?結構件質量影響因素分析

結構件是目前主機產品及建筑工程中的重要組成部分，是具有一定形狀，并能夠承受載荷的實體。從定義可以看出，承受載荷是其基本屬性之一，因此結構件成品質量的好壞對其所在的整體的性能、強度起到重要影響。依據(jù)經驗，影響其性能的因素主要有三點：①原材料：由于結構件多使用型材或者異型材，此類材料在加工過程中，本身經過一次變形加工，材料本身內部存在應力，經過外界溫度變化等時效影響后，本身會發(fā)生變形，可能導致整體結構的變形；②對接方式：結構件均是由多件型材或鈑金件對接而成，其主受力方式不同，要采取不同的對接方式，借用材料本身的截面系數(shù)來提高其承重或者抗變形能力。③焊接變形：傳統(tǒng)的焊接方式往往會導致成品出現(xiàn)熱變形，導致產品本身的性能發(fā)生改變，這就需要通過采取措施來減少焊接熱變形的發(fā)生。以下將從上述三方面進行分析。原材料目前國內型材的主要加工方式為兩種，以下分別進行說明。一種是使用帶鋼經過輥壓后形成所需的截面形狀，之后經過高頻焊接得到所需要的型材。此種成形方式是指通過對原材料（一般指帶鋼）進行開卷，經過輥壓成形后得到所需規(guī)格的型材，直接成方形、矩形或異形管。該工藝流程如圖1所示：圖1輥壓成形工藝流程此種成形方式又分為兩種類型，一種是帶鋼直接成形為所需截面的型材，即逐道成形；二是帶鋼先成形為圓管，之后利用輥壓模具將成形后的圓管輥壓成所需要截面的型材，即二次成形。二次成形整體工藝流程與逐道成形一致，只是在輥壓整形后增加二次成形工序，與逐道成形相比，雖然工藝層級增加，但是同等尺寸精度下所需輥壓模具總架數(shù)相比逐道成形來說要少，可以節(jié)約一部分的模具費用。但是另一方面，帶鋼經過圓管、方管兩次塑性變形后，最終型材的內部應力會增大。相比逐道成形來說，可能會出現(xiàn)兩方面的質量問題對使用產生影響：①型材經過長時間存放后，內部應力釋放，造成型材彎曲，影響使用；②由于內部應力的存在，在后期加工過程時，管材變形會使應力一定程度釋放，最終可能出現(xiàn)同一加工參數(shù)下，零件的狀態(tài)不一致，存在差異的現(xiàn)象。同時，金屬材料普遍存在加工硬化現(xiàn)象，隨著冷作變形程度的增加，金屬材料的強度和硬度指標都有所提高，但是塑性、韌性有所下降，帶鋼經過兩次變形后，材料的力學性能變化與逐道成形相比，不穩(wěn)定性會升高，也會對最終零件的一致性造成影響。另一種是拉拔成形，其所使用的材料均為不同孔徑的圓管，經過拉拔模具得到所需要的型材，加工前后材料外圓周長相等，需要注意的是拉拔所用的圓管也是使用帶鋼輥壓成形的方式加工。與逐道成形和二次成形不同，拉拔工藝是指在外力作用下，迫使金屬坯料通過預設模具，以獲得與模具外形相一致的制品的塑性加工方法。拉拔時金屬的變形流動與擠壓相似，但是其變化比擠壓時簡單，金屬流動的不均勻性也比擠壓時小。該工藝特點為外徑變化但是總的周長不變，需要注意的是，外徑變化過程中，壁厚根據(jù)外徑與壁厚比值的不同會有所增減。當減徑量比較大時，管材內壁會變得比較粗糙。與逐道成形和二次成形相比，拉拔工藝所需要的設備和模具均相對簡單，操作維護方便，但是需要額外增加酸洗、退火、時效處理等表面處理工序，以去除加工過程中材料內部產生的內應力，并且由于內應力釋放產生的變形不可控，往往需要二次、多次拉拔才能最終得到所需要的制品。生產效率相對較低，不能實現(xiàn)連續(xù)生產，同時拉拔由于夾頭的存在，每根型材的端頭均需要進行去除，會產生一定的材料浪費。上述是常見的三種不同加工方式，其最終所形成的型材雖然外觀尺寸差異不大，但是內部性能差異明顯，需要根據(jù)具體需求進行選取，例如如果僅僅是用作支撐，不進行二次加工，選取拉拔成形的型材，不僅材料強度高，加工費用也相對較低；如果后期需要使用型材加工成其他形狀，如彎梁等帶有變形的產品，建議選取采用輥壓成形的方式加工的原材料，此種加工方式最終的材料內部應力相對較小，加工成零件或者產品后產生的變形相對較小，成品一致性相對較好。常見的幾種結構件對接方式各種結構件往往是由多件零件對接焊接而成，對接方式對其最終的性能也會產生影響。對接方式不合理，會無法合理利用材料本身的剛性，導致性能的下降。以下進行舉例說明：⑴三個面拐角對接時，框架式結構采用此種方式交過，如果主要受力方向為水平面，如廠房等，建議選取垂直方向上鋼梁作為支撐點，其余兩邊的鋼梁連接面均在作為支撐點的鋼梁上，水平方向上兩根邊梁直接與立梁對接，當水平方向上受到外作用力后，力經過水平方向的梁傳導作用在立梁上，立梁的邊可以作為一個支撐面，水平方向上的梁同樣可以起到支撐作用，這樣可以充分利用材料本身的強度，降低整體結構在水平面方向上的變形，如圖2箭頭所示。圖2兩根邊梁直接與立梁對接⑵兩根豎梁之間的對接有兩種方式，為便于說明，選取帶有形狀的結構進行分析。如圖3所示狀態(tài)，兩根立梁之間使用一根橫梁進行連接，但是橫梁在兩根立梁的外側，此時水平方向上受到力后，只能靠焊接焊縫位置的強度來保證，焊縫強度如果不足會產生脫焊，橫梁本身的剛性無法起到明顯的支撐作用。圖3兩根邊梁直接與立梁對接圖4所示為另外一種連接方式，橫梁在兩件豎梁之間，橫梁支撐點在兩件豎梁相對面上，此時整體結構受到水平方向力后，橫梁本身的剛性和焊接處焊縫強度均可以作為整體結構的支撐，并且橫梁本身的剛性得到充分利用，整體結構的剛性可以得到有效的提升。圖4兩根立梁之間使用一根橫梁進行連接垂直方向上連接結構類似，盡可能的使材料本身的剛性參與到整體結構的剛性支撐中，避免單純的依靠焊縫強度來保證整體結構的剛性。焊接變形焊接屬于熱加工，利用電流產生的瞬間高溫使鋼材發(fā)生熔融，使零件粘接在一起。此種方式加工后連接處強度高，但是由于高溫，使材料內部的應力平衡被打破，將會使結構件發(fā)生變形，并且隨著時間的持續(xù)，變形會逐步發(fā)生，直至達到新的平衡，且此種現(xiàn)象不可避免。⑴利用夾具進行固定：在焊接前使用剛性不低于所加工零件的材料制作定位夾具，將所需焊接的所有零件的空間位置進行固定，在實現(xiàn)零件位置尺寸精確的同時，通過夾具上夾緊器將零件位置和外形進行固定，利用夾具本身的剛性控制焊接過程中零件的變形。如圖5所示，利用U形固定塊，夾緊器等將零件固定后進行焊接。圖5固定后進行焊接此種方式雖然焊接后產品變形量小，但是各個零部件內部存在較大的內應力，長時間在外存放或者露天環(huán)境中會受到時效影響，長時間后可能會發(fā)生變形。⑵反變形法：與沖壓調整回彈的原理類似，對需要進行焊接的結構件進行分析，依據(jù)經驗提前預判其變形方向和變形程度，在焊接的過程中，將零件往變形相反的方向進行焊接，利用焊接后的變形量使結構件達到需要的尺寸。此種方式的缺點是全過程依據(jù)操作人員的經驗進行控制，無法做到精確控制，適用于對尺寸要求不高或者不進行配合安裝的產品。⑶提前點定后焊接：在焊接前，將零件位置確定后，先在部件連接處進行點焊，原理同使用夾具類似，利用焊點將零件外形固定，之后進行焊接，利用焊點的強度來控制零件的熱變形。此種方式由于需要進行提前點定，工作量較大。⑷確定合理的焊接順序：焊接過程中，每道焊縫引起的變形量一般不能相互抵消，最后的變形方向總和最先焊的焊縫引起的變形方向相一致。利用此現(xiàn)象，可以確定焊接順序以達到降低焊接變形的目的。結束語本文通過從原材料、構件對接方式和焊后變形解決措施三方面對鋼結構件的生產、加