鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)探討

黃 杰 鐘德明

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,大跨度建筑、高層建筑成為建筑發(fā)展的主要方向。而在這些建筑中,鋼結(jié)構(gòu)因具有自重輕、抗震性好、建設(shè)周期短、適應(yīng)性強、外形豐富、維護方便等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。鋼結(jié)構(gòu)的連接方式有焊接、鉚釘連接和螺栓連接等,但目前將近有50%以上的鋼材在投入使用前需要經(jīng)過焊接加工處理[1],焊接仍是鋼結(jié)構(gòu)連接的主要方式。而在現(xiàn)在的鋼結(jié)構(gòu)焊接中,電弧焊接是基本的連接方式[2]。焊接連接的優(yōu)點是任何形狀的結(jié)構(gòu)都可用焊縫連接,構(gòu)造簡單,一般不需要拼接材料,省工省鋼,而且能實現(xiàn)自動化操作,生產(chǎn)效率較高。目前在工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)中,焊接結(jié)構(gòu)占絕對優(yōu)勢。

1 鋼結(jié)構(gòu)焊接存在的主要問題

1.1 焊接變形

焊接的變形主要有焊接中變形和焊接后殘余變形兩種。焊接變形根據(jù)對結(jié)構(gòu)影響程度的不同又分為整體變形和局部變形。根據(jù)變形的特點又可分為角變形、彎曲變形、收縮變形、扭曲變形、波浪變形和錯邊變形。鋼結(jié)構(gòu)焊接變形一般為整體變形。引起焊接變形的原因主要有鋼結(jié)構(gòu)的剛度,剛度是指結(jié)構(gòu)體對拉伸方向和彎曲變形的抵抗能力;焊接連接縫位置和數(shù)量,當鋼結(jié)構(gòu)剛度不足時,在設(shè)計焊接連接縫位置和數(shù)量時,應(yīng)在結(jié)構(gòu)體對稱安排,且焊接順序是合理的,構(gòu)件只能產(chǎn)生線性變形;當焊縫為不對稱的安排,產(chǎn)生的多為彎曲變形;焊接工藝,焊接電流偏大、焊條直徑較粗,使得焊接速度緩慢,可能導(dǎo)致焊接變形大,采用多層焊接工藝時層數(shù)越多變形越大,另外焊接順序不當或在沒有焊接妥當分部構(gòu)件時就進行整體組裝焊接,很容易產(chǎn)生焊接變形。

1.2 焊接裂紋

鋼結(jié)構(gòu)焊接的另一個主要問題是焊縫裂紋。焊接裂紋又分為熱裂紋和冷裂紋。熱裂紋是指高溫下所產(chǎn)生的裂紋,又稱高溫裂紋或結(jié)晶裂紋,通常產(chǎn)生在焊縫內(nèi)部,有時也可能出現(xiàn)在熱影響區(qū)。熱裂紋的產(chǎn)生是冶金因素和力學(xué)因素共同作用的結(jié)果。由于焊接熔池在結(jié)晶過程中存在著偏析現(xiàn)象,低熔點共晶和雜質(zhì)在結(jié)晶過程中以液態(tài)間層形式存在從而形成偏析,凝固以后強度也較低,當焊接應(yīng)力足夠大時,就會將液態(tài)間層或剛凝固不久的固態(tài)金屬拉開形成裂紋。

2 鋼結(jié)構(gòu)焊接問題的處理

2.1 焊接變形的控制

1)應(yīng)該選擇合理的焊條和焊接設(shè)備:焊條除配合所焊金屬確定規(guī)格外,還應(yīng)配合焊件厚度和電焊設(shè)備的供電能力,選定合適的尺寸。電焊設(shè)備應(yīng)選用可調(diào)節(jié)輸出電流的品種。2)選擇合理焊接方法:優(yōu)先采用熱輸入較小的焊接方法,如CO氣體保護焊采用焊炬不擺動,多層多道,薄焊層的施焊方法。施焊速度要適中,不宜過快,過快將使某些氣體來不及逸出而殘存在焊縫內(nèi)形成氣孔。3)選擇合理的焊接工藝措施:鋼結(jié)構(gòu)的制作、組裝應(yīng)該在一個標準的水平面上進行。在焊接小型構(gòu)件時可一次完成,即在焊接固定好位置后,用合適的焊接順序組裝完畢。而大型鋼結(jié)構(gòu)組裝與焊接需要先將小件組焊接完畢,然后再進行最后的組裝和焊接。在進行部件組裝時,應(yīng)該使不同型號的零配件符合構(gòu)件規(guī)定的規(guī)格、形狀大小和樣板的要求,并且組裝時不能有較大外力強制拼裝。4)選擇合理的焊接節(jié)點構(gòu)造設(shè)計:首先應(yīng)控制焊縫的數(shù)量和大小,盡量減少焊縫的截面積,施焊量以滿足連接需要即可;選擇適合的焊縫坡口的形狀和尺寸,在得到完整、無超標缺陷焊縫的前提下,盡可能采用較小的坡口尺寸。其次焊接節(jié)點的位置應(yīng)處于構(gòu)件截面的對稱處。再次應(yīng)選用剛性小的節(jié)點形式,節(jié)點應(yīng)避免在雙向、三向交叉處,這樣避免由于焊縫集中而導(dǎo)致的高溫和焊縫應(yīng)力集中,從而減少焊接變形。

2.2 裂紋控制

2.2.1 熱裂紋的處理措施

1)限制焊接材料中易偏析元素,如硫、磷等有害雜質(zhì)的含量和降低含碳含量,硫、磷等易形成低熔點共晶物,降低碳在鋼中含量,可降低熱裂傾向。調(diào)整焊縫金屬的化學(xué)成分,以提高其塑性,減少或分散偏析程度,控制低熔點共晶的有害影響,同時控制焊接熔池形狀,不使形成尖長形熔池而易在焊縫表面形成縱向熱裂紋,尤其是埋弧焊時,因電流大、熔深,熱裂紋易于產(chǎn)生,更應(yīng)注意控制焊縫成形系數(shù);避免坡口和間隙過小使焊縫成形系數(shù)太小,而造成熱裂紋形成;焊前預(yù)熱可降低裂紋的傾向;合理的焊接順序可以使大多數(shù)焊縫在較小的拘束度下焊接,減小焊縫收縮時所受拉應(yīng)力,也可減小熱裂紋傾向。2)采用合理的焊接順序和方向,適當提高焊縫的形狀系數(shù),采用多層多道焊接方法,避免中心線偏離,可防止中心線裂紋。

1)2.2.2 冷裂紋的處理措施

1)選擇合理的焊接規(guī)范和線能,改善焊縫及熱影響區(qū)組織狀態(tài),如焊前預(yù)熱、控制層間溫度、焊后緩冷或后熱等以加快氫分子逸出。2)采用堿性焊條或焊劑,以降低焊縫中的擴散氧含量。3)焊條和焊劑在使用前應(yīng)嚴格按照規(guī)定的要求進行烘干,認真清理坡口和焊絲,去除油污、水分和銹斑等臟物,以減少氫的來源。4)焊后及時進行熱處理:a.進行退火處理,以消除內(nèi)應(yīng)力,使淬火組織回火,改善其韌性;b.進行消氫處理,使氫從焊接接頭中充分逸出。

3 鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的評定

3.1 焊接工藝的評定范圍

目前我國焊接工藝評定主要還是以對結(jié)構(gòu)的材料評定為主來進行,而結(jié)構(gòu)的尺寸和形狀對焊接工藝的影響沒有要求。焊接生產(chǎn)工藝的可行性主要包括對焊接加工的適應(yīng)性、工藝可達性(包括焊接操作、焊前預(yù)熱、后熱、消除殘余應(yīng)力等)、控制焊接變形的工藝可行性等。

3.2 焊縫質(zhì)量的檢查

3.2.1 焊縫外觀質(zhì)量檢查

焊縫外觀質(zhì)量要求為不得有裂紋未熔合、焊瘤等缺陷,焊接區(qū)應(yīng)無焊接飛濺物。

3.2.2 焊縫無損探傷檢測

焊縫無損探傷的種類主要有超聲波探傷、射線探傷、磁粉探傷和滲透探傷等。檢查標準為一級焊縫應(yīng)進行100%的檢驗;二級焊縫應(yīng)進行抽檢,抽檢比例20%;全焊透的三級焊縫可不進行無損檢測。焊縫無損檢測方法的選用原則為:1)對于設(shè)計要求熔透焊縫內(nèi)部缺陷檢測,應(yīng)優(yōu)先用超聲波探傷方法,當超聲波探傷不能對缺陷作出判斷時,即超出使用標準的適用方法時,應(yīng)采用射線探傷。2)當采用射線探傷方法時,應(yīng)優(yōu)先采用X射線源進行透照檢測;確因厚度、幾何尺寸或工作場地所限無法采用X射線時,可采用γ源進行射線透照。3)對于焊縫表面缺陷的檢測,應(yīng)優(yōu)先采用磁粉探傷,只有存在結(jié)構(gòu)形狀等原因無法進行磁粉檢測的場合下才采用滲透檢測。4)當采用滲透探傷方法時,宜優(yōu)先選用具有較高檢測靈敏度的熒光滲透檢測,當檢測現(xiàn)場無水源、電源的情況下,可以采用著色滲透檢測。5)當采用兩種或兩種以上的檢測方法對同一部位進行檢測時,應(yīng)符合各自的合格級別;如采用同種檢測方法的不同檢測工藝進行檢測,其檢測結(jié)果不一致時,應(yīng)以危險度大的評定級別為準。

3.2.3 焊縫質(zhì)量評定標準

焊縫質(zhì)量等級可分為一、二、三級,焊縫無損檢測的檢驗等級則劃分為:1)超聲波檢驗等級分為A,B,C三個級別。2)射線檢驗等級為A,AB,B三個級別。3)滲透檢驗靈敏度等級1級、2級、3級。焊縫缺陷的評定等級劃分為:1)超聲波檢驗焊縫內(nèi)部缺陷的評定等級分為Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級。2)射線檢驗焊縫內(nèi)部缺陷的評定等級Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級。3)磁粉檢測焊縫質(zhì)量分級Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級。4)滲透檢測焊縫質(zhì)量分級Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ級。

4 結(jié)語

焊接作為鋼結(jié)構(gòu)連接的主要方式,其質(zhì)量的好壞直接影響著鋼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。因此我們必須對鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量進行控制,本文對鋼結(jié)構(gòu)焊接常見的問題進行了歸類分析,并針對問題提出了相應(yīng)的處理措施,同時介紹了焊接質(zhì)量評定的相關(guān)內(nèi)容,相信對鋼結(jié)構(gòu)焊接施工有一定的幫助。

[1]趙小慧,趙明華.淺析防治鋼結(jié)構(gòu)建筑焊接變形的施工工藝[J].Value Engineering,2010(205):23-24.

[2]程中朋,馬妮娜.鋼結(jié)構(gòu)的焊接[J].建筑工程,2003(9):73-75.

[3]伍春生.鋼筋閃光對焊施工[J].山西建筑,2008,34(27):187-188.