建筑钢筋结构制作工艺学典型构件加工制作工艺实例毕业论文

第6章 典型构件加工制作工艺实例6.1 焊接H型钢制作6.1.1 概述各种H型钢柱、梁、檩条、支撑或桁架所采用的焊接H型钢，基本形式都是由腹板和上下翼缘板垂直构成。不同结构，腹板与翼缘板的相对位置与角度等有所区别。应用最多的是腹板居中、左右和上下对称的等截面焊接H型钢，腹板与翼缘板之间由四条纵向焊缝连接。焊接H形钢的组装方案一般有工装胎架组装和组立设备组装两种，焊接方式一般有四种，见表6.1-1。表6.1-1 H型钢焊接方式序号焊接方法示意图特点1电弧焊(焊条电弧焊、CO2焊、埋弧焊)船形位置单头焊，焊缝成形好。变形控制难度大，工件翻身次数多，生产效率较低2电弧焊(CO2自动焊、埋弧焊)卧放位置，双头在同侧、同步、同方向施焊。翼缘板有角变形。左右两侧不对称，易产生旁弯，工件至少翻身一次。3电弧焊(CO2自动焊、埋弧焊)立放位置，双头两侧对称同步、同方向施焊。翼缘板的角变形左右对称，有上拱或下挠变形，工件最少翻身一次。4电阻焊立放位置，上下翼缘板同步和腹板边装配边通过高频电流并加压完成施焊。不须工件翻转，生产效率高，但需要辅助设备配套。对于品种单一，规格尺寸变化不大(在组立设备允许围)的焊接H型钢的生产可采用机械化或自动化水平较高的生产线作业。目前H型钢生产线使用较为普遍，在专业钢结构制造企业，使用最广泛的是采用组立设备进行H型钢组装、自动埋弧焊进行四条纵向焊缝的焊接、H型钢矫正机进行翼缘板角变形矫正的焊接H型钢生产线。6.1.2 焊接H型钢制作工艺流程焊接H型钢制作工艺流程如图6.1-1所示。钢板矫平下料坡口组立(组装、定位焊)焊接矫正检验H型钢成品图6.1-1 焊接H型钢生产工艺流程6.1.3 焊接H型钢生产线设备与工作过程原理焊接H型钢生产线主要由下料设备、组立设备、焊接设备、矫正设备组成(图6.1-2、图6.1-3、图6.1-4、图6.1-5)，此外还有配套的翻转设备、输送辊道等，以实现H型钢的组立、焊接、矫正以与翻转、输送等工作。适用于T型钢、H型钢和变截面H型钢的制作。图6.1-2 直条切割机 图6.1-3 H型钢组立机图6.1-4 H型钢门式埋弧焊机 图6.1-5 H型钢翼缘板矫正机1. 下料设备焊接H型钢生产线的下料设备一般配备数控多头切割机或直条多头切割机。此类切割设备下料效率高，纵向割矩可根据板宽进行调整，可一次同时切割出多块板条。2. H型钢组立机H型钢组立机是进行H型钢的组立和定位焊接的设备。一般都采用PLC可编程序控制器，对型钢的夹紧、对中、定位焊接与翻转实行全过程自动控制，速度快、效率高。H型钢组立机的工作程序分两步：第一步组成“”形，第二步将翻转180与另一翼缘板组立成H型，其工作原理是：(1) 翼缘板放入，由两侧定位装置使之对中。(2) 腹板放入，由翻转装置使其立放，由定位装置使之对中。(3) 由液压顶紧装置使翼板和腹板之间紧贴。(4) 数控的点焊机头自动在两侧进行间断的定位焊接。3. 焊接设备H型钢生产线配备的焊机一般为埋弧自动焊机，通常采用门式焊接机和悬臂式焊接机两种类型。焊机一般都配备焊缝自动跟踪系统和焊剂自动输送回收系统，并具有快速返程功能。主机与焊机为一体化联动控制，操作方便，生产效率高。龙门式双焊机自动焊时，有两种布置方式：(1) 在同一工件的两侧同时焊接，采取角接焊形式焊接。(2) 两个工件同时进行船形位置焊。由两台焊机在侧焊接是因为在侧焊时，可以由一名操作者在中间同时操作两台焊机。4. 翻转机和矫正机H型钢生产线上配以链条式翻转机和输送机，可达到整个焊接、输送、翻转过程的全自动化生产。在组对、焊接过程中不可避免要翻转工件，在生产线中配有翻转机，则可避免等待桁车而大大提高工效。翻转机应有前后两道，其工作原理是：平时放松，不与工件接触，使用时紧提起链子，转动链轮，使工件转至需要角度再放下。经过焊接，H型钢的翼缘板必然产生变形，而且翼缘板与腹板的垂直度也有偏差，因此必须采用H型钢矫正机进行矫正。5. H型钢拼、焊、矫组合机在H型钢的制作过程中，其中2块翼缘板和1块腹板的拼装、点焊、焊接与焊后翼缘矫正，按常规工艺是由3台设备来完成的，而H型钢拼、焊、矫组合机将上述三道工序集于一身，具有结构紧凑、占地省、生产效率高等优点。6.1.4 H型钢组立工艺要领1. 组立注意事项(1) 在H型钢组立前，组装人员必须熟悉施工图、组立工艺与有关技术文件的要求；零件的材质、规格、数量以与外观质量应符合要求。(2) 翼缘板拼接长度不应小于2倍的板宽；腹板拼接宽度不应小于300mm，长度不小于600mm。拼接焊缝应符合一级焊缝质量要求。组立前应将翼板上与腹板结合处的对接焊缝磨平，磨平的宽度为4倍的腹板厚度。(3) 腹板与翼缘板焊接连接区域与四周3050mm围的铁锈、毛刺、污垢、冰雪等必须在组装前清除干净。(4) 翼缘板拼接缝和腹板拼接缝的间距应不小于200mm。2. 组立顺序(1) H型钢组立顺序如图6.1-6所示。1导轨 2翼缘板定位器 3顶紧机构 4下翼缘板 5腹板 6上翼缘板图6.1-6 焊接H型组立顺序示意图(2) T型组立：把下翼板置于组立机水平轨道上，调整定位装置使翼缘板位于组立水平轨道中央，然后组装腹板，进行端部错位调整，采用腹板定位机构调整腹板，使之与下翼缘板中心对齐并顶紧，检查腹板中心偏移以与下翼缘板与腹板的垂直度，合格后进行定位焊接。(3) H型组立：把上翼板置于组立机水平轨道上，调整定位装置使其位于组立水平轨道中央，然后将T型钢组装到上翼缘板上，进行端部错位调整，采用腹板定位机构调整T型钢腹板，使之与上翼缘板中心对齐并顶紧，检查腹板中心偏移量、上翼缘板与腹板的垂直度以与截面尺寸，合格后进行定位焊接。6.1.5 H型钢焊接工艺H型钢的焊接主要有翼缘和腹板的长度拼接以与纵向焊缝焊接。腹板和翼缘的纵向焊缝根据设计和板厚要求可以分为角焊缝、部分熔透焊缝和全熔透焊缝。(1) 角焊缝焊接:为了保证四条角焊缝的焊接质量，常采用船形位置焊接，其倾角为45，焊缝的焊接顺序与构件的倾斜和翻转按图6.1-7所示的顺序进行。图6.1-7 焊接H型钢角焊缝船形位置的焊接顺序埋弧焊焊接工艺参数可以按照焊脚尺寸要求参照表6.1-2选择。表6.1-2 H型钢角焊缝埋弧焊焊接工艺参数焊脚(mm)电 流(A)电 压(v)速 度(m/h)焊丝直径(mm)伸出长度(mm)6500-55030-3240414.8mm25-308550-60030-3238394.8mm25-3010550-60030-3230324.8mm30-3512600-65032-3425274.8mm30-3514650-70032-3420234.8mm30-35(2) 部分熔透和全熔透焊缝焊接：构件焊接位置应根据坡口角度进行调整，保证焊缝表面处于水平位置，焊接工艺参数应根据焊接试验确定。表6.1-3所示为H型钢全熔透埋弧自动焊工艺参数实例。表6.1-3 H型钢埋弧自动焊工艺参数钢材构件位置接头形式与坡口焊剂焊丝焊缝层次焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速度(m/h)预热()备注Q345BSJ101H10Mn2底部70075030341618100150清根坡口52557530322830加强角缝6206603525盖面700750303520226.1.6 焊接H型钢的允许偏差焊接H型钢翼缘板和腹板的气割下料公差、截面偏差与焊缝质量等均应符合设计的要求和国家规的有关规定。焊接H型钢的外形尺寸允许偏差见表6.1-4。表6.1-4 焊接H型钢的外形尺寸允许偏差项目允许偏差检验方法图例截面高度hh5002.0用钢尺检查500h10003.0h10004.0截面宽度b3.0腹板中心偏移e2.0用钢尺检查翼缘板垂直度b/100，且不应大于3.0用直角尺和钢尺检查弯曲失高f(受压杆件除外)l/1000，且不应大于10.0用拉线、直角尺和钢尺检查扭曲h/250，且不应大于5.0用拉线、吊线和钢尺检查腹板局部平面度()t143.0用1m直尺和塞尺检查t142.06.2 箱形截面柱加工6.2.1 概述图6.2-1 箱型柱的焊接结构示意图在高层建筑钢结构中，箱型截面柱(简称箱型柱)用量很大。箱型柱由四块钢板焊接而成，柱子一般都比较长，要贯穿若干层楼层，每层均与横梁或斜支撑连接。为了提高柱子的刚度和抗扭能力，在柱子部设置有横向肋板(又叫隔板)，一般设置在柱子与梁、斜支撑等连接的节点处。在上、下节柱连接处，下节柱子顶部要求平整。其典型结构形式和断面示例如图6.2-1所示。箱型柱四个角接接头的坡口形式一般按图6.2-2所示。当板厚大于40mm时，应采用防止抗层状撕裂的坡口形式。在全熔透部位可设置永久性钢垫板。四条焊缝一般可采用CO2气保焊或埋弧焊焊接，当壁厚较大，或在较低气温下焊接时，应按照钢结构焊接规要求采取预热与后热措施。(注：a1、a2为坡口角度，t1、t2分别为腹板、翼缘板厚度，H为坡口深度，b为坡口间隙)图6.2-2 箱型柱角接接头坡口形式隔板与面板的四条连接焊缝，由于柱空间小，只能焊其中三条，最后一面的焊缝可采用电渣焊方法解决，但由于电渣焊热输入大，单侧焊会引起柱体的弯曲变形，所以在实际生产中采用在隔板两侧用电渣焊对称焊接。电渣焊接头形式如图6.2-3所示。(注：t为隔板厚度，b为隔板端头至翼缘板的距离，tb即为电渣焊孔的尺寸)图6.2-3 箱型柱电渣焊接头形式6.2.2 箱型柱制作工艺流程箱型柱制作工艺流程见图6.2-4。6.2.3 箱型柱制作工艺1. 零部件加工零部件加工精度是保证构件质量的关键，正确的选择零部件的加工方法能有效地保证零部件的加工质量，提高生产效率、降低生产成本。加工方法的选择应考虑零件的规格尺寸、形状、作用、以与批量等因素，结合加工企业的实际生产状况进行多方案优化选择。(1) 直条零件(如箱体翼缘板、腹板；用于制作牛腿的H钢翼缘板、腹板等)采用数控多头火焰(或等离子)切割机切割下料。下料长度的确定以图纸尺寸为基础，并根据构件截面大小和连接焊缝的长度，考虑预留焊接收缩余量和加工余量。(2) 批量较大的零件(如加劲板、连接板、隔板等)为提高生产效率和保证零件质量，一般选用数控等离子切割机或数控火焰切割机下料；小批量的规则零件可采用小车式火焰切割机切割下料。(3) 同规格等截面H型钢牛腿数量较多时，可将数段牛腿长度相加，采用焊接H型钢生产线先制作成较长段H型钢，然后采用数控H型钢加工线进行锯切、钻孔、锁口加工，有利于保证牛腿加工质量并提高生产效率。当牛腿与连接构件截面、规格一样时，可将牛腿与连接构件一起加工成H型钢，再进行锯切、钻孔、锁口加工，以保证牛腿与连接构件截面的一致性。(4) 零件板上高强度螺栓孔宜采用平面数控钻床进行加工，H型钢上高强度螺栓孔宜采用三维数控钻床进行加工，以保证各零部件孔位的准确性。(5) 钢板切割前用钢板矫正机对不平整钢板进行矫正，确认合格后再切割。(6) 为保证切割直条零件的质量，采用火焰切割时，为防止零件两边因受热不均匀而产生旁弯，一般采用数控多头火焰切割机从板两边同时垂直切割下料。如图6.2-5所示。图6.2-4 箱型柱制作工艺流程图图6.2-5 直条多头火焰切割下料示意图(7) 钢材切割面应无裂纹、夹渣、分层和大于1mm的缺棱；气割允许偏差应符合表6.2-1的要求。表6.2-1 气割允许偏差项 目允 许 偏 差(mm)零件的宽度、长度3.0mm切割面平面度0.05t，但不大于2.0续表割纹深度0.3局部缺口深度1.0注：t为切割面厚度2. 箱体组立装配(1) 组装前准备检查各待组装零部件标记，核对零件材质、规格、编号与外观尺寸、形状的正确性，发现问题与时反馈。 划线：在箱体的翼板、腹板上均划出中心线、端部铣削加工线；翼板上以中心线为基准划出腹板定位线、坡口加工线；腹板、翼板上以柱顶铣削加工线为基准划出隔板等组装定位线与电渣焊孔位置。检查划线无误后打样冲眼进行标识。如图6.2-6示意：图6.2-6 箱型面板划线示意图 坡口加工：按照焊接要求采用划线进行坡口加工。坡口加工以腹板、翼板中心为基准采用半自动火焰对称切割加工坡口。(2) 隔板组装由于电渣焊是利用液态的熔渣的电阻热作为能源进行焊接的，为了防止在焊接时发生漏渣现象，电渣焊垫板与箱体面板必须紧密贴合，应对其接触面进行铣平加工，同时也有利于箱体截面形状和尺寸的保证。采用先组装后铣平的加工方案时，组装时应留有一定的铣平加工余量。为了提高生产效率，目前大多先对4块垫板与箱体面板接触的四个端面用铣边机铣平，然后与隔板在专用胎模或隔板组装机上进行装配，保证几何尺寸在允许围。如图6.2-7示意：图6.2-7 隔板组装图(注：B为箱形柱的外截面尺寸，t为箱形柱柱身板厚度，t1为隔板厚度，L1、L2为对角线尺寸且L1-L21.5mm)(3) 箱体U型组立 在箱体的腹板上装配焊接垫板，进行定位焊并焊接，在进行垫板安装时，先以中心线为基准安装两侧垫板，应严格控制两垫板外边缘之间的距离。如图6.2-8示意：图6.2-8 焊接垫板的组装示意图 组装隔板、柱顶板：把划好线的下翼板水平放置于胎架(或组立机)平台上，按照定位线把已装配好的隔板组装在下翼板之上，调整隔板与下翼板垂直度，合格并顶紧后进行定位焊接。隔板与下翼板的间隙不得大于0.5mm，隔板与下翼板的垂直度不得大于1mm。按照同样方式组装柱顶板。见图6.2-9所示。图6.2-9 组装隔板、柱顶板 组装两侧腹板：使隔板对准腹板上所划的隔板定位线，调整翼板与腹板之间的垂直度不得大于b/500(b为边长)；将腹板与翼板、隔板顶紧，并检查截面尺寸与腹板与翼缘板的垂直度，合格后进行定位焊接。如图6.2-10所示：图6.2-10 装配两侧腹板组 隔板焊接：进行隔板与箱型腹板之间焊缝的焊接，采用CO2气体保护焊从柱的中间向两端进行焊接。(4) 隐蔽检查检查隔板位置、隔板与下翼缘板垂直度、隔板与腹板的全熔透焊缝UT检测、焊缝外观质量检查、箱体杂物；制作单位专检合格后应形成隐蔽检查记录，并应报监理进行验收检查。验收合格后方允许组装上翼板。(5) 箱型组立将已形成U型的箱体吊至箱型组立机平台上，组装上翼板、组装时截面高度方向加放焊接收缩余量。将上翼板与腹板顶紧并检查截面尺寸、腹板与翼板错位偏差、扭曲量等，合格后进行定位焊接。如图6.2-11所示：图6.2-11 箱体BOX组立3. 箱体焊接箱体焊接主要为箱体四条纵向焊缝的焊接以与隔板与箱体翼缘板之间(电渣焊)的焊接。传统的焊接次序可以先焊接主焊缝，然后进行电渣焊焊接，其不足之处是电渣焊引出端和引入端清理后影响主焊缝的感观质量。为了获得良好的构件外观质量，目前采用先焊接电渣焊焊缝，清理、打磨电渣焊引入和引出端后，再焊接主焊缝的工艺较为普遍。(1) 熔嘴电渣焊焊接工艺要领 熔嘴(管状焊条)：不应有明显锈蚀和弯曲，用前经250保温1小时烘干，然后在80左右温度下存放和待用。按所焊接的焊缝长度确定焊管的使用长度，即：焊缝实际长度加250350mm即为焊管所需长度。 焊丝：按工艺指定焊丝的牌号和规格使用。焊丝的盘绕应整齐紧密，没有硬碎弯、锈蚀和油污。焊丝盘上的焊丝量最少不得少于焊一条焊缝所需的焊丝用量。 焊机与仪表：所有焊机的各部位均应处于正常工作状态，不得有带病作业现象，焊机的电流表、电压表和调节旋钮刻度指数的指示正确性和偏差数要清楚明确。 电源：电源的供应和稳定性应予保证，避免焊接过程中中途停电和网压波动过大，开始焊接前要和配电室值班员取得联系，何时停电要预先通知，网压波动10%停止作业。 构件放置与焊孔清理：把构件水平的置于胎架上，离地面高度约400mm左右，使电渣焊焊孔处在垂直状态，检查焊孔情况，如有潮湿、污物、过大焊瘤和锈蚀严重以与焊孔与钻孔错位严重等现象，应进行清除和修整，直至合格。 按焊孔位置对称地采用两台焊机同时施焊。如图6.2-12所示。图6.2-12 箱体对称电渣焊示意图 引弧器、收弧器：在引弧器填装引弧剂和焊剂，其厚度各约为15mm，填好之后，将引弧器置于焊孔下端，位置调整对正后，用千斤顶或夹具固定，不得有松动现象。然后将收弧器置于焊口上端与焊口对正后固定。 装熔嘴：将已调直和烘干的焊管一端插入焊孔，不涂焊药的一端插入焊机的熔嘴夹持器并用紧固螺栓紧固。焊机的控制电源合闸给电，将焊丝盘装入焊机盘架。焊丝经矫正导轮导入焊管，随之调整矫正轮的压力使之适度。 调整焊管和焊丝位置，焊管下端调到距助焊剂约10mm，焊管与孔壁在垂直方向与焊孔平行，在水平方向位于焊孔中心，将焊丝断续地送入焊管至露出下端。焊管位置通常是处于焊孔中心，但当隔板、翼板的厚度相差较大时因两板所需热量不同，因而焊管在焊孔中的位置要稍偏于厚板的一侧为宜，当两板的厚度差别不大时，可不考虑偏向。 焊接规：根据焊口尺寸，参考表6.2-2的参数。表6.2-2 熔嘴电渣焊焊接规参数焊口尺寸(tb)渣池深度(mm)焊接电流(A)焊接电压(V)焊接速度cm/min(2030) 254440031332.0(3050) 254542033351.42.0(6080) 304645035381.01.4注：t与b为电渣焊孔尺寸，见图6.2-3所示。 引弧前对引弧器加热100左右，按启动按钮开始引弧，随之进入焊接过程。引弧初期参数波动大或伴有明弧现象是正常的，随着熔敷金属的增加，渣池逐渐建立，规参数也趋于稳定。在建立渣池的过程中，要与时细调各规参数，使之符合要求(进入电渣过程的初期，焊接电压可比要求略高12V)。 焊接中助焊剂的添加：当渣池出现翻滚波动较大甚至明弧时即可添加助焊剂。添加助焊剂以少而慢的原则进行，当渣池恢复平静稳定状态后则暂停添加。 焊接端部清理：在引、收弧器拆卸之后，并在焊缝完全冷却之后采用切割或碳弧气刨将收弧端“焊帽”去除，去除时不得损伤母材，要求与母材基本平齐，然后用砂轮修磨至光滑平整。收弧端清理好后，把构件翻身，接着清理和修整引弧端“焊帽”。(2) 箱体主焊缝的焊接工艺在钢构件的制作中埋弧自动焊广泛应用于箱体主焊缝的焊接。有时在要求全焊透的接头中为了避免坡口底部因焊漏而破坏焊缝成形，也采用药皮焊条手工电弧焊或CO2气体保护焊打底，然后用埋弧自动焊填充和盖面的焊法。随着厚板箱型截面柱采用越来越多，为了提高生产效率，多丝埋弧焊的方法也越来越普遍。 焊丝和焊剂的选用：埋弧自动焊焊丝的各项性能指标，应符合熔化焊用钢丝(GB/T14957)的各项规定。被选用的焊丝牌号必须与相应的钢材等级、焊剂的成分相匹配；埋弧自动焊的焊剂应符合低合金钢埋弧焊用焊剂(GB12470)标准的有关规定，被选用的焊剂牌号必须与所采用的焊丝牌号和焊接工艺方法相匹配，焊剂在使用前应严格按照要求烘干。 引熄弧板的设置：引熄弧板材质应与母材一样，其坡口尺寸形状也应与母材一样。埋弧焊焊缝引出长度应大于60mm，其引熄弧板的板宽不小于100mm，长度不小于150mm。 焊接位置与顺序：平焊位置焊接，为了控制焊接变形，采用两台埋弧焊机同向同规焊接，如图6.2-13所示。图6.2-13 箱体主焊缝焊接位置与顺序示意图 焊接工艺参数：焊接工艺参数应根据焊接试验确定。表6.2-3、表6.2-4所示为箱体埋弧自动焊工艺参数(采取气保焊打底，埋弧自动焊填充与盖面，打底厚度根据板厚而定，一般为10-20mm)。焊缝坡口形式与尺寸见图6.2-14a。随着钢结构技术的不断发展，厚板在箱体构件上得到越来越广泛的应用。而在箱体构件的实际生产中，为提高效率，构件焊接通常采取的是窄间隙坡口技术，这一技术的具体工艺参数应根据制作构件的实际情况，通过焊接工艺试验最终确定，参考焊缝坡口形式与尺寸可见图6.2-14b。表6.2-3 箱体坡口平焊单丝埋弧焊工艺参数序号板厚焊道焊丝直径mm电流A电压v速度m/h伸出长度mm11420盖面4.8mm63067033-36192225-3022030盖面4.8mm65070035-38182025-3033060填充层4.8mm7007503436202225-30盖面层4.8mm6507003234212425-30表6.2-4 箱体坡口平焊双丝埋弧焊工艺参数序号板厚电极焊丝直径mm电流A电压v速度m/h伸出长度mm1T30DC4.8mm6507503436253525-30AC4.8mm7008003338253525-302T60DC4.8mm650-75034-36253525-30AC4.8mm700-80033-38253525-30图6.2-14 箱体主焊缝坡口形式与尺寸示意图(注：t1为腹板厚度，t2为翼缘板厚度。)4. 箱型柱端面铣箱型柱端面铣削前应先确认箱体已经过矫正并且合格，同时对设备的完好性进行检查确认。对箱型柱上端面进行铣削加工，粗糙度要求12.5m，垂直度要求0.5mm，如图6.2-15示意：图6.2-15 箱型柱端面铣示意图(注：t1为箱体柱身板厚度，t2为箱体顶板厚度，a为铣削厚度，b为铣削宽度。)铣削完毕后，对端面垂直度利用大角尺进行检测，同时对铣削围利用直尺检测；要求顶板与柱身板之间焊缝处熔合应良好，若存在局部熔合缺陷应将缺陷清除后补焊并进行重新打磨。5. 箱型柱成品组装要领 钢柱装配前，应首先确认箱型柱的主体已检测合格，局部的补修与弯扭变形均已调整完毕。 将钢柱本体放置在装配平台上，确立水平基准；然后，根据各部件在图纸上的位置尺寸，进行划(弹)线，其位置线包括中心线、基准线等，各部件的位置线应采用双线标识，定位线条应清晰、准确，避免因线条模糊而造成尺寸偏差。 待装配的部件(如牛腿等)，应根据其在结构中的位置，先对部件进行组装焊接，使其自身组焊在最佳的焊接位置上完成，实现部件焊接质量的有效控制。 在装配胎架上，按其部件在钢柱上的位置进行组装。如图6.2-16所示：图6.2-16 箱型柱成品组装示意图6.3 十字柱加工图6.3-1 十字柱结构示意图6.3.1 概述十字柱一般作为劲性钢骨柱，其主体由一个H型截面和两个T型截面组合而成，为了提高柱子的刚性和抗扭能力，在柱子与梁、斜支撑等连接的节点处设置有加劲板。其他部位相邻翼缘板间设置有连接缀板。翼缘板上设置有剪力钉(栓钉)以保证与混凝土的结合强度。其典型结构示意图见图6.3-1。6.3.2 十字柱加工工艺流程十字柱主体的组立过程主要分为三个步骤，即H型钢的制作、T型钢的制作与十字柱的组立。典型十字柱的加工工艺流程如图6.3-2所示：图6.3-2 典型十字柱加工工艺流程图H型截面前面已经介绍过，这里主要介绍T型截面的制作和十字形截面的组装。6.3.3 T型钢的加工制作T型钢加工制作通常采用两种方法：一种是先组装成T型钢，然后通过工艺板连接成H型钢；另一种是先加工成H型钢，再剖分成两个T型钢。T型截面制作时为减少焊接变形，采取2根T型组对焊接的方法。先组装好两个T型截面，然后在组装胎架上将两个T型截面腹板用工艺板(工艺板两面对称安装)连接进行组对；待焊接完成矫正后钻孔，最后拆除工艺板，打磨。如图5-25所示：图6.3-3 T型钢制作流程示意图先加工成H型钢,再剖分成两个T型的加工方法：为了减少剖分时的变形，在进行H型钢腹板下料时，其腹板宽度为两块T型钢腹板宽度之和，在腹板直条切割时采用间断切割，使之外形上仍是一块整板；待H型钢的组焊、矫正完毕后，再利用手工割枪将预留处割开，使之成为两个T型钢，图6.3-4为腹板切割下料示意图：图6.3-4 T型钢腹板切割示意图6.3.4 十字形组立H型钢与T型钢检验合格后进行十字形的组立，十字形组立步骤如下：第一步：将H型钢放置于水平胎架上，并在H型钢腹板上划出T型钢组装定位线，以定位线为基准组装T型钢，用千斤顶将T型钢与H型钢顶紧，检查截面长、宽与对角尺寸，并用吊线检查扭曲偏差、用拉线检查弯曲偏差，合格后进行定位焊接；第二步：翻转180按同样的方法组装另一侧T型钢。如图6.3-5所示：图6.3-5 十字形组立示意图6.3.5 十字柱焊接十字柱的焊接主要是H型钢和T型钢主焊缝焊接，以与拼装成十字形后十字接头四条主焊缝的焊接。H型钢和T型钢主焊缝焊接其焊接工艺要领同H型钢主焊缝的焊接。十字接头四条主焊缝焊接时，应采取合理的焊接顺序，以控制焊接变形(尤其是扭曲变形)，当要求为坡口组合焊缝时，一般采用CO2气体保护焊打底，打底焊时采用对称施焊。打底焊焊完后把十字柱放置在专用焊接架上进行船形位置埋弧自动焊焊接，其焊接位置与焊接顺序如图6.3-6所示。图6.3-6 十字柱主焊缝埋弧焊焊接位置与焊接顺序示意图6.4 螺栓球和焊接空心球加工图6.4-1 螺栓球节点示意图6.4.1 概述在空间网架结构中，普遍采用球节点连接，用的最多的节点一般有螺栓球和焊接空心球两种。螺栓球通过高强度螺栓与杆件相连接，其构造形式如图6.4-1所示。由于采用机械方式连接，要求螺栓球具有较好的机械加工性能，同时螺栓球需要承受拉力和压力，对力学性能的要求较高。因此，螺栓球采用45#钢制造。焊接空心球由两个半球焊接而成，通过焊接与杆件相连。材质一般选用可焊性良好的Q235或Q345；当焊接空心球壁厚(即钢板的厚度)大于等于40mm时，应采用抗层状撕裂的钢板，钢板的厚度方向性能级别Z15、Z25、Z35相应的含硫量、断面收缩率应符合国家标准厚度方向性能钢板(GB5313)的规定。焊接空心球的计算公式和典型规格系列在相应的行业规程和标准中已有，其形式如图6.4-2所示，有加肋和不加肋两种类型。在杆件力较大或球的直径较大的情况下，一般应采用加肋焊接球。根据建筑构造形式的需要和建筑师的要求，目前在一些工程中(如国家游泳中心、首都机场T3A航站楼等)使用了异型焊接空心球，如削冠焊接空心球，即在焊接空心球的一个半球上削掉一部分球冠形成球缺，并用盖板封堵，再与另一半球焊接形成削冠焊接空心球。其结构形式如图6.4-3所示。目前，削冠焊接空心球在规和产品标准中没有相应的计算方法和可供选择的规格，工程中采用时应进行计算分析或进行承载力试验。图6.4-2 焊接空心球节点示意图图6.4-3 削冠焊接空心球节点示意图6.4.2 焊接空心球制作1.焊接空心球制作工艺流程(1)焊接空心球焊接空心球的制作工艺流程如图6.4-4所示。钢板下料钢板加热钢板压制成半球半球切边、坡口装配焊接检验图6.4-4 焊接空心球制作工艺流程其加工过程如图6.4-5所示。半圆球是采用圆钢板热压成型，是一个拉伸的过程，会引起钢板壁厚发生变化(下料时，应预放钢板厚度余量，以保证焊接球承载力)，其变化规律见图6.4-6。图6.4-5 焊接空心球制作过程示意图图6.4-6 半球成型壁厚变化规律示意图(2) 削冠焊接空心球削冠焊接空心球的制作工艺流程如图6.4-7所示。图6.4-7 削冠焊接空心球制作工艺流程其加工过程如图6.4-8所示。图6.4-8 削冠焊接空心球制作过程示意图2. 加工工艺要领(1) 切割下料半球圆形钢板坯料采用数控切割设备下料，下料尺寸应加放成形后的切边余量，下料后坯料的直径允许偏差为2.0mm；钢板的厚度应进行有效控制，避免成型后的球壁厚超差。(2) 坯料加热钢板坯料的加热应采用加热炉整体加热，加热温度为10001100。对Q235和Q3445钢的终压温度分别不低于700和800。压制成形的半球表面应光滑圆整，不应有局部凸起或折皱。(3) 削冠焊接空心球加工在进行削冠焊接空心球加工时，可将其中的一个半球按设计尺寸削去球冠(留下球缺)，然后将球冠放回加热炉加热，并在锻压设备上重新压成平板，冷却至室温后，切除环向多余部分，使切割后的圆形平板与球缺空洞吻合。(4) 焊接接头坡口形式与尺寸模压成型的半球经检验圆度合格后，采用机械或火焰切割修切边缘与坡口，装配定位焊接环肋，组装加劲肋时应注意肋的方向。图6.4-9所示为不加肋空心球与加肋空心球的焊接接头坡口形式与尺寸。 (a) 无肋焊接空心球(b) 加肋焊接空心球图6.4-9 空心球焊接接头坡口形式与尺寸(注：t1焊接空心球厚度，t2为肋板厚度，a为坡口角度，b为离缝间隙，D为焊接空心球外径。)(5) 焊接空心球的焊接方法可用药皮焊条手工电弧焊或CO2保护半自动或自动焊，球体则放在转胎上转动。壁厚大于16mm的大型空心球制作焊接时宜用埋弧自动焊，但可先用CO2气体保护焊或手工电弧焊小直径焊条打底，以保证在焊透同时避免烧穿，然后再用自动埋弧焊填充、盖面。其焊接参数与平板焊接相近。焊接材料的选用可根据建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81)的规定选用，且应满足设计的要求。大规模生产时还可以采用机床式球体自动焊设备，如气保护空心球自动焊接机，采用电动机驱动和液压驱动实现球体的装卡、夹紧、转动、卸落以与焊枪的进退、摆动，并用微机程序控制无触点限位开关控制各层焊接过程。保护气体可配用纯CO2或Ar+CO2混合气体。可以满足不同板厚的球体焊缝高效率焊接和质量要求。图6.4-10 无转胎时空心球对称焊接顺序示意图当空心球不转动,采用手工和半自动焊接时的焊接顺序，一般采用180对称焊接法，见图6.4-10。(6) 焊缝检验焊接空心球焊缝应进行无损检测，一般采用超声波探伤，其质量等级应符合设计要求。当设计无要求时应符合规中规定的二级焊缝质量标准。6.4.3 螺栓球制作1.螺栓球制作工艺流程螺栓球一般采用45#圆钢经下料、加热、锻造、热处理、机加工等一系列工序加工而成，其加工工艺流程如图6.4-11所示。毛坯下料坯料加热锻造成型热处理毛坯球检验机械加工检验图6.4-11 螺栓球制作工艺流程图2.加工要领(1) 毛坯下料锻造螺栓球的毛坯料应采用圆钢，不允许采用废钢或钢锭，否则容易产生裂纹、夹层等质量问题。根据球径大小，选择不同直径的圆钢采用锯切加工下料。(2) 加热、锻造圆钢坯料加热采用炉中整体加热的方法，加热到11001200后进行保温，使温度均匀，终锻温度不得低于800。锻造采用胎模锻，设备采用空气锤或压力机。成型后的毛坯球不应有褶皱、过烧和裂纹等缺陷。当有极少量深度不大于2mm的表面微裂纹时，可采取打磨处理消除，并应修整与周围母材圆滑过渡，处理后不允许存在裂纹。(3) 毛坯球热处理锻造成型的毛坯球存在较大的应力，所以必须经过正火处理，以减小毛坯球的应力。正火处理加热温度一般为850。(4) 机械加工螺栓球机械加工的容为：辟面、钻孔、螺纹加工。采用数控加工中心或专用车床进行加工，当采用专用车床加工时应配以专门的工装夹具，夹具的转角误差不得大于10。螺栓球上的所有螺孔最好一次装夹、一次加工完成，以确保螺孔的角度精度。(5) 螺栓球加工精度要求为减少网架结构安装时产生的装配应力，保证网架结构几何尺寸和空间形态符合设计要求，螺栓球的加工精度应符合以下要求： 螺栓球任意螺孔之间的空间夹角角度误差30； 螺栓球螺孔端面至球心距离0.2mm； 保证螺栓球螺孔的加工精度，使螺纹公差符合国家标准普通螺纹公差与配合GB197中6H级精度的规定。6.5 铸钢节点加工6.5.1 概述铸钢节点在建筑钢结构中的应用越来越多，一般对于重要节点或复杂节点设计往往会选用铸钢节点。但由于铸钢节点的造价较高，焊接要求严格，因此，建议尽量采用造价相对较低、焊接性能较好的连接节点(如焊接空心球节点、直接相贯节点等)。铸钢节点作为重要的连接部件，必须保证有足够的强度，良好的焊接性，较好的机械性能等。根据铸钢节点应用技术规程(CECS235:2008)的规定，铸钢节点材料分为焊接结构用和非焊接结构用两大类。焊接结构用铸钢节点的材质应选用符合现行国家标准焊接结构用碳素铸钢件(GB/T7659)规定的ZG230-450H、ZG275-485H铸钢，或符合德国标准焊接结构用铸钢(DIN EN10293:2005)规定的G17Mn5QT、G20Mn5N、G20Mn5QT铸钢。非焊接结构用铸钢节点的材质应选用符合现行国家标准一般工程用铸造碳钢件(GB/T11352)规定的ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640等牌号的铸钢。当有依据时，也可选用其它牌号的铸钢。6.5.2 铸钢节点加工工艺流程铸钢节点简要加工工艺流程如图6.5-1所示。图6.5-1 铸钢节点加工工艺流程图6.5.3 铸钢节点加工工艺要领铸钢节点在铸造前，应编制完整的铸造工艺，特别对模型尺寸、钢水化学成分、部组织、外形尺寸、热处理方法等进行严格规定。铸钢节点在整个加工工艺流程中，首先是模型制作，对模型尺寸的控制非常重要，只有模型尺寸准确，才能使铸造完成的铸钢节点满足质量要求。铸钢节点在浇注之前，应对钢水的化学成分进行控制，可采用炉前快速分析方法来实现。浇注温度的高低对铸件的质量影响很大。温度高时，液体金属的粘度下降，流动性提高，可以防止铸件产生浇注不足、冷隔与气孔、夹渣等铸造缺陷。温度过高将增加金属的总收缩量、吸气量和二次氧化现象，使铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂和气孔等缺陷。较高的浇注速度，可使金属液更好的充满铸型，铸件各部分温差小，冷却均匀，不易产生氧化和吸气。但速度过高，会使钢液强烈冲刷铸型，容易产生冲砂缺陷。图6.5-2 铸钢节点示意图铸钢件的铸态组织一般存在严重的枝晶偏析、组织极不均匀以与晶粒粗大和网状组织等问题，需要通过热处理消除或减轻其有害影响，改善铸钢件的力学性能。此外，由于铸钢件结构和壁厚的差异，同一铸件的各部位具有不同的组织状态，并产生相当大的残余应力。因此，铸钢件一般都以热处理状态供货，热处理状态一般为正火或调质。铸造完成后的铸钢件对其表面应进行打磨处理，对有公差要求的孔、外圆或表面应采用钻削、车削、铣削或刨削等方法进行精加工。铸钢件存在缺陷时，可采用焊接修补方法修补缺陷。对于缺陷深度在铸件壁厚20%以且小于25mm或需修补的单个缺陷面积小于65cm时，可以直接进行焊接修补。当缺陷大于或等于上述尺寸时的缺陷修补称为重大焊补。对于重大焊补必须经设计同意并编写详细的焊接修补方案后才能进行修补。6.6 圆管和矩形管相贯线加工6.6.1 概述随着建筑钢结构的快速发展，大跨度桁架结构的应用越来越多，采用的杆件类型主要为圆钢管和矩形钢管，连接节点则大部分为直接相贯焊接节点。相贯线的加工，传统工艺方法一般采用人工放样、手工气割和砂轮打磨坡口。这种加工方法尺寸精度低，坡口质量差，且加工速度慢，已无法满足工程的需要。随着科学技术的发展，目前已出现了五维和六维数控加工设备，只需技术人员采用专用实体编程软件，得出相贯面原始数据后，传输到切割设备的计算机上，即可对管子进行全自动等离子或火焰切割，相贯线与坡口一次成形。此种加工方法精度和外观质量都较好，杆件的长度误差可以控制在1mm以，坡口平滑光洁，无需打磨即可直接组焊。6.6.2 圆管相贯线加工圆钢管相贯线加工工艺已较成熟，可采用数控相贯线切割机加工，其相贯线的加工与剖口能一次完成。目前用的较多的有五维数控和六维数控相贯线加工设备。根据设备型号的不同可加工不同直径的钢管，目前国最大的相贯线设备可加工直径1850的钢管。数控相贯线加工设备可实现无图化生产，由技术人员输入相关数据后就能自动加工所需的相贯线和剖口。圆管相贯线加工工艺流程见图6.6-1，工厂加工实景见图6.6-2。建立三维线框模型输入WIN3D软件进行计算将参数输入PIPE-COAST的切割数据单套料相贯线切割检验图6.6-1 圆管相贯线加工工艺流程图图6.6-2 五轴数控相贯线切割机6.6.3 矩形管相贯线加工矩形钢管可分为正方形钢管和长方形钢管，正方形钢管可用六维数控相贯线切割机加工，其加工方法与圆钢管相贯线加工一样。而长方形钢管的相贯线加工还没有专门的数控相贯线加工设备，一般采用半自动切割或手工切割。当用手工切割时，首先由技术人员在计算机上按1:1放样，然后工人按1:1制作样板，按样板划线后进行切割。采用半自动切割机进行切割的工艺流程见图6.6-3，工厂加工实景见图6.6-4。轨道设计与制作计算机放样样板制作划线相贯线切割、剖口检验图6.6-3 长方形钢管相贯线加工流程图图6.6-4 长方形钢管相贯线切割6.7 大直径厚壁圆钢管加工6.7.1 概述近年来我国钢结构工程建设迅速发展，特别是大跨度空间钢结构和高层(超高层)钢结构等得到了广泛应用，此类结构大量采用大直径厚壁圆钢管做为主构件，而且随着跨度、高度和荷载的加大，需求更大直径与壁厚的钢管。在以往的工程中采用的钢管一般直径较小或者壁厚较薄，根据国家标准直缝电焊钢管GB/T13793的规定，其规格直径最大为508mm，壁厚最厚为12.7mm；而根据结构用无缝钢管GB/T8162的规定，其规格直径最大为660mm，壁厚最厚为65mm；或者根据低压流体输送用焊接钢管GB/T3091的规定，其规格直径最大为1626mm，壁厚最厚为25.0mm。当上述规格不能满足设计要求时(如直径不够大，壁厚不够厚或者没有相应的规格)，目前国常用在常温下卷制或压制成形、埋弧焊焊接的工艺生产建筑结构用大直径厚壁圆钢管(又称大直径直缝埋弧焊管)钢管的卷制成形和压制成形加工是在外力作用下，使钢板的外层纤维伸长，层纤维缩短而产生弯曲变形(中间层纤维不变)。实际生产中，成形工艺选择卷制还是压制，应根据设计要求、钢管的的径厚比(钢管外径D与钢管壁厚t之比)、材质、设备的加工能力等确定。在设备满足要求的条件下，一般当径厚比D/t25时(Q345B)，可采用卷制成形加工工艺；当径厚比D/t18时(Q345B)，可采用压制成形加工工艺。6.7.2 钢管卷制成形加工工艺1.钢管卷制成形加工工艺流程钢管卷制成形加工工艺流程见图6.7-1。钢板切割剖口钢板预弯钢板卷圆纵缝、外焊接端面剖口管节接长环缝、外焊接端面铣削检验图6.7-1 钢管卷制成形加工工艺流程图2.设备圆管的卷制成形采用卷板机，卷板机按轴辊数目和位置可分为三辊卷板机和四辊卷板机两类。大直径厚壁圆管常采用三辊卷制成形，加工设备为液压数控水平下调式三辊卷板机，目前国常用的设备型号与性能见表6.7-1。表6.7-1 几种常用三辊卷板机型号与性能 规格型号满载最小直径主电动功率外形尺寸EZW11-1253000mm2400mm52KW2EZW11-1002500mm2500mm37KW2EZW11-803500mm2500mm35KW2EZW11-503200mm2000mm26KW2645033202526EZW11-503000mm2000mm26KW2625033202526EZW11-502500mm1200mm26KW2575033202526EZW11-404000mm2000mm26KW2725033202526EZW11-403600mm2000mm18.5KW2694017102136EZW11-303500mm1500mm13KW2650018502091EZW11-303000mm1000mm13KW2605018502091EZW11-302000mm1500mm9KW2430019001895EZW11-253200mm1050mm9KW2569021501960EZW11-252500mm950mm9KW2480019001895EZW11-204000mm1050mm9KW2645021501960EZW11-202500mm850mm6.3KW24700174016703.卷圆(1) 预弯三辊卷板机卷圆时，钢板两端有一段长度为a的直边无法卷圆(如图5-46a、b所示)，称剩余直边，其长度取决于两下辊的中心距，为消除剩余直边，卷板前需进行板边预弯。预弯可以在压力机上用专用的压模进行模压预弯(如图6.7-2d所示)，也可以用预制的厚钢板模在三辊卷板机上进行板边预弯(如图6.7-2c所示)。 (a) (b) (c) (d)图6.7-2 对称式三辊卷板机原理示意(注：D1为上辊直径，D2为下辊直径，h为上下辊中心距，t为钢管壁厚，R为钢管半径，a为直边长度，L为下辊间距)(2) 卷圆 为了防止卷圆时产生扭斜，卷制开始时，工件必须对中，使工件的母线与辊子轴线平行，三辊卷板机设置有保证工件对中的挡板，可以采用倾斜给料方法，让一个下辊起对中挡板作用。 卷圆进给：分一次进给和多次进给，取决于工艺限制条件和设备限制条件，冷卷时不得超过允许的最大变形率，保证板、辊之间不打滑，不得超过辊子的允许应力与设备的最大功率。在工艺、设备和圆度误差围，以最少的进给次数完成卷圆，以达到最高的生产率。 在卷制过程中采用模板检查卷圆的径，同时检查钢板纵向与辊子轴线保持垂直，以保证按要求进行卷制。 考虑冷卷时钢材的回弹，卷圆时必须施加一定的过卷量，使回弹后工件的直径为加工图要求的工件直径。4. 焊接由于受卷板设备条件的限制，长的大直径厚壁圆钢管卷制成形一般是把钢板的宽度作为每段钢管(称为管节)的长度(一般4000mm)，然后把管节进行接长成为需要的钢管长度。由于钢管的壁厚较厚，纵缝和环缝的焊接一般采用、外焊接，焊接方法通常采用埋弧焊。对环缝的、外焊可采用悬臂式埋弧焊机，对纵缝的、外焊可采用小车式或悬臂式埋弧焊。、外焊接见图6.7-3。图6.7-3 纵缝与环缝的焊接示意图6.7.3钢管压制成形加工工艺1. 钢管压制成形加工工艺流程在压制成形大直径厚壁圆管生产线中，逐步折弯成形法(即PFP法)因其投资较小，能加工不同管径、不同壁厚的焊管，且质量较好，产量适中，应用比较广泛。该方法是将端头预弯的钢板在压力机上以较小的步长，较多的次数逐步对板料进行折弯，最后经钢管合缝焊机成形为圆管。其工艺流程如图6.7-4所示。钢板下料铣边预弯折弯压制成型合缝预焊直缝(外)多丝埋弧焊圆管精整校直超声波探伤管端加工标记出厂图6.7-4钢管压制成形加工工艺流程图2. 主要设备与用途PFP法生产线主要的大型工艺设备有：铣边机、预弯机、电液伺服数控折弯成型机、合缝预焊机、直缝(外)埋弧焊机、精整机、校直机等。主要设备实景图片见图6.7-5。(a) 钢板铣边机 (b) 钢板预弯机(c) 电液伺服数控折弯成型机 (d) 合缝预焊机(e) 钢管焊机 (f) 钢管外焊机(g) 钢管精整机 (h) 钢管校直机图6.7-5 钢管压制成形加工设备(1) 钢板铣边机 主要用于钢板剖口加工，并保证钢板两边平行，同时加工出焊接坡口。整机由两台铣边机组成，两边同时铣削，每边装有多把固定的铣刀，在钢板通过时进行铣削加工。其优点是加工效率高，且产生的铁屑易于收集。(2) 预弯机 主要用于对需要弯折成圆管的钢板两侧板边进行预弯处理，使板边具有与成形后圆管半径相对应的渐开线，防止圆管成形时，接口两侧存在剩余直边而产生桃形缺陷，保证圆管的圆度。整机由两台压力预弯机相对安装在两个底座上，由一台电动机与双伸轴减速器同时带动安装在机器底部的左右旋转丝杠旋转，使两台端头预弯机接近或远离，从而对不同宽度钢板两端头同时进行预弯。经过铣边加工的钢板，逐段送入机器上下模之间，在上下模的压力下使材料产生弯曲变形。主机前后配有进出料辊道，可将预弯成型的工件送入下一道工序。机床的预弯模具由相应的管径参数决定，由于对钢板的端头预弯是分段进行的，因此上下模具均有过渡段，即圆弧半径逐渐变大，且圆心的位置也随着变化，避免了分段预弯造成钢板的撕裂等缺陷。(3) 电液伺服数控折弯成型机 用于对经过预弯加工的钢板，经过逐步折弯成形，加工成与圆管直径相等的开口圆管坯。不同的制造商设备型号和性能均不同，目前用的较多的PPF3600/125电液伺服数控折弯成型机的主要性能见表6.7-2。该机采用单板框式结构，刚性好，强度高。主机采用了电液比例同步液压阀，左右立柱上各安装一只光栅，与计算机、比例阀组成一闭环伺服控制，使滑块保持同步运行，保证了机器的高精度。在整个成形过程中，压头与送板均采用计算机控制，可根据不同的钢材强度等级、板厚、板