張祥龍，劉明寶，黃傳青

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

圓鋼管截面結構具有較高的慣性半徑和抗扭剛度，表面沒有凹凸角，對風、浪等動力阻力系數小，同時管端部封閉，比表面積小，節(jié)省涂刷造價，同時易于實現建筑師奇特造型的構思，外形美觀，因而被廣泛應用到大跨度公共建筑中，如濟南“東荷西柳”奧體中心、北京國家體育館和天津團泊曲棍球場等[1-4]。在鋼管結構中，管與管交匯連接形成管節(jié)點。管節(jié)點是結構承受外力的重要部分，因管節(jié)點處匯交鋼管數量多少、管徑大少、管壁厚薄、鋼管位置和方位不同，使得鋼管節(jié)點受力復雜。為了建筑結構外形美觀，工程上多采取直接焊接連接時，控制不當會帶來較大的殘余應力和焊接變形，不僅影響美觀，嚴重者還降低結構承載力。如何較好地控制鋼結構的焊接變形，一直是鋼結構從業(yè)者探尋的課題，本文針對管桁架結構焊接變形控制進行分析。

一、管結構相貫節(jié)點

現行國家標準《鋼結構設計規(guī)范》(GB50017-2017)[5]根據節(jié)點相貫鋼管空間關系給出焊接管節(jié)點分類，包括X型、T型、K型、Y型平面管節(jié)點以及由平面組合而成的空間管節(jié)點KK型、TT型。圓管節(jié)點相貫線剖開呈空間曲面形狀，手工操作難以實施，現在多用數控切割機床根據深度設計編制程序自動切割形成不同的坡口，但對鋼管質量要求高，因為只有圓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

鋼管結構焊接時會產生內應力，被焊桿件施焊和冷卻時，不均勻溫度場影響產生熱應力；金相在金屬組織內產生的內應力受到結構約束，產生約束應力。如果在焊接過程中沒有控制好內應力，會造成桿件形狀、尺寸變化，過小變形影響結構拼裝精度，給拼裝帶來困難，過大變形還會產生裂紋降低結構承載能力。因此，焊接變形不僅影響建筑結構外觀，降低適用性，還能導致焊接桿件報廢，造成經濟損失。

(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性能的變化在焊接過程中都會帶來桿件變形。材料的熱傳導系數越大，所受到的溫度梯度就越小，焊接時產生較小的焊接變形。金屬材料有熱脹冷縮性質，材料的線膨脹系數增加會使焊接桿件變形增大。同時不同材料在化學成分上存在差別而影響力學性能，如Q345B結構鋼沖擊韌性較低，G20Mn5鑄鋼在鑄造過程中難免會產生縮孔、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

焊接技術對焊接變形的影響是復雜的。管桁架結構加工時，焊接胎架制作、定位和拼裝要求以及運輸等因素決定了管桁架管件焊接方式，從而影響焊接電流、焊接電壓、結構定位、固定方法和焊接順序的選用。如多層焊接對焊接技術參數影響較大，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)焊縫引起的變形小；焊接順序對材料殘余應力和應力分布影響較大。通常認為，焊接變形過大的原因往往是沒有按照合理的焊接程序進行施焊或者沒有焊接好分部構件就進行整體拼接焊接。[7]

3.結構因素

焊接結構設計也是影響焊接變形的一個重要方面。一般情況下，結構的約束度增加時，焊接變形相對減小。焊接過程中，結構構件本身的約束隨著結構的復雜度增加，隨著焊接工作的開展而不斷變化。在焊接結構設計中，利用耳板或者加勁板提高結構構件穩(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，研究者已基本認識焊接應力的產生機理，從而采取針對性措施減小焊接變形。

(一)結構設計

針對工程結構受力分析和所選取材料的特點，設計合適的節(jié)點結構，盡量避免節(jié)點構件偏心，或者將偏心限定在允許范圍內：-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，針對具體的破壞形式對節(jié)點加強設計，如主管壁加厚、主管加套管或者加墊板、加內隔板或者節(jié)點板甚至加勁肋等，同時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，對稱性分布的焊接技術，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變形，當焊接完成構件冷卻后去掉固定設施。另外，還可以采取低應力無變形焊接法，在實施焊接前對管件焊縫周邊進行預熱處理，當達到一定溫度后再施焊，同時焊接中要預防焊接構件局部溫度過高，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行焊接，能夠有效降低焊接殘余應力，減小焊縫角變形、翹曲變形和焊縫的彎曲度。

(三)協調管理

企業(yè)要加強管理，綜合考慮影響焊接質量的各種因素，針對工作的問題及時協調處理。首先，根據具體的工作實際，選擇與之相符的焊接技術，選擇最佳電流、焊接順序和焊接速度等。其次，針對焊接工作中焊縫集中問題，及時調整相應的焊接技術，如之前使用跳焊法，而后續(xù)工作不適合跳焊法技術使用，要及時調整使用對稱性焊接技術，從而有效減少焊接變形的發(fā)生。再次，針對結構復雜的工作，加強對焊接工作人員進行培訓，使其靈活應用焊接技術，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，采取正確的拼接方式，有序的完成焊接工作。最后，要做好焊件質量驗收工作。

(四)智能焊接

將大型工件焊接智能機器人[9]應用到鋼管桁架結構加工制作中。焊接智能機器人是基于視覺控制技術的機器人裝置，該裝置是由機器人本體、傳感系統、控制系統等組成。焊接智能機器人利用機架進行大范圍的三維運動，由機頭微動機構對運動精度進行補償，并提供旋轉自由度。焊接智能機器人可以適應大型工件焊接操作的大范圍和精確定位的運動要求。通過視覺傳感技術和智能視覺控制技術，提高焊接機器人自動焊接的質量和效率。機器人操控人員不僅要對焊件的設計結構、焊接技術、焊接材料的物理性能等方面有詳細的了解，還要對焊接機器人的操控系統熟練，操控人員的穩(wěn)定性影響焊接機器人應用效率。因此，操控人員要具有大量的理論知識和實際工作經驗。焊接機器人應用是一個復雜、綜合的過程，需要高新技術型人才操控行使焊接工作，這是鋼結構焊接技術發(fā)展的一個方向。

圓管節(jié)點制作加工焊接變形控制是每個管桁架工程都需要考慮的重點問題之一。在施工中，企業(yè)要深入分析工程實際，綜合考慮相貫節(jié)點構造、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，嚴格按照國家規(guī)范、規(guī)程組織實施，提高制作加工精度，確保工程安裝順利進行。同時，企業(yè)要提升科技研發(fā)和應用能力，大力發(fā)展智能機器人焊接技術。