提高鋼結(jié)構(gòu)焊縫質(zhì)量的認(rèn)識(shí)與思考

◎ 中鐵二十四局南昌建設(shè)有限公司 鐘龍伶

20世紀(jì)90年代以來(lái),隨著我國(guó)鋼產(chǎn)量迅速增加和現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑物中鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，如高層、超高層建筑；工業(yè)廠房建筑；大橋、高架立交橋建筑；體育和文化場(chǎng)館的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；塔桅建筑；現(xiàn)代鐵路站臺(tái)雨棚建筑等,這些建筑采用鋼結(jié)構(gòu)的越來(lái)越多。鋼結(jié)構(gòu)建筑物中，鋼構(gòu)件之間多采用焊接連接,如鋼梁與鋼梁的連接、鋼梁與鋼柱的連接、直接相貫的鋼管桁架連接等。焊接作為鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為廣泛的一個(gè)基本連接方式，已成為保證鋼結(jié)構(gòu)建筑質(zhì)量中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。隨著高層、超高層以及巨型建筑物的產(chǎn)生和發(fā)展，隨著人們對(duì)大空間、大跨度的要求，采用焊接連接的鋼結(jié)構(gòu)也朝著大型化、復(fù)雜化、高容量、高參數(shù)方向發(fā)展(動(dòng)載、彈韌性、高溫、低溫、耐蝕等)。由焊接問(wèn)題造成的事故也越來(lái)越頻繁,事故的危害性也越來(lái)越嚴(yán)重，故而，對(duì)于采用焊接連接的鋼結(jié)構(gòu)，提高和保證其焊接質(zhì)量已成為當(dāng)前焊接生產(chǎn)中的關(guān)鍵問(wèn)題。

在此，作者結(jié)合浙贛電化提速改造工程的上饒站鋼結(jié)構(gòu)站臺(tái)雨棚和鋼結(jié)構(gòu)天橋工程施工，就提高鋼結(jié)構(gòu)焊縫連接質(zhì)量談?wù)劚救说恼J(rèn)識(shí)與思考，供同行參考。

1、工程概括

上饒站鋼結(jié)構(gòu)雨棚全長(zhǎng)550.0m，寬10m，檐高4.6m，三個(gè)站臺(tái)雨棚總建筑面積18420m2。雨棚基礎(chǔ)采用混凝土結(jié)構(gòu)，上部為鋼結(jié)構(gòu)。鋼柱與基礎(chǔ)采用高強(qiáng)螺栓連接，鋼架為連續(xù)Y型結(jié)構(gòu)，鋼架與鋼柱采用焊縫連接，新建雨棚外觀輕盈、飄逸。鋼結(jié)構(gòu)旅客天橋，全長(zhǎng)107米，共四跨，最大跨度31.5米，橋墩為混凝土結(jié)構(gòu)，橋梁為鋼結(jié)構(gòu)，梁跨由五根高1.1米的工子鋼梁組成，鋼梁采用3cm厚鋼板焊接而成，鋼梁全長(zhǎng)焊接肋板。雨棚及天橋鋼材均為Q235鋼，焊接工程為手工電弧焊，焊縫質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)。

2、焊縫連接特點(diǎn)

鋼結(jié)構(gòu)常用的連接方法有焊接、鉚釘連接和螺栓連接，螺栓連接分普通螺栓連接和高強(qiáng)螺栓連接。焊接具有：不削弱構(gòu)件面積，節(jié)約鋼材；構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便；連接密閉性好，剛度大；易采用自動(dòng)化作業(yè)，生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前最主要的連接方發(fā)。但焊縫連接會(huì)使焊縫附近熱影響區(qū)材質(zhì)變脆，同時(shí)在焊件中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力和殘余變形，給結(jié)構(gòu)安全帶來(lái)不利影響。由于焊縫剛度大，對(duì)裂紋擴(kuò)展敏感，尤其對(duì)直接承受動(dòng)載作用的結(jié)構(gòu)影響明顯，在低溫環(huán)境中，結(jié)構(gòu)容易發(fā)生脆性斷裂。因此，現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，充分認(rèn)識(shí)焊縫連接時(shí)易產(chǎn)生的連接缺陷和原因是提高焊縫質(zhì)量的前提。

3、焊縫連接缺陷類型及原因

(1)未滿焊：表現(xiàn)為填充金屬不足，在焊縫表面形成的連續(xù)或斷續(xù)的溝槽，原因?yàn)椋和倒p料；

(2)根部收縮：表現(xiàn)為對(duì)接焊縫時(shí)根部收縮造成的淺溝槽，原因?yàn)椋汉附与娏鬟^(guò)大或火焰能效過(guò)大，使熔池體積過(guò)大；

(3)咬邊：焊接造成的焊趾或焊根外的連續(xù)的或間斷的溝槽、咬邊，原因?yàn)椋弘娏鬟^(guò)大或電弧過(guò)長(zhǎng)；焊條和焊絲的角度不合適或埋弧焊時(shí)電壓過(guò)低；

(4)弧坑裂紋：焊縫收弧弧坑處的裂紋，原因?yàn)椋汉附訒r(shí)存在低熔點(diǎn)雜質(zhì)；焊接坡口未清理干凈；焊接接頭存在淬硬組織；

(5)電弧擦傷：焊縫坡口外部引弧或打火時(shí)產(chǎn)生于母材金屬表面上的局部損傷，原因?yàn)椋汉赴雅c工件無(wú)意碰摸；焊接電纜破損；未在坡口內(nèi)引弧，而在母材上任意打火；

(6)接頭不良：焊縫銜接處的局部表面不規(guī)則，原因?yàn)椋汉附訉哟尾贾貌缓?；操作不熟練?/p>

(7)表面夾渣：殘留在焊縫中的熔渣，原因?yàn)椋憾嗟篮笇娱g清理不徹底；焊接電流過(guò)小，焊接速度快，熔渣未浮出；操作不熟練；坡口設(shè)計(jì)不合理，焊層性狀不良；

(8)表面氣孔：暴露在焊縫表面的氣孔，原因?yàn)椋汉笚l、焊劑潮濕，藥皮剝落；填充金屬與母材坡口表面油、水、銹、污等未清理干凈；電弧過(guò)長(zhǎng)，熔池面積過(guò)大；焊接電流過(guò)大，焊條發(fā)紅，保護(hù)作用減弱；保護(hù)氣體流量小、純度低，氣體保護(hù)效果差；焊接環(huán)境濕度大。

4、焊縫質(zhì)量的提高

焊縫連接在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生連接缺陷，但是要提高焊縫的質(zhì)量，卻是一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程。從焊縫的設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工管理到焊縫檢測(cè)都有很大的關(guān)系，下面就焊縫的設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)三個(gè)方面談?wù)勌岣吆缚p的連接質(zhì)量。

4.1 提高焊縫設(shè)計(jì)質(zhì)量

從全面質(zhì)量管理角度講，好的產(chǎn)品質(zhì)量，首先是設(shè)計(jì)出來(lái)的，因此，要確保焊縫質(zhì)量，首先要做好焊縫的設(shè)計(jì)工作。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的使用工況和受力情形進(jìn)行焊縫的受力設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、焊縫型式和布置設(shè)計(jì)，給焊縫確定適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)并對(duì)焊縫進(jìn)行合理標(biāo)注。受力設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮載荷性質(zhì)，繼而要考慮使用工況、環(huán)境溫度介質(zhì)。對(duì)于重級(jí)工作制動(dòng)載荷、低溫疲勞載荷，應(yīng)該選擇保證焊透的對(duì)接焊縫；對(duì)于一般載荷和普通工況，不需全按對(duì)接焊縫設(shè)計(jì)，可設(shè)計(jì)成角焊縫，如承受均布載荷的梁的翼緣板與腹板連接焊縫。在遵守焊縫受力設(shè)計(jì)原則的同時(shí)，應(yīng)正確對(duì)待焊縫的標(biāo)注。有的焊縫設(shè)計(jì)，把焊縫質(zhì)量定為一、二級(jí)、而圖紙上又按角焊縫標(biāo)注，相互矛盾。因?yàn)橐?、二?jí)焊縫是不允許未焊透的，而角焊縫可以不焊透，這種矛盾的標(biāo)注無(wú)法實(shí)施。所以合理準(zhǔn)確的焊縫設(shè)計(jì)和標(biāo)注是正確指導(dǎo)和確保焊縫質(zhì)量的前提。

4.2 加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)焊接管理

4.2.1 加強(qiáng)焊接人員、焊接工藝管理

手工電弧焊靠焊工的手工操作完成全過(guò)程，焊工不僅要完成引弧、運(yùn)條、收弧等動(dòng)作，而且要隨時(shí)觀察熔池情況，不斷調(diào)整焊條角度，擺動(dòng)方式和幅度以及電弧長(zhǎng)度等。整個(gè)過(guò)程焊工處于手腦并用，精神高度集中狀態(tài)，且受高溫烘烤。因此焊工的操作質(zhì)量對(duì)焊縫的質(zhì)量影響很大。因此，在人員、工藝方面應(yīng)加強(qiáng)管理：

(1)全面持證上崗：檢查所有焊工的合格證、上崗證以及證件的有效期，對(duì)無(wú)證、無(wú)效證件停止焊接作業(yè)；

(2)加強(qiáng)培訓(xùn)，提高對(duì)質(zhì)量和工藝參數(shù)的認(rèn)識(shí)：焊工進(jìn)場(chǎng)后，項(xiàng)目部請(qǐng)專家和經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師進(jìn)行指導(dǎo)培訓(xùn)，印發(fā)小冊(cè)子 ，確保焊工能夠知道合理選擇焊接電流、電弧電壓、合理控制坡口大小、焊接速度，培訓(xùn)后并進(jìn)行操作考核，合格的上崗，不合格的不準(zhǔn)上崗，從施工源頭和工藝上保證了施工質(zhì)量。

(3)因地置宜，克服不利環(huán)境影響：項(xiàng)目部施工時(shí)，正值冬季施工，外界溫度低，風(fēng)速較大，工期緊。為克服低溫影響，施工時(shí)用氧氣--乙炔焊對(duì)構(gòu)件焊接部位兩側(cè)進(jìn)行預(yù)熱，保證焊接區(qū)域溫度滿足焊接要求；為減少風(fēng)的影響，采取擋風(fēng)措施；六級(jí)風(fēng)以上時(shí)停止焊接作業(yè)；為減少工人疲勞作業(yè)，確保工期，項(xiàng)目部增加現(xiàn)場(chǎng)的焊工30人，在現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易工棚，內(nèi)設(shè)爐子，休息床實(shí)行輪流間歇作業(yè) ，保證間歇工人充足的睡眠，確保不疲勞作業(yè)。

4.2.2 正確選擇、保存、管理焊條

(1)焊條型號(hào)的選擇；手工焊焊條型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為《碳鋼焊條)(GB5ll7一85)和《低合金焊條》(GB5lls一85)。選用焊條型號(hào)應(yīng)考慮三個(gè)因素∶ 構(gòu)件鋼材的強(qiáng)度和化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)的重要性及焊接位置、焊條工藝性能。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)鋼材均為Q235鋼，鋼管主要為的鋼管，焊縫質(zhì)量為二級(jí)，現(xiàn)場(chǎng)選用E43系列、直徑為3.2mm～6mm的堿性焊條，滿足了設(shè)計(jì)要求。

(2)焊條的保存：焊條購(gòu)進(jìn)后，嚴(yán)格按照J(rèn)B3323-83＜＜焊條質(zhì)量管理規(guī)程＞＞進(jìn)行貯存, 焊條堆放于離地面400cm高的架子上，且擺放整齊。針對(duì)低溫環(huán)境，焊條使用時(shí)，對(duì)焊條、焊劑進(jìn)行烘干，施工時(shí)降低吸氫現(xiàn)象。

(3)焊條的管理：現(xiàn)場(chǎng)禁止亂丟焊條頭，不許在工件上亂擦弧，亂向工件上焊異物，亂向焊口中塞鋼筋。施工時(shí)，如焊工領(lǐng)出50根焊條用掉40根，就應(yīng)交回10根，有效防止流散的焊條可能在不烘干或不明材質(zhì)的情況下用到焊縫中。

4.3 強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢、正確選擇探傷方法

4.3.1 強(qiáng)化現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)檢

項(xiàng)目施工的站臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)雨棚工程包括1～3站臺(tái)的全部鋼架焊接工程，工期緊、焊接工程量大，而且焊接是一個(gè)連續(xù)不斷的施工過(guò)程。因此，施工過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)把關(guān)和質(zhì)檢顯得尤為重要。項(xiàng)目剛施工時(shí)，質(zhì)檢人員僅1人，通常出現(xiàn)檢查不到位的情況。為此，項(xiàng)目部向公司抽調(diào)專職質(zhì)檢員2名，并對(duì)質(zhì)檢人員進(jìn)行專項(xiàng)培訓(xùn)，提高了業(yè)務(wù)技能和檢查力度。檢查時(shí)，主要查：

(1)焊接的環(huán)境、人員、設(shè)備：檢查施工時(shí)的溫度、濕度、風(fēng)速是否符合要求，檢查焊工資格，檢查焊機(jī)、計(jì)量器、焊條筒等設(shè)備狀態(tài)是否正常；

進(jìn)一步行食管電生理檢查，予心房S1S2程序刺激，設(shè)置S1S1間期為400 ms，S1S2間期為360 ms，S1S2間期每次遞減10 ms，可誘發(fā)出心動(dòng)過(guò)速，誘發(fā)窗口為S1S2 400/280 ms，誘發(fā)出心動(dòng)過(guò)速與自發(fā)心動(dòng)過(guò)速一致(圖4)，予頻率為250 次/min的S1S1連續(xù)刺激可終止心動(dòng)過(guò)速。期間患兒未訴心前區(qū)不適，無(wú)頭暈、黑蒙、暈厥，無(wú)嘔吐等不適?？紤]患兒年齡小，為首次發(fā)作，但發(fā)作時(shí)心率明顯增快，遂予酒石酸美托洛爾片10 mg/d口服以預(yù)防心動(dòng)過(guò)速發(fā)作，定期門診隨訪，必要時(shí)行射頻消融術(shù)。隨訪半年，無(wú)復(fù)發(fā)。

(2)坡口及鄰近區(qū)檢查：檢查坡口是否除銹徹底、光滑清潔，坡口角度是否符合要求；

(3)組對(duì)檢查：檢查定位焊縫的分布、外觀質(zhì)量，組對(duì)間隙是否符合要求，組對(duì)是否錯(cuò)邊；

(4)焊接過(guò)程：檢查焊接電流、電弧電壓是否符合要求，檢查焊工是否違反工藝和紀(jì)律情況；

(5)焊后外觀、尺寸：檢查是否存在不允許的焊接缺陷，檢查焊縫尺寸是否符合要求；

4.3.2 正確選擇探傷方法：

焊接工程完成后，判定焊接結(jié)構(gòu)或焊件在成型后能否滿足使用要求，就必須對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。目前，鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域檢測(cè)方法主要有：射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷、全息探傷共五種，前四種均已在實(shí)際工程中得以應(yīng)用，全息探傷是未來(lái)探傷發(fā)展的一個(gè)方向，在目前工程實(shí)踐中幾乎沒(méi)有應(yīng)用。

針對(duì)以上探傷手段，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)合理選擇探傷方法：

(1)對(duì)于一些對(duì)密閉性要求較高的鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如鍋爐、壓力容器、大型船身等，廣泛采用射線探傷作為檢驗(yàn)焊縫質(zhì)量的重要方法；采用射線探傷能確切地判定缺陷的形狀，可靠性高,底片能長(zhǎng)期保存存檔；缺點(diǎn)是射線對(duì)人體有害，檢查成本高，從檢查到判定所需的時(shí)間長(zhǎng)。

(2)對(duì)于厚度在8 mm及其以上的板材及曲率半徑不大的管材對(duì)接焊縫多采用超聲波探傷，超聲波探傷具有高靈敏度、操作簡(jiǎn)便、探測(cè)速度快、成本低且對(duì)人體無(wú)損傷的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用；其缺點(diǎn)是該探傷方法進(jìn)行定性定量的評(píng)定受探傷人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)熟練程度的影響較大，且不直觀，難以達(dá)到精確評(píng)定的要求。

(3)對(duì)8 mm以下的板材和曲率半徑較大的管材對(duì)接焊縫多采用磁粉探傷和滲透探傷，角焊縫基本采用磁粉探傷和滲透探傷；這兩種探傷方法的優(yōu)點(diǎn)與超聲波探傷類似，缺點(diǎn)是只能發(fā)現(xiàn)磁性金屬表面和接近表面的缺陷，而且只能作缺陷的定量分析，難以正確判定缺陷性質(zhì)和埋藏深度。

根據(jù)探傷方法選擇原則，項(xiàng)目部鋼結(jié)構(gòu)天橋焊接板材厚度均在8 mm以上，鋼結(jié)構(gòu)雨棚采用鋼管為的鋼管，焊接質(zhì)量等級(jí)為二級(jí)，焊縫檢測(cè)時(shí)選用了超聲波探傷進(jìn)行檢測(cè)，確保了焊縫缺陷得到正確判斷，為焊縫質(zhì)量的提高提供了檢測(cè)保障。