CN101259579B - 箱型空间弯扭构件加工制作方法 - Google Patents

Abstract

一种箱型空间弯扭构件加工制作方法，步骤1，分别将上翼缘板、下翼缘板、两侧腹板置于数控模具的上排凸弧形冲头和下排凹弧形冲头之间，采用多冲头无模冲压成形的方法压制成空间弯扭板件；步骤2，先在钢平台上划线，标出胎架定位点，在钢平台上架设高矮不等的胎架；步骤3，将下翼缘板安装放置在胎架上，并与胎架贴合；步骤4，在下翼缘板上定位内隔板位置，将一组内隔板间隔焊接在下翼缘板上；步骤5，在焊接了内隔板的下翼缘板两侧焊接两侧腹板；步骤6，在两侧腹板和内隔板顶部焊接上翼缘板，焊接形成箱型空间弯扭构件。适用于10mm～60mm板厚的箱型空间弯扭构件的工厂制作。

Description

箱型空间弯扭构件加工制作方法

(一)技术领域

本发明涉及一种箱型空间构件的加工制作方法，特别是一种箱型空间弯扭构件的加工制作方法。

(二)背景技术

国家体育场工程为北京“2008”奥运会主会场，其钢结构工程为了编织“鸟巢”的特殊建筑造型，设计时在钢屋盖与立面相交部位(即肩部)全部采用了箱型空间弯扭构件，其截面尺寸基本为1200mm×1200mm，钢板材质涉及Q345C、Q345D、Q345GJD、板厚涉及10～60mm，总用钢量12000多吨。公知的箱型空间弯扭构件加工制作采用传统模具工艺和传统火工弯板工艺。但对于板厚在10mm～60mm的大尺寸箱型空间构件的加工制作，若采用传统模具工艺和传统火工弯板工艺，则会出现焊接不牢、变形较大、误差较多、成本较高、能源消耗大、施工效率低等技术问题，这在国内外尚无成熟的经验可借鉴，成为工程的一个难解问题。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一种箱型空间弯扭构件加工制作方法，主要解决大尺寸箱型空间弯扭构件不易预制加工制作的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种箱型空间弯扭构件加工制作方法，由上翼缘板、下翼缘板、两侧腹板这四块板件组装焊接成型，其特征在于步骤如下：

步骤1，分别将上翼缘板、下翼缘板、两侧腹板置于数控模具凸弧形排列的上排冲头和凹弧形排列的下排冲头之间，采用多冲头无模冲压成形的方法压制成空间弯扭板件。

步骤2，先在钢平台上划线，标出胎架定位点，在钢平台上架设高矮不等的胎架。

步骤3，将下翼缘板安装放置在胎架上，并与胎架贴合。

步骤4，在下翼缘板上定位内隔板的位置，将一组内隔板间隔直立焊接在下翼缘板上。

步骤5，在焊接了内隔板的下翼缘板两侧焊接两侧腹板。

步骤6，在两侧腹板和内隔板顶部焊接上翼缘板，焊接形成箱型空间弯扭构件。

优选的技术方案：上述步骤1中，弯扭板件压制前首先需要进行冲头调平，确定所有冲头的初始零点，并保证其在同一参考平面内，调平时，先将所有冲头的高度调整至一较低数值，保证调平装置的顺利放入，然后将上下冲头群中所有的冲头调整至同一高度，以此高度值作为参考面，确定其基准零点。

上述步骤4中，内隔板与下翼缘板的焊接顺序是自构件中间向两端进行。

上述步骤5中，内隔板与两侧腹板焊接时顺序为由无余量端向有余量端进行，内隔板与两侧腹板之间的左右两条焊缝同时进行，自下而上跳焊焊接，跳焊间距为200mm，焊缝焊接至坡口1/3。

上述步骤6中，内隔板与上翼缘板的焊接顺序是自构件中间向两端进行。

上述内隔板与两侧腹板、下翼缘板焊缝焊接至坡口深度1/3后，将弯扭构件吊至焊接平台上继续焊接，焊接前对弯扭构件进行刚性固定，焊接时，翻转构件采用平角焊，焊接过程中要对构件凹面的弯曲和扭曲尺寸进行测量，弯曲超过8mm，及时对构件翻身，焊接另一侧的焊缝；当扭曲超过15mm，立即停止焊接进行火焰校正。

上述两侧腹板在与上翼缘板和下翼缘板之间的四条主焊缝焊接时，要两条主焊缝同时对称焊接，即由两名焊工先同时焊接下左主焊缝和上右主焊缝、然后同时焊接上左主焊缝和下右主焊缝；焊接过程中要对弯曲和扭曲尺寸进行测量，四条主焊缝距两端口各留100mm左右不焊接，待预拼装合格后焊接。

本发明与现有技术相比具有以下特点和有益效果：本发明根据箱型空间弯扭构件是由四块空间弯扭的板件组装焊接成形的原理，将箱型空间弯扭构件离散成四块空间弯扭的板件，采用多点无模成形技术将平板压制成符合要求的四块空间弯扭板件，然后将这四块空间弯扭板件在胎架上组装焊接形成箱型空间弯扭构件。弯扭板件多点无模成形原理则是将传统的整体模具离散成一系列规则排列、高度可调的基本体(即冲头)，通过对各基本体运动的实时控制，自由地构造出成形面，实现板材的三维曲面成形。本发明先采用多点无模成形方法压制成空间弯扭板件，用数控模具取代传统的整体模具；通过实时控制变形曲面，实现可随意改变板材的变形路径和受力状态，从而扩大加工范围；通过采用分段成形新技术，实现小设备成型大工件；解决了传统制作工艺难以解决的弯扭构件制作难题，节约火工能源消耗，节省设备投入，大大降低了工程生产成本、提高了工程的生产效率。

本发明与传统模具工艺和传统火工弯板工艺进行生产成本费用比较如表1所示。

表1

以国家体育场钢结构工程为例，其箱型弯扭构件总计4000根，总用量约12000吨，则该工程由于采用本发明其生产成本费用节约如下：

相对于传统模具工艺：

(500+1.5×4000×4)-(500+350)＝23650万元。

相对于传统火工弯板工艺：

[(1+0.15+0.072)×4000×4]-(500+350)＝18702万元。

本发明的环保节能效益是十分明显的，以国家体育场钢结构工程为例，其箱型弯扭构件总计4000根，总用量约12000吨，则该工程由于采用本发明导致能源节约如下：

相对于传统模具工艺：

节约模具：4000×4＝16000套。

成本节约：1.5万元/套×16000套＝24000万元。

相对于传统火工弯板工艺：

节约弯支胎架：1万元/套×(4000×4)套＝16000万元。

节约能源消耗：0.15万元/套×16000套＝2400万元。

总成本节约：16000万元+2400万元＝18400万元。

应用本方法历时四个月完成了国家体育场钢结构工程全部大尺寸箱型空间弯扭构件加工任务，实现了全部焊缝自检及第三方检查合格率100％的业绩。

本发明适用于板厚在10mm～60mm范围内材质为Q345、Q345GJ钢的截面尺寸不大于1350mm×1350mm箱型空间弯扭构件的工厂制作；对于其它截面形状和强度等级的弯扭构件制作也可以参照本发明。

(四)附图说明

图1是本发明步骤1弯扭钢板无模成型开始的示意图。

图2是本发明步骤1弯扭钢板无模成型过程的示意图。

图3是本发明步骤1弯扭钢板无模成型结束的示意图。

图4是本发明步骤2胎架的架设示意图。

图5是本发明步骤3下翼缘板安装放置示意图。

图6是本发明步骤4隔板安装示意图。

图7是本发明步骤5两侧腹板安装示意图。

图8是隔板与两腹板焊接顺序示意图。

图9是图8的A-A方向的示意图。

图10是隔板与腹板和下翼板的焊接顺序示意图。

图11是焊接过程测量部位及刚性固定示意图。

图12是本发明步骤6上翼缘板安装示意图。

图13是四条主焊缝焊接顺序示意图。

图14是本发明在国家体育场钢结构工程应用实施例的局部结构示意图。

图中：1-上翼缘板、2-下翼缘板、3-两侧腹板、4-内隔板、5-上排冲头、6-下排冲头、7-钢平台、8-胎架、9-左焊缝、10-右焊缝、11-下左主焊缝、12-上右主焊缝、13-上左主焊缝、14-下右主焊缝。

(五)具体实施方式

这种箱型空间弯扭构件加工制作方法的实施例，由上翼缘板1、下翼缘板2、两侧腹板3这四块板件组装焊接成型，其特征在于步骤如下：

步骤1参见图1-3，分别将上翼缘板、下翼缘板、两侧腹板置于数控模具的凸弧形排列的上排冲头5和凹弧形排列的下排冲头6之间，采用多冲头无模冲压成形的方法压制成空间弯扭板件。采用无模成形工艺进行空间弯扭板件的压制成形时，主要涉及冲头基本体调平、工件加工、大型工件分段成形等工艺内容，其具体操作要点如下：

弯扭板件压制前首先需要进行基本体调平。首先需要进行调平操作，确定所有基本体的初始零点，并保证其在同一参考平面内。调平时，应用控制软件的手动调形功能，将所有基本体的高度调整至一较低数值，保证调平装置的顺利放入。然后选择调平选项，逐行将上下基本体群中所有的基本体调整至同一高度，以此高度值作为参考面，确定其基准零点。分段成形，则需要多次调形、定位和成形，直到整张板材成形完毕。

步骤2参见图4，先在钢平台7上划线，标出胎架定位点，根据设定尺寸在钢平台上架设高矮不等的胎架8。装配胎架可采用可调式胎架，钢平台要求平整度±2mm。具体方法是在钢平台上划出各定位点的二维坐标，先在钢平台上标出弯扭构件的胎架定位点作出标记点，然后再设置胎架。根据给定的坐标设置胎架，胎架间距不大于2000mm，为便于操作最低的支架离地高度为800mm。同时应考虑牛腿的安装空间。

步骤3参见图5，将下翼缘板2安装放置在胎架8上，并与胎架贴合。具体方法是将喷有定位线的弯扭构件的下翼板置于胎架上，调整板件与胎架的贴合度使其控制在2mm内。板件的调整主要通过火焰+机械方法进行，机械方法主要是利用重块、葫芦、千斤顶等工具。

步骤4参见图6，在下翼缘板上定位内隔板4位置，将一组内隔板间隔直立焊接在下翼缘板上。内隔板定位主要是通过下翼板上的喷粉线及内隔板上部的一端点来进行定位，隔板上部的一端点的投影点事先在钢平台上已标出，在装配时通过吊线垂及测标高来确定空间位置，内隔板与下翼缘板垂直。

步骤5参见图7，在焊接了内隔板4的下翼缘板两侧焊接两侧腹板3。两腹板安装以内隔板及下翼板作为定位基准，待各板件之间相互装配贴合后进行定位焊，组装时截面尺寸加4mm的余量。组装定位焊从下翼板的中部开始向两侧进行，局部间隙采用花篮螺丝(板厚≤20)或15-30吨的拉杆式液压千斤调整或采用专用的装配工具进行装配。在下胎架前测量构件两端头之间的相对距离，作为后道焊接工序中的焊接变形的跟踪测量。

步骤6参见图12，在两侧腹板和内隔板顶部焊接上翼缘板1，焊接形成箱型空间弯扭构件。

钢板的回弹量与板厚、成型压力及板件成形后的变形程度有关，钢板回弹性量的取值是否合理直接关系到弯扭板件的成形质量和生产效率。为了保证弯扭板件成形质量和加工效率应采用表2所示的工艺参数。

表2

序号	板厚	参考系数k	回弹系数m	参考成形压力P(MPa)
					1	60	1.0-1.5	2.0	10-15
2	50	1.0-1.5	2.0	9-10
					3	42	1.5-2.0	2.5	7-9

序号	板厚	参考系数k	回弹系数m	参考成形压力P(MPa)
					4	36	1.5-2.0	2.5	7-9
5	30	1.5-2.0	2.5	5-6
					6	25	2.0-2.5	3.0	5-6
7	20	2.0-2.5	3.0	4-5
					8	18	2.0-2.5	3.0	4-5
9	16	2.3-2.5	3.5	3-4
					10	14	2.5-3.0	3.5	3-4
11	12	2.5-3.0	3.5	2-3
					12	10	2.5-3.0	3.5	2-3

参见图8、图9，上述内隔板与两侧腹板焊接时顺序为由无余量端向有余量端进行，内隔板与两侧腹板之间的左焊缝9和右焊缝10同时进行，自下而上跳焊焊接，跳焊间距为200mm，焊缝焊接至坡口1/3。每块隔板的焊接方法相同。

参见图10，整体焊接顺序为由构件中间向两端进行，焊缝焊接至坡口1/3。

焊接平台上弯扭构件的焊接参见图11，内隔板与两侧腹板、下翼缘板焊缝焊接至坡口深度1/3后，将U型弯扭构件吊至焊接平台上继续焊接。焊接前对U型弯扭构件进行刚性固定。焊接时，翻转构件采用平角焊，焊接过程中要对构件凹面的AC，BD(弯曲)，AD，BC(扭曲)等尺寸进行测量；当AC或BD(弯曲)超过8mm，应及时对构件翻身，焊接另一侧的焊缝；当AD或BC(扭曲)超过15mm，立即停止焊接进行火焰校正，并调整加强体的连接位置。

参见图13，上述两侧腹板与上翼缘板和下翼缘板之间的四条主焊缝焊接时，要两条主焊缝同时对称焊接，即由两名焊工先同时焊接下左主焊缝11和上右主焊缝12、然后同时焊接上左主焊缝13和下右主焊缝14；焊接过程中要对弯曲和扭曲尺寸进行测量，四条主焊缝距两端口各留100mm左右不焊接，待预拼装合格后焊接。

Claims (7)

1.一种箱型空间弯扭构件加工制作方法，由上翼缘板(1)、下翼缘板(2)、两侧腹板(3)这四块板件组装焊接成型，其特征在于步骤如下：

步骤1，分别将上翼缘板、下翼缘板、两侧腹板置于数控模具凸弧形排列的上排冲头(5)和凹弧形排列的下排冲头(6)之间，采用多冲头无模冲压成形的方法压制成空间弯扭板件；

步骤2，先在钢平台(7)上划线，标出胎架定位点，在钢平台上架设高矮不等的胎架(8)；

步骤3，将下翼缘板(2)安装放置在胎架(8)上，并与胎架贴合；

步骤4，在下翼缘板上定位内隔板(4)的位置，将一组内隔板间隔直立焊接在下翼缘板上；

步骤5，在焊接了内隔板(4)的下翼缘板两侧焊接两侧腹板(3)；

步骤6，在两侧腹板和内隔板顶部焊接上翼缘板(1)，焊接形成箱型空间弯扭构件。

2.根据权利要求1所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述步骤1中，弯扭板件压制前首先需要进行冲头调平，确定所有冲头的初始零点，并保证其在同一参考平面内，调平时，先将所有冲头的高度调整至一较低数值，保证调平装置的顺利放入，然后将上下冲头群中所有的冲头调整至同一高度，以此高度值作为参考面，确定其基准零点。

3.根据权利要求1所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述步骤4中，内隔板与下翼缘板的焊接顺序是自构件中间向两端进行。

4.根据权利要求3所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述步骤5中，内隔板与两侧腹板焊接时顺序为由无余量端向有余量端进行，内隔板与两侧腹板之间的左右两条焊缝同时进行，自下而上跳焊焊接，跳焊间距为200mm，焊缝焊接至坡口1/3。

5.根据权利要求4所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述步骤6中，内隔板与上翼缘板的焊接顺序是自构件中间向两端进行。

6.根据权利要求5所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述内隔板与两侧腹板、下翼缘板焊缝焊接至坡口深度1/3后，将弯扭构件吊至焊接平台上继续焊接，焊接前对弯扭构件进行刚性固定，焊接时，翻转构件采用平角焊，焊接过程中要对构件凹面的弯曲和扭曲尺寸进行测量，弯曲超过8mm，及时对构件翻身，焊接另一侧的焊缝；当扭曲超过15mm，立即停止焊接进行火焰校正。

7.根据权利要求5所述的箱型空间弯扭构件加工制作方法，其特征在于：上述两侧腹板在与上翼缘板和下翼缘板之间的四条主焊缝焊接时，要两条主焊缝同时对称焊接，即由两名焊工先同时焊接下左主焊缝(11)和上右主焊缝(12)、然后同时焊接上左主焊缝(13)和下右主焊缝(14)；焊接过程中要对弯曲和扭曲尺寸进行测量，四条主焊缝距两端口各留100mm左右不焊接，待预拼装合格后焊接。

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