钢结构焊接技术探讨

2010-08-15钟德明

山西建筑 2010年30期

黄杰钟德明

随着我国经济的发展,大跨度建筑、高层建筑成为建筑发展的主要方向。而在这些建筑中,钢结构因具有自重轻、抗震性好、建设周期短、适应性强、外形丰富、维护方便等优点被广泛应用。钢结构的连接方式有焊接、铆钉连接和螺栓连接等,但目前将近有50%以上的钢材在投入使用前需要经过焊接加工处理[1],焊接仍是钢结构连接的主要方式。而在现在的钢结构焊接中,电弧焊接是基本的连接方式[2]。焊接连接的优点是任何形状的结构都可用焊缝连接,构造简单,一般不需要拼接材料,省工省钢,而且能实现自动化操作,生产效率较高。目前在工业与民用建筑结构中,焊接结构占绝对优势。

1 钢结构焊接存在的主要问题

1.1 焊接变形

焊接的变形主要有焊接中变形和焊接后残余变形两种。焊接变形根据对结构影响程度的不同又分为整体变形和局部变形。根据变形的特点又可分为角变形、弯曲变形、收缩变形、扭曲变形、波浪变形和错边变形。钢结构焊接变形一般为整体变形。引起焊接变形的原因主要有钢结构的刚度,刚度是指结构体对拉伸方向和弯曲变形的抵抗能力;焊接连接缝位置和数量,当钢结构刚度不足时,在设计焊接连接缝位置和数量时,应在结构体对称安排,且焊接顺序是合理的,构件只能产生线性变形;当焊缝为不对称的安排,产生的多为弯曲变形;焊接工艺,焊接电流偏大、焊条直径较粗,使得焊接速度缓慢,可能导致焊接变形大,采用多层焊接工艺时层数越多变形越大,另外焊接顺序不当或在没有焊接妥当分部构件时就进行整体组装焊接,很容易产生焊接变形。

1.2 焊接裂纹

钢结构焊接的另一个主要问题是焊缝裂纹。焊接裂纹又分为热裂纹和冷裂纹。热裂纹是指高温下所产生的裂纹,又称高温裂纹或结晶裂纹,通常产生在焊缝内部,有时也可能出现在热影响区。热裂纹的产生是冶金因素和力学因素共同作用的结果。由于焊接熔池在结晶过程中存在着偏析现象,低熔点共晶和杂质在结晶过程中以液态间层形式存在从而形成偏析,凝固以后强度也较低,当焊接应力足够大时,就会将液态间层或刚凝固不久的固态金属拉开形成裂纹。

2 钢结构焊接问题的处理

2.1 焊接变形的控制

1)应该选择合理的焊条和焊接设备:焊条除配合所焊金属确定规格外,还应配合焊件厚度和电焊设备的供电能力,选定合适的尺寸。电焊设备应选用可调节输出电流的品种。2)选择合理焊接方法:优先采用热输入较小的焊接方法,如CO气体保护焊采用焊炬不摆动,多层多道,薄焊层的施焊方法。施焊速度要适中,不宜过快,过快将使某些气体来不及逸出而残存在焊缝内形成气孔。3)选择合理的焊接工艺措施:钢结构的制作、组装应该在一个标准的水平面上进行。在焊接小型构件时可一次完成,即在焊接固定好位置后,用合适的焊接顺序组装完毕。而大型钢结构组装与焊接需要先将小件组焊接完毕,然后再进行最后的组装和焊接。在进行部件组装时,应该使不同型号的零配件符合构件规定的规格、形状大小和样板的要求,并且组装时不能有较大外力强制拼装。4)选择合理的焊接节点构造设计:首先应控制焊缝的数量和大小,尽量减少焊缝的截面积,施焊量以满足连接需要即可;选择适合的焊缝坡口的形状和尺寸,在得到完整、无超标缺陷焊缝的前提下,尽可能采用较小的坡口尺寸。其次焊接节点的位置应处于构件截面的对称处。再次应选用刚性小的节点形式,节点应避免在双向、三向交叉处,这样避免由于焊缝集中而导致的高温和焊缝应力集中,从而减少焊接变形。

2.2 裂纹控制

2.2.1 热裂纹的处理措施

1)限制焊接材料中易偏析元素,如硫、磷等有害杂质的含量和降低含碳含量,硫、磷等易形成低熔点共晶物,降低碳在钢中含量,可降低热裂倾向。调整焊缝金属的化学成分,以提高其塑性,减少或分散偏析程度,控制低熔点共晶的有害影响,同时控制焊接熔池形状,不使形成尖长形熔池而易在焊缝表面形成纵向热裂纹,尤其是埋弧焊时,因电流大、熔深,热裂纹易于产生,更应注意控制焊缝成形系数;避免坡口和间隙过小使焊缝成形系数太小,而造成热裂纹形成;焊前预热可降低裂纹的倾向;合理的焊接顺序可以使大多数焊缝在较小的拘束度下焊接,减小焊缝收缩时所受拉应力,也可减小热裂纹倾向。2)采用合理的焊接顺序和方向,适当提高焊缝的形状系数,采用多层多道焊接方法,避免中心线偏离,可防止中心线裂纹。

1)2.2.2 冷裂纹的处理措施

1)选择合理的焊接规范和线能,改善焊缝及热影响区组织状态,如焊前预热、控制层间温度、焊后缓冷或后热等以加快氢分子逸出。2)采用碱性焊条或焊剂,以降低焊缝中的扩散氧含量。3)焊条和焊剂在使用前应严格按照规定的要求进行烘干,认真清理坡口和焊丝,去除油污、水分和锈斑等脏物,以减少氢的来源。4)焊后及时进行热处理:a.进行退火处理,以消除内应力,使淬火组织回火,改善其韧性;b.进行消氢处理,使氢从焊接接头中充分逸出。

3 钢结构焊接质量的评定

3.1 焊接工艺的评定范围

目前我国焊接工艺评定主要还是以对结构的材料评定为主来进行,而结构的尺寸和形状对焊接工艺的影响没有要求。焊接生产工艺的可行性主要包括对焊接加工的适应性、工艺可达性(包括焊接操作、焊前预热、后热、消除残余应力等)、控制焊接变形的工艺可行性等。

3.2 焊缝质量的检查

3.2.1 焊缝外观质量检查

焊缝外观质量要求为不得有裂纹未熔合、焊瘤等缺陷,焊接区应无焊接飞溅物。

3.2.2 焊缝无损探伤检测

焊缝无损探伤的种类主要有超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤和渗透探伤等。检查标准为一级焊缝应进行100%的检验;二级焊缝应进行抽检,抽检比例20%;全焊透的三级焊缝可不进行无损检测。焊缝无损检测方法的选用原则为:1)对于设计要求熔透焊缝内部缺陷检测,应优先用超声波探伤方法,当超声波探伤不能对缺陷作出判断时,即超出使用标准的适用方法时,应采用射线探伤。2)当采用射线探伤方法时,应优先采用X射线源进行透照检测;确因厚度、几何尺寸或工作场地所限无法采用X射线时,可采用γ源进行射线透照。3)对于焊缝表面缺陷的检测,应优先采用磁粉探伤,只有存在结构形状等原因无法进行磁粉检测的场合下才采用渗透检测。4)当采用渗透探伤方法时,宜优先选用具有较高检测灵敏度的荧光渗透检测,当检测现场无水源、电源的情况下,可以采用着色渗透检测。5)当采用两种或两种以上的检测方法对同一部位进行检测时,应符合各自的合格级别;如采用同种检测方法的不同检测工艺进行检测,其检测结果不一致时,应以危险度大的评定级别为准。

3.2.3 焊缝质量评定标准

焊缝质量等级可分为一、二、三级,焊缝无损检测的检验等级则划分为:1)超声波检验等级分为A,B,C三个级别。2)射线检验等级为A,AB,B三个级别。3)渗透检验灵敏度等级1级、2级、3级。焊缝缺陷的评定等级划分为:1)超声波检验焊缝内部缺陷的评定等级分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级。2)射线检验焊缝内部缺陷的评定等级Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级。3)磁粉检测焊缝质量分级Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级。4)渗透检测焊缝质量分级Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级。