分析钢结构焊接技术及其质量管理

贾雄飞

摘    要：在国内建筑工程中，钢结构作为建筑结构主体结构框架，具有绿色环保、空间大和强度高等特点，在网架结构和塔桅建筑、超高层建筑以及大型工业厂房中等建筑工程中得到广泛应用。随着建筑结构超高层化和大跨度化，高性能钢材应用增多，分析和讨论建筑钢结构焊接生产效率，对于提高建筑工程质量和效率具有重要意义。

关键词：钢结构;焊接技术;质量管理;措施

1  建筑钢结构焊接裂纹的特征及产生机理

1.1  热裂纹

在较高的温度条件下，建筑钢结构焊接容易出现热裂纹，在焊接的过程中，焊缝受到温度的影响，发生了结晶反应，再加上金属本身的拉伸应力的影响，导致热裂纹呈现出来不同的形态，通过分析这些形态，又可以将其划分为不同的种类。由于高温和拉伸应力的影响，在焊接的过程中受热不均匀，导致受热面出现了失衡的现象，这一现象导致焊缝处发生了结晶，这一结晶受到金属杂质和拉伸应力的影响，出现了多边化的裂纹。凝固裂纹指的是在金属焊接操作中金属凝固，后期出现了脆性温度，这个温度导致焊缝出现凝固裂纹。主要的形成过程是焊缝金属结晶的晶粒之间存在很多的液相层，由于其韧性很低，在凝固的过程中温度降低，基础冷却不均匀收缩，从而产生了拉伸应力，这一变形超过了金属所能承受的临界值，从而导致凝固裂纹的出现。液化裂纹指的是在焊接的过程中过高的温度会导致金属的化合物来不及扩散，同时形成了局部晶界，这一晶界液化导致了液化裂缝的出现。失塑裂缝指的是在焊接的过程中，由于受到热循环的影响，使得金属整体的塑性受到了影响，在加上金属的拉伸应力对结晶施加了力的作用，从而产生了失塑裂纹。

1.2  冷裂纹

建筑钢结构的焊接所选用的工具存在一定的拘束度，在焊接的过程中，这一特点会对金属的结构造成一定的影响，施加不同类型的力，这些力相互作用，影响金属内部的结构，在焊接结束金属冷却后，金属的结构也变形结束，从而在焊接的热影响区域出现了一些裂纹。此外接头的含氢量会大量地融入到熔池内。焊接结束后金属进行冷却，其中包含的氢会溢出，但是由于冷却速度过快，导致金属内部的结构中存储了一部分氢气，冷却凝固并不完全，严重影响了钢结构的稳定性，从而出现了冷裂纹。

1.3  层状撕裂

层状撕裂的位置形态的特点包括：一是层状撕裂会沿着焊接热影响区域进行分布，主要是由于这一区域具有较长的拉伸应力，非金属交杂物分布进行扩散成为出现的层状撕裂。第二起裂点一般出现在焊缝的根部或者焊趾处，所形成的裂缝，平行于钢板表面呈现出阶梯状。

2  高效焊接技术应用

早期建筑钢结构主要采用焊条电弧焊，效率低下，且对焊工经验和技术依赖程度高。提高焊接生产效率，一方面提高热输入率，另一方面提高自动化程度。采用钢强度一般在195MPa～420MPa之间，由于大跨度桥梁结构和超高层建筑结构，高性能钢在建筑钢结构中应用，高强钢因减少自重和工时。自20世纪80年代，高效焊接方法开始推广使用。如电渣焊、多丝埋弧焊、CO2气体保护焊等引入钢结构焊接生产，双丝贴角埋弧焊的H型钢生产线，焊接规范参数稳定，焊接缺陷如气孔以及裂纹比例低，焊缝成形美观，极大地提高了钢结构生产效率和产品质量。

埋弧焊特别是双丝、多丝埋弧焊显著提高热源效率，熔深浅，焊接缺陷少。但由于热量输入大，开裂敏感性增大。特别是对大跨度钢结构中，大厚度柱梁结构为高强钢材料时，裂纹敏感性显著增加。对于厚板钢结构，制定焊接工艺时，将焊接热输入作为要点，只要控制合理，箱形钢柱、梁结构外板厚度达到数十毫米和超高层钢柱节点处钢板厚度达200mm。双丝大电流埋弧焊工艺，两根焊丝总电流值可达4000A，一道焊接即可完成。试验表明，焊接国产Q420及以下强度各钢种单丝或多丝埋弧焊可以保证焊接质量。

尽管埋弧焊的高效化和自动化，在电弧稳定性、焊接工艺参数稳定性以及焊接质量等方面具有无可比拟的优势。然而，建筑钢结构形式多样，除了集成化钢结构建筑，大部分钢结构构件都缺少单一化标准，使智能化焊接方法焊接效率难以充分挖掘，半自动的CO2气体保护焊接为主，成为钢结构生产效率瓶颈。

示教型焊接机器人具有自动送丝、自动行走以及焊枪位姿调节，大大提高了焊接效率和质量。然而，局限于建筑钢结构的多样化非标件，如普遍采用的H形牛腿结构，在某公司2018年牛腿结构统计数据中占比80%以上。示教过程中轨迹和位姿编程时间占比大，几乎达到整个焊接时间的30%～40%，机器人整体焊接效率与人工焊接效率相当。通过对牛腿参数化设计，建立不同焊缝坡口形式对应焊接工艺参数数据库，离线编程模拟最小截面H形牛腿和最大截面H形牛腿机器人运行轨迹和焊接位姿，以及机器人参数化编程界面设计，实现了不同规格牛腿示教自动焊接，将参数化编程时间占机器人焊接时间比例降到了5%-20%之间，大大提高了非标H形牛腿接头结构焊接效率。

3  钢结构建造的变形控制

（1）完善管理制度，提升焊接技術。随着现代焊接技术的不断改革创新，已经具备相对成熟的技术体系，具有独特的优势，并在钢结构建造中占据着重要地位。但由于其在施工过程中很容易出现变形现象，影响着钢结构建造的整体施工质量。因此，为了更好地控制海上平台钢结构建造的变形现象，首先，要及时完善相关的管理制度，设立焊接质量管理体系，管理工作者要时刻监督焊接技术人员在施工过程中严格按照结构设计参数进行焊接，遵循正确的焊接顺序，遵守相关的施工要求，认真检查焊接质量。另外，管理人员要对焊接技术人员进行严格把关，确保相关施工人员具备丰富的焊接工作经验和符合要求的技术水平。除此之外，要定期对焊接技术人员进行专门的技术培训，学习先进的焊接技术，配备先进的焊接设备，从而有效保障海上平台钢结构建造过程中的整体施工质量，避免因质量问题造成安全事故。

（2）科学合理设计，选用正确焊接方法。钢结构的建造是以设计师的设计图为基本标准进行施工，工程设计合理是影响海上平台钢结构建造整体质量的影响因素之一。钢结构建筑的设计不同于其他建筑设计，不仅要求设计人员要对节点构造进行规划，还需要充分了解不同钢结构材料的特性，以及不同钢结构材料之间的焊接要求，在设计图中对焊接位置的关键点进行仔细斟酌，以把控施工过程中焊接变形问题出现的概率。在设计方案中，要充分考虑合适的焊接方式，结合海上平台钢结构建造的实际要求严格控制好焊缝位置、数量与尺寸，防止因为焊缝数量过多影响钢结构的稳定;采用科学正确的焊接方法，减少出现多余的焊接缝隙，预防焊接变形情况的出现。

4  结束语

制作钢结构件的过程中，经常会发生焊接变形。造成钢结构焊接变形的原因较多，因此在制作钢结构件过程中要对控制焊接变形给以重视。对钢结构件焊接变形进行控制的同时要对于残余应力的控制给以重视。通过对焊接变形的控制，提高钢结构件的质量，保障钢结构件的性能。

参考文献：

[1] 王丰景.钢结构焊接变形与焊接应力研究[J].冶金丛刊，2017（4）：72～73.

[2] 张清林，李维桐，贾勇.国电大武口发电有限公司350MW机组输煤栈桥钢结构焊接变形控制措施[J].明日风尚，2018（12）：289.

[3] 邵大学，胡玉璋.大型钢结构焊接变形控制工艺探究[J].名城绘，2018（2）：212.

[4] 张景丽，吴翠莲.钢结构焊接残余应力及焊接变形控制技术[J].沈阳工业大学学报，2019（1）：118～122.

[5] 岳彩旺.模块化建造在海洋钢结构平台施工中的应用[J].化工管理，2018（1）：10～11.