分析鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)及其質(zhì)量管理

賈雄飛

摘? ? 要：在國內(nèi)建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)框架，具有綠色環(huán)保、空間大和強(qiáng)度高等特點(diǎn)，在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和塔桅建筑、超高層建筑以及大型工業(yè)廠房中等建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。隨著建筑結(jié)構(gòu)超高層化和大跨度化，高性能鋼材應(yīng)用增多，分析和討論建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)效率，對(duì)于提高建筑工程質(zhì)量和效率具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);焊接技術(shù);質(zhì)量管理;措施

1? 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的特征及產(chǎn)生機(jī)理

1.1? 熱裂紋

在較高的溫度條件下，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接容易出現(xiàn)熱裂紋，在焊接的過程中，焊縫受到溫度的影響，發(fā)生了結(jié)晶反應(yīng)，再加上金屬本身的拉伸應(yīng)力的影響，導(dǎo)致熱裂紋呈現(xiàn)出來不同的形態(tài)，通過分析這些形態(tài)，又可以將其劃分為不同的種類。由于高溫和拉伸應(yīng)力的影響，在焊接的過程中受熱不均勻，導(dǎo)致受熱面出現(xiàn)了失衡的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象導(dǎo)致焊縫處發(fā)生了結(jié)晶，這一結(jié)晶受到金屬雜質(zhì)和拉伸應(yīng)力的影響，出現(xiàn)了多邊化的裂紋。凝固裂紋指的是在金屬焊接操作中金屬凝固，后期出現(xiàn)了脆性溫度，這個(gè)溫度導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)凝固裂紋。主要的形成過程是焊縫金屬結(jié)晶的晶粒之間存在很多的液相層，由于其韌性很低，在凝固的過程中溫度降低，基礎(chǔ)冷卻不均勻收縮，從而產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力，這一變形超過了金屬所能承受的臨界值，從而導(dǎo)致凝固裂紋的出現(xiàn)。液化裂紋指的是在焊接的過程中過高的溫度會(huì)導(dǎo)致金屬的化合物來不及擴(kuò)散，同時(shí)形成了局部晶界，這一晶界液化導(dǎo)致了液化裂縫的出現(xiàn)。失塑裂縫指的是在焊接的過程中，由于受到熱循環(huán)的影響，使得金屬整體的塑性受到了影響，在加上金屬的拉伸應(yīng)力對(duì)結(jié)晶施加了力的作用，從而產(chǎn)生了失塑裂紋。

1.2? 冷裂紋

建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接所選用的工具存在一定的拘束度，在焊接的過程中，這一特點(diǎn)會(huì)對(duì)金屬的結(jié)構(gòu)造成一定的影響，施加不同類型的力，這些力相互作用，影響金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，在焊接結(jié)束金屬冷卻后，金屬的結(jié)構(gòu)也變形結(jié)束，從而在焊接的熱影響區(qū)域出現(xiàn)了一些裂紋。此外接頭的含氫量會(huì)大量地融入到熔池內(nèi)。焊接結(jié)束后金屬進(jìn)行冷卻，其中包含的氫會(huì)溢出，但是由于冷卻速度過快，導(dǎo)致金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)了一部分氫氣，冷卻凝固并不完全，嚴(yán)重影響了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)了冷裂紋。

1.3? 層狀撕裂

層狀撕裂的位置形態(tài)的特點(diǎn)包括：一是層狀撕裂會(huì)沿著焊接熱影響區(qū)域進(jìn)行分布，主要是由于這一區(qū)域具有較長(zhǎng)的拉伸應(yīng)力，非金屬交雜物分布進(jìn)行擴(kuò)散成為出現(xiàn)的層狀撕裂。第二起裂點(diǎn)一般出現(xiàn)在焊縫的根部或者焊趾處，所形成的裂縫，平行于鋼板表面呈現(xiàn)出階梯狀。

2? 高效焊接技術(shù)應(yīng)用

早期建筑鋼結(jié)構(gòu)主要采用焊條電弧焊，效率低下，且對(duì)焊工經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)依賴程度高。提高焊接生產(chǎn)效率，一方面提高熱輸入率，另一方面提高自動(dòng)化程度。采用鋼強(qiáng)度一般在195MPa～420MPa之間，由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)和超高層建筑結(jié)構(gòu)，高性能鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用，高強(qiáng)鋼因減少自重和工時(shí)。自20世紀(jì)80年代，高效焊接方法開始推廣使用。如電渣焊、多絲埋弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等引入鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)，雙絲貼角埋弧焊的H型鋼生產(chǎn)線，焊接規(guī)范參數(shù)穩(wěn)定，焊接缺陷如氣孔以及裂紋比例低，焊縫成形美觀，極大地提高了鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

埋弧焊特別是雙絲、多絲埋弧焊顯著提高熱源效率，熔深淺，焊接缺陷少。但由于熱量輸入大，開裂敏感性增大。特別是對(duì)大跨度鋼結(jié)構(gòu)中，大厚度柱梁結(jié)構(gòu)為高強(qiáng)鋼材料時(shí)，裂紋敏感性顯著增加。對(duì)于厚板鋼結(jié)構(gòu)，制定焊接工藝時(shí)，將焊接熱輸入作為要點(diǎn)，只要控制合理，箱形鋼柱、梁結(jié)構(gòu)外板厚度達(dá)到數(shù)十毫米和超高層鋼柱節(jié)點(diǎn)處鋼板厚度達(dá)200mm。雙絲大電流埋弧焊工藝，兩根焊絲總電流值可達(dá)4000A，一道焊接即可完成。試驗(yàn)表明，焊接國產(chǎn)Q420及以下強(qiáng)度各鋼種單絲或多絲埋弧焊可以保證焊接質(zhì)量。

盡管埋弧焊的高效化和自動(dòng)化，在電弧穩(wěn)定性、焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定性以及焊接質(zhì)量等方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。然而，建筑鋼結(jié)構(gòu)形式多樣，除了集成化鋼結(jié)構(gòu)建筑，大部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都缺少單一化標(biāo)準(zhǔn)，使智能化焊接方法焊接效率難以充分挖掘，半自動(dòng)的CO2氣體保護(hù)焊接為主，成為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率瓶頸。

示教型焊接機(jī)器人具有自動(dòng)送絲、自動(dòng)行走以及焊槍位姿調(diào)節(jié)，大大提高了焊接效率和質(zhì)量。然而，局限于建筑鋼結(jié)構(gòu)的多樣化非標(biāo)件，如普遍采用的H形牛腿結(jié)構(gòu)，在某公司2018年牛腿結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中占比80%以上。示教過程中軌跡和位姿編程時(shí)間占比大，幾乎達(dá)到整個(gè)焊接時(shí)間的30%～40%，機(jī)器人整體焊接效率與人工焊接效率相當(dāng)。通過對(duì)牛腿參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立不同焊縫坡口形式對(duì)應(yīng)焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，離線編程模擬最小截面H形牛腿和最大截面H形牛腿機(jī)器人運(yùn)行軌跡和焊接位姿，以及機(jī)器人參數(shù)化編程界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格牛腿示教自動(dòng)焊接，將參數(shù)化編程時(shí)間占機(jī)器人焊接時(shí)間比例降到了5%-20%之間，大大提高了非標(biāo)H形牛腿接頭結(jié)構(gòu)焊接效率。

3? 鋼結(jié)構(gòu)建造的變形控制

（1）完善管理制度，提升焊接技術(shù)。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的不斷改革創(chuàng)新，已經(jīng)具備相對(duì)成熟的技術(shù)體系，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，并在鋼結(jié)構(gòu)建造中占據(jù)著重要地位。但由于其在施工過程中很容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象，影響著鋼結(jié)構(gòu)建造的整體施工質(zhì)量。因此，為了更好地控制海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)建造的變形現(xiàn)象，首先，要及時(shí)完善相關(guān)的管理制度，設(shè)立焊接質(zhì)量管理體系，管理工作者要時(shí)刻監(jiān)督焊接技術(shù)人員在施工過程中嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行焊接，遵循正確的焊接順序，遵守相關(guān)的施工要求，認(rèn)真檢查焊接質(zhì)量。另外，管理人員要對(duì)焊接技術(shù)人員進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，確保相關(guān)施工人員具備豐富的焊接工作經(jīng)驗(yàn)和符合要求的技術(shù)水平。除此之外，要定期對(duì)焊接技術(shù)人員進(jìn)行專門的技術(shù)培訓(xùn)，學(xué)習(xí)先進(jìn)的焊接技術(shù)，配備先進(jìn)的焊接設(shè)備，從而有效保障海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的整體施工質(zhì)量，避免因質(zhì)量問題造成安全事故。

（2）科學(xué)合理設(shè)計(jì)，選用正確焊接方法。鋼結(jié)構(gòu)的建造是以設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)圖為基本標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，工程設(shè)計(jì)合理是影響海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)建造整體質(zhì)量的影響因素之一。鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計(jì)不同于其他建筑設(shè)計(jì)，不僅要求設(shè)計(jì)人員要對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行規(guī)劃，還需要充分了解不同鋼結(jié)構(gòu)材料的特性，以及不同鋼結(jié)構(gòu)材料之間的焊接要求，在設(shè)計(jì)圖中對(duì)焊接位置的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)斟酌，以把控施工過程中焊接變形問題出現(xiàn)的概率。在設(shè)計(jì)方案中，要充分考慮合適的焊接方式，結(jié)合海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)建造的實(shí)際要求嚴(yán)格控制好焊縫位置、數(shù)量與尺寸，防止因?yàn)楹缚p數(shù)量過多影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;采用科學(xué)正確的焊接方法，減少出現(xiàn)多余的焊接縫隙，預(yù)防焊接變形情況的出現(xiàn)。

4? 結(jié)束語

制作鋼結(jié)構(gòu)件的過程中，經(jīng)常會(huì)發(fā)生焊接變形。造成鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因較多，因此在制作鋼結(jié)構(gòu)件過程中要對(duì)控制焊接變形給以重視。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形進(jìn)行控制的同時(shí)要對(duì)于殘余應(yīng)力的控制給以重視。通過對(duì)焊接變形的控制，提高鋼結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量，保障鋼結(jié)構(gòu)件的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王豐景.鋼結(jié)構(gòu)焊接變形與焊接應(yīng)力研究[J].冶金叢刊，2017（4）：72～73.

[2] 張清林，李維桐，賈勇.國電大武口發(fā)電有限公司350MW機(jī)組輸煤棧橋鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制措施[J].明日風(fēng)尚，2018（12）：289.

[3] 邵大學(xué)，胡玉璋.大型鋼結(jié)構(gòu)焊接變形控制工藝探究[J].名城繪，2018（2）：212.

[4] 張景麗，吳翠蓮.鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力及焊接變形控制技術(shù)[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（1）：118～122.

[5] 岳彩旺.模塊化建造在海洋鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)施工中的應(yīng)用[J].化工管理，2018（1）：10～11.