大型鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制研究

古鑫

0 引言

大型焊接鋼結(jié)構(gòu)施工工藝對(duì)精度要求比較嚴(yán)格，結(jié)構(gòu)自身的自由度也比較大，焊接作業(yè)會(huì)由于熱源集中程度較高而使溫度場(chǎng)的分散出現(xiàn)不均勻情況，此外，在時(shí)間因素的影響下，鋼結(jié)構(gòu)焊接工藝還會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)以及溫度場(chǎng)改變的狀況，這些問(wèn)題的發(fā)生都會(huì)加大數(shù)據(jù)分析的難度，導(dǎo)致發(fā)生計(jì)算失誤的概率增加，在相應(yīng)程度上對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。所以，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，要想順利而又高效地做好其焊接施工作業(yè)往往會(huì)有比較大的難度，需要針對(duì)性地對(duì)相關(guān)手段和技術(shù)加以運(yùn)用，切實(shí)做好對(duì)此類(lèi)結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的控制工作。

1 大型工程結(jié)構(gòu)中常用的焊接技術(shù)

1.1 手工電弧焊（SMAW）

基于對(duì)產(chǎn)生于藥皮焊條尖端位置的熱量的利用，對(duì)母材進(jìn)行相應(yīng)的加熱處理。藥皮在分解的過(guò)程中會(huì)將相應(yīng)的熔池保護(hù)作用發(fā)揮出來(lái)，此過(guò)程無(wú)需進(jìn)行壓力的施加，電極能夠作為填充材料。此種焊接技術(shù)既可以采用交流電源，又可以采用直流電源，不過(guò)通常情況下將恒流供電電源作為首要選擇對(duì)象。

手工電弧焊有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，攜帶方便；（2）可應(yīng)用于有限的空間之中；（3）與其他類(lèi)型的焊接技術(shù)相比，此技術(shù)對(duì)風(fēng)與氣流的敏感程度較低；（4）在絕大多數(shù)金屬以及合金中都表現(xiàn)出較好的適用性。

不過(guò)，此技術(shù)亦有其不足存在：（1）與熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）等焊接技術(shù)相比，手工電弧焊的熔敷效率并不是非常理想；（2）針對(duì)焊縫的附近位置或是前一道焊道，在執(zhí)行具體的焊接處理任務(wù)以前，需要先將準(zhǔn)備工作做好，即清除干凈存在于起弧以及熄弧位置的焊渣。

1.2 埋弧焊（SAW）

該電弧焊技術(shù)運(yùn)用的電弧可以是一個(gè)，也可以是多個(gè)，它們產(chǎn)生于焊劑覆蓋之下裸露的金屬電極和熔池之間。填充材料以電極或焊條、焊劑、金屬顆粒等其他金屬為主。對(duì)埋弧焊技術(shù)的應(yīng)用方式進(jìn)行分析，主要可劃分為3 種類(lèi)型：（1）半自動(dòng)；（2）自動(dòng)；（3）機(jī)械模式。所用電源為恒壓或恒流電源，此技術(shù)在工業(yè)壓力容器以及管道的生產(chǎn)中有較為廣泛的應(yīng)用。

從優(yōu)點(diǎn)上來(lái)看，此技術(shù)的金屬熔敷率較高，能夠在較大程度上為焊接質(zhì)量提供保證。不過(guò)對(duì)其不足進(jìn)行分析，亦有較為明顯的體現(xiàn)，在進(jìn)行具體的焊接處理之時(shí)，并不能看見(jiàn)焊縫，所用設(shè)備比較大，費(fèi)用高，只可以水平進(jìn)行。圖1 所示為埋弧焊技術(shù)示意。

圖1 埋弧焊焊接過(guò)程示意圖

1.3 藥芯焊絲電弧焊（FCAW）

該電弧焊技術(shù)的電弧在連續(xù)送進(jìn)的管狀填充金屬電極以及熔池之間產(chǎn)生，保護(hù)氣體則產(chǎn)生于管狀焊絲內(nèi)部的藥芯，焊接作業(yè)進(jìn)行過(guò)程中無(wú)需進(jìn)行壓力的施加，一般情況下更適宜使用與熔化極氣體保護(hù)焊相同的直流恒壓電源。

對(duì)藥芯焊絲電弧焊優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析，可大致作以下幾點(diǎn)概括：（1）藥芯能夠用于金屬冶煉；（2）渣皮可以為焊縫提供保護(hù)，同時(shí)幫助其成型；（3）較之手工電弧焊等其他類(lèi)型的焊接技術(shù)而言，有更為理想的熔敷率以及生產(chǎn)率；（4）保護(hù)介質(zhì)生產(chǎn)于焊縫表面，較之熔化極氣體保護(hù)焊而言，可以忍受的氣流強(qiáng)度更大。

不過(guò)，此技術(shù)同樣有其局限性存在：（1）較之焊條電弧焊技術(shù)而言，此技術(shù)的設(shè)備復(fù)雜程度及費(fèi)用更高，攜帶不便；（2）焊接過(guò)程中會(huì)有很多煙塵產(chǎn)生，要求進(jìn)行適宜排氣裝置的設(shè)置；（3）焊道間的渣皮需要清理干凈；（4）打底焊時(shí)要背部墊板。

1.4 鎢極氬弧焊（GTAW）

又有TIG 焊之稱(chēng)，電弧在不熔化的鎢電極以及熔池之間產(chǎn)生。此技術(shù)需要用到保護(hù)氣體，無(wú)需進(jìn)行加壓處理，可采用直流或交流恒流電源，具體的選取由接受焊接處理的金屬來(lái)決定。

鎢極氬弧焊主要包括以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：（1）獲取的焊縫純凈度較高，通常情況下不會(huì)有缺陷產(chǎn)生；（2）基本上沒(méi)有焊后清理的必要；（3）打底焊道的熔深能夠得到很好的控制；（4）依據(jù)具體的使用條件，既可以使用填充金屬，又可以不對(duì)其加以使用。

分析此技術(shù)的不足，則體現(xiàn)為熔敷率比熔化極電弧焊低，填充金屬與母材污染容易對(duì)其產(chǎn)生影響，若環(huán)境中有氣流存在，較難發(fā)揮出對(duì)焊接區(qū)域的保護(hù)作用。圖2 所示為鎢極氬弧焊技術(shù)示意。

圖2 鎢極氬弧焊焊接技術(shù)示意圖

1.5 螺柱電弧焊（SW）

主要指的是利用在金屬螺柱或類(lèi)似零件與工件之間產(chǎn)生的電弧執(zhí)行具體焊接任務(wù)的一種方法。在零件表面被適當(dāng)加熱以后，螺柱會(huì)出現(xiàn)熔化的現(xiàn)象，與之相伴隨，工件的對(duì)應(yīng)位置同樣會(huì)熔化，受到壓力的影響，熔化位置會(huì)緊密接觸。此方法既可以是半自動(dòng)，也可以是全自動(dòng)。螺柱焊槍夾持柱螺柱的一段，并與工件對(duì)準(zhǔn)。一般情況下，螺柱焊所用為直流電，螺柱焊槍接負(fù)極（DCEN），所用電源為恒壓電源。

作為一種具有特殊性的焊接工藝，螺柱電弧焊只適用于對(duì)儲(chǔ)罐、壓力容器以及電熱箱上絕緣與難熔支柱的焊接。對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行分析，主要包括以下兩點(diǎn)：（1）與在母材上手工焊接螺柱施工工藝相比，螺柱電弧焊的生產(chǎn)率更高；（2）只要具有適用性，全部位置的焊接均可實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)，螺柱電弧焊的局限性亦比較明顯：（1）基本上僅在碳鋼以及低合金鋼的焊接中適用；（2）作為一種專(zhuān)用的方法，應(yīng)用率并不高。

2 大型鋼結(jié)構(gòu)焊接的質(zhì)量控制措施

對(duì)于大型鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)，其質(zhì)量控制工作主要從以下兩個(gè)方面展開(kāi)：（1）焊縫外觀；（2）焊接變形。實(shí)際制造作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中，基于對(duì)相應(yīng)措施的采用能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)焊縫外觀質(zhì)量以及焊接變形量的有效控制。

2.1 焊接外觀質(zhì)量控制

（1）長(zhǎng)期以來(lái)，大型鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件焊縫成型不理想始終是焊接鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量通病，在對(duì)焊接焊縫的內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行有效控制的同時(shí)，還需要采取各種有效手段從嚴(yán)格意義上把控焊縫的外觀質(zhì)量。焊縫外觀質(zhì)量的控制需要對(duì)焊縫的特點(diǎn)以及焊接工位的特點(diǎn)作全面與細(xì)化考慮，針對(duì)不同的位置采用差異化的處理工藝：其一，針對(duì)板單元對(duì)接焊縫，用實(shí)心焊絲CO氣體保護(hù)焊進(jìn)行打底處理，在此基礎(chǔ)上對(duì)埋弧自動(dòng)焊技術(shù)加以運(yùn)用；其二，針對(duì)角焊縫定位焊，對(duì)實(shí)心焊絲CO氣體保護(hù)半自動(dòng)焊焊接方式加以采用，正式焊接過(guò)程中則運(yùn)用藥芯焊絲CO氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊接技術(shù)。為了確保熔透焊接以及焊縫有一個(gè)較好的外觀質(zhì)量，通常情況下先對(duì)內(nèi)側(cè)進(jìn)行焊接處理，將實(shí)心焊絲CO氣體保護(hù)半自動(dòng)焊焊接技術(shù)工藝應(yīng)用其中，之后執(zhí)行對(duì)外側(cè)的焊接任務(wù)，所用焊接技術(shù)為藥芯焊絲CO氣體保護(hù)自動(dòng)焊。在頂板和底板焊接位置的打底焊道中，過(guò)馬板位置容易有根部縮孔、弧坑裂紋、反面成型差、間隙不勻?qū)е碌暮缚p根部熔合不好等狀況的出現(xiàn)。在具體的制造環(huán)節(jié)，需要對(duì)打底焊道的工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，熄弧位置需要針對(duì)性地將接頭速度加快，針對(duì)過(guò)大或過(guò)小的焊接間隙，基于對(duì)向前推或拉的運(yùn)條方式的采用解決對(duì)根部熔合不好的狀況；在首道埋弧自動(dòng)焊焊接完畢后，將襯墊去除，以此為受熱下墜的焊縫金屬提供相應(yīng)的依托，對(duì)因?yàn)榇虻缀傅篮穸容^小，焊縫受熱之后容易下墜而導(dǎo)致的反面余高過(guò)高等外觀問(wèn)題的出現(xiàn)加以規(guī)避。

（2）針對(duì)箱型截面，薄板單元的接頭形狀通常以單面坡口比較常見(jiàn)，帶有一定的鋼襯墊，此位置因?yàn)殇撘r墊并不能夠和腹板實(shí)現(xiàn)相互之間的緊貼，故而根部位置比較容易出現(xiàn)滲渣現(xiàn)象，落入間隙中會(huì)有夾渣缺陷形成，不僅如此，還會(huì)加大氣孔等缺陷的發(fā)生率，而之所以會(huì)出現(xiàn)氣孔，主要原因在于焊絲和母材直角邊之間的距離太大，熱量受此影響而有所不足。為了解決這一問(wèn)題，應(yīng)盡量拉緊焊絲和母材直角邊的距離，另外，還要對(duì)焊嘴的傾斜角度作相應(yīng)調(diào)整，保證焊縫受熱以及熱量有一個(gè)相對(duì)均勻的分布。為了將焊縫夾渣現(xiàn)象的發(fā)生率控制在盡可能低的水平，需要嚴(yán)格做好對(duì)整個(gè)施工作業(yè)的控制工作，在焊接作業(yè)開(kāi)始以前，需要嚴(yán)格參照工藝的具體要求進(jìn)行除銹處理，完全清除油污及鐵銹；在將銹跡清除干凈以后，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行焊接處理，如遇下雨天或濕度較大的情況，應(yīng)停止焊接作業(yè)；針對(duì)需要預(yù)熱處理的組件或位置，需要嚴(yán)格按照工藝要求做好預(yù)熱工作，對(duì)焊接電壓以及焊縫位置板縫的間隙進(jìn)行嚴(yán)格控制，保證坡口設(shè)置的合理性，焊絲和坡口的角度也要合理控制，最小化夾渣現(xiàn)象的發(fā)生率，對(duì)熔渣溢流狀況的出現(xiàn)加以規(guī)避。

2.2 焊接變形質(zhì)量控制

大型鋼結(jié)構(gòu)通常情況下都會(huì)在工廠(chǎng)預(yù)制，制作完畢以后運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行直接安裝。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)安裝作業(yè)的進(jìn)行會(huì)受到設(shè)備條件的制約，加之高空作業(yè)會(huì)將調(diào)整難度加大，所以這對(duì)工廠(chǎng)預(yù)制環(huán)節(jié)節(jié)段幾何精度的控制提出較為嚴(yán)格的要求。舉例而言，南京三橋鋼塔階段橫橋向以及縱橋向?qū)挾绕畈荒艹^(guò)2mm，對(duì)角線(xiàn)以及扭轉(zhuǎn)的偏差則應(yīng)控制在3mm 以?xún)?nèi)，此外，相鄰節(jié)段匹配尺寸偏差不可以超過(guò)2mm。以前，在完成對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的焊接任務(wù)以后，焊接變形以及幾何精度的控制多通過(guò)熱矯來(lái)完成，然而如果熱矯次數(shù)太多或比較頻繁，鋼材的性能會(huì)在一定程度上受到不利影響，所以，需要盡可能地在制作環(huán)節(jié)對(duì)主動(dòng)以及事先控制等相關(guān)措施加以運(yùn)用，避免焊接變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，為制作精度提供可靠保證。

（1）針對(duì)板塊制作，利用反變形胎架、剛性約束以及雙噴嘴頭CO氣體保護(hù)自動(dòng)焊焊接對(duì)稱(chēng)焊接工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形現(xiàn)象發(fā)生率的有效降低。

（2）針對(duì)板單元對(duì)接焊縫，如果板的厚度比較小，則采用單面焊接雙面成型工藝；如果板的厚度比較大，則進(jìn)行雙面坡口的調(diào)整，以此降低焊接填充量，除此之外，預(yù)設(shè)反變形、馬板剛性約束以及埋弧自動(dòng)焊雙面焊技術(shù)的采用同樣有利于焊接變形現(xiàn)象的規(guī)避。

（3）針對(duì)節(jié)段變形，為了對(duì)鋼塔以及箱體階段的焊接變形進(jìn)行有效控制，需要以結(jié)構(gòu)和焊縫表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)、實(shí)際分布情況以及變形走向等相關(guān)因素為依據(jù)進(jìn)行焊接變形約束工裝的設(shè)計(jì)及制作，尤其是針對(duì)與端口位置比較近且沒(méi)有熔透的焊縫，在施焊以前需要進(jìn)行有較大剛性的焊接變形約束工裝的設(shè)置。

針對(duì)立體結(jié)構(gòu)，除了本身有焊接變形現(xiàn)象產(chǎn)生以外，先焊位置針對(duì)后焊位置會(huì)有程度并不相同的拘束產(chǎn)生，這會(huì)導(dǎo)致不同焊接變形現(xiàn)象的出現(xiàn)，所以，需要對(duì)適宜的方法加以采用，如兩側(cè)交替焊接、對(duì)稱(chēng)焊接、補(bǔ)償焊接收縮等，以此達(dá)到控制焊接變形量的目的，為制作精度的提升提供保證。

3 大型鋼結(jié)構(gòu)焊接的其他質(zhì)量控制注意事項(xiàng)

在焊接作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中，檢驗(yàn)員需要對(duì)相關(guān)危險(xiǎn)有一個(gè)較為全面和清楚的把握，采取有效措施對(duì)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)傷害的出現(xiàn)加以規(guī)避。具體地，檢驗(yàn)員需要對(duì)工作場(chǎng)所安全規(guī)程與條例進(jìn)行復(fù)查，保證焊接作業(yè)的進(jìn)行能夠與各項(xiàng)規(guī)程及條例相符。在焊接現(xiàn)場(chǎng)，檢驗(yàn)員有時(shí)會(huì)遇到一些危險(xiǎn)，如電弧輻射、氣體污染、煙塵及灼傷等。電弧保護(hù)對(duì)可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)與紅外線(xiàn)予以涉及。所以需要對(duì)適宜的濾光鏡加以使用，發(fā)揮出對(duì)眼部的保護(hù)作用，另外，還要用適宜的衣物對(duì)皮膚進(jìn)行覆蓋。為了將含汽化金屬在內(nèi)的煙塵顆粒除去，需要適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行通風(fēng)。在通風(fēng)性比較差的地方，應(yīng)進(jìn)行呼吸過(guò)濾保護(hù)裝置的配備；在利用保護(hù)氣體執(zhí)行焊接任務(wù)時(shí)，如果空間有限，會(huì)有一定的可能導(dǎo)致氧氣不足，對(duì)此，需要認(rèn)真復(fù)查此區(qū)域的通風(fēng)設(shè)施。焊接過(guò)程中會(huì)有火花或其他氣體懸浮顆粒產(chǎn)生，要嚴(yán)格給予適當(dāng)警告。此外，還要提高對(duì)工作區(qū)域內(nèi)吊裝、運(yùn)輸以及機(jī)電等操作潛在安全危險(xiǎn)的重視。在進(jìn)行焊接之前，要嚴(yán)格保證工作區(qū)域的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

在工程建設(shè)中，大型鋼結(jié)構(gòu)發(fā)揮著尤為重要的作用，需要針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中一些常見(jiàn)問(wèn)題，如焊縫無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)具體施工要求的滿(mǎn)足、焊接變形等，全面做好原因分析工作，以此為基礎(chǔ)采取有效措施加以應(yīng)對(duì)，嚴(yán)格做好焊接環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制工作，持續(xù)性地提升鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量，以此為工程建設(shè)提供重要保證與支持，讓其更好地滿(mǎn)足當(dāng)今時(shí)代發(fā)展要求。