建筑钢结构焊接关键技术研究

文／张健、胡龙如、曾庆亮、孙丽、周云 中国机械工业第五建设有限公司 安徽合肥 230031

引言：

在社会经济快速发展的情况下，建筑外形也越来越多样，特别是高层建筑和超高层建筑的不断发展为建筑钢结构的有效运用提供了条件。为了提高建筑钢结构的焊接质量，需要对建筑钢结构在焊接过程中存在的问题全面分析，并且在钢结构焊接施工过程中，需要对新技术进行充分应用，才能够减少在焊接施工中存在的误差，保证钢结构建筑的焊接水平和施工质量。

1、钢结构建筑概述

近年来，在我国高层和超高层建筑不断发展的情况下，建筑钢结构的应用越来越普遍，这主要是我国现代科学技术不断发展的结果。在我国建筑行业可持续发展的过程中，对钢结构进行有效应用是提高高层建筑和超高层建筑建设水平的重要基础。高层建筑钢结构的社会效益和经济效益比较突出，能够一定程度上体现国家的发展程度，而超高层建筑在国家发展过程中也发挥着越来越重要的作用，甚至在一定程度上，高层建筑、超高层建筑的数量可以作为衡量城市发展水平的指标。

目前，在钢结构建筑不断发展的过程中，钢结构焊接施工的难度也越来越大，特别是超高层钢结构建筑具有悬、斜、重、高的特点，会直接影响焊接工作的难度。超高层建筑钢结构焊接的特点主要表现在以下方面：

（1）对高强度钢的应用比较多，并且钢板的厚度比较大，在焊接施工过程中难度也比较大。施工人员要防止焊接变形，对残余应力进行消除，要防止层状撕裂。

（2）在超高层建筑钢结构焊接施工过程中，需要利用多种异型铸钢件，节点也比较，焊接的缝隙纵横交错，需要根据实际情况完成结构焊接作业，花费的精力也比较大。很多时候在钢结构焊接过程中，可能会出现变形情况，而对变形进行控制的难度比较大。现在钢结构焊接过程中，可能会出现弯曲、变形、翘起等问题，尤其是钢板剪力墙焊接过程中，因为尺寸比较大，横竖焊接缝隙比较长，焊接变形的控制难度会进一步增加。

（3）在高层建筑钢结构施工过程中存在很多高空作业，尤其是超高层钢结构建筑的焊接工作主要是在高空进行的，一些高层下部楼层会有未完成的楼板施工。在这种情况下，对焊接工作的挑战也更大，并且存在巨大安全隐患。在高空焊接作业中，需要构建焊接施工平台，并且要做好防风挡雨等不同措施，作业环境比较恶劣，会对员工的身体健康产生极大伤害。

2、我国钢材发展现状

因为钢结构在我国建筑工程项目中的应用越来越普遍，目前的钢材类型也越来越多，钢结构工程的承载力比较大。利用高强度钢能够减少钢材用量和加工量，对节约建筑成本和资源有帮积极帮助。高强钢是以低碳钢或者低合金高强钢为基础加入碳化物或者氮化物的微量合金元素的钢种。在高强钢研发过程中微合金元素的含量一般为0.2%以下，微合金元素的有效加入可以对钢的晶粒进行细化，对提高钢的强度和韧性有积极帮助。

高强钢一般具有纯净化、细晶粒、低碳微合金等特点的钢材，其质量一般是超均匀性、超细晶粒，在不增加甚至降低碳和合金元素的情况下，高强钢的强度和寿命能够提升1倍左右。在高强钢制作生产过程中，可以改变热处理方式、加热温度和保温时间和冷却条件等，对钢的组织类型以及不同组织比例进行调整，从而改变钢力学性能。这样能够根据具体的钢材需求对钢的强度、塑性、韧性等性能进行合理控制。钢的良好性能除了在其中添加为合金元素之外，还可以通过改变生产方式对钢的性能进行控制，通常情况下，与一般热轧钢强度相同时，钢的含碳量较低可以提高钢材的焊接性能，但是对焊接工艺的要求也更加严格。

使用高强度钢材时，必须重视对新钢种进行焊接性试验，并对焊接工艺进行科学评估，才能够编制出完善可靠的焊接工艺规程。在高强钢使用过程中，需要从以下要点出发加强质量控制工作：

（1）高强钢的屈强比一般在0.85之内，并且高强钢的焊接需要对焊缝返修次数和热循环次数进行严格控制，尽可能提高焊缝一次合格率。

（2）在高强钢焊接前的预热、焊接后加热处理过程中都需要进行试验操作，根据试验结果确定相应的参数。同时要对高强钢的焊接方式进行准确控制。

（3）在高强钢焊接过程中，可以利用多层多道错位的方法完成焊接工作。也可以利用机器人自动焊等新型焊接技术，提高焊接工艺效果和焊接质量。

3、建筑钢结构在焊接中的问题

3.1 收缩问题

通常情况下，在钢结构焊接过程中存在的最主要问题是施工原材料刚度不达标或者原材料质地不均匀，会导致在焊接完成后的钢材出现收缩问题，这会对整体建筑钢结构的质量和稳定性产生影响。

3.2 不均匀问题

在焊接过程中如果没有对焊缝进行有效处理，可能会导致钢材出现收缩不均匀的情况。在焊接施工过程中，如果工作人员没有严格按照相应的焊接工艺要求进行焊接操作，可能会导致操作失误，导致钢结构局部变形、应力集中等问题，对钢结构的运用效果会产生严重影响。在这种情况下，工作人员必须快速采取有针对性的措施进行处理，为了有效对局部变形问题进行控制。

3.3 焊接缝设计问题

工作人员在焊接缝设计过程中，需要保证焊接缝均匀分布，能够有效环节局部变形。如果不熟悉焊接细缝，需要降低焊接细缝出现交叉的情况，并且要对焊接细缝的部署密集度进行控制，防止出现局部变形。在开展钢材焊接工作时，要增强主次焊接缝的区别，可以先完成关键焊接缝焊接作业，之后再进行次要焊接缝焊接操作。

4、建筑钢结构焊接关键技术

4.1 现场焊接机器人技术

随着钢结构焊接关键技术的不断发展，目前在钢建筑钢结构焊接过程中使用的新型技术包括现场焊接机器人技术。在工厂施工过程中焊接工作已经能够实现自动化作业，但是在建筑施工现场开展焊接工作时，自动化作业水平相对较低。在信息化以及自动化技术不断发展的背景下，机器人在不同行业都有所应用，而焊接机器人在建筑钢结构焊接工作中的有效应用能够提高焊接工艺的自动化水平。自动化焊接技术的优势比较突出，在操作过程中对操作人员的实际操作能力要求比较低，可以降低工作人员的劳动强度，并且通过自动化焊接工艺实现焊接点的形状更加美观。例如在北京鸟巢工程钢结构焊接过程中，对轨道式焊接机器人的应用取得了突出成就，主要是利用实心焊丝CO2保护焊。此外，在其他工程中也使用了仰焊的方式；在一些大楼工程建设过程中，也对焊接机器人进行了有效应用。

对相关的工程经验进行分析，在当前焊接机器人应用过程中，可以从以下角度出发实现钢结构焊接工作：

（1）要注重加强现有机器设备的开发与研究工作。在新型机器设备开发过程中，要可以进行全部位置的焊接。在焊接现场施工时，相对于传统的焊接机器人无法对焊接位置进行全部焊接，即使能够全部焊接，工作效率也较慢。因此，在对新型机器人设备进行开发研究的过程中，需要根据存在的具体问题进行创新，实现全方位焊接，确保其能够适应施工现场的焊接需求。

（2）要重视焊接材料的改进工作，实现施工现场的自动化焊接作业。相关设计人员可以对焊接器材进行深入研发，将自我保护性能和防风性能以及使用性能等作为新型材料研发过程中的重点内容，制造出新型自动化焊接器材，确保焊接机器人能够满足施工现场的自动化作业需求，提高焊接作业效率和质量。

4.2 电加热焊接技术

电加热焊接技术在钢结构焊接中的应用也比较普遍。在传统的建筑施工过程中，钢结构焊接之前需要进行预热，焊接完成后需要进行保温，大多数是以火焰加热法为主的。但是在建筑钢结构焊接过程中，建筑楼层越来越高，钢结构的构件截面在不断增加，钢板厚度也在不断增加，传统火焰焊接加热方法的不均匀性成为了当前的建筑钢结构焊接过程中明显的缺陷。而电加热技术可以对钢结构进行均匀加热，能够根据具体的焊接需求对加热温度进行控制，这促使电加热技术在钢结构焊接过程中有突出的应用优势。在电加热技术应用过程中，需要根据焊接热处理构件的形状尺寸和厚度对电加热的温度以及相关参数进行控制。

在电加热焊接技术发展过程中需要加强电加热器研究工作，电加热器材质需要到工装强力碳钢优质陶瓷，保证电加热器的质量。陶瓷磁铁式的电加热器作为比较常用的焊接器械设备，将其固定在焊缝坡口对应的两侧，可以完成焊接作业。如果焊接截面的复杂度比较高，可以使用接长导线将其与电脑温控仪进行连接，完成通电加热工作。在开始工作的过程中，需要先从新位置进行焊接，在焊缝两侧100mm的位置进行加热，加热的范围两侧都比焊件厚度大1.5倍左右。而预热温度和焊接后的温度控制，可以利用电脑温控仪进行自动控温。完成焊接作业后需要保证焊接后的温度在250℃到300℃之间，持续两小时左右，再缓慢冷却。如果在焊接过程中施工环境的温度为0度以下，需要将焊接完成后的温度保证在200度左右，并且要根据相关的要求延长保温时间，到达一定时间后才能够使其缓慢冷却到常温。

4.3 其他焊接技术

除了以上两种新型焊接技术之外，在传统的焊接过程中还包括以下焊接技术：

（1）高强焊技术

高强悍技术也属于一种相对先进的技术，高强焊技术的核心是强，在高强焊技术应用过程中，施工人员需要选择极高强度的焊接材料，同时要根据材料的具体特性进行焊接，要保证焊材与钢材之间能够形成良好的关联性，才能够确保两种材料通过焊接操作能够紧密连接。除此之外，在高强焊技术应用过程中，对焊接接头的强度标准也比较高。

（2）低温焊技术

高强焊技术在不同方面都有极高的强度标准，但是在施工过程中无法满足这些要求，会导致焊接质量受到影响。低温焊技术的实用性更强，主要是在低温条件下开展焊接操作，在一定程度上会增加工作人员的操作压力，可以充分发挥低温焊接技术的应用价值，提高钢结构焊接质量水平。施工人员需要对施工现场进行严格的密封处理，在这一环节中物理和气体密封是比较常见的密封方式，物理密封指的是施工人员根据焊接周边环境，为了有效隔离其他环境采取防护层设置形式。

（3）焊缝检测技术

在建筑钢结构焊接施工过程中，需要对检测技术进行充分应用，这样才能够对焊接质量进行科学把握。施工人员可以从钢结构设计标准进行检测。全熔焊焊接显示是现场安装柱和柱之间的有效对接方法，在全熔透焊的过程中，还包括钢梁和钢柱牛腿上下翼缘焊接。大多数企业在大面积钢板焊接过程中会利用高强度螺栓进行连接，而角焊缝是双剪连接板和钢柱脚。在施工过程中对焊缝进行检查时，一旦出现安全隐患，要及时上报领导部门，安排技术人员对问题进行处理。一些施工单位在开展焊缝检查工作时，会利用斜探头完成超声波探伤，利用这种形式可以准确定位探伤的位置，发现质量隐患，并且能够对焊缝的合格标准进行准确分析。

5、提升建筑钢结构焊接技术水平的措施

5.1 重视焊接前准备工作

为了保证建筑钢结构焊接质量，需要加强焊接前的准备工作，一般可以从以下角度出发：

（1）操作人员必须对钢柱安装和焊接标准进行全面掌握，在钢结构焊接过程中可以利用钢管材料构建的平台进行焊接。还要根据不同地区建筑项目的差异化焊接内容进行焊接操作。为了保证焊接质量，施工人员需要从具体工程项目的焊接环境出发，对焊接过程的材料和焊接工艺参数等进行科学把握。一般情况下，焊接工作量相对较多的项目可以利用二氧化碳气体保护焊进行操作。

（2）在焊接材料等准备工作完成后，施工人员还要加强人员管理和安排。与其他建筑施工环节相比，钢结构焊接操作对工作人员的专业性要求比较高，焊接工作人员必须持证上岗，并且严格按照行业标准有序开展焊接工作。在企业招聘时也要提高工作人员的门槛，加强工作人员岗前培训工作。

5.2 完善建筑钢结构焊接与切割工艺

在建筑钢结构施工过程中，还要完善建筑钢结构焊接工艺。建筑钢结构加工的优点比较多，焊接施工是结构施工过程中的关键环节。为了保证钢结构的质量，在建筑施工过程中需要对多种创新技术进行有效运用。在建筑钢结构施工过程中，对智能化技术、自动化技术等进行有效应用可以提升焊接效率。因此，需要加大智能化切割和焊接技术研究工作，智能化焊接以及切割技术除了可以对焊接品质进行科学把握，这可以提高钢结构施工的整体水平。

此外，需要提升焊接技术的需求，根据建筑项目钢结构施工进程，对焊接技术的应用效果进行科学把握，提高钢结构的施工质量，保证钢结构焊接技术品质。在钢结构施工过程中，钢结构的安装施工原则以及焊接技术人员等都会对钢结构的施工效率和施工质量产生影响，进而对建筑工程项目整体的质量产生影响。

在我国科学技术不断发展的情况下，为了推动建筑行业的持续发展，需要将现在的技术应用在建筑工程钢结构焊接施工过程中，提升焊接水平，保证钢结构整体施工质量。因此，在科学技术发展过程中对新技术进行应用，可以完善建筑钢结构焊接和切割技术，同时提升建筑钢结构焊接技术人员的综合素质。在焊接操作时，与实际情况进行结合，对新型焊接技术进行应用，提高建筑工程结构施工质量。

5.3 提升焊接工作人员的综合素质

提升焊接工作人员的专业水平和综合素质也是提升建筑钢结构焊接质量的重要措施。钢结构焊接工作人员的技术水准和综合素质会直接影响钢结构焊接的整体质量。在焊接技术快速发展的情况下，焊接材料种类也在不断丰富发展，焊接技术人员是保证钢结构的施工品质的重要因素，需要强化自身的专业素质，对焊接技术要点全面掌握。尤其是新的焊接技术对工作人员的专业性要求比较高。建筑钢结构焊接技术人员在上岗之前必须进行严格专业的培训和考核，在获取相应资格证书后才能够持证上岗。

在社会经济时代不断发展的情况下，对建筑钢结构进行焊接施工时，技术人员需要根据社会时代的发展潮流，提高自身的基础能力和整体素养。在实际施工中要提升自身的知识储备量。

除了对专业技能的重视，相关部门也要加强各类技术人员职业道德培训工作，培养出高水平、高技术的专业队伍，才能够推动建筑工程的健康持续发展。

5.4 强化焊接施工质量监控

在建筑钢结构焊接施工之前，需要加强焊接材料质量管理工作，这也是提升钢结构焊接水平的重要措施之一。根据相关部门的规定开展检查工作时，要选择质量过关的焊接材料。在对材料质量检测时，需要及时监测记录信息，并对检测结果进行记录，防止出现问题。根据施工过程中的具体要求和位置对焊接施工技术进行充分检测，在焊接施工完成后，需要对焊接工艺的焊接问题等进行全面检查，确保焊缝均匀，如果出现问题要进行补焊。在焊接施工过程中，需要加强焊接施工过程中的检查和监督工作，一旦发现质量问题，需要及时采取有效措施解决。目前，在焊接施工过程中，可以对实时监测技术进行应用。现阶段计算自动化的软件监测系统作为监测领域的重要手段，将其应用在钢结构焊接质量监督与监测工作，可以保证监测工作的有效性。对施工过程中的巨型斜撑钢、管柱用桁架等进行实时监测并传输实时监测数据。通过软件分析了解在焊接过程中出现的具体问题，并及时采取促使解决，避免在焊接过程中出现失误。

结语：

总而言之，在钢结构焊接施工过程中有很多优势，目前，钢结构产品在建筑施工过程中的应用也越来越普遍。为了保障建筑工程项目的整体施工质量，也要加强钢结构焊接技术研究和创新工作。我国的焊接技术发展越来越成熟，处于全球前沿水平。但是焊接技术仍然存在很多缺陷和问题，需要解决这些问题、消除不足之处，才能够进一步提升我国钢结构焊接工艺水平，保证建筑钢结构的整体施工质量。