钢结构箱型柱加工制作工艺技术

钢结构箱型柱加工制作工艺技术

箱型截面柱构件具有结构力学性能好、双向抗弯刚度大、自重轻等特点，目前在建筑中应用越来越广泛。从下料、箱型梁组装、隔板组装、箱型柱焊接以及焊接变形控制等方面介绍了建筑钢结构箱型柱加工制作工艺技术。 重点：箱型柱；制作工艺；焊接变形控制

1 箱型柱构件的主要特点

一般箱型柱由两块宽板和两块窄板（也可称为两块翼缘板和两块腹板）组成，在箱型柱牛腿上、下翼缘板对应位置设置内隔板，且设计要求内隔板与翼缘板和腹板全熔透焊接；高层钢结构箱型柱制作和安装通常分为若干节进行施工，下节柱的柱顶四边向内50～100 mm范围要端铣，端面铣垂直于柱身，以保证箱型柱整体的垂直度；箱型柱必须采用合理的焊接顺序以避免产生扭曲变形，造成上、下节柱对接时出现错口现象；内隔板与翼缘板、腹板间须留有足够的间隙并用衬板围成焊道，用电渣焊填充焊道，实现内隔板与主板的焊接，从而解决操作人员无法进入箱型柱内部，对内隔板与四面主板熔透焊缝的焊接问题。为了达到对称焊接控制变形的目的，一般留置对应的两条焊缝用电渣焊对称施焊。

2 下料工艺

2.1 翼缘板和腹板的下料工艺

箱型柱由翼缘板和腹板组成，下料时应结合下料工艺和焊接工艺考虑切割余量和焊接收缩余量。4块板下料时，采用门式多头气割机对翼板、腹板两侧同时进行切割，以确保翼缘板和腹板的平直度，翼缘板和腹板下料允许偏差为:宽度±1 mm、垂直度公差1 mm；在板材宽度的端头要用横向割枪切割坡口，单面35°留2 mm钝边，坡口与纵向切割线保证垂直，然后以实际长度进行下料。主材腹板的坡口采用半自动气体切割机进行加工，腹板的两边坡口应同时切割以防切割后产生一边旁弯。腹板坡口形式见图1。

图1 箱型柱主焊缝的坡口形式

在部分熔透和全焊透坡口交界位置，用气割将过渡处在部分焊透坡口处割除一个小三角块，

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再用砂轮打磨以平缓过渡，见图2。 2.2 隔板及衬板的下料工艺

隔板利用数控切割，尺寸规定b1为箱体内壁宽度+8 mm（铣削量）；b2为箱体内壁宽度-50 mm（电渣焊焊孔φ25×2）。

图2 焊接过渡区

按图3进行隔板坡口和铣边加工，在45°过渡位置切完坡口后需进行打磨处理。若设计要求内隔板设置透气孔时，则采用摇臂钻床进行钻孔；若设置中间人孔时，用仿型切割机切割人孔。隔板衬垫板下料后须端铣。

图3 隔板气割后示意

3 箱型柱的制作主要工艺流程

箱型柱制作工艺流程见图4。

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图4 箱型柱制作工艺流程

4 箱型柱组装

箱型柱组装前先检查组装用零件的编号、材质、尺寸、数量和加工精度等是否符合图纸和工艺要求，确认后才能进行装配，构件组装要按照工艺流程进行。组装平台用水准仪矫平，保证平台平面度误差在±2 mm范围内，并具有足够的强度和刚度保证在组装过程中不产生过大变形。

4.1 内隔板定位

将一块翼缘板上胎架，从下端坡口处（包含预留现场对接的间隙）开始划线，按每个隔板收缩0.5 mm、主焊缝收缩3 mm均匀分摊到每个间距，然后划隔板组装线的位置，隔板中心线延长到两侧并在两侧的翼板厚度方向中心打上样冲点，见图5。

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图5 箱型柱隔板定位线 4.2 内隔板装配

为保证箱型柱的截面尺寸在B±2.0 mm范围内，采取用内加劲隔板组件来保证，几何尺寸和正确见图6。在隔板组件装配前，对4块已铣边的工艺垫板和加工好坡口的隔板在胎架（隔板组立机）上进行装配，并进行焊接，保证其几何尺寸在允许范围内。考虑到内隔板与箱型柱4大片的焊接均为全熔透的焊接缝，在隔板组装时应考虑2 mm的焊接收缩余量。隔板长度控制在0～2 mm，宽度控制在0～2 mm，对角线偏差控制在±1.0 mm范围内。 4.3 隔板固定

将隔板按已划好的定位线装在下翼缘板上，并点焊固定，为了提高柱子的刚性及抗扭能力，在部分焊透的区域每1.5 mm处设置一块工艺隔板，工艺隔板与4大片采用间断焊接，如图7所示。

图6 隔板组装示意

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图7 内隔板、工艺隔板点焊接示意 4.4 腹板组装

组装两块侧板，在胎架上进行拼装、校正、定位，定位焊的位置应在焊缝的反面。将腹板与翼缘板下端对齐，并将腹板与翼缘板和隔板顶紧，然后装腹板的熔透焊处衬垫板，下侧的垫板应与下翼缘板顶紧，上侧的垫板上端应与部分焊透处钝边齐平。垫板的长度可以任意切割，但须保证全焊透位置下面均有衬垫板以防焊接时铁水流到箱体空间内，如图8所示。

图8 腹板组装示意

当柱本身较长时，为防止腹板组装发生扭曲，可做些定位夹具，如图9所示，最好在箱型梁组立机上组装。

图9 定位夹具示意 4.5 隔板焊接

对隔板进行焊接，隔板与侧板为单面V形坡口留间隙衬垫焊，采用CO2气体保护焊焊接，由于隔板单独焊接时会引起变形拉弯隔板，须在两隔板中间加撑杆固定住，可防止因焊接热输入引起隔板错动，必要时也可在两腹板之间加撑杆，见图10。

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图10 防止隔板焊接变形撑杆示意

对于隔板间距较窄部位，为便于气保焊操作，应在组装时坡口朝外；当隔板又比较密集时，采用先装中间两块隔板，焊好后探伤合格才可从中间向两边依次退着装焊。须保证隔板与腹板的焊接质量，探伤合格后方可盖板。 4.6 装上翼缘板

组装前清理U形口内部的所有杂物，将上翼缘板下端开坡口处对齐，与两腹板压紧，需要注意的是一定要使得上翼缘板与隔板上边靠严（之前应用角尺测平面度以调节隔板上端的工艺垫块在同一水平面上），若留下间隙会使电渣焊接时铁水泄漏从而影响电渣焊质量，最后盖上翼缘板，见图11。

图11 盖上翼缘板

4.7 焊接箱型柱自身纵向焊缝

将坡口内点焊固定，在组装好的箱体两端加设引熄弧板。然后焊接箱型柱自身4条纵向焊缝，焊接前须在焊缝范围内和焊缝外侧面处单边30 mm范围内清除氧化皮、铁锈、油污等。先用气体保护焊焊接全焊透坡口处，当焊透部分的焊缝与部分焊透的根部齐平时再纵向埋弧自动焊，主角焊缝同向对称焊接，以减少扭曲变形，焊接顺序见图12。

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图12 箱型梁主焊缝焊接顺序 注:焊接顺序1→2→3→4。

5 箱型柱焊接

5.1 箱型柱的埋弧自动焊

若焊接坡口填充量较大，如单面全部焊接完会引起箱体变形时，可采用先焊1、2焊缝，焊缝深度达到填充量的一半时，翻过来焊3、4焊缝，待全部焊满后再翻过来将1、2焊缝焊满。这样可使构件受热均匀，抵消焊接变形，一旦发生扭曲变形，矫正变形很困难，因此采用合理的焊接顺序对减少焊接变形至关重要。 5.2 电渣焊

按照翼缘板两侧事先打好的样冲点划线，定出钻孔位置，翻身180°同样划线将电渣焊焊接位置钻孔，清理孔内无杂物。然后移至电渣焊设备处进行电渣焊，两侧槽口应用两台焊机同时焊接。采用丝极电渣焊，根据GB 50661—2011《钢结构焊接规范》参数为:焊接电流380～400 A，焊接电压45～48 V。丝极电渣焊焊接时应注意事项为: 1）电渣焊的夹板隔板组装前必须经过三边刨平处理；

2）为了防止电渣焊气孔发生，一定要在内隔板组装前对电渣焊部位以及焊缝两侧各30 mm的范围对油、锈和污物进行处理；

3）丝极电渣焊采用电渣弧压反馈自动调节系统，彻底解决了电渣焊接中间断弧问题； 4）焊接工艺参数符合焊接工艺评定要求。 5.3 箱型梁焊接变形的控制

箱型柱内隔板的焊接采用热影响区比较小的CO2气体保护焊，按相同的焊接规范参数进行焊接，以有效减少焊接变形。

箱型梁生产线同一隔板采用两台电渣焊机同时施焊，两台电渣焊机的工艺参数基本保持一致，通过合理的工艺参数控制，焊接成型后不会产生过大变形。

埋弧自动焊的坡口焊缝焊接收缩比较大，在坡口方向必须加大4 mm，由于埋弧自动焊接采用两台埋弧自动焊同时对称施焊，不会产生过大扭曲变形。通过评定合格焊接工艺参数和合理的焊接顺序进行控制。

通过合理的焊接顺序控制箱型柱的焊接变形。主要的焊接顺序和焊接原则为:先焊短焊缝、后焊长焊缝；先焊中间焊缝、后焊周边焊缝，先焊主要受力焊缝、后焊次要受力焊缝。

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6 箱型柱的铣端

在箱型柱全部焊接、矫正完毕后，将钢柱放在平台上，用划线检验样杆放线，划线的内容包括:4个面的中心线，上、下铣切或切割线和100 mm检验线，划线经过检验合格后送机加工铣头。

7 总结

通过对箱型柱从下料、组装、焊接到端铣等制作全过程的研究，总结了成熟的箱型柱制作和焊接的全过程，可供生产同类箱型构件制作时参考。

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