現(xiàn)場環(huán)境對厚鋼板焊接應(yīng)力的影響分析

曹文輝+李敏+呂仲光

摘 要：施工現(xiàn)場環(huán)境因素是造成厚鋼板焊接質(zhì)量缺陷的主要因素之一，也是實際施工過程中經(jīng)常被忽視的方面，在一定程度上降低了厚鋼板焊接的質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，施工現(xiàn)場環(huán)境中攜帶的不確定因素越來越多，尤其是在結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件節(jié)點構(gòu)造不斷變化的情況下，給厚鋼板焊接質(zhì)量造成了嚴(yán)重的影響。本文將針對現(xiàn)場環(huán)境因素給厚鋼板焊接造成的缺陷進(jìn)行分析，從而制定更加完善的解決措施，進(jìn)一步提升厚鋼板焊接的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場環(huán)境；侯剛班；焊接應(yīng)力；影響

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.13.013

0 前言

隨著鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)的不斷完善，厚鋼板在鋼結(jié)構(gòu)橋梁中的應(yīng)用越來越廣泛，能夠在一定程度上提升鋼結(jié)構(gòu)橋梁的質(zhì)量。但是，我國對于厚鋼板焊接技術(shù)的研究還處于初級階段，在實際應(yīng)用過程中經(jīng)常會因為剛度過大而產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，降低鋼結(jié)構(gòu)的使用性能。為此，還需要針對各種因素對厚鋼板焊接應(yīng)力影響的分析。現(xiàn)場環(huán)境是造成厚鋼板焊接應(yīng)力缺陷的主要因素之一，其中的溫度、濕度、風(fēng)力等都會降低鋼結(jié)構(gòu)的使用性能，還需要進(jìn)一步完善。

1 現(xiàn)場環(huán)境因素給厚鋼板焊接造成的缺陷

（1）氣孔。在現(xiàn)場環(huán)境因素的影響下，厚鋼板焊接過程中經(jīng)常會出現(xiàn)電弧不穩(wěn)定、失去有效保護(hù)等問題，在一定程度上增加了周圍氣體的溶入，大量氣體被焊接熔池所吸收，在厚鋼板焊接位置形成氣泡，如果這些氣泡不能夠及時排除，就會殘留在厚鋼板焊接位置形成氣孔，降低厚鋼板焊接的質(zhì)量。常見的氣孔類型有兩種：氫氣孔和CO氣孔。

氫氣孔主要存在與焊縫表面，一般產(chǎn)生于低碳鋼和低合金鋼焊接過程中，氣孔內(nèi)部比較光滑。當(dāng)厚鋼板焊接過程中處于濕度比較大的現(xiàn)場環(huán)境當(dāng)中，就會在鋼材表面形成結(jié)露，增加了鋼材表面的水分，焊條藥皮受潮的情況比較嚴(yán)重，再加上低溫環(huán)境焊接，大量的氫元素還沒來得及上浮就被焊接在鋼結(jié)構(gòu)當(dāng)中，在焊接部位形成氫氣孔。

CO氣孔是因為焊件表面的鐵銹和氧化鐵皮在加熱的過程中合成的CO氣體沒有及時排除而在厚鋼板焊接表面形成了條蟲狀的內(nèi)部氣孔。另外，因為在發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的過程中也會分解出氫離子，在一定程度上增加了氫氣孔的數(shù)量[1]。

（2）裂紋。裂紋是厚鋼板焊接過程中影響最為嚴(yán)重的缺陷，在很大程度上加重了鋼結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用過程中存在的安全隱患。裂紋缺陷的存在能夠減少結(jié)構(gòu)承載截面，同時產(chǎn)生嚴(yán)重的集中應(yīng)力，很容易在實際應(yīng)用過程中發(fā)生斷裂的情況，引發(fā)非常嚴(yán)重的安全事故。與現(xiàn)場環(huán)境因素相關(guān)的厚鋼板焊接裂紋缺陷類型有兩種：冷裂紋和熱裂紋，其中冷裂紋一般產(chǎn)生于厚鋼板焊接之后冷卻的過程，具體表現(xiàn)為延遲現(xiàn)象，集中分布于熱影響區(qū)。熱裂紋是低溫焊接時焊縫冷卻速度加大，使焊縫收縮大于晶間結(jié)合力而引發(fā)的焊縫開裂現(xiàn)象。

（3）焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是由于焊接時局部加熱和熔化過程中，加熱區(qū)受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態(tài)或加熱溫度不高，因而對焊接區(qū)受熱母材的膨脹起約束作用，焊接區(qū)承受受壓應(yīng)力，而母材承受受拉應(yīng)力。隨著厚鋼板焊接的不斷進(jìn)行，已完成的焊縫和熱影響區(qū)冷卻并收縮，而其周圍的母材此時卻起了約束其收縮的作用，這種應(yīng)力狀態(tài)就稱為焊接殘余應(yīng)力。在現(xiàn)場厚鋼板焊接的過程中，如果焊件的拘束度比較大，焊件就不能夠自由的變形[2]，其焊接應(yīng)力也會發(fā)生一定的變化。

2 解決現(xiàn)場環(huán)境因素對厚鋼板焊接應(yīng)力造成影響的措施

（1）確認(rèn)焊接作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。在開始進(jìn)行厚鋼板焊接工作之前，首先要對現(xiàn)場環(huán)境因素進(jìn)行詳細(xì)的確認(rèn)，在現(xiàn)場環(huán)境因素滿足設(shè)計方案實際需求的情況下，才能夠開始進(jìn)行厚鋼板焊接工作，從根本上降低厚鋼板焊接應(yīng)力，減少各種類型的現(xiàn)場環(huán)境因素對厚鋼板焊接的影響。工作人員應(yīng)該主要針對現(xiàn)場環(huán)境中的風(fēng)速、溫度、濕度等因素進(jìn)行檢測，其中，焊接作業(yè)區(qū)風(fēng)速主要包括兩個方面：手工電弧焊不超過8m/s；氣體保護(hù)電弧焊及藥芯焊絲電弧焊不超過2m/s。現(xiàn)場環(huán)境濕度保持在90%以下，溫度控制在正常溫度范圍內(nèi)。另外，在焊接現(xiàn)場周圍100mm的范圍內(nèi)不能夠出現(xiàn)水、油、銹等雜物[3]。

（2）從根本上消除氣體來源。要想消除厚鋼板焊接表面存在的氣孔，提高厚鋼板焊接的質(zhì)量，就必須要從根本上消除氣體來源。首先，工作人員應(yīng)該及時進(jìn)行厚鋼板焊接表面的清理，尤其是要重點清理焊件表面上的鐵銹，確保焊件表面不存在鐵銹、油污、水等雜物。其次，要及時進(jìn)行焊接材料的防潮與烘干，利用現(xiàn)代化的科學(xué)儀器完成焊接材料的有效保存，確保焊接材料的干燥性。最后，要加強(qiáng)對焊接材料的防護(hù)工作，在厚鋼板焊接過程中，應(yīng)該做好氣體保護(hù)焊的防護(hù)措施，進(jìn)一步提升對焊接材料的保護(hù)作用，避免大量氣體溶入到焊接材料表面而形成氣孔。

（3）合理進(jìn)行焊接應(yīng)力控制。鋼結(jié)構(gòu)是橋梁施工中的重要組成部分，其合理使用能夠有效承載橋梁所承受的動載。但是，厚鋼板的剛度普遍較高，在實際焊接過程中截面的慣性矩和拘束度都比較大，雖然其變形程度有所降低，卻產(chǎn)生了較高的內(nèi)應(yīng)力，甚至還會出現(xiàn)裂紋的情況[4]。由此可見，合理進(jìn)行厚鋼板焊接應(yīng)力的控制是非常必要的。工作人員在厚鋼板焊接的過程中應(yīng)該盡可能減小焊縫尺寸，滿足設(shè)計方案中的個性化要求，從而提升焊縫的安全性能。同時，還要按照設(shè)計方案中的順序進(jìn)行焊接，尤其是在焊縫比較多的情況，更應(yīng)該結(jié)合構(gòu)件的形狀進(jìn)行焊縫的合理布置，從而實現(xiàn)降低現(xiàn)場環(huán)境對于厚鋼板焊接應(yīng)力影響的目標(biāo)。

3 結(jié)論

綜上分析可知，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷完善，厚鋼板焊接的質(zhì)量在橋梁鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越常見，在一定程度上提高了橋梁的質(zhì)量，提升鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。目前，我國在研究厚鋼板焊接問題的時候經(jīng)常忽視現(xiàn)場環(huán)境因素的影響，難以有效的提升鋼結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全。為此，橋梁施工企業(yè)應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)對焊接殘余應(yīng)力、氣孔、裂紋等缺陷的研究，深刻認(rèn)識到現(xiàn)場環(huán)境因素在厚鋼板焊接中的重要作用，進(jìn)而提升橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊武.現(xiàn)場環(huán)境對厚鋼板焊接應(yīng)力的影響研究[D].重慶交通大學(xué)，2010.

[2]林升.厚板焊接接頭殘余應(yīng)力和損傷分布的研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[3]白凡.殘余應(yīng)力和損傷對焊接厚板組合構(gòu)件力學(xué)性能影響的研究[D].北京交通大學(xué)，2013.

[4]張旭.超長、超厚鋼板剪力墻焊接變形控制研究[D].華北理工大學(xué)，2016.

作者簡介：曹文輝（1978-），女，甘肅蘭州人，工程師，研究方向：壓力容器、焊接工藝評定。