大型钢结构焊接问题与工艺控制

2018-03-27李三军

山西建筑 2018年10期

李三军

(陕西建工机械施工集团有限公司，陕西西安 710032)

根据网络数据显示，在诸多钢结构事故中，诱因大致有材料、疲劳、焊接等，其中焊接原因造成的事故占据了较大比例，约为15%，可见控制好钢结构的焊接质量，可以有效防止事故发生，增加钢结构的稳定性并保障预期效益。我国自20世纪50年代后，大型钢结构的使用逐渐频繁，对于拼装和焊接等工艺技法虽然有一定研究，已经取得了相应成就，但由于大型钢结构施工尤为复杂，焊接问题仍普遍存在，还需要进一步研究。

1 大型钢结构焊接概述

钢结构是指利用板、管、绳等形状的钢材，通过拼装铆接、焊接等工艺制作的结构。大型建筑和工程中所需要的结构规模较大，称之为大型钢结构，如大跨度桥梁、超高层建筑等，该类结构具有极强的跨越能力，能够实现多方位同时施工，因而被广泛使用。焊接是大型钢结构制作中必不可少的工艺，但由于焊接时技术、人员、材料等多方面的原因，常产生裂纹、夹渣、变形、焊接度不足等各种问题，导致钢结构存在质量隐患。目前，主要使用的焊接工艺技法有：手工电弧焊、钨极氩弧焊、螺柱电弧焊、埋弧焊等，且国家颁布了相应的技术标准，以对焊接工艺和质量检验等进行了规范，包括《钢结构焊接规范》《建筑钢结构焊接技术规程》《钢结构工程施工规范》等，也要求焊接施工人员必须具备专业的知识技能并实行了作业许可制度。

2 焊接问题

2.1 气孔

由于材料表面有可气化物质，在焊接过程中，高温迫使材料气化后，气体被包裹在金属液体中，而金属液冷却凝固时间过快，最终在焊缝内形成中空气孔，除此以外焊接时也有可能因为外界气体被不当操作或热胀冷缩原理吸入金属液中，形成气孔，气孔呈球状和条状，可能是单个也可能是多个同时产生。气孔占据了焊缝的有效接触面积，降低了焊接部位的结构能力，使焊缝密度因材质不同而出现不均匀，往往在受到冷热影响下，还可能形成裂纹、断开、剥落等病害。

2.2 焊接程度不达标

由于焊条较小或焊接操作失误，焊接时可操作面积不足，导致焊接不能完全覆盖接缝，焊接部位表面出现凹凸不平的沟槽。焊接时输出功率过大，或接触时间过长，导致焊接部位材质过度熔化形成穿刺孔，导致焊缝结构出现本质变化，降低了结构的受力能力，而相反输出功率过小或停留时间较短，导致焊条与钢材之间不能完全熔合，甚至是焊条未能都熔化，由此减少了接缝处的强度，导致结构抗疲劳能力下滑，或造成接缝处焊接材料脱离。焊接时，如果没有注意焊接材料的使用度，可能造成凹槽或凸起，又称之为咬边和焊瘤，影响局部外观和受力效果。

2.3 裂纹

由于冷热作用，导致焊接时材料结晶内部原子构造发生变化，产生一系列裂纹，焊接完成时出现的裂纹为结晶裂纹，焊接过后较长时间出现的为延迟裂纹。此外，焊接部位冷却之后，接头冷却后再加热时产生的裂纹称为再热裂纹，产生于沉淀强化的材料的焊接热影响区内的粗晶区，一般从焰合线向热影响区的粗晶区发展，呈晶间开裂特征。焊接完成后，因外部作用力导致焊接部位出现裂纹称为应力裂纹。裂纹的存在，轻则破坏焊缝处承受能力和拉扯力，重则造成结构整体瘫坏，诱发脆性破坏。

2.4 夹渣

由于材料熔化不规则，金属溶液中夹杂了不同物理性质的物质，或者是因为材料表面未清理干净而直接施工，导致接缝处存在异物。夹渣在被焊接材料包覆的情况下，一般与气孔危害相近，而一旦出现半包覆的夹渣，则容易因为受力影响，形成裂纹。夹渣中如果含有一些特殊的化学物质，如硫化物、氧化物等，经过较长时间之后，可能对焊接材料产生腐蚀效果，直至焊缝局部或全部丧失结合能力。

3 工艺控制

3.1 事前控制

焊接前对材料设备等进行检查，确保施工前准备充分。主要工作有：检查焊道的引弧板，确保安装符合焊接要求，避免焊接时边缘溢出过多，导致焊接不稳；清理焊接处母材表面的杂质，如油污、水渍、锈迹、泥沙等附着物，避免夹渣和气孔；进行热切割作业时，预先对焊接部位进行加热；遇焊道通过隔板的情况下，需要提前进行开孔，且开孔大小需要与焊道相匹配，如果开孔过大，则焊接时需要过多的材料，且焊接后的受力能力削弱，开孔过小则焊接之后均衡性，焊接部位连续性差，结构稳定性能不符合标准；做好材料调配工作，下料时需要对材料形状进行保护，遇到变形情况应进行校正；在切割坡口处进行表面清洁，通过测量技术检查是否满足设计要求，做好校正定型后进行下一步施工。为提高施工质量，在正式作业前，进行仿真建模试验分析，按比例缩减建模或对关键施工节点进行全尺寸建模，按照施工设计和程序进行试验操作，在技术条件支持下，使用数字信息技术，通过数字模型分析结构焊接要点，并利用相应的运算软件进行施工作业风险评价。

3.2 事中控制

焊接时需要做到：引弧需要在焊道内操作，避免母材引弧，相邻两道焊接工序在接驳重叠时，需要确保前一道工序所产生的焊渣及周边母材的光洁度，避免引起夹渣问题；为有效遏制变形，需要减少焊接时材料受到的约束和外力，优先进行焊后变化值小的接头，针对约束较强的接头，采用快速连续焊接的措施，避免焊接后金属溶液凝固降温至最低预热值，直至全部焊接完成，并且优先对固定位置进行焊接，向较大变动的方向逐渐移动施焊，尽可能使用平焊技术，并选用二氧化碳气体进行保护，如果发现变形问题，则暂缓作业由专业人员评定给出方案后校正施工。另外还需要注意：可对坡口焊接母材进行翻转，在距坡口1/3处施焊，随后再翻转焊接其他点位，横焊优先于竖焊作业，腹板以及两侧焊接，在对它们进行焊接期间，必须将焊工安排在筋板两侧，另外两侧的焊工要一起焊接，从而防止变形，焊接后的腹板以及筋板也能维持垂直状态，采用超声冲击和振动等技术消除焊接位置应力，至施工完毕，根据不同的接头类型选择匹配的无损检测方案，可选方案包括射线照相检测、超声波检测、渗透检测、磁粉检测、外观检验、电磁检测等，必要时还需要进行NDT检测，并做好检测记录。

3.3 事后控制

1)根据无损检测信息，判定问题，并分析问题产生的原因，经技术鉴定和谈论后提出返修建议，并编制返修方案，交责任人员签字批准，返修前需检查母材性能是否完好，预判返修之后是否会影响结构性能，对返修位置材料进行清洁和预热等处理。2)焊接位置表面存在夹渣气孔等问题，如果打磨之后能满足设计要求的，可不再施焊，角焊位置存在问题，可直接进行二次焊接，或者是打磨剔除后再进行焊接；返修作业时施工部位的长度应当确保大于5 cm，全焊透位置内部出现问题的，需要用弧气刨剔除之后再施焊，适用气体保护措施。3)做好返修记录，确认返修环节焊接位置无其他问题后，实施二次无损检测。