圆筒柱制作焊接技术

徐文敏 丁一峰 邹文敏

（冠达尔钢结构（江苏）有限公司，南通 226100）

摘要：钢结构素有“绿色建筑”之称，近年来钢结构因其自重轻，抗震性能好，施工周期短和材料可以回收利用等优点，在我国各个行业中的得到了迅猛的发展。目前高层建筑的外框钢柱越来越多选择圆筒结构形式，圆筒柱在截面特性方面优于箱型、十字型、BH型，所以越来越多的得到设计的认可，但是在圆筒卷圆及内部十字型组件、T型组件与筒体装配、焊接变形控制则至关重要。文章将以重庆瑞安大厦项目外框圆筒柱为载体，讲述厚板卷圆及焊接变形控制技术。

关键词：卷圆；焊接变形控制 0 引言

重庆瑞安大厦地处重庆市化龙桥片区，设计为一幢高398米的98层超高大厦“嘉陵帆影”，建成后将为西部第一高楼，项目于2008年底开工。项目地下室外框柱都为圆筒柱结构形式，圆筒体板厚70mm，并且十字型组件、T型组件的板厚也达到30~50mm，这对厚板卷圆提出较高要求，卷圆前的预弯和卷圆后的回弹为两个重要控制点；同时十字型组件、T型组件与圆筒体的装配顺序及焊接变形过程控制为质量的控制点。

外框圆筒柱示意图

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十字型组件 T型组件 牛腿 圆筒体 1 圆筒体卷圆

1.1 预弯剩余直边：卷圆时平板两端各有一段长度由于接触不到上辊而不发生弯曲，称为剩余直边，工艺上将平板开始弯曲的最小力臂叫做理论剩余直边，其大小与设备结构及其弯曲形式(对称弯曲，不对称弯曲)有关，见下图。

设备 弯曲形式 剩余直边 三辊 （1.5~2.5）t 卷板机 不对称弯曲 四辊 （1~2）t 上表中t为板厚，mm；不对称弯曲状态为上辊中心线偏离下辊中心线时的弯曲。 采用水平下调式三辊卷板机（W11S-100*3000）进行预弯。预弯步骤： 1.1.1 根据预弯直边系数在板端打上洋冲点。（洋冲点位置为预压的基准） 1.1.2 上辊在板端样冲点附近下压（每次10mm），滚压至板端样冲点处，回滚一定的距离，再回滚至板端样冲点附近下压。

1.1.3 重复2）步骤内容（注意：每次回滚的距离较上次略小），如此循环往复，直至板端洋冲点附近一段按成型预弯到位。 1.2几何作图法模拟预弯过程：

1.2.1 机器参数：上辊810mm，下辊430mm，两个下辊中心距离900mm，上辊可以偏离中心最大值为200mm。

1.2.2几何模拟剩余直边：详见下图。（注：图例中钢板厚度为70mm）

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上图为几何模拟下压30mm（即压制3次，每次10mm）后剩余直边为196mm，再经过2次下压、滚压后将会达到最短的直边2.5t=2.5*70=175mm，符合要求。 1.3 回弹系数：对于大直径圆筒、高合金材料的圆筒，采用冷卷时必须施加一定的过卷量，也就是说，必须考虑回弹，将规定的筒体适当卷小，在过卷量达到后，还应在此曲率下来回多卷几次。由材料力学可知，板材在卷板机上卷圆变形时，其回弹大小取决于材料的弹性模量、屈服极限、卷筒直径和板厚四个因素。但板材材料确定后，弹性模量和屈服极限就成为定值，故回弹前筒体内径R只与被卷筒内径和板厚有关。基于这些原理，经过文献确定下式：

1 R

=

1Rm

+ ①

r

σb1

)6

1

M=

bh²×(σs+

4

②

I=

bh³12

③

Rm=

EIM

=

hE(σs+

3

σb1

)6

④

综上①、②、③、④公式推导出⑤：

R=

hEr3(σs+

σb1

)r+hE6

⑤

式中r为加工工件曲率半径，mm；σs为材料屈服极限，MPa；E为弹性模量，MPa；h为板厚，mm；b为板宽，mm ；σb1为变形量的材料屈服极限；Rm为材料回弹半径，mm；M为外负荷弯曲力矩，N•m；I为轧件惯性矩，cm4。 为方便计算，利用ECXEL编写简易函数，能方便计算各板厚、各半径的回弹前半径，给实际操作提供有效的理论数据支撑。

注：表中板厚为70mm，材料为Q345BGJC，圆筒外径Φ2800mm，带*为所求回弹前半径。

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2 T型组件、十字组件与筒体装配顺序及焊接变形控制

2.1 装配顺序：对于结构复杂构件，在装配时尽量先进行小件组装焊接，只有将每个小组装焊接变形进行有效控制，这样才能有效的保证整体总装的精度和效率。 详见制作流程图：

2.1.1 装配顺序的原理：

2.1.1.1在将T型组件装焊与圆筒时，每根T型构件都是的，焊接变形不会相

互影响；同时单根T型焊接时对圆筒圆周度的偏差不大，偏差可以通过火矫进行。 2.1.1.2 在将十字型构件装焊于圆筒时，将会与T型构件形成一个整体，但是焊接变形不会影响T型构件和圆筒体的相对位置关系，焊接收缩变形也不会引起T

型构件翼板的偏移，有利于现场两筒节对接时T型组件与十字型组件的错边控制。 2.2 焊接变形控制措施：焊接变形控制工艺措施是指在焊接构件生产制造过程中

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所采用的一系列措施，将其分为焊前预防措施、焊接过程中的控制措施和焊后矫正措施。

2.2.1 焊前预防措施。

合理的装配顺序及装配所采用的辅助工艺措施将有效的减少焊接变形。 2.2.1.1 在制作T型组件过程中，可以采用两块翼板背靠背制作，然后在翼板上加装工艺卡玛，这样能相互抵消T接焊缝对翼板造成的变形；同时在翼板与腹板加装工艺三角筋板，也可以减少焊接产生的角变形。

2.2.1.2 在制作十字型构件时，还要加装工艺斜撑能有效的防止焊接角变形，确保截面尺寸。

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工艺卡马

工艺三角筋板 工艺斜撑

2.2.1.3在将T型构件和十字型构件装入圆筒体时采用的工艺圆弧板及工艺斜撑能分别有效控制圆筒端部的圆度及T型构件翼板的角变形。

工艺圆弧板

2.2.2 焊接过程中的控制措施。

2.2.2.1 T形接头焊接后引起翼板角变形数值大小Δ与构件的宽度（B）、翼板厚度（T）、焊缝尺寸（S）有关，经验计算公式：

滚轮架 工艺斜撑

Δ=

0.2×B×S¹͘͘³

T²

⑥

根据上述经验公式，可以定量计算出T型接头焊接后翼板伸出段的角变形数值，可以给生产部门充足的数据支撑，然后根据相应的工艺控制措施，以减少矫正次数和矫正工作量。

2.2.2.1.1反变形法：根据的计算数值可适当预制反变形，以抵消焊接角变形。具体操作需要根据装配尺寸和油压机的工装特点。

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2.2.2.1.2角变形平衡法：通过合理的背靠背装配，加上辅助的工艺装备，将有效的平衡两个T型组件的焊接翼板角变形。式，还可以确定S值越小，变形数值大小Δ越小，所以对于厚板采用双面坡口全熔透的焊缝形式，加强焊高数值小能有效的减少翼板角变形。

2.2.2.2 十字型构件在焊接时为了控制焊接变形，需要按图纸的要求焊接，焊接时应同向，同规范焊接。T型钢坡口两侧焊缝宜同时焊接，构件较长时，应采用分段退焊的方法，以防过大的焊接变形。如下图所示： 焊接顺序：

2.2.2.3 T型构件与圆筒柱的焊接形式原先采用单面破口衬垫焊，在焊接过程中两边的焊接线能量差距大，将导致圆筒有较大的变形。

2.2.2.3.1 熔焊时由焊接能源输入给单位长度焊缝上的热量，称为焊接线能量。 线能量的计算公式：

q=

IUυ

⑦

式中：I—焊接电流 A； U—电弧电压 V； υ—焊接速度 cm/s；q—线能量 J/cm；根据公式得知，对于厚板可进行多道焊接、这样能减少每道焊缝的填充量，加快每道焊接速度，减少焊接线能量，能有效控制焊接热变形。

2.2.2.3.2 采用双面坡口焊接，有两点优势：①焊接填充量少；②两边同时焊接线能量差距小，两边应力可以相互抵消，减小焊接变形。

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坡口形式 截面面积(mm²) 填充量计算(mm³) 单面坡口（35°） 双面坡口（2t/5 45°;3t/5 35°钝边2mm） S1 (3.5t²+t)/8 V1=S1×L S2 61.7 t²/200 V2=S2×L 上表中L为焊缝长度，mm；对比S1和S2得知，V1＞V2，得知单面坡口形式的焊丝填充量多余双面坡口形式。 2.2.3焊后矫正措施。

2.2.3.1 机器矫正措施，对于T型构件可以通过油压机矫正翼板平整度。

2.2.3.2 火焰加热矫正措施，对于无法进行装夹、或者无法依靠机器矫正的角变形，则使用火焰矫正。利用热胀冷缩的原理在变形另一侧进行火焰加热，对于低合金高强钢加热温度不超过850℃，需在空气中缓冷，逐步观察每次矫正量，可进行多次操作，直至构件符合公差要求。

3 结语

在圆筒柱制作时，需要有效的控制卷圆的质量，保证圆度和直径，这就需要

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综合卷圆机性能、钢板的材质和厚度、操作者的经验等多方面考虑。同时在圆筒体内焊接T型构件与十字型构件时需要严格控制焊接变形，需通过多层次、多步骤进行，将变形减小至最低限度，减少矫正工作量，提高效率和产品的质量。

作者简介：徐文敏，男，19## 年生，高级工程师，冠达尔钢结构（江苏）有限公司总工程师。主要从事钢结构加工和施工技术研究。

丁一峰，男，19## 年生，高级工程师，冠达尔钢结构（江苏）有限公司技术质量。主要从事钢结构加工工艺技术研究。 邹文敏，男，1986 年生，助理工程师，冠达尔钢结构（江苏）有限公司。主要从事钢结构加工工艺技术研究。

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