一种钢结构对接焊接调整装置

本发明涉及钢结构施工及焊接工装，具体涉及一种用于大型钢梁、钢柱、钢管桩等钢构件现场对接焊接前多自由度精确定位、自适应夹持及姿态锁定的一种钢结构对接焊接调整装置。

背景技术：

1、在超高层建筑、大跨度空间场馆、跨海桥梁及海洋石油平台等大型钢结构工程施工中，钢梁、钢柱、箱型柱及钢管桩等构件的现场对接焊接是决定结构整体承载力、抗震性能与安全寿命的核心工序。对接焊缝通常要求达到国家标准《钢结构工程施工质量验收标准》（gb 50205-2020）中一级全熔透焊缝质量标准（如错边量必须满足δ≤0.1t且≤2.0 mm的验收极限要求，其中t为较薄母材厚度）。而在高标准焊接工艺规程（wps）及重大工程实操中，焊前对接对中精度要求更为苛刻，通常要求将错边量控制在1.0mm以内，根部对接间隙需均匀保持在2.0mm～6.0mm的设定工艺区间内。

2、现有技术中，大型钢构件现场对接调整主要依赖千斤顶、手拉葫芦、撬棍、楔铁及临时码板等简易工具配合人工拉线或磁力线坠进行。上述传统对接方式存在以下极其显著的技术缺陷：

3、第一，多自由度调节相互耦合，对中精度难以稳定控制。大型钢构件单件自重通常在5吨至30吨之间，传统简易工具缺乏多轴向独立的精确平移与旋转调节机制。根据机构学自由度约束分析，在调节竖向高度高差时，由于重力分力与导向摩擦力的存在，极易在横向及纵向产生非期望的侧向耦合位移。这种自由度之间的机械耦合导致现场操作需要进行多轴向反复撬动与迭代校正，对中过程繁琐且错边量难以稳定控制在1.0mm以内。

4、第二，刚性夹具与异形表面呈点/线接触，局部赫兹应力过大。建筑工程中的钢构件截面形式繁多，涵盖工字形翼缘、圆管弧面及箱型折角。传统焊接夹具多为刚性结构，缺乏姿态自适应偏转能力。根据赫兹接触应力（hertzian contact stress）理论，当刚性平面夹块与弧面或倾斜翼缘接触时，接触区域仅为理论线接触或点接触，接触面积极小。在数吨的夹紧力作用下，局部接触压应力极易突破钢材（如q345b）的屈服强度极限（345mpa），导致构件母材表面产生永久性局部凹陷压痕；同时，点/线接触的摩擦约束力不足，在施焊重载下极易发生相对打滑。

5、第三，缺乏防松锁定机制，焊接热应力及振动易引发姿态二次偏移。钢构件对接定位焊及全缝焊接过程中，电弧产生的不均匀热输入会在焊缝区域产生巨大的局部热膨胀与冷却收缩应力，结合焊接施工过程中的机械振动，极易导致已校正的锁紧机构发生螺纹松退，造成焊前已调好的姿态发生二次偏移。

6、因此，亟需设计一种能够实现空间多方向独立解耦调节、能够自动贴合多种复杂截面形状以降低接触应力、且具备刚性防松锁定能力的一种钢结构对接焊接调整装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种钢结构对接焊接调整装置，以解决现有技术中钢构件对接调整多轴耦合、刚性夹具接触应力过大易损伤母材以及焊接过程中锁紧机构易松退偏移的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种钢结构对接焊接调整装置，包括底座，所述底座上沿纵向间隔设置有第一承载座和第二承载座，所述第一承载座和所述第二承载座分别用于承载待对接的两段钢构件；每个所述承载座与所述底座之间均设置有三向调节机构，所述三向调节机构用于驱动对应的承载座沿竖向、横向和纵向独立位移；每个所述承载座上均设置有夹持组件，所述夹持组件包括两个相对设置的夹持臂以及驱动两个所述夹持臂同步相向或背向移动的双向丝杠，所述双向丝杠的两端分别具有旋向相反的第一螺纹段和第二螺纹段；每个所述夹持臂的末端通过球铰连接有自适应夹持头，所述自适应夹持头能够绕所述球铰的中心自由偏转以贴合待夹持钢构件的外表面；所述三向调节机构的各调节方向上均设置有锁紧机构。

4、进一步地，所述三向调节机构包括自下而上依次设置的竖向调节组件、横向调节组件和纵向调节组件；所述竖向调节组件设置于所述底座上，所述横向调节组件设置于所述竖向调节组件的升降输出端，所述纵向调节组件设置于所述横向调节组件的平移输出端，对应的所述承载座固定于所述纵向调节组件的平移输出端上。

5、进一步地，所述竖向调节组件包括固定于所述底座上的至少两根导向立柱、滑动套设于所述导向立柱上的升降台以及驱动所述升降台沿所述导向立柱升降的竖向丝杠副；所述横向调节组件固定于所述升降台的上表面；所述横向调节组件包括横向滑座、设置于所述横向滑座内的横向导轨、滑动设置于所述横向导轨上的横向滑台以及驱动所述横向滑台平移的横向丝杠；所述纵向调节组件设置于所述横向滑台上，所述纵向调节组件包括纵向滑座、设置于所述纵向滑座内的纵向导轨、滑动设置于所述纵向导轨上的纵向滑台以及驱动所述纵向滑台平移的纵向丝杠。

6、进一步地，所述球铰包括固定于所述夹持臂末端的球头座和与所述球头座球面配合的球头，所述球头与所述自适应夹持头固定连接；所述球头座的开口边缘设置有环形锥面限位挡唇，限制所述自适应夹持头绕所述球铰的偏转角度范围为-15°～+15°。

7、进一步地，所述自适应夹持头靠近待夹持钢构件的一侧面上开设有t型快换槽，所述t型快换槽内可拆卸地安装有夹持垫块，所述夹持垫块的夹持面为平面、v型面或l型面中的一种，并通过定位螺栓固定于所述t型快换槽内。

8、进一步地，所述锁紧机构包括分别设置于所述竖向丝杠副、所述横向丝杠和所述纵向丝杠端部的锁紧螺母以及与所述锁紧螺母配合的防松棘轮；所述防松棘轮包括铰接于所述锁紧螺母侧面的棘爪和套设于铰接轴上施加预紧力的扭簧，所述棘爪在所述扭簧的作用下卡入与对应固定构件固定连接的同轴棘齿盘内。

9、进一步地，所述底座的底部设置有可收放的行走轮和可升降的调平支腿，所述调平支腿伸出至工作位时所述行走轮脱离地面。

10、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

11、第一，三向运动正交解耦，消除寄生位移。本发明通过竖向、横向及纵向调节组件自下而上的空间正交串联布局，将z轴高度升降、y轴横向错边调节及x轴纵向对接间隙控制映射为三个独立的一维直线运动。在受力推导上，各轴向滑块受高精度直线导轨的刚性约束，消除单向调节时在其他轴向上产生的寄生位移，实现对中过程的解耦控制。

12、第二，球铰自适应三维偏转，有效降低接触压应力。夹持臂末端通过球铰连接自适应夹持头，使夹持头具备±15°的空间角位移自适应能力。在双向丝杠施加夹紧力时，夹持头在面接触力矩的作用下绕球铰中心自动偏转，使其贴合面完全吻合待夹持构件的异形外表面（如h型钢翼缘斜面、圆管弧面等）。该面接触机制大幅增加了有效受力面积，在同等夹紧力下，可将接触压应力降低一个数量级以上，避免局部应力集中超过材料屈服极限，防止母材凹陷损伤。

13、第三，双向同步对夹与棘轮机械锁紧，保证施焊姿态稳定性。双向丝杠利用左右旋相反螺纹实现两侧夹持臂以对称中心线为基准的等距相向运动，自动对齐构件几何中心。三向调节丝杠尾端均配置由锁紧螺母与防松棘轮构成的机械自锁机构，在扭簧预紧的棘爪与棘齿盘的硬干涉作用下，能够有效阻止焊接热膨胀应力与高频振动引起的螺纹反向旋转，保障焊接全过程的姿态稳定。

14、第四，三向解耦调节、球铰自适应夹持与棘轮防松锁紧三者形成强有力的技术协同：解耦调节保证了快速精准对中，自适应夹持确保了对中基准的面接触稳定与母材无损，棘轮锁紧保障了精准姿态在焊接热冲击下的零偏移，三者共同作用实现了高精度、无损伤、高稳定性的整体技术效果。