分析鋼結構焊接技術及其質量管理

賈雄飛

摘? ? 要：在國內建筑工程中，鋼結構作為建筑結構主體結構框架，具有綠色環保、空間大和強度高等特點，在網架結構和塔桅建筑、超高層建筑以及大型工業廠房中等建筑工程中得到廣泛應用。隨著建筑結構超高層化和大跨度化，高性能鋼材應用增多，分析和討論建筑鋼結構焊接生產效率，對于提高建筑工程質量和效率具有重要意義。

關鍵詞：鋼結構;焊接技術;質量管理;措施

1? 建筑鋼結構焊接裂紋的特征及產生機理

1.1? 熱裂紋

在較高的溫度條件下，建筑鋼結構焊接容易出現熱裂紋，在焊接的過程中，焊縫受到溫度的影響，發生了結晶反應，再加上金屬本身的拉伸應力的影響，導致熱裂紋呈現出來不同的形態，通過分析這些形態，又可以將其劃分為不同的種類。由于高溫和拉伸應力的影響，在焊接的過程中受熱不均勻，導致受熱面出現了失衡的現象，這一現象導致焊縫處發生了結晶，這一結晶受到金屬雜質和拉伸應力的影響，出現了多邊化的裂紋。凝固裂紋指的是在金屬焊接操作中金屬凝固，后期出現了脆性溫度，這個溫度導致焊縫出現凝固裂紋。主要的形成過程是焊縫金屬結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，基礎冷卻不均勻收縮，從而產生了拉伸應力，這一變形超過了金屬所能承受的臨界值，從而導致凝固裂紋的出現。液化裂紋指的是在焊接的過程中過高的溫度會導致金屬的化合物來不及擴散，同時形成了局部晶界，這一晶界液化導致了液化裂縫的出現。失塑裂縫指的是在焊接的過程中，由于受到熱循環的影響，使得金屬整體的塑性受到了影響，在加上金屬的拉伸應力對結晶施加了力的作用，從而產生了失塑裂紋。

1.2? 冷裂紋

建筑鋼結構的焊接所選用的工具存在一定的拘束度，在焊接的過程中，這一特點會對金屬的結構造成一定的影響，施加不同類型的力，這些力相互作用，影響金屬內部的結構，在焊接結束金屬冷卻后，金屬的結構也變形結束，從而在焊接的熱影響區域出現了一些裂紋。此外接頭的含氫量會大量地融入到熔池內。焊接結束后金屬進行冷卻，其中包含的氫會溢出，但是由于冷卻速度過快，導致金屬內部的結構中存儲了一部分氫氣，冷卻凝固并不完全，嚴重影響了鋼結構的穩定性，從而出現了冷裂紋。

1.3? 層狀撕裂

層狀撕裂的位置形態的特點包括：一是層狀撕裂會沿著焊接熱影響區域進行分布，主要是由于這一區域具有較長的拉伸應力，非金屬交雜物分布進行擴散成為出現的層狀撕裂。第二起裂點一般出現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出階梯狀。

2? 高效焊接技術應用

早期建筑鋼結構主要采用焊條電弧焊，效率低下，且對焊工經驗和技術依賴程度高。提高焊接生產效率，一方面提高熱輸入率，另一方面提高自動化程度。采用鋼強度一般在195MPa～420MPa之間，由于大跨度橋梁結構和超高層建筑結構，高性能鋼在建筑鋼結構中應用，高強鋼因減少自重和工時。自20世紀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氣體保護焊等引入鋼結構焊接生產，雙絲貼角埋弧焊的H型鋼生產線，焊接規范參數穩定，焊接缺陷如氣孔以及裂紋比例低，焊縫成形美觀，極大地提高了鋼結構生產效率和產品質量。

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。特別是對大跨度鋼結構中，大厚度柱梁結構為高強鋼材料時，裂紋敏感性顯著增加。對于厚板鋼結構，制定焊接工藝時，將焊接熱輸入作為要點，只要控制合理，箱形鋼柱、梁結構外板厚度達到數十毫米和超高層鋼柱節點處鋼板厚度達200mm。雙絲大電流埋弧焊工藝，兩根焊絲總電流值可達4000A，一道焊接即可完成。試驗表明，焊接國產Q420及以下強度各鋼種單絲或多絲埋弧焊可以保證焊接質量。

盡管埋弧焊的高效化和自動化，在電弧穩定性、焊接工藝參數穩定性以及焊接質量等方面具有無可比擬的優勢。然而，建筑鋼結構形式多樣，除了集成化鋼結構建筑，大部分鋼結構構件都缺少單一化標準，使智能化焊接方法焊接效率難以充分挖掘，半自動的CO2氣體保護焊接為主，成為鋼結構生產效率瓶頸。

示教型焊接機器人具有自動送絲、自動行走以及焊槍位姿調節，大大提高了焊接效率和質量。然而，局限于建筑鋼結構的多樣化非標件，如普遍采用的H形牛腿結構，在某公司2018年牛腿結構統計數據中占比80%以上。示教過程中軌跡和位姿編程時間占比大，幾乎達到整個焊接時間的30%～40%，機器人整體焊接效率與人工焊接效率相當。通過對牛腿參數化設計，建立不同焊縫坡口形式對應焊接工藝參數數據庫，離線編程模擬最小截面H形牛腿和最大截面H形牛腿機器人運行軌跡和焊接位姿，以及機器人參數化編程界面設計，實現了不同規格牛腿示教自動焊接，將參數化編程時間占機器人焊接時間比例降到了5%-20%之間，大大提高了非標H形牛腿接頭結構焊接效率。

3? 鋼結構建造的變形控制

（1）完善管理制度，提升焊接技術。隨著現代焊接技術的不斷改革創新，已經具備相對成熟的技術體系，具有獨特的優勢，并在鋼結構建造中占據著重要地位。但由于其在施工過程中很容易出現變形現象，影響著鋼結構建造的整體施工質量。因此，為了更好地控制海上平臺鋼結構建造的變形現象，首先，要及時完善相關的管理制度，設立焊接質量管理體系，管理工作者要時刻監督焊接技術人員在施工過程中嚴格按照結構設計參數進行焊接，遵循正確的焊接順序，遵守相關的施工要求，認真檢查焊接質量。另外，管理人員要對焊接技術人員進行嚴格把關，確保相關施工人員具備豐富的焊接工作經驗和符合要求的技術水平。除此之外，要定期對焊接技術人員進行專門的技術培訓，學習先進的焊接技術，配備先進的焊接設備，從而有效保障海上平臺鋼結構建造過程中的整體施工質量，避免因質量問題造成安全事故。

（2）科學合理設計，選用正確焊接方法。鋼結構的建造是以設計師的設計圖為基本標準進行施工，工程設計合理是影響海上平臺鋼結構建造整體質量的影響因素之一。鋼結構建筑的設計不同于其他建筑設計，不僅要求設計人員要對節點構造進行規劃，還需要充分了解不同鋼結構材料的特性，以及不同鋼結構材料之間的焊接要求，在設計圖中對焊接位置的關鍵點進行仔細斟酌，以把控施工過程中焊接變形問題出現的概率。在設計方案中，要充分考慮合適的焊接方式，結合海上平臺鋼結構建造的實際要求嚴格控制好焊縫位置、數量與尺寸，防止因為焊縫數量過多影響鋼結構的穩定;采用科學正確的焊接方法，減少出現多余的焊接縫隙，預防焊接變形情況的出現。

4? 結束語

制作鋼結構件的過程中，經常會發生焊接變形。造成鋼結構焊接變形的原因較多，因此在制作鋼結構件過程中要對控制焊接變形給以重視。對鋼結構件焊接變形進行控制的同時要對于殘余應力的控制給以重視。通過對焊接變形的控制，提高鋼結構件的質量，保障鋼結構件的性能。

參考文獻：

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

[2] 張清林，李維桐，賈勇.國電大武口發電有限公司350MW機組輸煤棧橋鋼結構焊接變形控制措施[J].明日風尚，2018（12）：289.

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

[4] 張景麗，吳翠蓮.鋼結構焊接殘余應力及焊接變形控制技術[J].沈陽工業大學學報，2019（1）：118～122.

[5] 岳彩旺.模塊化建造在海洋鋼結構平臺施工中的應用[J].化工管理，2018（1）：10～11.