基于PDCA循環的厚鋼板焊接質量管理

胡耀勇　黃奕輝

摘要： 針對現如今大跨度、超高層鋼結構迅猛發展使得所使用的鋼板厚度越來越厚帶來的厚鋼板焊接質量問題如焊接缺陷、焊接應力、焊接變形等會直接影響工程的使用功能和安全，本文在綜合了普通鋼板焊接質量管理以及部分厚鋼板焊接質量管理經驗，結合工程實際，并基于動態管理理念提出一套適用度高的厚鋼板焊接質量管理流程，作為厚鋼板焊接質量管理的參考文件，能有助于提高厚鋼板焊接質量。

Abstract： In order to control thick steel plate welding quality issues， such as welding defects， welding stress， welding deformation that will directly affect the project's functions and security， which caused by the rapid development of now large-span， high-rise steel made the steel plate thicker and thicker， this paper integrated the experience of ordinary steel welding quality management and part of the thick steel plate welding quality management， linked engineering practice， and proposed a set of thick steel plate welding quality management which based on dynamic management philosophy and had general appliance. As a thick steel plate welding quality management's reference document that can help improve the quality of welding thick steel plates.

關鍵詞： 焊接質量；管理；厚鋼板；PDCA循環；鋼結構

Key words： welding quality；management；thick steel plate；PDCA circulation；steel structure

中圖分類號：TG40 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0020-04

1 概述

隨著我國建筑業的快速發展，鋼結構在建筑中的應用越來越廣泛，大跨度鋼結構和超高層鋼結構的迅猛發展，使構件的截面越來越大，鋼板的厚度也越來越厚，焊接時厚鋼板不易焊透，層間溫度相差較大，焊接變形控制越來越困難，再加上厚鋼板焊接通常適用于高層，超高層鋼結構柱制作的焊接（箱型柱、H型柱），梁柱節點焊接，大跨度重載梁的翼緣與腹板的焊接，大跨度重載桁架節點焊接等，使得厚板焊接質量的要求非常嚴格，從而導致厚鋼板焊接難度比普通鋼板大得多。如何提高厚鋼板焊接接頭質量成為了工程技術人員日益關注的焦點，但是現在的研究大多數都是關于普通鋼板焊接質量管理，或是只涉及部分的厚鋼板焊接質量管理，不夠全面。基于PDCA循環的管理模式即通常所說的動態管理，是由美國質量管理專家戴明（Deming， W. Edwards）博士在1950 年挖掘出來并應用于全面質量管理中， 主要用于質量管理體系的持續改進問題[1]。本文在綜合相關文獻內容后，從動態管理的理念出發，將之與厚鋼板焊接質量管理相結合，提出一套貫穿整個厚鋼板焊接過程、具有普遍適用性的厚鋼板焊接質量管理流程，能有效提高厚鋼板的焊接質量。

2 厚鋼板焊接應考慮的問題

通常對于板厚大于或等于40mm，且承受沿板厚方向拉力作用的焊接時，我們應考慮厚鋼板的焊接問題。板材要有Z向性能保證，并且符合國家標準《厚度方向性能鋼板》（GB/T 5313-1985）的規定。

為防止焊接厚鋼板過程中出現裂紋和變形，應注意以下問題[2]：

①坡口形式。選用合理的坡口形式，焊縫填充量少，便于反面清根和砂輪機打磨。在保證焊透的前提下，采用小角度、窄間隙坡口，以減小焊接收縮量、提高工作效率、降低焊接殘余應力。

②合理的預熱及層間溫度。采用合理的預熱方法，有利于熱量向板中心傳遞，施焊過程中嚴格保證防風和保溫措施，防止焊縫在短時間內快速冷卻而產生裂紋。

③后熱及保溫處理。為保證焊縫金屬中擴散氫含量和消除焊接應力，焊后應立即進行熱處理并按規定時間保溫，焊縫熱處理后，應對母材和焊縫進行超聲波無損檢測。

3 厚鋼板焊接質量管理流程

3.1 調查焊接環境

焊接環境對焊接質量的影響主要是由鋼結構的結構特點及安裝工藝方法決定的。焊接作業有時會遇到惡劣的自然環境，有時也不得不在夜晚等能見度很低的情況下進行施工，不僅如此，若焊接中使用到大型構件會受到焊接工作操作空間的限制，且在實際的焊接工作中，施工人員可能會被輻射及被電等[3]。

所以，焊接環境可被分成理化環境和勞動環境兩類。其中理化環境又被分成兩類：一種是通過焊接設備、焊接材料等直接影響焊接的質量的環境，這一點我們會在編制焊接質量控制計劃一節中詳細介紹，這里略過；另一種是可以直接影響焊接質量的自然環境，如焊接作業時的空氣溫度對焊接過程的細節部分具有重大影響，例如會通過影響焊接過程中的熱循環過程、其間的各部分化學反應程度、金相組織轉變、合金元素及應力的分布等，從而影響焊接的質量與性能。影響環境濕度大小的因素主要是空氣中的水分，水分的化學成分是氫元素和氧元素，其中氫元素直接參與焊接過程的化學反應。氫元素的含量及分布會對焊接接頭脆性情況和延遲裂紋有著直接的影響，嚴重時可能會造成安全危害。因此氫元素對焊接質量的影響很大，也就是環境濕度大小對焊接質量有著重要的影響。風力對鋼結構焊接質量的影響范圍較廣，它既可以直接影響焊接的電弧形態，也可以在空氣溫度的協作下對焊接質量造成間接影響，如通過加快冷卻速度來影響焊接熱循環等環節。勞動環境是指焊接工人的焊接作業的操作環境，它通過影響施工人員的健康、安全、心理以及操作的方便與否來間接影響焊接質量的環境。如仰焊難度會高于平焊，特別的，對于大型構件的厚鋼板焊接而言，焊接的空間有時會受到構件的影響而特別的狹小，影響焊接工人的操作，從而影響厚鋼板的焊接質量。

由此可以看出焊接環境對厚鋼板焊接質量的影響重大，所以施工人員在進行焊接作業前必須對環境因素進行調查分析，確定各因素對焊接質量潛在影響，再根據施工工藝要求做出調整，盡量避免一切可能對厚鋼板焊接質量有重大影響的因素，從而保證厚鋼板焊接的質量。

3.2 查閱焊接專家系統

將大量的焊接經驗知識和設計準則，用知識庫方式封裝并高度概括、歸納、演繹形成的數據就是焊接專家系統。在焊接質量管理體系中應用焊接專家系統，不僅可以有效降低工作失誤，還能夠通過減少大量重復性工作，縮短設計流程，而達到提高工作效率的目的，同時提高了知識的利用率和傳遞性[4]。對于提高焊接工程技術人員的素質、傳遞生產經驗，提高焊接質量、改善生產管理有重大意義。

焊接作業前，根據之前調查所得的焊接環境的情況和工程情況，在專家系統中查找相似工程，根據相似工程的數據，能對即將實施的工程情況有個大致的判斷和了解，吸取別人的經驗教訓，使得接下來的焊接計劃的制定更加周全，詳實，避免前人犯過的錯誤，有效提高焊接質量。

3.3 編制焊接質量控制計劃

經過充分的焊接環境調查，仔細查閱焊接專家系統后，在此基礎上制定厚鋼板焊接質量控制計劃。焊接質量控制計劃制定的合理與否會直接影響到焊接質量，因而焊接質量控制計劃是焊接質量得以保證的基礎，它應包括下列內容：母材信息、坡口型式及坡口準備要求、裝配順序、焊縫順序及焊接方向、焊接方法、所用設備、焊接材料和輔助材料、焊接位置、焊接參數、預防焊接變形的措施、加熱工藝（焊前、焊中及焊后）、要求達到的焊接質量、惡劣的氣候條件下保證焊接質量的措施、人員資質[5]等。

母材信息很重要，它直接影響到焊接材料、焊接參數和預熱方式的選擇。母材信息應該包括母材的厚度和母材的成分以及母材的焊接工藝性能等會對焊接質量有影響的相關信息，母材不同，焊接工藝也不盡相同。

厚鋼板焊接時，坡口盡量選用雙U形和X形坡口，坡口清理時通常要求坡口兩側25mm 范圍內用不銹鋼絲刷打磨光亮，去除氧化膜，然后用丙酮擦洗焊縫及兩側，徹底清除焊縫周圍的灰塵、鐵屑、油污等一切污物。焊接方法優先選擇單絲埋弧焊，根據工藝要求和母材的不同，對焊材進行選擇和使用在編制焊接順序的時候有幾點基本規則需要考慮[5]：復雜結構應合理分配各個組焊單元的組焊順序；構件剛性最大的部位應最后焊接；對稱焊縫對稱焊接，包括兩側對稱和空間對稱；長焊縫由中間向兩側對稱焊接；先焊對接焊縫，后焊角焊縫；先焊短焊縫，后焊長焊縫；先焊對接焊縫，后焊環焊縫；當構件存在應力時，先焊拉應力區，后焊剪應力和壓應力區；當對變形有特殊限制時，可采用分段退焊法。

對于厚鋼板而言，由于鋼板厚度大，焊接時層間溫度相差也大，如果不進行焊前預熱處理，焊接時溫度應力會對焊接質量的產生影響。焊前預熱的加熱方式選擇應根據焊接環境而定，通常選擇火焰加熱[6]。在火焰加熱過程中有幾點需要考慮：

①選用火焰加熱法進行焊接熱處理時，應根據焊件的大小選擇合適的烤槍噴嘴，并確定相應的數量。當需要使用多把烤槍時，應安排多人在焊件四周進行對稱性的均勻加熱并用遠紅外測溫儀監控加熱溫度。

②火焰加熱時，火焰焰心至工件的距離應控制在10 mm 以上；加熱過程中，烤槍噴嘴的移動速度要均勻一致，不得在一個位置長期停留，且要求注意控制火焰的燃燒狀況，防止焊件的氧化和增碳。

③火焰加熱時以焊縫為中心，加熱寬度為焊縫兩側分別外延50～100 mm，熱處理恒溫時間按每毫米厚度保溫1～2 min計算。加熱完畢，應立即使用厚度不小于40 mm的硅酸鋁保溫巖棉按工藝要求進行覆蓋保溫。

同時，厚鋼板焊接的焊后熱處理也不可缺少。焊后熱處理是為了消除焊接殘余應力，鋼板焊接完成后，因冷卻速度不均也會導致產生層間溫度應力，嚴重時會破壞已完成的焊縫，應高度重視，在焊接工藝計劃的制定過程中要重點考慮，根據不同的施工環境采取相應的熱處理工藝。

當然在焊接工藝計劃的制定還有很多的內容，我們在制定該計劃的過程中，應結合前文所述的焊接工藝計劃的內容來比對，使得計劃制定完善，同時由于厚鋼板的焊接與普通鋼板的焊接有差異，按照經驗制定的計劃會存在紕漏，計劃制定人員對于這點應有考慮。

3.4 焊接過程質量控制

焊接開始前的準備工作完成后，接下來就要開始厚鋼板焊接的實際操作了。除了需要嚴格按照制定的焊接順序操作外，鋼結構工程在焊接過程中質量的影響因素，還有各種客觀因素和主觀因素，包括存在于項目管理系統之內的人的因素、技術因素、環境因素等[7]。環境因素在第一節中已有闡述，不再重復。

人的因素對鋼結構工程焊接質量的影響起決定性的，包括承擔本工程項目質量的管理者和作業者。與生產、施工有關的活動都是靠人來完成的，因此，對人的因素控制對焊接工程質量起著決定性作用。在鋼結構工程焊接中，焊工起決定性作用，因為，無論多么成熟的焊接工藝、多么先進的焊接技術、多么完美的焊接方案最終都要靠焊工來完成實現。焊工的技術水平、質量意識、責任心、身體狀態等直接影響焊接質量的形成。因此，加強對焊接人員的技能鑒定和質量意識的教育培訓至關重要。而作為管理人員，不僅要隨時對焊接工人的焊接過程檢查，查看焊接工人是否嚴格按照制定的計劃操作，焊接過程中是否注意力集中，將每條焊縫的焊接人員記錄在冊等等，還應該及時采集工人在焊接過程中的反饋信息，收集焊接監控過程出現的問題，找出出現這些問題的原因，相應的修改計劃的內容，完善計劃，便于提高后續焊接質量。

技術因素涉及內容很廣，包括勘察、設計、施工、檢驗、試驗等技術。對于鋼結構工程焊接質量而言，優化焊接接頭設計、制定科學的焊接工藝、選擇合理的焊接順序都是在焊接工藝計劃制定過程中應該考慮的，而對于焊接過程中則應該通過提高監控焊接過程的技術手段來對焊接過程實時監控。焊接過程的復雜性和微觀熔滴過渡過程的隨機性，使得對焊接過程的分析和評定成為一個難以有效解決的課題，目前主要通過焊接過程控制的傳感器從焊縫跟蹤和熔池形態提取兩個方面對焊接過程監控。

3.5 焊后質量檢測

焊接完成后，對焊縫進行無損探傷檢測是確保焊縫質量的重要手段，進行無損探傷檢測時，應根據結構的重要性、荷載特性、焊縫形式、工作環境以及應力狀態等情況[8]， 劃分不同的質量等級，根據不同的質量等級來確定無損探傷檢測的方式，最后對檢測出來的缺陷采用不同的處理方式。

3.5.1 焊縫質量等級確定原則

①焊縫質量等級主要與其受力情況有關，受拉焊縫的質量等級要求高于受壓或受剪的焊縫；受動力荷載的焊縫質量等級要高于受靜力荷載的焊縫。

②凡對接焊縫，除非作為角焊縫考慮部分熔透的焊縫外，一般都要求熔透并與母材等強，故需要進行無損探傷。因此，對接焊縫的質量等級不宜低于二級[8]。

③在建筑鋼結構中，角焊縫一般不進行無損探傷檢驗，但對外觀缺陷的等級（見現行國家標準《鋼結構工程施工質量驗收規范》GB50205-2001 附錄A）可按實際需要選用二級或三級。

3.5.2 焊縫無損探傷的種類和適用范圍

①焊縫無損檢測方法。

國內外最常用的四大無損探傷檢測的方法有：射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷[9]。各種無損檢測方法都有一定的特點和適用范圍，應根據相關的規范、標準，結合建筑鋼結構的類型、材質、加工方法、介質、使用條件等選擇最合適的無損檢測方法[8]。

1）對于設計要求熔透焊縫內部缺陷檢測，應優先選用超聲波探傷方法，當超聲波探傷不能對缺陷做出判斷時，即超出使用標準的適用方法時，應采用射線探傷。

2）當采用射線探傷方法時，應優先采用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，應優先采用磁粉探傷，只有存在結構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，宜優先選用具有較高檢測靈敏度的熒光滲透檢測，當檢測現場無水源、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，其檢測結果不一致時，應以危險度大的評定級別為準。質量檢查部門質量檢查工程師對已焊接完成的焊口信息在現場進行實物外觀檢查，并記錄每道焊口的外觀檢查信息，如外觀檢查結果、外觀檢查日期、檢查人，并將這些信息轉錄入計算機便于整理。

②常見缺陷分析。

在鋼結構施工中最常用的無損探傷方法是超聲波無損探傷，本文結合超聲波無損檢測的波形對焊縫內部缺陷的性質的估判以及缺陷的產生的原因、防止措施及處理措施大體總結了以下幾點[10]：

1）氣孔：單個氣孔回波高度低，波形為單縫，較穩定。從各個方向探測，反射波大體相同，但稍一動探頭就消失，密集氣孔會出現一簇反射波，波高隨氣孔大小而不同，當探頭作定點轉動時，會出現此起彼落的現象。產生這類缺陷的原因主要是：氣體保護焊時保護氣體純度低；埋弧焊時電壓過高或網絡電壓波動太大；焊材未按規定溫度烘干，焊條藥皮變質脫落、焊芯銹蝕，焊絲清理不干凈，手工焊時電流過大，電弧過長等。一旦出現了氣孔缺陷，必須及時采取有效措施進行治理，否則后果不堪設想。防止這類缺陷的措施有：不使用藥皮開裂、剝落、變質及焊芯銹蝕的焊條，生銹的焊絲必須除銹后才能使用。所用焊接材料應按規定溫度烘干，坡口及其兩側清理干凈，并要選用合適的焊接電流、電弧電壓和焊接速度等。

2）夾渣：點狀夾渣回波信號與點狀氣孔相似，條狀夾渣回波信號多呈鋸齒狀波幅不高，波形多呈樹枝狀，主峰邊上有小峰，探頭平移波幅有變動，從各個方向探測時反射波幅不相同。這類缺陷產生的原因有：含硫、磷較多，母體金屬和焊接材料化學成分不當，被焊邊緣和各層焊縫清理不干凈，熔渣來不及浮起，速度過快，焊接電流過小等。防止措施有：多層焊時必須層層清除焊渣，焊前必須把坡口清理干凈，焊接件的坡口角度不要太小，正確選用焊接電流等。

3）裂紋：回波高度較大，波幅寬，會出現多峰，探頭平移時反射波連續出現波幅有變動，探頭轉時，波峰有上下錯動現象。該缺陷具有極強的危險性，不僅會影響焊接接頭的強度，甚至會在焊件承載后出現結構斷裂的現象。裂紋包括冷裂紋、熱裂紋和再熱裂紋三類。冷裂紋產生的原因：被焊材料淬透性較大在冷卻過程中受到人的焊接拉力作用時易裂開；焊接時冷卻速度很快，氫來不及逸出而殘留在焊縫中，氫原子結合成氫分子，以氣體狀態進到金屬的細微孔隙中，并造成很大的壓力，使局部金屬產生很大的壓力而形成冷裂紋。防止措施：焊前預熱，焊后緩慢冷卻，使熱影響區的奧氏體分解能在足夠的溫度區間內進行，避免淬硬組織的產生，同時有減少焊接應力的作用；焊接后及時進行低溫退火，去氫處理，消除焊接時產生的應力，并使氫及時擴散到外界去；選用低氫型焊條和堿性焊劑或奧氏體不銹鋼焊條焊絲等，焊材按規定烘干，并嚴格清理坡口；加強焊接時的保護和被焊處表面的清理，避免氫的侵入；選用合理的焊接規范，采用合理的裝焊順序，以改善焊件的應力狀態。熱裂紋產生的原因是：焊接時熔池的冷卻速度很快，造成偏析；焊縫受熱不均勻產生拉應力。防止措施：限制母材和焊接材料中易偏析元素和有害雜質的含量，主要限制硫含量，提高錳含量；提高焊條或焊劑的堿度，以降低雜質含量，改善偏析程度；改進焊接結構形式，采用合理的焊接順序，提高焊縫收縮時的自由度。

4）未熔合：探頭平移時，波形較穩定，兩側探測時，反射波幅不同，有時只能從一側探到。其產生的原因：電弧偏吹，焊條角度不對，電流過小或過大，焊速太快，坡口不干凈等。防止措施：坡口清理干凈，正確選用坡口和電流，正確操作防止焊偏等。

5）未焊透：反射率高，波幅也較高，探頭平移時，波形較穩定，在焊縫兩側探傷時均能得到大致相同的反射波幅。這類缺陷會嚴重影響焊接接頭的機械性能，甚至導致其出現裂紋，具有極大的危害性。該缺陷的產生原因可能是坡口角度小，焊接電流太小或運條速度過快，坡口純邊間隙太小，運條角度不對以及電弧偏吹等。防止措施有：合理選用坡口型式、裝配間隙和采用正確的焊接工藝等。

上文對焊縫質量等級的劃分，無損探傷檢測方法以及焊縫常見缺陷作了一個說明，作為厚鋼板焊接質量管理人員不僅應該了解上述內容，還要能根據檢測的結果拿出缺陷處理的方案，并將檢測結果與焊接過程中工人反饋的信息相結合，對本次焊接工作的工藝過程進行優化，提高后續焊接工程的質量。

3.6 焊接過程信息管理

信息資源是建設項目實施過程中需要進行充分開發和利用的重要的資源之一，隨著信息技術、計算機技術和通訊技術的飛速發展以及建設項目規模的巨大，信息資源的有效組織與管理對建設項目的順利實施有著越來越重要的意義。每一次焊接工作都會產生新的信息，作為一個完善的管理工作，我們應對每次焊接工作中的信息整理，高度概括、歸納、演繹形成知識后的數據，完善焊接專家庫，以輔助未來的焊接質量管理工作。隨著科學技術的不斷發展，在厚鋼板焊接質量管理工作中，計算機應用會更加寬廣，對信息處理的能力將越來越大，焊接專家庫的內容將更豐富，焊接質量信息管理其前景十分廣闊。

4 結語

綜上所述，厚鋼板焊接質量管理體系運轉的基本形式是PDCA管理循環，通過四個階段把厚鋼板焊接質量管理活動有機的聯系起來[11]。第一階段是計劃階段（P），分析現狀，找出影響焊接質量的主要原因，制定改善焊接質量的措施，提出行動計劃和預計效果。第二階段是實施階段（D），主要是根據措施和計劃，組織各方面的力量分別去貫徹執行，完成厚鋼板焊接工作。第三階段是檢查階段（C），主要是檢查焊接質量和發現問題。第四階段是處理階段（A），主要是對檢查結果進行總結和處理。厚鋼板焊接質量管理活動的全部過程就是反復按照PDCA循環不停地，周而復始地運轉，每完成一次循環，解決一次質量問題，質量水平就提高一步，管理循環不停地運轉，質量水平也就隨之不斷提高。

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