淺談房屋建筑工程鋼結構焊接質量控制措施

文／苗子良 北京城建集團有限責任公司 北京 100070

引言：

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

1、房屋建筑工程鋼結構焊接質量的重要性及主要原因分析

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

鋼結構安裝現場因場地條件受限或者結構本身的特殊性，常常采用頂升、滑移、轉體、倒裝等施工工藝或幾種工藝的結合。整個施工工藝雖然滿足了場地條件及工期的需求，但由于構件體積龐大、結構復雜，在整個施工過程中設置各種臨時胎架、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，難免會引起鋼結構構件本身的彈塑性變形，造成構件與構件對接口處存在一定量的各種偏差，而達不到正裝工藝對接口處的標準。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，后期焊縫中收縮應力非常大。當收縮應力與結構受力共同組合下，超過焊縫的允許應力時，就會造成焊縫開裂，影響結構的整體受力。

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

2、鋼結構焊接常見質量影響要素及控制措施

2.1 焊接相關人員因素的影響及控制措施

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

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

（2）大型鋼結構工程高空作業量多、焊接難度大，往往需要搭設懸挑平臺或者借助高空作業車進行焊接。施工單位質檢人員及監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任心來確定焊接工程的質量完成程度，存在很多不確定性。主要領導及管理人員缺乏焊接相關技能及知識，一味地追求施工進度及交付下一道工序的目標，給整個焊接質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任心及能力欠缺問題，應該加強人員焊接相關知識的學習培訓，只有懂得才會管理。同時應制定與施工企業及項目部自身相適應的焊接作業管理流程，從焊工入場、培訓、操作、檢查、考核等一系列程序制定嚴格的流程，并且每個人都需要與績效考核相掛鉤，體現在工資與職位的晉升方面；

（3）無損檢測人員是非常專業的一種技術人才，鋼結構行業中此類人員數量也不足。而且無損檢測人員的技術水平及素質修養也參差不齊，特別是常規超聲波檢測，機動性、隨意性都比較大。也沒有可保留的原始質量證明記錄，完全依靠超聲波操作人員的判斷分析而做出結論。旁站的監理工程師及施工單位的質檢人員因專業技術能力受限，無法判斷操作人員的有效性。針對以上問題，首先要加強無損檢測人員的考核培訓工作，按照持證等級要求進行相應的無損檢測作業。同時施工企業每個項目部需要培訓1-2名無損檢測方面的管理人員，監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。為了直觀清楚的表達無損檢測的檢驗結果，可采用可視化程度高及能夠留存直觀原始數據資料的無損檢測方法，可以定量的發現焊接質量缺陷，也備其他人員檢查和指導。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、對周圍人群環境輻射影響較大，不經常用于房屋建筑鋼結構中。衍射時差法超聲檢測（TOFD）是今后房屋建筑鋼結構無損檢測發展的一種趨勢，此種檢測方法可以直觀的檢測出焊縫內部質量缺陷的形式、位置、大小、數量并且可以生成彩色影像資料，連接打印機可以生成書面文件，用于后期查驗、存檔。綜上所述，提高焊縫無損檢測質量的目的就是保證焊接質量，檢測出焊接缺陷后進而對不合格的焊縫進行修補，做到及時發現及時處理，保證整體鋼結構工程焊接質量平穩受控。

2.2 焊接設備因素的影響及控制措施

焊接工作中的設備是指焊接機械，包括焊機（交流、直流、逆變、多功能等）以及配套的附件、各種氣體、儀表器具等相關配件。當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系。采用直流反接產生的氣孔要比直流正接產生的氣孔少。二氧化碳是焊接經常用到的一種冷卻性惰性氣體，在使用時需要進行電伴熱，防止氣體氣化過程中結霜影響使用。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生大量的致命性氣孔。同時氣體的流量大小應適宜，流量過小時會產生連續性的微小氣孔。流量過大時會產生稀疏大氣孔。焊接設備是焊接工作的硬件需求，其性能直接影響到焊接質量的全過程，它的焊接穩定性、靈敏性、可靠性是衡量焊接設備性能的指標，對焊接質量會帶來一定的影響。特別是大型焊接設備，因其結構復雜、機械化、自動化程度較高，靠傳統手工焊無法取代，所以對它的依賴性更高。要求這些大型焊接設備具有更可靠、更穩定的性能，決不可以出現任何設備的紕漏。

針對以上焊接設備問題，宜采取如下措施：市面上各種各樣的焊接設備層出不窮，價格與性能也參差不齊。一定要購買品牌及性能穩定、售后服務好的產品，當第一次使用某一品牌時，不能確定其性能。應該購買一個典型焊接設備，用于焊接一些不重要的構件，在焊接期間測試此臺設備的各種性能及穩定性，必要時輔以儀器儀表進行測量，與品牌設備進行比對。實踐證實后再進行大量采買；在設備管理制度方面，應建立各種焊接設備及配套附件的定期檢查檢驗制度。包括定期的維護、保養、檢驗、檢修；定期校驗焊接設備配套的電流表、電壓表、氣體流量計等計量儀表；建立設備運行狀況管理臺賬及技術檔案；建立設備使用人、檢查人、檢修人員責任制，等等。發現問題盡早維修，減小大修費用的同時避免設備帶病作業給焊接帶來不可逆的質量缺陷。

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，還有與產品配合使用的各種零星材料。鋼結構焊接中這些材料的質量是保證焊接質量的前提與基礎。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，對應恰當的焊接方法才能到達理想的焊接效果。針對常規的焊接方法，焊接材料的選擇應考慮以下原則：

（1）選用與母材相適應的焊接材料，是選擇焊接材料的最基本準則。母材的化學成分、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系。選取與母材化學成分相似的焊接材料，可以很好的保證焊接熔合度，提升焊接的質量，這就要求對母材的各項化學成分進行精準的檢測。

（2）應選取與母材相近或者略高于焊接母材力學性能的焊接材料。不能一味的追求高強度等級的焊接材料，認為焊接材料的力學性能越高越好，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）根據不同焊接產品的使用功能需求，需要選用不同的焊接材料，有的產品對焊縫內部的嚴密性有嚴格要求，以滿足耐久性、封閉性的效果。有的產品對承壓能力有重點要求，以滿足結構受力的功能。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。這就需要根據不同的產品使用功能需求，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，前期都要有相應的焊接工藝評定結論作為支撐。通過焊接材料、方法、工藝及相應的焊接人員及組織體系共同配合完成，才能實現最終的使用目標。

從全面質量管理的角度出發，為了保證焊接質量，從施工過程的前期策劃及采購階段就要把好材料關：加強焊接材料的進廠檢查、驗收與復試工作；建立嚴格的材料管理制度，如焊材的烘干、領用、回收、報廢等制度；擇優選擇信譽、質量好而且穩定的供應廠家等等。 焊接材料的正確選擇是保證焊接質量的關鍵環節，錯誤或者不合適的焊接材料不僅會影響到焊接質量，還可能會導致安全事故的發生。因此在進行焊接作業前，對工程技術人員進行焊接材料相關理論知識的培訓是非常有必要的。

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量的因素中占有更重要的地位。某種材料或產品首次使用焊接時，焊接方法的選用首先要進行焊接工藝評定，根據評定合格的焊接工藝報告與相關的技術要求制定焊接工藝規程、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就是指導焊接的依據，是保證焊接質量的基礎性文件。在此基礎上需要嚴格貫徹執行焊接工藝的嚴肅性，不得隨意更改工藝參數，確需改變，必須履行變更程序。

（2）為了滿足建筑藝術的需求，鋼結構的造型變得復雜多樣化，這往往使得節點龐大復雜、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，導致焊接應力的產生。這種焊接殘余應力超過鋼材的屈服強度，就會形成裂紋以及板材層狀撕裂。因氫擴散富集需要孕育期，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度安排緊密，在沒有出現裂紋的時候已經被下一道工序覆蓋，給結構安全帶來極大隱患。工藝上采取熱處理進行消氫處理，即便不產生裂紋，施焊后熱影響區在焊接收縮應力作用下，晶體組織產生的微觀應變，將使材料塑性下降，硬度增高，使結構在動荷載作用下產生脆性破壞的風險增大。因此，在節點深化設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力區。此外，施工各參建方都存在這樣的誤區，認為焊縫寧大勿小對結構受力和安全是有好處的。其實不然，焊縫的大小經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增大，此區域的晶體微觀組織就會發生畸形，導致此區域變硬變脆，增加結構疲勞脆性破壞的風險。

（3）焊接變形帶來的危害就是影響結構或構件的設計尺寸及位置，所以必須要進行焊接變形的控制。但是焊接變形控制的方法不恰當，會使焊接應力和焊接裂紋傾向增大。所以應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、錘擊或強制措施控制變形。

2.5 焊接環境因素的影響及控制措施

環境因素包括：溫度、濕度、風力、雨雪天氣、特殊環境等外界條件。在某種焊接場合下，環境因素對焊接質量的影響很明顯，是不可忽略的。因為安裝現場的焊接作業通常是在室外露天進行，必然會受到外界環境因素的干擾。環境因素的控制措施相對比較簡單，但需要提前制定相應的焊接防護方案，并做好相關防護設施采購與后勤人員的保障工作。如風力較大時，采取焊接工件四周搭設防風棚；雨雪天氣時，在焊接部位頂部搭設防護棚；氣溫較低時，對焊接構件進行焊前預熱，焊后保溫措施；周圍環境濕度較大時，焊件四周進行封閉，采用除濕機進行調節濕度；環境條件非常惡劣或者采取的防護成本相對更高時，可以暫時停止焊接作業等等。

結語：

我國建筑業正朝著綠色建筑和數字化建筑發展轉型的全面提升過程中，而作為房屋建筑的鋼結構工程更符合新形勢下綠色建筑要求的裝配式鋼結構建筑。鋼結構在我國綠色建筑的產業現代化加速進程中，具有資源可回收利用、節能環保、施工速度快、抗震性能優越等諸多優點。在政策導向的有利驅動下，我國建筑鋼結構行業將迎來新的發展契機及更廣闊的發展前景。但如何提升房屋建設工程中鋼結構的施工質量，特別是鋼結構工程中的焊接質量仍是工程建設各方需要高度關注的永恒主題。