現場環境對厚鋼板焊接應力的影響分析

曹文輝+李敏+呂仲光

摘 要：施工現場環境因素是造成厚鋼板焊接質量缺陷的主要因素之一，也是實際施工過程中經常被忽視的方面，在一定程度上降低了厚鋼板焊接的質量。隨著科學技術的不斷進步，施工現場環境中攜帶的不確定因素越來越多，尤其是在結構材料、構件節點構造不斷變化的情況下，給厚鋼板焊接質量造成了嚴重的影響。本文將針對現場環境因素給厚鋼板焊接造成的缺陷進行分析，從而制定更加完善的解決措施，進一步提升厚鋼板焊接的質量。

關鍵詞：現場環境；侯剛班；焊接應力；影響

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

0 前言

隨著鋼結構技術的不斷完善，厚鋼板在鋼結構橋梁中的應用越來越廣泛，能夠在一定程度上提升鋼結構橋梁的質量。但是，我國對于厚鋼板焊接技術的研究還處于初級階段，在實際應用過程中經常會因為剛度過大而產生焊接殘余應力，降低鋼結構的使用性能。為此，還需要針對各種因素對厚鋼板焊接應力影響的分析。現場環境是造成厚鋼板焊接應力缺陷的主要因素之一，其中的溫度、濕度、風力等都會降低鋼結構的使用性能，還需要進一步完善。

1 現場環境因素給厚鋼板焊接造成的缺陷

（1）氣孔。在現場環境因素的影響下，厚鋼板焊接過程中經常會出現電弧不穩定、失去有效保護等問題，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，一般產生于低碳鋼和低合金鋼焊接過程中，氣孔內部比較光滑。當厚鋼板焊接過程中處于濕度比較大的現場環境當中，就會在鋼材表面形成結露，增加了鋼材表面的水分，焊條藥皮受潮的情況比較嚴重，再加上低溫環境焊接，大量的氫元素還沒來得及上浮就被焊接在鋼結構當中，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部氣孔。另外，因為在發生化學反應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量[1]。

（2）裂紋。裂紋是厚鋼板焊接過程中影響最為嚴重的缺陷，在很大程度上加重了鋼結構在實際應用過程中存在的安全隱患。裂紋缺陷的存在能夠減少結構承載截面，同時產生嚴重的集中應力，很容易在實際應用過程中發生斷裂的情況，引發非常嚴重的安全事故。與現場環境因素相關的厚鋼板焊接裂紋缺陷類型有兩種：冷裂紋和熱裂紋，其中冷裂紋一般產生于厚鋼板焊接之后冷卻的過程，具體表現為延遲現象，集中分布于熱影響區。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合力而引發的焊縫開裂現象。

（3）焊接殘余應力。焊接殘余應力是由于焊接時局部加熱和熔化過程中，加熱區受熱膨脹，而周圍的母材還處于冷態或加熱溫度不高，因而對焊接區受熱母材的膨脹起約束作用，焊接區承受受壓應力，而母材承受受拉應力。隨著厚鋼板焊接的不斷進行，已完成的焊縫和熱影響區冷卻并收縮，而其周圍的母材此時卻起了約束其收縮的作用，這種應力狀態就稱為焊接殘余應力。在現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]，其焊接應力也會發生一定的變化。

2 解決現場環境因素對厚鋼板焊接應力造成影響的措施

（1）確認焊接作業現場環境。在開始進行厚鋼板焊接工作之前，首先要對現場環境因素進行詳細的確認，在現場環境因素滿足設計方案實際需求的情況下，才能夠開始進行厚鋼板焊接工作，從根本上降低厚鋼板焊接應力，減少各種類型的現場環境因素對厚鋼板焊接的影響。工作人員應該主要針對現場環境中的風速、溫度、濕度等因素進行檢測，其中，焊接作業區風速主要包括兩個方面：手工電弧焊不超過8m/s；氣體保護電弧焊及藥芯焊絲電弧焊不超過2m/s。現場環境濕度保持在90%以下，溫度控制在正常溫度范圍內。另外，在焊接現場周圍100mm的范圍內不能夠出現水、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量，就必須要從根本上消除氣體來源。首先，工作人員應該及時進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，要及時進行焊接材料的防潮與烘干，利用現代化的科學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，要加強對焊接材料的防護工作，在厚鋼板焊接過程中，應該做好氣體保護焊的防護措施，進一步提升對焊接材料的保護作用，避免大量氣體溶入到焊接材料表面而形成氣孔。

（3）合理進行焊接應力控制。鋼結構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，卻產生了較高的內應力，甚至還會出現裂紋的情況[4]。由此可見，合理進行厚鋼板焊接應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該盡可能減小焊縫尺寸，滿足設計方案中的個性化要求，從而提升焊縫的安全性能。同時，還要按照設計方案中的順序進行焊接，尤其是在焊縫比較多的情況，更應該結合構件的形狀進行焊縫的合理布置，從而實現降低現場環境對于厚鋼板焊接應力影響的目標。

3 結論

綜上分析可知，隨著科學技術的不斷完善，厚鋼板焊接的質量在橋梁鋼結構中的應用越來越常見，在一定程度上提高了橋梁的質量，提升鋼結構的穩定性。目前，我國在研究厚鋼板焊接問題的時候經常忽視現場環境因素的影響，難以有效的提升鋼結構質量安全。為此，橋梁施工企業應該進一步加強對焊接殘余應力、氣孔、裂紋等缺陷的研究，深刻認識到現場環境因素在厚鋼板焊接中的重要作用，進而提升橋梁結構的穩定性與安全性。

參考文獻：

[1]楊武.現場環境對厚鋼板焊接應力的影響研究[D].重慶交通大學，2010.

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

[3]白凡.殘余應力和損傷對焊接厚板組合構件力學性能影響的研究[D].北京交通大學，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，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。