上下端部焊有2根水平腹桿和1根斜腹桿，無斜拉桿。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三維示意圖

2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接工藝

圖2為標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接工裝及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在焊接工裝中的狀態(tài)，工人先利用起重機(jī)將主弦桿吊裝到焊接工裝，通過定位桿進(jìn)行定位夾緊，然后依次吊裝剩余的主弦桿進(jìn)行定位夾緊。待4根主弦桿定位夾緊后，先依次點焊斜拉桿、端部水平腹桿、中間水平腹桿和斜腹桿，再根據(jù)工裝的旋轉(zhuǎn)順序依次點焊剩余面的腹桿和拉桿；當(dāng)點焊完成后，依次滿焊端部水平腹桿、斜拉桿、中間水平腹桿和斜腹桿等，再根據(jù)工裝旋轉(zhuǎn)順序依次焊接其余3面；待焊接完成后，將定位桿取出，用起重機(jī)將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)從工裝中吊出。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接工裝

3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接變形分析

3.1 主弦桿焊接順序的影響

不同的焊接順序會造成溫度場分布的不同。在焊接冷卻后，殘余應(yīng)力的分布情況有所不同，這會降低焊接結(jié)構(gòu)的承載能力，影響焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。而且，殘余應(yīng)力的逐步釋放會引起焊接結(jié)構(gòu)件尺寸、精度的變化，為后期的裝配帶來困難，影響標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿的使用[3]。鑒于此，本文試驗研究了主弦桿焊接順序?qū)ζ涫湛s量的影響。

1）焊接順序

本試驗中采用了2種焊接順序，試驗1按照工裝旋轉(zhuǎn)順序，依次焊接主弦桿及腹桿并進(jìn)行測量，如圖3所示。試驗2更改了焊接順序，采用對角焊并進(jìn)行測量，如圖4所示。

圖3 按照工裝旋轉(zhuǎn)順序焊接

圖4 改變焊接順序，采用對角焊接

2）測量方法

前期實驗結(jié)果表明，斜腹桿與主弦桿的焊接會導(dǎo)致主弦桿產(chǎn)生收縮。因此，本文使用圖5所示塞尺對主弦桿不同位置的離地間隙值進(jìn)行測量，以間隙值作為收縮變形量來衡量焊接質(zhì)量。若間隙超過0.25 mm，則質(zhì)量不合格，需要進(jìn)行重新銑端面加工。主弦桿與地面的間隙值測量位置如圖5中紅色箭頭標(biāo)注位置所示，塞尺使用時，將具有一定刻度的塞尺片塞入主弦桿底端，塞尺的刻度就是間隙量，即為主弦桿的收縮量，多個塞尺片可以疊加使用。

圖5 塞尺與測量位置示意圖

3）測量結(jié)果

試驗1按照工裝旋轉(zhuǎn)順序進(jìn)行焊接，隨機(jī)測得5組數(shù)據(jù)，并對測得的數(shù)據(jù)取平均值，如圖6所示。由圖6可知，試驗1中同一根主弦桿，有斜腹桿的一側(cè)比無斜腹桿的一側(cè)收縮量大，變形更嚴(yán)重；1號主弦桿和2號主弦桿無斜腹桿一側(cè)的收縮量小于外側(cè)，3號主弦桿、4號主弦桿無斜腹桿一側(cè)的收縮量大于外側(cè)；4號主弦桿各位置的收縮量均大于其余3個主弦桿。

圖6 焊接順序?qū)χ飨覘U收縮量的影響

試驗2采用對角焊接，測量結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，更改焊接順序后，1～3號主弦桿有斜腹桿一側(cè)的收縮量大于其余位置，2號主弦桿無斜腹桿側(cè)的收縮量最??；4號主弦桿無斜腹桿位置收縮變形最大，外側(cè)收縮變形最小；3號主弦桿各位置的收縮量大于其余3個主弦桿。

4）結(jié)果分析

通過試驗可知，當(dāng)采用工裝旋轉(zhuǎn)順序焊接時，4號主弦桿的焊接變形最大，最大變形發(fā)生在有斜腹桿的一側(cè)附近。圖7所示為4號主弦桿結(jié)構(gòu)，其端部焊有水平腹桿a、水平腹桿b、斜腹桿c、斜拉桿d。根據(jù)試驗統(tǒng)計可知，4號主弦桿的焊接變形最大，判斷可能是由于4號主弦桿的兩端焊接了水平腹桿a、水平腹桿b、斜腹桿c、拉桿d，焊接點多，焊縫多，產(chǎn)生熱量多，冷卻后收縮變形最大。另外，由于4號主弦桿最先焊接，使得第4根主弦桿有充足的冷卻時間和變形時間，兩者的耦合作用導(dǎo)致4號主弦桿的焊接變形最大。

圖7 4號主弦桿焊接

采用試驗2對角焊接，得出4號主弦桿的收縮量比之前5組的平均值減小4%，主弦桿收縮變形明顯減小，說明合理的主弦桿焊接順序可以在一定程度上減小焊接變形。

3.2 焊接參數(shù)的影響

不同焊接工藝參數(shù)對焊接接頭的力學(xué)性能有重要影響，可以影響焊縫熔深、焊縫中部融合區(qū)的大小，對焊接質(zhì)量也會產(chǎn)生重要影響[9]。因此，在標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接過程中，要研究焊接參數(shù)對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主弦桿收縮量的影響。本試驗采用2種焊接參數(shù)，如表1所示，焊接采用二氧化碳、氬氣混合氣作保護(hù)氣。

表1 焊接參數(shù)

使用塞尺按照圖5所示位置對2種焊接試驗參數(shù)進(jìn)行測量，隨機(jī)測量5組數(shù)據(jù)，取平均值，測量得出圖8所示電流、電壓對主弦桿收縮量的影響數(shù)據(jù)。通過圖8對比可知，試驗1中有斜腹桿的一側(cè)收縮量大于其余位置，1號主弦桿、2號主弦桿無斜腹桿一側(cè)收縮量小于外側(cè)，3號主弦桿、4號主弦桿則相反；試驗2中各桿有斜腹桿一側(cè)收縮變形最大，其次是無斜腹桿一側(cè)和外側(cè)，各桿的收縮量明顯增加。

當(dāng)采用較小電流、電壓時，焊接一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)平均用時40～45 min，焊接產(chǎn)生的變形較小，但焊接用時較長，效率較低。在增加電流、電壓后，焊接一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)平均用時30～35 min，焊接效率顯著提高，焊接產(chǎn)生的熱量增多，導(dǎo)致主弦桿冷卻收縮變形增加，使主弦桿的收縮變形量明顯增加。試驗2中4號主弦桿有斜腹桿一側(cè)的收縮量比試驗1增加40%，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的不合格率明顯增加。另外，焊接電流過大，使得焊縫熔深、焊道寬余高等較大，容易出現(xiàn)燒穿、咬邊等缺陷。試驗說明增加電流、電壓并不適合標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接，雖然提高焊接效率，但焊接質(zhì)量難以保證。在焊接完成后，還需進(jìn)行重新銑端面，增加了企業(yè)成本和不必要的生產(chǎn)工序，小電流、電壓雖效率低，但焊接質(zhì)量較好，符合企業(yè)要求。

3.3 焊接工裝的影響

焊接工裝夾具是機(jī)械裝備制造中重要且基礎(chǔ)性的工藝元素。隨著焊接工藝技術(shù)的發(fā)展，焊接工裝夾具也得以迅速發(fā)展，并在機(jī)械制造裝備中獲得了廣泛的應(yīng)用[10]。先進(jìn)的焊接工裝夾具不僅能夠保證焊接質(zhì)量，還能提高焊接效率，對企業(yè)生產(chǎn)具有重要的作用。因此，通過試驗研究了焊接工裝對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)生產(chǎn)的影響，可為進(jìn)一步控制焊接變形提供依據(jù)。

在焊接時，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在基準(zhǔn)面和非基準(zhǔn)面通過定位桿定位夾緊。在基準(zhǔn)面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與工裝直接接觸，通過定位桿進(jìn)行定位夾緊，而在非基準(zhǔn)面標(biāo)準(zhǔn)節(jié)與工裝之間預(yù)留一定間隙，方便在拆除定位桿后用起重機(jī)直接起吊標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。由于定位桿是工人通過鐵錘楔入的，而每次敲擊的力度不同，主弦桿夾緊程度就不同，造成主弦桿在焊接時產(chǎn)生的變形不一致，使得變形具有隨機(jī)性，很難保證焊接質(zhì)量。基于此，本試驗研究了主弦桿夾緊程度對焊接變形的影響。

1）定位夾緊

在試驗1中，各主弦桿均用定位桿定位夾緊；在試驗2中，1號主弦桿、2號主弦桿用定位桿正常定位夾緊固定，3號主弦桿、4號主弦桿僅用定位桿定位，不夾緊進(jìn)行實驗。試驗1的各定位桿和試驗2中的1號定位桿、2號定位桿的定位夾緊，工人每次敲擊定位桿的次數(shù)和力度保持相同，且均為由同一工人操作完成，各主弦桿編號與前文所述相同。

2）測量結(jié)果

使用塞尺按照圖5箭頭所示位置進(jìn)行測量。各試驗測量5組數(shù)據(jù)取平均值，測量結(jié)果如圖9所示。試驗2中的3號主弦桿、4號主弦桿僅定位不夾緊，收縮變形明顯增大，4號主弦桿的收縮量最大，其中有斜腹桿一側(cè)收縮量比試驗1中4號主弦桿正常夾緊固定增加29%，3號主弦桿有斜腹桿的一側(cè)收縮量比正常焊接固定增加28%，1號主弦桿、2號主弦桿的焊接變形收縮量與試驗1中正常定位夾緊焊接變形相似，差別不大。

圖9 主弦桿夾緊程度對收縮量的影響

3）結(jié)果分析

在試驗2中，1號主弦桿、2號主弦桿用定位桿定位夾緊，主弦桿收縮量無明顯增加，而3號主弦桿、4號主弦桿僅用定位桿定位不夾緊，其收縮量有明顯增加，判斷為3號主弦桿、4號主弦桿在焊接過程中因定位桿未進(jìn)行夾緊，在焊接熱輸入后構(gòu)件在負(fù)載不變的前提下發(fā)生較大變形。對比定位桿定位夾緊可知，夾緊后定位桿焊接變形收縮小，且試驗1中的1號主弦桿、2號主弦桿與試驗2中的1號主弦桿、2號主弦桿變形相差不大，說明定位桿夾持越松主弦桿定位越不準(zhǔn)確，發(fā)生的變形越大。由實驗可知，主弦桿的定位夾緊會對主弦桿的收縮變形產(chǎn)生較大影響，主弦桿夾持越松焊接變形越大。因此，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)焊接時應(yīng)保證主弦桿進(jìn)行充分定位夾緊，防止因定位桿夾緊不牢固導(dǎo)致焊接收縮變形量過大。

4 結(jié)論

本試驗分析了TC5013塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的焊接變形，詳細(xì)研究了主弦桿焊接順序、焊接參數(shù)、焊接工裝對主弦桿收縮變形量的影響，研究結(jié)果表明：

1）TC5013塔式起重機(jī)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)在焊接生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生明顯變形，導(dǎo)致主弦桿端部由外向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。主弦桿端部不同位置的離地間隙測量結(jié)果表明，靠近斜腹桿連接位置的焊接變形收縮量最大。

2）如果更改焊接順序，可以在一定程度上減小焊接變形，提升主弦桿的焊接質(zhì)量。增大焊接的電流、電壓，可提高生產(chǎn)效率，但會增加焊接變形的程度，過大的電流電壓不利于主弦桿焊接。

3）主弦桿的夾緊與否會影響其焊接變形情況。在定位后未進(jìn)行夾緊，主弦桿的焊接變形量顯著高于夾緊后的主弦桿。