建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接影響因素及焊接質(zhì)量管控

董 晶

鋼結(jié)構(gòu)具有自重小、適應(yīng)性強(qiáng)和施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，在建筑施工中廣泛應(yīng)用。建筑鋼結(jié)構(gòu)施工作業(yè)中，焊接質(zhì)量對(duì)整體施工效果起著至關(guān)重要的影響。因此，為確保滿足建筑施工質(zhì)量要求，必須明確建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的影響因素，并采取針對(duì)性的質(zhì)量管控措施，以提升建筑工程的質(zhì)量水平。

1 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的需求特點(diǎn)

建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接環(huán)節(jié)通常在鋼結(jié)構(gòu)吊裝完成且確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行，其在整體建筑工程施工中起著承上啟下的作用，對(duì)建筑整體施工質(zhì)量的影響也較為顯著。從當(dāng)前建筑鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用情況來(lái)看，新建建筑的鋼結(jié)構(gòu)普遍存在較為復(fù)雜的體系和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，這也造成了焊接接頭形式的多樣化特點(diǎn)。特別是在當(dāng)前建筑規(guī)模不斷擴(kuò)大、高度不斷提升和結(jié)構(gòu)跨度不斷增加的情況下，鋼結(jié)構(gòu)的焊接水平也面臨著更高的要求，如柱和剪力板、框架梁等關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)。因此，在建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工作中，必須明確可能的影響因素，并針對(duì)這些影響因素采取相應(yīng)的質(zhì)量管控措施，確保施工人員能夠高質(zhì)量且規(guī)范地完成焊接操作，充分確保焊接質(zhì)量[1]。

2 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的影響因素

2.1 焊接材料

焊接材料中，擴(kuò)散氫含量是評(píng)價(jià)其性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因當(dāng)前焊接工作中對(duì)無(wú)關(guān)變量控制效果較好，故此這項(xiàng)指標(biāo)主要取決于焊接材料自身的理化性質(zhì)?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下，建筑鋼結(jié)構(gòu)所用焊接材料的擴(kuò)散氫含量應(yīng)在8 mL/100 g 以下。但從實(shí)際情況來(lái)看，由于受到多種外界因素的綜合影響，僅憑此標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估，仍難以避免焊接頭出現(xiàn)裂紋等問(wèn)題。特別是在采用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊時(shí)，受到焊槍噴嘴高溫和一些濺落物的影響，焊接材料擴(kuò)散氫含量可能進(jìn)一步升高，導(dǎo)致原本符合要求的焊接材料指標(biāo)超限，因此需要額外注意該項(xiàng)內(nèi)容。

2.2 焊接工藝

除焊接材料外，焊接工藝的影響因素也不容忽視。建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接中存在多種焊接方法，其中電渣焊和埋弧焊的熱輸入相對(duì)較高，若焊縫面積相等，則這兩種焊接方式將造成最大的收縮變形。相對(duì)而言，手工電弧焊和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊在熱輸入和收縮變形上則相對(duì)較小。在熱輸入較高時(shí)，若加熱更大范圍，則焊接效率也將隨之顯著提升。因此，在焊接工藝選擇上，應(yīng)兼顧效率和質(zhì)量?jī)煞矫妫侠磉x擇焊接工藝，并合理確定相關(guān)焊接參數(shù)。在確定方法參數(shù)后，還應(yīng)通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，然后根據(jù)合格的工藝評(píng)定報(bào)告和圖樣技術(shù)等內(nèi)容要求，制定焊接工藝規(guī)程，編制焊接工藝說(shuō)明書(shū)，以此指導(dǎo)焊接工藝流程正確進(jìn)行[2]。

2.3 外界環(huán)境因素

由于建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接工作大部分在露天環(huán)境下進(jìn)行，因此其受到外界自然條件的影響也較為突出，在其他因素穩(wěn)定的情況下，有可能因環(huán)境因素造成焊接質(zhì)量問(wèn)題。整體來(lái)看，當(dāng)前影響鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的外界環(huán)境因素主要為溫度和風(fēng)力，風(fēng)力越大，溫度越低，則焊接工作受到的負(fù)面影響也就愈加凸顯。當(dāng)然，環(huán)境因素的控制措施相對(duì)較為簡(jiǎn)單，若環(huán)境條件不符合規(guī)定要求，則可暫停進(jìn)行焊接作業(yè)，并采取必要的保護(hù)措施，即可最大程度降低外界環(huán)境因素的影響。

3 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的主要管控策略

3.1 案例概況

某地新建一高層建筑工程，建筑總高度250 m。該建筑自地下3 層柱腳以上的外圍四個(gè)角中共計(jì)布設(shè)16 根鋼柱，其中十字形對(duì)稱鋼柱與組合型鋼柱各半。同時(shí)，在該高層建筑內(nèi)圈核心部分的四角位置也設(shè)有6 根鋼柱，其中2 根鋼柱為H 形，4 根鋼柱為十字形，此外還應(yīng)用了鋼桁架等結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)整體設(shè)計(jì)方案，該建筑工程項(xiàng)目預(yù)計(jì)使用1.8 萬(wàn)t 鋼材，且主構(gòu)件的布局形式較多，因此焊接要求相對(duì)較高，焊接節(jié)點(diǎn)中至少應(yīng)有85%的焊縫質(zhì)量達(dá)到一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)上述要求，工程單位研究后決定，從以下多個(gè)角度控制該建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量[3]。

3.2 合理選取焊接材料

為確保該建筑項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)的焊接材料符合預(yù)期要求，施工單位與建設(shè)單位將焊接材料選取作為首要環(huán)節(jié)予以把控，并結(jié)合實(shí)際情況焊材，選取結(jié)果如表1所示。

表1 建筑鋼結(jié)構(gòu)工程焊材選取結(jié)果

在此基礎(chǔ)上，技術(shù)人員也較為重視焊接材料的擴(kuò)散氫含量指標(biāo)的檢測(cè)工作，采用精密測(cè)試儀器對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)際，并基于冗余的設(shè)計(jì)理念，將本次所使用焊接材料的要求設(shè)定為擴(kuò)散氫含量不超過(guò)5 mL/100 g，以實(shí)現(xiàn)焊接材料的優(yōu)選。另外，在選定焊接材料后，技術(shù)人員應(yīng)適當(dāng)調(diào)整焊劑與焊條藥皮中的氧化劑和脫氧劑的比例，確保其大致處于1 ∶1 的比例，以避免氣孔缺陷的產(chǎn)生。

3.3 合理選用焊接方法

在確定具體焊材種類后，通過(guò)分析施工進(jìn)度要求、工程量與施工工序銜接等情況后，施工單位決定采用半自動(dòng)形式的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊方法進(jìn)行焊接，以發(fā)揮該方法在控制變形量和防銹能力方面的優(yōu)勢(shì)?？紤]到以往此種方法存在因焊接材料熔化不充分而引起的氣孔問(wèn)題，技術(shù)人員決定在原焊接溫度的基礎(chǔ)上提升50 ℃，以規(guī)避此類問(wèn)題。同時(shí)，在焊接開(kāi)始前，應(yīng)組織施工人員做好焊接區(qū)域的清潔工作。在此步驟中，主要使用砂紙打磨去除污垢等雜質(zhì)，提升焊接質(zhì)量。鋼結(jié)構(gòu)焊接施工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)焊接施工現(xiàn)場(chǎng)（來(lái)源：作者自攝）

另外，為提升焊接環(huán)節(jié)的便利度，并有效降低鋼結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力，施工單位還優(yōu)化了焊接坡口的形式布置。結(jié)合施工圖紙分析后發(fā)現(xiàn)，本次施工作業(yè)中鋼梁和柱翼緣板長(zhǎng)度較小，且截面的對(duì)稱特征較為突出，因此決定將焊接坡口設(shè)置為“ V ”字形，并控制組合柱腹板中最長(zhǎng)焊縫長(zhǎng)度在3.4 m 以下。同時(shí)，將半熔透立縫位置處的坡口設(shè)置為“K”字形，并將坡口角度設(shè)置為38°～42°。

3.4 焊接過(guò)程的質(zhì)量管控措施

在該項(xiàng)目工程建設(shè)中，施工單位采用每3 ～4 層布設(shè)1 節(jié)深化鋼柱的模式。因此，在實(shí)際焊接作業(yè)中，施工單位應(yīng)組織焊接工作人員按照施工進(jìn)度進(jìn)行焊接作業(yè)；對(duì)于每個(gè)重要施工節(jié)點(diǎn)，均應(yīng)提前焊接1 層組合柱的對(duì)接立縫。在此基礎(chǔ)上，為避免因焊接過(guò)程影響造成鋼結(jié)構(gòu)部分節(jié)點(diǎn)應(yīng)力過(guò)高，工作人員在焊接過(guò)程中，先焊接外圈梁，再按照規(guī)定順序焊接單根鋼梁的兩端。在十字形鋼梁與組合柱鋼梁的對(duì)接縫焊接環(huán)節(jié)中，由焊接施工人員從兩側(cè)同時(shí)焊接腹板焊縫，實(shí)現(xiàn)焊縫的對(duì)稱，最大程度釋放縱向應(yīng)力[4]。腹板焊接完成后，繼續(xù)在翼緣板位置進(jìn)行對(duì)稱焊接。為確保焊接質(zhì)量，施工單位技術(shù)部門(mén)綜合研究后決定選用兩側(cè)對(duì)稱的方式進(jìn)行分段焊接，并按照打底層、填充層和蓋面層的順序，依次進(jìn)行交錯(cuò)焊接。

在確定整體焊接流程后，技術(shù)管理人員也應(yīng)注重焊接參數(shù)的有效控制。首先，由技術(shù)人員制作試樣進(jìn)行模擬試驗(yàn)，評(píng)定焊接工藝；其次，根據(jù)獲取的指導(dǎo)書(shū)和工藝卡，確定各項(xiàng)焊接參數(shù)。主要焊接參數(shù)確定情況如表2 所示。

表2 主要焊接參數(shù)確定情況

確定以上參數(shù)后，由技術(shù)部門(mén)向焊接施工人員進(jìn)行技術(shù)交底與培訓(xùn)工作，確保施工人員嚴(yán)格按照表2 中所確定的焊接參數(shù)進(jìn)行焊接施工。

3.5 合理控制焊接環(huán)境

在本次建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工作業(yè)中，由于建筑高度較高，大部分鋼結(jié)構(gòu)焊接工作屬于典型的高空作業(yè)。同時(shí)，施工區(qū)域附近已有多棟高層建筑，受此建筑布局影響，焊接施工區(qū)域的環(huán)向氣流較強(qiáng)，容易導(dǎo)致焊縫的冷卻速度過(guò)快，進(jìn)而給焊接質(zhì)量帶來(lái)一定的不利影響。針對(duì)上述問(wèn)題，在本次焊接質(zhì)量管控工作中，工作人員可采取以下3 點(diǎn)措施來(lái)規(guī)避環(huán)境影響因素。第一，在使用二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的過(guò)程中，將二氧化碳?xì)怏w流量提升5%。第二，將焊道縮短至原來(lái)的80%。第三，在焊接工作區(qū)域搭建防風(fēng)平臺(tái)，如圖2 所示。

圖2 焊接施工中的防風(fēng)平臺(tái)（來(lái)源：作者自攝）

3.6 加強(qiáng)新技術(shù)的應(yīng)用

為進(jìn)一步提高建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量，施工單位技術(shù)部門(mén)也較為重視新技術(shù)的運(yùn)用。在本次焊接施工中，主要應(yīng)用以下幾類新技術(shù)模式作為輔助措施。

（1）仿真分析技術(shù)。為保證本次建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接施工方案整體布局完善，在工程作業(yè)中，技術(shù)人員首先應(yīng)用Solid-Works 軟件對(duì)目標(biāo)建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模；其次，應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件有效分析建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程的應(yīng)力變化等情況，根據(jù)分析結(jié)果確定建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接過(guò)程中的薄弱節(jié)點(diǎn)，并采取必要的防護(hù)措施。

（2）焊接應(yīng)力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)。在該技術(shù)模式下，施工單位結(jié)合施工圖紙，在鋼管柱和巨型斜撐等重要焊接節(jié)點(diǎn)布置應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器，并基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將所有應(yīng)力監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行組網(wǎng)，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)輸入至計(jì)算機(jī)設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)重要焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力變化情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。針對(duì)監(jiān)控結(jié)果，相應(yīng)調(diào)整部分焊接施工細(xì)節(jié)，以最大程度避免焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響[5]。

（3）電加熱技術(shù)。這種技術(shù)主要用于取代傳統(tǒng)焊接模式下的火焰加熱方式，以適應(yīng)本次施工中高層建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接的復(fù)雜狀況。在應(yīng)用電加熱技術(shù)模式的過(guò)程中，技術(shù)人員主要應(yīng)用陶瓷電加熱器，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行均勻加熱，具體加熱過(guò)程則應(yīng)用計(jì)算機(jī)溫控軟件進(jìn)行控制。首先，進(jìn)行預(yù)熱加溫，此環(huán)節(jié)的升溫速率控制在40 ℃/h；其次，在焊接完成后，施工人員對(duì)部位繼續(xù)進(jìn)行后熱處理，此環(huán)節(jié)溫度控制在250 ～300 ℃，恒溫2 h后再進(jìn)行緩慢的降溫處理。

4 結(jié)語(yǔ)

建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接是一項(xiàng)綜合性及復(fù)雜性均較高的工作，其質(zhì)量管控工作不容忽視。因此，在今后的實(shí)際工作中，應(yīng)結(jié)合焊接施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性，以及鋼結(jié)構(gòu)和焊接方式的多樣性，詳細(xì)探究建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接影響因素。然后根據(jù)探究結(jié)果，設(shè)計(jì)更具針對(duì)性的焊接質(zhì)量管控措施，以明確焊接技術(shù)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的穩(wěn)步提升。