大型鋼結(jié)構(gòu)焊接問題與工藝控制

李 三 軍

(陜西建工機(jī)械施工集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710032)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)顯示，在諸多鋼結(jié)構(gòu)事故中，誘因大致有材料、疲勞、焊接等，其中焊接原因造成的事故占據(jù)了較大比例，約為15%，可見控制好鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，可以有效防止事故發(fā)生，增加鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性并保障預(yù)期效益。我國自20世紀(jì)50年代后，大型鋼結(jié)構(gòu)的使用逐漸頻繁，對于拼裝和焊接等工藝技法雖然有一定研究，已經(jīng)取得了相應(yīng)成就，但由于大型鋼結(jié)構(gòu)施工尤為復(fù)雜，焊接問題仍普遍存在，還需要進(jìn)一步研究。

1 大型鋼結(jié)構(gòu)焊接概述

鋼結(jié)構(gòu)是指利用板、管、繩等形狀的鋼材，通過拼裝鉚接、焊接等工藝制作的結(jié)構(gòu)。大型建筑和工程中所需要的結(jié)構(gòu)規(guī)模較大，稱之為大型鋼結(jié)構(gòu)，如大跨度橋梁、超高層建筑等，該類結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的跨越能力，能夠?qū)崿F(xiàn)多方位同時施工，因而被廣泛使用。焊接是大型鋼結(jié)構(gòu)制作中必不可少的工藝，但由于焊接時技術(shù)、人員、材料等多方面的原因，常產(chǎn)生裂紋、夾渣、變形、焊接度不足等各種問題，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量隱患。目前，主要使用的焊接工藝技法有：手工電弧焊、鎢極氬弧焊、螺柱電弧焊、埋弧焊等，且國家頒布了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以對焊接工藝和質(zhì)量檢驗等進(jìn)行了規(guī)范，包括《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》《建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程》《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》等，也要求焊接施工人員必須具備專業(yè)的知識技能并實行了作業(yè)許可制度。

2 焊接問題

2.1 氣孔

由于材料表面有可氣化物質(zhì)，在焊接過程中，高溫迫使材料氣化后，氣體被包裹在金屬液體中，而金屬液冷卻凝固時間過快，最終在焊縫內(nèi)形成中空氣孔，除此以外焊接時也有可能因為外界氣體被不當(dāng)操作或熱脹冷縮原理吸入金屬液中，形成氣孔，氣孔呈球狀和條狀，可能是單個也可能是多個同時產(chǎn)生。氣孔占據(jù)了焊縫的有效接觸面積，降低了焊接部位的結(jié)構(gòu)能力，使焊縫密度因材質(zhì)不同而出現(xiàn)不均勻，往往在受到冷熱影響下，還可能形成裂紋、斷開、剝落等病害。

2.2 焊接程度不達(dá)標(biāo)

由于焊條較小或焊接操作失誤，焊接時可操作面積不足，導(dǎo)致焊接不能完全覆蓋接縫，焊接部位表面出現(xiàn)凹凸不平的溝槽。焊接時輸出功率過大，或接觸時間過長，導(dǎo)致焊接部位材質(zhì)過度熔化形成穿刺孔，導(dǎo)致焊縫結(jié)構(gòu)出現(xiàn)本質(zhì)變化，降低了結(jié)構(gòu)的受力能力，而相反輸出功率過小或停留時間較短，導(dǎo)致焊條與鋼材之間不能完全熔合，甚至是焊條未能都熔化，由此減少了接縫處的強(qiáng)度，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)抗疲勞能力下滑，或造成接縫處焊接材料脫離。焊接時，如果沒有注意焊接材料的使用度，可能造成凹槽或凸起，又稱之為咬邊和焊瘤，影響局部外觀和受力效果。

2.3 裂紋

由于冷熱作用，導(dǎo)致焊接時材料結(jié)晶內(nèi)部原子構(gòu)造發(fā)生變化，產(chǎn)生一系列裂紋，焊接完成時出現(xiàn)的裂紋為結(jié)晶裂紋，焊接過后較長時間出現(xiàn)的為延遲裂紋。此外，焊接部位冷卻之后，接頭冷卻后再加熱時產(chǎn)生的裂紋稱為再熱裂紋，產(chǎn)生于沉淀強(qiáng)化的材料的焊接熱影響區(qū)內(nèi)的粗晶區(qū)，一般從焰合線向熱影響區(qū)的粗晶區(qū)發(fā)展，呈晶間開裂特征。焊接完成后，因外部作用力導(dǎo)致焊接部位出現(xiàn)裂紋稱為應(yīng)力裂紋。裂紋的存在，輕則破壞焊縫處承受能力和拉扯力，重則造成結(jié)構(gòu)整體癱壞，誘發(fā)脆性破壞。

2.4 夾渣

由于材料熔化不規(guī)則，金屬溶液中夾雜了不同物理性質(zhì)的物質(zhì)，或者是因為材料表面未清理干凈而直接施工，導(dǎo)致接縫處存在異物。夾渣在被焊接材料包覆的情況下，一般與氣孔危害相近，而一旦出現(xiàn)半包覆的夾渣，則容易因為受力影響，形成裂紋。夾渣中如果含有一些特殊的化學(xué)物質(zhì)，如硫化物、氧化物等，經(jīng)過較長時間之后，可能對焊接材料產(chǎn)生腐蝕效果，直至焊縫局部或全部喪失結(jié)合能力。

3 工藝控制

3.1 事前控制

焊接前對材料設(shè)備等進(jìn)行檢查，確保施工前準(zhǔn)備充分。主要工作有：檢查焊道的引弧板，確保安裝符合焊接要求，避免焊接時邊緣溢出過多，導(dǎo)致焊接不穩(wěn)；清理焊接處母材表面的雜質(zhì)，如油污、水漬、銹跡、泥沙等附著物，避免夾渣和氣孔；進(jìn)行熱切割作業(yè)時，預(yù)先對焊接部位進(jìn)行加熱；遇焊道通過隔板的情況下，需要提前進(jìn)行開孔，且開孔大小需要與焊道相匹配，如果開孔過大，則焊接時需要過多的材料，且焊接后的受力能力削弱，開孔過小則焊接之后均衡性，焊接部位連續(xù)性差，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能不符合標(biāo)準(zhǔn)；做好材料調(diào)配工作，下料時需要對材料形狀進(jìn)行保護(hù)，遇到變形情況應(yīng)進(jìn)行校正；在切割坡口處進(jìn)行表面清潔，通過測量技術(shù)檢查是否滿足設(shè)計要求，做好校正定型后進(jìn)行下一步施工。為提高施工質(zhì)量，在正式作業(yè)前，進(jìn)行仿真建模試驗分析，按比例縮減建模或?qū)﹃P(guān)鍵施工節(jié)點進(jìn)行全尺寸建模，按照施工設(shè)計和程序進(jìn)行試驗操作，在技術(shù)條件支持下，使用數(shù)字信息技術(shù)，通過數(shù)字模型分析結(jié)構(gòu)焊接要點，并利用相應(yīng)的運算軟件進(jìn)行施工作業(yè)風(fēng)險評價。

3.2 事中控制

焊接時需要做到：引弧需要在焊道內(nèi)操作，避免母材引弧，相鄰兩道焊接工序在接駁重疊時，需要確保前一道工序所產(chǎn)生的焊渣及周邊母材的光潔度，避免引起夾渣問題；為有效遏制變形，需要減少焊接時材料受到的約束和外力，優(yōu)先進(jìn)行焊后變化值小的接頭，針對約束較強(qiáng)的接頭，采用快速連續(xù)焊接的措施，避免焊接后金屬溶液凝固降溫至最低預(yù)熱值，直至全部焊接完成，并且優(yōu)先對固定位置進(jìn)行焊接，向較大變動的方向逐漸移動施焊，盡可能使用平焊技術(shù)，并選用二氧化碳?xì)怏w進(jìn)行保護(hù)，如果發(fā)現(xiàn)變形問題，則暫緩作業(yè)由專業(yè)人員評定給出方案后校正施工。另外還需要注意：可對坡口焊接母材進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，在距坡口1/3處施焊，隨后再翻轉(zhuǎn)焊接其他點位，橫焊優(yōu)先于豎焊作業(yè)，腹板以及兩側(cè)焊接，在對它們進(jìn)行焊接期間，必須將焊工安排在筋板兩側(cè)，另外兩側(cè)的焊工要一起焊接，從而防止變形，焊接后的腹板以及筋板也能維持垂直狀態(tài)，采用超聲沖擊和振動等技術(shù)消除焊接位置應(yīng)力，至施工完畢，根據(jù)不同的接頭類型選擇匹配的無損檢測方案，可選方案包括射線照相檢測、超聲波檢測、滲透檢測、磁粉檢測、外觀檢驗、電磁檢測等，必要時還需要進(jìn)行NDT檢測，并做好檢測記錄。

3.3 事后控制

1)根據(jù)無損檢測信息，判定問題，并分析問題產(chǎn)生的原因，經(jīng)技術(shù)鑒定和談?wù)摵筇岢龇敌藿ㄗh，并編制返修方案，交責(zé)任人員簽字批準(zhǔn)，返修前需檢查母材性能是否完好，預(yù)判返修之后是否會影響結(jié)構(gòu)性能，對返修位置材料進(jìn)行清潔和預(yù)熱等處理。2)焊接位置表面存在夾渣氣孔等問題，如果打磨之后能滿足設(shè)計要求的，可不再施焊，角焊位置存在問題，可直接進(jìn)行二次焊接，或者是打磨剔除后再進(jìn)行焊接；返修作業(yè)時施工部位的長度應(yīng)當(dāng)確保大于5 cm，全焊透位置內(nèi)部出現(xiàn)問題的，需要用弧氣刨剔除之后再施焊，適用氣體保護(hù)措施。3)做好返修記錄，確認(rèn)返修環(huán)節(jié)焊接位置無其他問題后，實施二次無損檢測。

4 結(jié)語

大型鋼結(jié)構(gòu)在我國制造、交通、建筑等行業(yè)中均普遍使用，其工程質(zhì)量直接影響了社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而焊縫過大、結(jié)構(gòu)變形、焊接點不牢固等各種問題普遍存在，因此需要在專業(yè)層面進(jìn)行深入研究，結(jié)合實踐經(jīng)驗提高工藝技術(shù)的適用效果，促進(jìn)施工的精細(xì)化作業(yè)。

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