​结构件质量影响因素分析

结构件是目前主机产品及建筑工程中的重要组成部分，是具有一定形状，并能够承受载荷的实体。从定义可以看出，承受载荷是其基本属性之一，因此结构件成品质量的好坏对其所在的整体的性能、强度起到重要影响。依据经验，影响其性能的因素主要有三点：①原材料：由于结构件多使用型材或者异型材，此类材料在加工过程中，本身经过一次变形加工，材料本身内部存在应力，经过外界温度变化等时效影响后，本身会发生变形，可能导致整体结构的变形；②对接方式：结构件均是由多件型材或钣金件对接而成，其主受力方式不同，要采取不同的对接方式，借用材料本身的截面系数来提高其承重或者抗变形能力。③焊接变形：传统的焊接方式往往会导致成品出现热变形，导致产品本身的性能发生改变，这就需要通过采取措施来减少焊接热变形的发生。以下将从上述三方面进行分析。原材料目前国内型材的主要加工方式为两种，以下分别进行说明。一种是使用带钢经过辊压后形成所需的截面形状，之后经过高频焊接得到所需要的型材。此种成形方式是指通过对原材料（一般指带钢）进行开卷，经过辊压成形后得到所需规格的型材，直接成方形、矩形或异形管。该工艺流程如图1所示：图1辊压成形工艺流程此种成形方式又分为两种类型，一种是带钢直接成形为所需截面的型材，即逐道成形；二是带钢先成形为圆管，之后利用辊压模具将成形后的圆管辊压成所需要截面的型材，即二次成形。二次成形整体工艺流程与逐道成形一致，只是在辊压整形后增加二次成形工序，与逐道成形相比，虽然工艺层级增加，但是同等尺寸精度下所需辊压模具总架数相比逐道成形来说要少，可以节约一部分的模具费用。但是另一方面，带钢经过圆管、方管两次塑性变形后，最终型材的内部应力会增大。相比逐道成形来说，可能会出现两方面的质量问题对使用产生影响：①型材经过长时间存放后，内部应力释放，造成型材弯曲，影响使用；②由于内部应力的存在，在后期加工过程时，管材变形会使应力一定程度释放，最终可能出现同一加工参数下，零件的状态不一致，存在差异的现象。同时，金属材料普遍存在加工硬化现象，随着冷作变形程度的增加，金属材料的强度和硬度指标都有所提高，但是塑性、韧性有所下降，带钢经过两次变形后，材料的力学性能变化与逐道成形相比，不稳定性会升高，也会对最终零件的一致性造成影响。另一种是拉拔成形，其所使用的材料均为不同孔径的圆管，经过拉拔模具得到所需要的型材，加工前后材料外圆周长相等，需要注意的是拉拔所用的圆管也是使用带钢辊压成形的方式加工。与逐道成形和二次成形不同，拉拔工艺是指在外力作用下，迫使金属坯料通过预设模具，以获得与模具外形相一致的制品的塑性加工方法。拉拔时金属的变形流动与挤压相似，但是其变化比挤压时简单，金属流动的不均匀性也比挤压时小。该工艺特点为外径变化但是总的周长不变，需要注意的是，外径变化过程中，壁厚根据外径与壁厚比值的不同会有所增减。当减径量比较大时，管材内壁会变得比较粗糙。与逐道成形和二次成形相比，拉拔工艺所需要的设备和模具均相对简单，操作维护方便，但是需要额外增加酸洗、退火、时效处理等表面处理工序，以去除加工过程中材料内部产生的内应力，并且由于内应力释放产生的变形不可控，往往需要二次、多次拉拔才能最终得到所需要的制品。生产效率相对较低，不能实现连续生产，同时拉拔由于夹头的存在，每根型材的端头均需要进行去除，会产生一定的材料浪费。上述是常见的三种不同加工方式，其最终所形成的型材虽然外观尺寸差异不大，但是内部性能差异明显，需要根据具体需求进行选取，例如如果仅仅是用作支撑，不进行二次加工，选取拉拔成形的型材，不仅材料强度高，加工费用也相对较低；如果后期需要使用型材加工成其他形状，如弯梁等带有变形的产品，建议选取采用辊压成形的方式加工的原材料，此种加工方式最终的材料内部应力相对较小，加工成零件或者产品后产生的变形相对较小，成品一致性相对较好。常见的几种结构件对接方式各种结构件往往是由多件零件对接焊接而成，对接方式对其最终的性能也会产生影响。对接方式不合理，会无法合理利用材料本身的刚性，导致性能的下降。以下进行举例说明：⑴三个面拐角对接时，框架式结构采用此种方式交过，如果主要受力方向为水平面，如厂房等，建议选取垂直方向上钢梁作为支撑点，其余两边的钢梁连接面均在作为支撑点的钢梁上，水平方向上两根边梁直接与立梁对接，当水平方向上受到外作用力后，力经过水平方向的梁传导作用在立梁上，立梁的边可以作为一个支撑面，水平方向上的梁同样可以起到支撑作用，这样可以充分利用材料本身的强度，降低整体结构在水平面方向上的变形，如图2箭头所示。图2两根边梁直接与立梁对接⑵两根竖梁之间的对接有两种方式，为便于说明，选取带有形状的结构进行分析。如图3所示状态，两根立梁之间使用一根横梁进行连接，但是横梁在两根立梁的外侧，此时水平方向上受到力后，只能靠焊接焊缝位置的强度来保证，焊缝强度如果不足会产生脱焊，横梁本身的刚性无法起到明显的支撑作用。图3两根边梁直接与立梁对接图4所示为另外一种连接方式，横梁在两件竖梁之间，横梁支撑点在两件竖梁相对面上，此时整体结构受到水平方向力后，横梁本身的刚性和焊接处焊缝强度均可以作为整体结构的支撑，并且横梁本身的刚性得到充分利用，整体结构的刚性可以得到有效的提升。图4两根立梁之间使用一根横梁进行连接垂直方向上连接结构类似，尽可能的使材料本身的刚性参与到整体结构的刚性支撑中，避免单纯的依靠焊缝强度来保证整体结构的刚性。焊接变形焊接属于热加工，利用电流产生的瞬间高温使钢材发生熔融，使零件粘接在一起。此种方式加工后连接处强度高，但是由于高温，使材料内部的应力平衡被打破，将会使结构件发生变形，并且随着时间的持续，变形会逐步发生，直至达到新的平衡，且此种现象不可避免。⑴利用夹具进行固定：在焊接前使用刚性不低于所加工零件的材料制作定位夹具，将所需焊接的所有零件的空间位置进行固定，在实现零件位置尺寸精确的同时，通过夹具上夹紧器将零件位置和外形进行固定，利用夹具本身的刚性控制焊接过程中零件的变形。如图5所示，利用U形固定块，夹紧器等将零件固定后进行焊接。图5固定后进行焊接此种方式虽然焊接后产品变形量小，但是各个零部件内部存在较大的内应力，长时间在外存放或者露天环境中会受到时效影响，长时间后可能会发生变形。⑵反变形法：与冲压调整回弹的原理类似，对需要进行焊接的结构件进行分析，依据经验提前预判其变形方向和变形程度，在焊接的过程中，将零件往变形相反的方向进行焊接，利用焊接后的变形量使结构件达到需要的尺寸。此种方式的缺点是全过程依据操作人员的经验进行控制，无法做到精确控制，适用于对尺寸要求不高或者不进行配合安装的产品。⑶提前点定后焊接：在焊接前，将零件位置确定后，先在部件连接处进行点焊，原理同使用夹具类似，利用焊点将零件外形固定，之后进行焊接，利用焊点的强度来控制零件的热变形。此种方式由于需要进行提前点定，工作量较大。⑷确定合理的焊接顺序：焊接过程中，每道焊缝引起的变形量一般不能相互抵消，最后的变形方向总和最先焊的焊缝引起的变形方向相一致。利用此现象，可以确定焊接顺序以达到降低焊接变形的目的。结束语本文通过从原材料、构件对接方式和焊后变形解决措施三方面对钢结构件的生产、加