金屬圓柱工件節點焊接工藝分析

王雪梅

（甘肅鋼鐵職業技術學院，甘肅 嘉峪關 735100）

圓柱形金屬構件與其他形態構件相比的主要特點在于強度高、韌性和塑性較好，裝配化程度相對較高，在施工過程中的便捷程度更加突出，且施工不受到環境的嚴重限制。需注意的是金屬圓柱無論是在裝配還是在焊接過程中都可能出現某些問題，因此在焊接環節需要進行綜合控制或是其它技術手段，讓構件到達施工現場后就能完成安裝過程。

1 節點焊接工藝的過程分析

我國現代化工程施工要具有良好的穩定性和綠色環保性能[1]。國外在這一方面的研究起步時間較早，例如美國早在20 世紀30 年代就在工程施工設計方面采用了金屬結構。國內工程施工中的金屬結構也變得更加多樣化和復雜化，并且復雜組合金屬圓柱結構形式憑借著其技術優勢得到推廣應用。盡管在金屬用量和結構方面還有一些需要完善的地方，但在結構層面，實現了從單一化的等截面形式轉化為多截面、多方向的復雜系統轉變，在焊接工藝研究方面進行了很多針對性的探索。

（1）節點制作的主要難點。由于構件結構形式比較復雜，且節點布置較為密集，涉及到的焊接接頭形式包括交接、對接等不同方式，對加工過程中的異型構件工裝設計因素進行分析后，可以確定整個節點制作的難點體現在如何避免母材產生層狀撕裂，以及厚板焊接時的變形程度控制。

（2）出圖設計。特殊的節點構件結構讓圖紙的制作過程非常關鍵，在經過細致分析之后可以在制作工藝上對圖紙提出一些特殊要求[2]。首先要根據構件的結構形式設計胎架，以點對點的方式先設計圖紙，再對主體內部的隔板定位尺寸做好標注。其中主體、牛腿區域的尺寸、牛腿端口之間的點對點距離也應該在圖面坐標中準確地體現。

在圖紙會審環節，需要進行深化設計，加工單位和施工單位根據施工參數和施工條件確定分段加工的具體措施，遵循相應的原則要求。首先在構造層面上看，需要綜合分析斜支撐軸線位置與操作平臺之間的距離，另外在箱體和圓柱構件運輸過程時，如果進行公路運輸，則構件的長度和寬度勢必要進行限制[3]。在使用塔吊起重時，根據塔吊覆蓋的范圍進行起重能力的分析。施工之前業主、監理方和施工方等技術人員可以共同擬定相應的焊接工藝方案。在不影響結構構造整體性的前提下保障良好的強度、剛度，滿足所選擇的機械設備起重條件。

（3）工裝設計。金屬圓柱的拼裝過程難度較大，在角度方面一般是通過胎架來控制，在制作環節中一方面要考慮到圓柱的角度，另一方面又要考慮到生產制作中的簡便化要求。箱體的設置過程在胎架之上進行，腹板、翼板在安裝時要注意角度控制，根據構件的具體特點在制作環節使用焊接定位卡板的方法進行組裝，利用角度樣板確定定位角度。

（4）焊接控制。以坡口控制為例，厚板角接接頭焊接工程量比較大，且難度比較高，有一定的層狀撕裂風險，如果使用小坡口進行焊接，不僅會產生區域偏析現象，還會在較大的拘束應力前提下產生焊接熱裂紋。但采用大坡口焊接時會增加焊接質量和焊接殘余應力，對于結構體系應力控制工作產生不利影響，增加整個工程消耗的時間。考慮到接頭的填充量、焊接質量以及厚板層狀撕裂可能出現的影響，可以采取坡口角度合理，并且利于正常狀態下進行焊接。

為了加速焊接接頭當中的氫擴散減少焊接冷裂紋，可以通過后熱與消氫處理，獲得良好的力學性能。焊接環節熱狀態下可以采用小圓弧錘錘擊焊縫金屬進行焊縫延展，并減少焊件的收縮應力。一般來說在300℃以下時錘擊力就要進行控制，且100℃以下不進行錘擊。

（5）自動定位裝配機控制。對于一些復雜的金屬圓柱結構焊接節點來說，采取自動定位裝配機進行方案設計可以成為一種可供參考的控制方案，確定結構布局、尺寸與傳動方案設計，能夠提出不同的設計方案，在經過對比分析后選擇最佳的自動裝配焊接設計方案。通常情況下，焊接節點自動定位裝配的結構設計會直接影響到結構設計部分，確定模塊的運動方式和結構尺寸之后進行驅動方式、驅動形式的設計，這些設計內容都會極大的影響到金屬圓柱焊接節點的裝配機控制要求，包括傳動方案設計。

2 實際案例

某工程包括云端塔、住宅區、地下停車場和設備功能建筑組成，其中云端塔地上40 層，結構高度160m，并且采用金屬圓柱嵌入混凝土中，作為梁和組合樓板組合框架支撐，裝配精度非常高，且質量要求非常嚴格。

（1）工程節點分析。從節點角度來看，箱型、圓管和十字的組合是由十字插板、圓柱端頭所組成，圓管柱上具有連接金屬梁所使用的箱型牛腿，單重大約為20t。整體構件節點的關鍵尺寸和形式比較復雜，涉及到管控范圍的節點焊縫比較多，以厚板焊接為主，因此在進行焊接前需要細致地考慮到焊接順序以預防焊接變形現象，同時保障良好的焊接填充量。

在節點制作時的重點在于涉及到的金屬圓柱節點比較復雜，且存在壓弧精度控制和裝配精度控制工作要求。另外為了防止母材出現撕裂或是焊接變形情況，就要考慮到特定構件的加工制作要求，設定好牛腿的裝配精度等。

（2）焊接工藝。基于金屬圓柱復雜節點和采購周期計劃，在進行材料準備時會先選擇相同管徑的圓管，然后在車間進行切割，使用液壓機對弧度進行校正。校正時我們先利用鉛錘法等將圓管進行劃線，再使用切割機切割圓管，保持圓管端口預留工藝橋并做好支撐措施。根據圓管的實際直徑情況制作樣板之后，在壓弧過程中要注意壓弧的精度，一旦出現偏差，應及時調整液壓機，再利用火焰校正方法對出現偏差的部分進行處理，讓圓弧精度控制在合理范圍之內。

（3）焊接因素控制。考慮到節點區域的焊縫比較多，焊接時的工作量非常大，因此要考慮到焊接坡口的要求，因為坡口過大會讓焊縫的收縮量增加，同時增加材料的填充量，不僅影響到工作效率也增加了工程消耗的成本；反之焊接坡口過小會讓焊接根部產生質量問題。按照國家標準規定，對于出現層狀撕裂風險的焊接接頭要采取相應的質量控制措施。例如十字插板和圓管處的坡口焊接過程中要預留好一定的間隙，并且在坡口表面先焊接塑性層，在確定焊接吮吸之后采取多層、多道焊接模式，一方面避免焊接應力過于集中，另一方面也減少有害氣體的生成。對于一些潛在的接頭質量問題或是焊接缺陷，可以考慮采取接頭錯位焊接措施。焊接操作環節要注意道間的溫度控制，室溫控制在20℃左右，焊接操作之前先進行局部加熱和預熱，焊接過程的道間溫度應高于預熱溫度。焊接后回火消除應力也是需要重點關注的部分，因為在厚板焊接過程當中會存在典型的應力集中現象，進行回火處理不僅可以規避焊接應力過于集中產生的開裂現象，還可以防止局部的氫產生集聚。

（4）節點裝配。金屬圓柱結構的類型一般比較復雜，再加上圓柱區域的“牛腿”存在，使得整個系統的精度要求比較高，設計過程當中也會大量應用中厚板。而各個工序之間也會出現交叉影響，操作時要在平整的裝配平臺進行，讓十字板垂直于水平面方向并采用鉛錘定位法，水平方向采用水平儀定位法，定位完畢之后開始十字插板焊接，從中間開始朝兩端進行焊接預防變形。相關技術人員應該在焊縫冷卻之后進行檢測，檢測合格之后可以確定定位線然后裝配箱體面板。箱體裝配焊接結束并檢測完畢之后即可按照構件圖的尺寸與坐標定位對牛腿進行裝配，可以根據工程的實際需求來進行裝配，但要考慮到裝配和焊接的尺寸符合工程要求，全部檢測合格之后再進入下一道工序。

（5）焊接管理措施與注意事項。以焊接過程來說，焊接前要搭設好防護棚，對棚內的溫度、風速進行控制，風速需控制在1m/s 以下，環境溫度不低于5℃。為了保障焊接過程的安全性，每一層操作平臺都應該在焊口下方布置好接火盆，整個操作平臺要鋪設石棉布以避免火花進行墜落。焊接之前，坡口區域的污漬或其它雜物需事先清理，再對坡口、組對情況進行實測和記錄，所有的坡口面距離測量過程當中都要進行記錄，目的在于可以確定焊接之后的點位距離。在焊接施工前進行工藝評定，確保技術人員能夠熟練掌握操作過程。然后選擇電加熱板對焊縫兩側2 倍的板厚范圍進行預熱，溫度應保持在140℃以上，對于一些無法達到預熱要求的區域使用火焰加熱補償。焊接結束后對加熱板進行覆蓋并通電，溫度達到250℃后再停止通電，讓焊縫自然冷卻直至恢復常溫。在外觀質量檢查方面，首先要檢查是否有裂紋、夾渣存在，焊縫兩側和坡口之間的距離寬度要求等。按照設計要求，進行超聲波探傷，如無明顯缺陷則可以驗收。存在質量缺陷需要焊縫返修時需對照缺陷區域使用砂輪機先去除缺陷，然后將刨口打磨平滑之后進行補焊。

（6）質量保障措施。在某些低溫環境之下，要保障焊縫的檢測合格，在焊接開始后可以先將電加熱板移至一側焊縫區域保持通電以維持焊接過程的溫度，并且焊接過程要定期對層間溫度進行檢驗，溫度過低時要立即停止焊接過程并使用火焰烤槍加熱至200℃以上后再繼續焊接。每一層焊接結束后使用焊接小錘敲打焊縫，可以在消除應力的前提下清除周圍的焊渣。如涉及到超長或是超厚區域的焊縫成型工作，應該安排不同的焊接人員對同一區段的焊縫進行成焊，確保每一個過程狀態的質量滿足技術標準。

3 結語

通過對現有金屬圓柱焊接工藝技術方案的分析和研究，能夠有效地綜合制作過程中的難點與注意事項，同時結合簡易工裝設計，讓構件在裝配精度、裝配質量方面得到良好控制。焊接順序控制可以讓整體的焊接變形情況得到控制，避免出現嚴重質量問題，在今后類似構件的加工制作環節可以提供穩定的技術參考依據。