淺談房屋建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量控制措施

文／苗子良 北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100070

引言：

近年來，鋼結(jié)構(gòu)在國內(nèi)外取得了迅速的發(fā)展，已在會展中心、體育場館、工業(yè)廠房中得到大量應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)因其建造速度快、材料強(qiáng)度高、抗震性能好、截面形式多樣、易于工廠化加工等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代房屋建設(shè)工程中。作為房屋建筑的柱、梁主要承重構(gòu)件，以往大多數(shù)采用的是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或者磚混結(jié)構(gòu)。隨著人們對使用功能及建筑效果永無止境的追求，對結(jié)構(gòu)的高度及造型提出了更高的要求?？總鹘y(tǒng)的單一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)很難滿足結(jié)構(gòu)受力及抗震方面的性能要求，所以鋼框架結(jié)構(gòu)、勁性混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)、鋼框架核心筒結(jié)構(gòu)等鋼結(jié)構(gòu)及其組合結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用而生。隨著我國鋼鐵行業(yè)冶煉技術(shù)的不斷發(fā)展，可以生產(chǎn)制造能夠適應(yīng)各種環(huán)境等級及受力組合的鋼材，為我國鋼結(jié)構(gòu)在建筑行業(yè)的大力發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。鋼結(jié)構(gòu)的建造永遠(yuǎn)都離不開焊接作業(yè)，而關(guān)鍵的核心問題是如何在保證焊接質(zhì)量的前提下進(jìn)行優(yōu)質(zhì)高效的搭建工作，是我們研究和解決的問題。

1、房屋建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的重要性及主要原因分析

以往房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)所用的梁柱基本上都是規(guī)則的H型鋼、箱型梁柱、十字柱或者任意兩者之間的組合結(jié)構(gòu)。這種規(guī)則的幾何形狀在鋼結(jié)構(gòu)加工廠均可以 大部分焊縫均可實現(xiàn)平焊、平角焊，此種工位的焊接方式既保證了焊接質(zhì)量也加快了工序進(jìn)度，為后期現(xiàn)場安裝提供了優(yōu)越條件。而隨著人們對房屋使用功能及建筑效果永無止境的追求，對結(jié)構(gòu)的造型提出了更高的要求，同時建筑師們?yōu)榱诉_(dá)到渲染某種效果，對結(jié)構(gòu)的造型提出了特殊要求，如異型拱架、格構(gòu)梁柱、異型弧梁、空間幾何體等的出現(xiàn)。這些異形幾何體的鋼結(jié)構(gòu)工程，在工廠很難實現(xiàn)全自動焊接，大部分依靠手工操作進(jìn)行焊接。手工焊接作業(yè)勞動強(qiáng)度大，焊接內(nèi)部質(zhì)量及觀感質(zhì)量都受到影響。同樣在安裝現(xiàn)場組拼工作也很復(fù)雜，幾個構(gòu)件組拼好后，焊工需要高空圍繞構(gòu)件進(jìn)行360度全方位焊接，焊接難度相當(dāng)大，也給焊接質(zhì)量帶來了諸多不確定性因素。

鋼結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場因場地條件受限或者結(jié)構(gòu)本身的特殊性，常常采用頂升、滑移、轉(zhuǎn)體、倒裝等施工工藝或幾種工藝的結(jié)合。整個施工工藝雖然滿足了場地條件及工期的需求，但由于構(gòu)件體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在整個施工過程中設(shè)置各種臨時胎架、支撐體系，因支撐體系的受力不均、支撐體系變形等種種原因，難免會引起鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的彈塑性變形，造成構(gòu)件與構(gòu)件對接口處存在一定量的各種偏差，而達(dá)不到正裝工藝對接口處的標(biāo)準(zhǔn)。此種工況下接口處有偏差，如錯邊、間隙不一致，坡口不均勻，加大了對接口處修理的工作量，同時增加了焊接難度。焊接完成后雖然無損檢測合格，但因焊縫間隙大的情況下，利用焊接材料填充滿后，后期焊縫中收縮應(yīng)力非常大。當(dāng)收縮應(yīng)力與結(jié)構(gòu)受力共同組合下，超過焊縫的允許應(yīng)力時，就會造成焊縫開裂，影響結(jié)構(gòu)的整體受力。

當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)作為建筑的主體結(jié)構(gòu)時，其承受了主體結(jié)構(gòu)及附屬裝飾裝修等的全部荷載。焊縫是按照鋼材的等強(qiáng)度進(jìn)行考慮，同時焊縫是最重要的受力部分，全部荷載由焊縫進(jìn)行承擔(dān)。且因結(jié)構(gòu)幾何體的復(fù)雜程度不同，在焊縫處容易形成應(yīng)力急中等不利因素，給焊縫帶來很多不確定因素。所以焊接質(zhì)量在整個鋼結(jié)構(gòu)施工過程中顯得尤為重要；

2、鋼結(jié)構(gòu)焊接常見質(zhì)量影響要素及控制措施

2.1 焊接相關(guān)人員因素的影響及控制措施

跟焊接相關(guān)的人員包括：焊接人員、檢查人員、檢測人員、熱處理人員、管理人員，下面進(jìn)行簡要論述：

（1）焊接人員即所謂的焊工。在鋼結(jié)構(gòu)工程施工焊接中，焊工是一種特種作業(yè)人員，焊工的操作技能和資格對工程質(zhì)量、安全起到關(guān)鍵性作用，必須充分給予高度重視。在國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)中，特殊技能操作人員發(fā)揮著重要的作用。在人社部2020年全國招聘求職100個短缺職業(yè)中，焊工排行第8名。充分說明了焊工在我國鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中嚴(yán)重短缺，導(dǎo)致不具備相應(yīng)焊接能力的人員臨時走馬上任，給焊接工程帶來質(zhì)量隱患。針對焊工人員數(shù)量嚴(yán)重短缺的問題，國家及行業(yè)應(yīng)出臺相應(yīng)的鼓勵政策。企業(yè)在招聘時也應(yīng)提高薪酬及福利待遇，等等。同時企業(yè)嚴(yán)格按照考試級別要求組織焊工培訓(xùn)，在取證后合理安排焊工進(jìn)行相應(yīng)的焊接作業(yè)，嚴(yán)禁超越焊工資格等級進(jìn)行作業(yè)。

（2）大型鋼結(jié)構(gòu)工程高空作業(yè)量多、焊接難度大，往往需要搭設(shè)懸挑平臺或者借助高空作業(yè)車進(jìn)行焊接。施工單位質(zhì)檢人員及監(jiān)理人員無法每個部位都能檢查到位，依靠焊工個人的水平及責(zé)任心來確定焊接工程的質(zhì)量完成程度，存在很多不確定性。主要領(lǐng)導(dǎo)及管理人員缺乏焊接相關(guān)技能及知識，一味地追求施工進(jìn)度及交付下一道工序的目標(biāo)，給整個焊接質(zhì)量留下了管理方面的隱患。針對以上焊接檢查人員、焊接管理人員的管理責(zé)任心及能力欠缺問題，應(yīng)該加強(qiáng)人員焊接相關(guān)知識的學(xué)習(xí)培訓(xùn)，只有懂得才會管理。同時應(yīng)制定與施工企業(yè)及項目部自身相適應(yīng)的焊接作業(yè)管理流程，從焊工入場、培訓(xùn)、操作、檢查、考核等一系列程序制定嚴(yán)格的流程，并且每個人都需要與績效考核相掛鉤，體現(xiàn)在工資與職位的晉升方面；

（3）無損檢測人員是非常專業(yè)的一種技術(shù)人才，鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)中此類人員數(shù)量也不足。而且無損檢測人員的技術(shù)水平及素質(zhì)修養(yǎng)也參差不齊，特別是常規(guī)超聲波檢測，機(jī)動性、隨意性都比較大。也沒有可保留的原始質(zhì)量證明記錄，完全依靠超聲波操作人員的判斷分析而做出結(jié)論。旁站的監(jiān)理工程師及施工單位的質(zhì)檢人員因?qū)I(yè)技術(shù)能力受限，無法判斷操作人員的有效性。針對以上問題，首先要加強(qiáng)無損檢測人員的考核培訓(xùn)工作，按照持證等級要求進(jìn)行相應(yīng)的無損檢測作業(yè)。同時施工企業(yè)每個項目部需要培訓(xùn)1-2名無損檢測方面的管理人員，監(jiān)督檢查無損檢測人員操作的有效性及合理性，確保整個焊接與無損檢測過程處于受控狀態(tài)。為了直觀清楚的表達(dá)無損檢測的檢驗結(jié)果，可采用可視化程度高及能夠留存直觀原始數(shù)據(jù)資料的無損檢測方法，可以定量的發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量缺陷，也備其他人員檢查和指導(dǎo)。例如采用X、γ射線無損檢測方法，形成可供直觀鑒定檢查的底片，因射線檢測價格高、效率低、對周圍人群環(huán)境輻射影響較大，不經(jīng)常用于房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)中。衍射時差法超聲檢測（TOFD）是今后房屋建筑鋼結(jié)構(gòu)無損檢測發(fā)展的一種趨勢，此種檢測方法可以直觀的檢測出焊縫內(nèi)部質(zhì)量缺陷的形式、位置、大小、數(shù)量并且可以生成彩色影像資料，連接打印機(jī)可以生成書面文件，用于后期查驗、存檔。綜上所述，提高焊縫無損檢測質(zhì)量的目的就是保證焊接質(zhì)量，檢測出焊接缺陷后進(jìn)而對不合格的焊縫進(jìn)行修補(bǔ)，做到及時發(fā)現(xiàn)及時處理，保證整體鋼結(jié)構(gòu)工程焊接質(zhì)量平穩(wěn)受控。

2.2 焊接設(shè)備因素的影響及控制措施

焊接工作中的設(shè)備是指焊接機(jī)械，包括焊機(jī)（交流、直流、逆變、多功能等）以及配套的附件、各種氣體、儀表器具等相關(guān)配件。當(dāng)采用熔化極電弧焊時，直流反接所形成的焊縫熔深熔寬比直流正接時要大，當(dāng)采用鎢極氬弧焊接不銹鋼材料時，直流正接的熔深熔寬最大，反接時最小。氣孔的形成與焊接電流的種類極性有著密切的關(guān)系。采用直流反接產(chǎn)生的氣孔要比直流正接產(chǎn)生的氣孔少。二氧化碳是焊接經(jīng)常用到的一種冷卻性惰性氣體，在使用時需要進(jìn)行電伴熱，防止氣體氣化過程中結(jié)霜影響使用。如果二氧化碳流量計電熱元件或加熱線路損壞，就會將表頭凍壞，氣體不能正常溢出造成焊縫產(chǎn)生大量的致命性氣孔。同時氣體的流量大小應(yīng)適宜，流量過小時會產(chǎn)生連續(xù)性的微小氣孔。流量過大時會產(chǎn)生稀疏大氣孔。焊接設(shè)備是焊接工作的硬件需求，其性能直接影響到焊接質(zhì)量的全過程，它的焊接穩(wěn)定性、靈敏性、可靠性是衡量焊接設(shè)備性能的指標(biāo)，對焊接質(zhì)量會帶來一定的影響。特別是大型焊接設(shè)備，因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、機(jī)械化、自動化程度較高，靠傳統(tǒng)手工焊無法取代，所以對它的依賴性更高。要求這些大型焊接設(shè)備具有更可靠、更穩(wěn)定的性能，決不可以出現(xiàn)任何設(shè)備的紕漏。

針對以上焊接設(shè)備問題，宜采取如下措施：市面上各種各樣的焊接設(shè)備層出不窮，價格與性能也參差不齊。一定要購買品牌及性能穩(wěn)定、售后服務(wù)好的產(chǎn)品，當(dāng)?shù)谝淮问褂媚骋黄放茣r，不能確定其性能。應(yīng)該購買一個典型焊接設(shè)備，用于焊接一些不重要的構(gòu)件，在焊接期間測試此臺設(shè)備的各種性能及穩(wěn)定性，必要時輔以儀器儀表進(jìn)行測量，與品牌設(shè)備進(jìn)行比對。實踐證實后再進(jìn)行大量采買；在設(shè)備管理制度方面，應(yīng)建立各種焊接設(shè)備及配套附件的定期檢查檢驗制度。包括定期的維護(hù)、保養(yǎng)、檢驗、檢修；定期校驗焊接設(shè)備配套的電流表、電壓表、氣體流量計等計量儀表；建立設(shè)備運(yùn)行狀況管理臺賬及技術(shù)檔案；建立設(shè)備使用人、檢查人、檢修人員責(zé)任制，等等。發(fā)現(xiàn)問題盡早維修，減小大修費用的同時避免設(shè)備帶病作業(yè)給焊接帶來不可逆的質(zhì)量缺陷。

2.3 焊接材料因素的影響及控制措施

焊接材料包括：焊條、焊絲、焊劑、焊接輔助材料等等，還有與產(chǎn)品配合使用的各種零星材料。鋼結(jié)構(gòu)焊接中這些材料的質(zhì)量是保證焊接質(zhì)量的前提與基礎(chǔ)。焊接不同的金屬材料需要配套選用相適宜的焊材。只有選擇了合適的焊接材料，對應(yīng)恰當(dāng)?shù)暮附臃椒ú拍艿竭_(dá)理想的焊接效果。針對常規(guī)的焊接方法，焊接材料的選擇應(yīng)考慮以下原則：

（1）選用與母材相適應(yīng)的焊接材料，是選擇焊接材料的最基本準(zhǔn)則。母材的化學(xué)成分、焊接性能以及熔融特點等，都與焊接材料的選擇有莫大的關(guān)系。選取與母材化學(xué)成分相似的焊接材料，可以很好的保證焊接熔合度，提升焊接的質(zhì)量，這就要求對母材的各項化學(xué)成分進(jìn)行精準(zhǔn)的檢測。

（2）應(yīng)選取與母材相近或者略高于焊接母材力學(xué)性能的焊接材料。不能一味的追求高強(qiáng)度等級的焊接材料，認(rèn)為焊接材料的力學(xué)性能越高越好，這是錯誤的做法，一定要注重兩者之間的匹配度才是最重要的。

（3）根據(jù)不同焊接產(chǎn)品的使用功能需求，需要選用不同的焊接材料，有的產(chǎn)品對焊縫內(nèi)部的嚴(yán)密性有嚴(yán)格要求，以滿足耐久性、封閉性的效果。有的產(chǎn)品對承壓能力有重點要求，以滿足結(jié)構(gòu)受力的功能。有的是對焊縫外觀最為重要，以滿足裝修效果或者其它特殊效果等。這就需要根據(jù)不同的產(chǎn)品使用功能需求，有針對性的選擇不同的焊接材料。值得注意的是，任何焊接功能需求的滿足，前期都要有相應(yīng)的焊接工藝評定結(jié)論作為支撐。通過焊接材料、方法、工藝及相應(yīng)的焊接人員及組織體系共同配合完成，才能實現(xiàn)最終的使用目標(biāo)。

從全面質(zhì)量管理的角度出發(fā)，為了保證焊接質(zhì)量，從施工過程的前期策劃及采購階段就要把好材料關(guān)：加強(qiáng)焊接材料的進(jìn)廠檢查、驗收與復(fù)試工作；建立嚴(yán)格的材料管理制度，如焊材的烘干、領(lǐng)用、回收、報廢等制度；擇優(yōu)選擇信譽(yù)、質(zhì)量好而且穩(wěn)定的供應(yīng)廠家等等。 焊接材料的正確選擇是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，錯誤或者不合適的焊接材料不僅會影響到焊接質(zhì)量，還可能會導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此在進(jìn)行焊接作業(yè)前，對工程技術(shù)人員進(jìn)行焊接材料相關(guān)理論知識的培訓(xùn)是非常有必要的。

2.4 焊接方法因素的影響及控制措施

（1）焊接方法包括焊接種類、焊接程序、焊接工藝、熱處理方式等。焊接工藝參數(shù)又包括焊接電流、電弧電壓、焊接極性、焊接速度等。焊接工藝在影響焊接質(zhì)量的因素中占有更重要的地位。某種材料或產(chǎn)品首次使用焊接時，焊接方法的選用首先要進(jìn)行焊接工藝評定，根據(jù)評定合格的焊接工藝報告與相關(guān)的技術(shù)要求制定焊接工藝規(guī)程、焊接工藝說明書或焊接工藝卡。這些書面文件表示的工藝參數(shù)就是指導(dǎo)焊接的依據(jù)，是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)性文件。在此基礎(chǔ)上需要嚴(yán)格貫徹執(zhí)行焊接工藝的嚴(yán)肅性，不得隨意更改工藝參數(shù)，確需改變，必須履行變更程序。

（2）為了滿足建筑藝術(shù)的需求，鋼結(jié)構(gòu)的造型變得復(fù)雜多樣化，這往往使得節(jié)點龐大復(fù)雜、焊縫密集甚至交叉。由于板厚大、拘束力就大，使焊縫不能自由收縮，導(dǎo)致焊接應(yīng)力的產(chǎn)生。這種焊接殘余應(yīng)力超過鋼材的屈服強(qiáng)度，就會形成裂紋以及板材層狀撕裂。因氫擴(kuò)散富集需要孕育期，所以這種裂紋及層狀撕裂有明顯的時間延遲特征。焊后裂紋及延遲裂紋等形式的破壞是不可逆的，往往因工序之間的進(jìn)度安排緊密，在沒有出現(xiàn)裂紋的時候已經(jīng)被下一道工序覆蓋，給結(jié)構(gòu)安全帶來極大隱患。工藝上采取熱處理進(jìn)行消氫處理，即便不產(chǎn)生裂紋，施焊后熱影響區(qū)在焊接收縮應(yīng)力作用下，晶體組織產(chǎn)生的微觀應(yīng)變，將使材料塑性下降，硬度增高，使結(jié)構(gòu)在動荷載作用下產(chǎn)生脆性破壞的風(fēng)險增大。因此，在節(jié)點深化設(shè)計時盡可能避免焊縫密集、立體交叉，并使焊縫排布避開高應(yīng)力區(qū)。此外，施工各參建方都存在這樣的誤區(qū)，認(rèn)為焊縫寧大勿小對結(jié)構(gòu)受力和安全是有好處的。其實不然，焊縫的大小經(jīng)計算符合受力要求即可，如果一味得增大焊縫會同步造成焊接熱影響區(qū)增大，此區(qū)域的晶體微觀組織就會發(fā)生畸形，導(dǎo)致此區(qū)域變硬變脆，增加結(jié)構(gòu)疲勞脆性破壞的風(fēng)險。

（3）焊接變形帶來的危害就是影響結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的設(shè)計尺寸及位置，所以必須要進(jìn)行焊接變形的控制。但是焊接變形控制的方法不恰當(dāng)，會使焊接應(yīng)力和焊接裂紋傾向增大。所以應(yīng)采取合理的防變形工藝措施、裝焊工序、熱量平衡等方法降低或平衡焊接變形。如利用構(gòu)件反變形法控制焊接變形；選擇合理的裝配焊接順序控制焊接變形；采取先總裝后焊接的順序；采用對稱焊、跳焊法、分段退焊法等。避免剛性固定、錘擊或強(qiáng)制措施控制變形。

2.5 焊接環(huán)境因素的影響及控制措施

環(huán)境因素包括：溫度、濕度、風(fēng)力、雨雪天氣、特殊環(huán)境等外界條件。在某種焊接場合下，環(huán)境因素對焊接質(zhì)量的影響很明顯，是不可忽略的。因為安裝現(xiàn)場的焊接作業(yè)通常是在室外露天進(jìn)行，必然會受到外界環(huán)境因素的干擾。環(huán)境因素的控制措施相對比較簡單，但需要提前制定相應(yīng)的焊接防護(hù)方案，并做好相關(guān)防護(hù)設(shè)施采購與后勤人員的保障工作。如風(fēng)力較大時，采取焊接工件四周搭設(shè)防風(fēng)棚；雨雪天氣時，在焊接部位頂部搭設(shè)防護(hù)棚；氣溫較低時，對焊接構(gòu)件進(jìn)行焊前預(yù)熱，焊后保溫措施；周圍環(huán)境濕度較大時，焊件四周進(jìn)行封閉，采用除濕機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)濕度；環(huán)境條件非常惡劣或者采取的防護(hù)成本相對更高時，可以暫時停止焊接作業(yè)等等。

結(jié)語：

我國建筑業(yè)正朝著綠色建筑和數(shù)字化建筑發(fā)展轉(zhuǎn)型的全面提升過程中，而作為房屋建筑的鋼結(jié)構(gòu)工程更符合新形勢下綠色建筑要求的裝配式鋼結(jié)構(gòu)建筑。鋼結(jié)構(gòu)在我國綠色建筑的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化加速進(jìn)程中，具有資源可回收利用、節(jié)能環(huán)保、施工速度快、抗震性能優(yōu)越等諸多優(yōu)點。在政策導(dǎo)向的有利驅(qū)動下，我國建筑鋼結(jié)構(gòu)行業(yè)將迎來新的發(fā)展契機(jī)及更廣闊的發(fā)展前景。但如何提升房屋建設(shè)工程中鋼結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，特別是鋼結(jié)構(gòu)工程中的焊接質(zhì)量仍是工程建設(shè)各方需要高度關(guān)注的永恒主題。