大型鋼結構焊接問題與工藝控制

李 三 軍

(陜西建工機械施工集團有限公司，陜西 西安 710032)

根據網絡數據顯示，在諸多鋼結構事故中，誘因大致有材料、疲勞、焊接等，其中焊接原因造成的事故占據了較大比例，約為15%，可見控制好鋼結構的焊接質量，可以有效防止事故發生，增加鋼結構的穩定性并保障預期效益。我國自20世紀50年代后，大型鋼結構的使用逐漸頻繁，對于拼裝和焊接等工藝技法雖然有一定研究，已經取得了相應成就，但由于大型鋼結構施工尤為復雜，焊接問題仍普遍存在，還需要進一步研究。

1 大型鋼結構焊接概述

鋼結構是指利用板、管、繩等形狀的鋼材，通過拼裝鉚接、焊接等工藝制作的結構。大型建筑和工程中所需要的結構規模較大，稱之為大型鋼結構，如大跨度橋梁、超高層建筑等，該類結構具有極強的跨越能力，能夠實現多方位同時施工，因而被廣泛使用。焊接是大型鋼結構制作中必不可少的工藝，但由于焊接時技術、人員、材料等多方面的原因，常產生裂紋、夾渣、變形、焊接度不足等各種問題，導致鋼結構存在質量隱患。目前，主要使用的焊接工藝技法有：手工電弧焊、鎢極氬弧焊、螺柱電弧焊、埋弧焊等，且國家頒布了相應的技術標準，以對焊接工藝和質量檢驗等進行了規范，包括《鋼結構焊接規范》《建筑鋼結構焊接技術規程》《鋼結構工程施工規范》等，也要求焊接施工人員必須具備專業的知識技能并實行了作業許可制度。

2 焊接問題

2.1 氣孔

由于材料表面有可氣化物質，在焊接過程中，高溫迫使材料氣化后，氣體被包裹在金屬液體中，而金屬液冷卻凝固時間過快，最終在焊縫內形成中空氣孔，除此以外焊接時也有可能因為外界氣體被不當操作或熱脹冷縮原理吸入金屬液中，形成氣孔，氣孔呈球狀和條狀，可能是單個也可能是多個同時產生。氣孔占據了焊縫的有效接觸面積，降低了焊接部位的結構能力，使焊縫密度因材質不同而出現不均勻，往往在受到冷熱影響下，還可能形成裂紋、斷開、剝落等病害。

2.2 焊接程度不達標

由于焊條較小或焊接操作失誤，焊接時可操作面積不足，導致焊接不能完全覆蓋接縫，焊接部位表面出現凹凸不平的溝槽。焊接時輸出功率過大，或接觸時間過長，導致焊接部位材質過度熔化形成穿刺孔，導致焊縫結構出現本質變化，降低了結構的受力能力，而相反輸出功率過小或停留時間較短，導致焊條與鋼材之間不能完全熔合，甚至是焊條未能都熔化，由此減少了接縫處的強度，導致結構抗疲勞能力下滑，或造成接縫處焊接材料脫離。焊接時，如果沒有注意焊接材料的使用度，可能造成凹槽或凸起，又稱之為咬邊和焊瘤，影響局部外觀和受力效果。

2.3 裂紋

由于冷熱作用，導致焊接時材料結晶內部原子構造發生變化，產生一系列裂紋，焊接完成時出現的裂紋為結晶裂紋，焊接過后較長時間出現的為延遲裂紋。此外，焊接部位冷卻之后，接頭冷卻后再加熱時產生的裂紋稱為再熱裂紋，產生于沉淀強化的材料的焊接熱影響區內的粗晶區，一般從焰合線向熱影響區的粗晶區發展，呈晶間開裂特征。焊接完成后，因外部作用力導致焊接部位出現裂紋稱為應力裂紋。裂紋的存在，輕則破壞焊縫處承受能力和拉扯力，重則造成結構整體癱壞，誘發脆性破壞。

2.4 夾渣

由于材料熔化不規則，金屬溶液中夾雜了不同物理性質的物質，或者是因為材料表面未清理干凈而直接施工，導致接縫處存在異物。夾渣在被焊接材料包覆的情況下，一般與氣孔危害相近，而一旦出現半包覆的夾渣，則容易因為受力影響，形成裂紋。夾渣中如果含有一些特殊的化學物質，如硫化物、氧化物等，經過較長時間之后，可能對焊接材料產生腐蝕效果，直至焊縫局部或全部喪失結合能力。

3 工藝控制

3.1 事前控制

焊接前對材料設備等進行檢查，確保施工前準備充分。主要工作有：檢查焊道的引弧板，確保安裝符合焊接要求，避免焊接時邊緣溢出過多，導致焊接不穩；清理焊接處母材表面的雜質，如油污、水漬、銹跡、泥沙等附著物，避免夾渣和氣孔；進行熱切割作業時，預先對焊接部位進行加熱；遇焊道通過隔板的情況下，需要提前進行開孔，且開孔大小需要與焊道相匹配，如果開孔過大，則焊接時需要過多的材料，且焊接后的受力能力削弱，開孔過小則焊接之后均衡性，焊接部位連續性差，結構穩定性能不符合標準；做好材料調配工作，下料時需要對材料形狀進行保護，遇到變形情況應進行校正；在切割坡口處進行表面清潔，通過測量技術檢查是否滿足設計要求，做好校正定型后進行下一步施工。為提高施工質量，在正式作業前，進行仿真建模試驗分析，按比例縮減建模或對關鍵施工節點進行全尺寸建模，按照施工設計和程序進行試驗操作，在技術條件支持下，使用數字信息技術，通過數字模型分析結構焊接要點，并利用相應的運算軟件進行施工作業風險評價。

3.2 事中控制

焊接時需要做到：引弧需要在焊道內操作，避免母材引弧，相鄰兩道焊接工序在接駁重疊時，需要確保前一道工序所產生的焊渣及周邊母材的光潔度，避免引起夾渣問題；為有效遏制變形，需要減少焊接時材料受到的約束和外力，優先進行焊后變化值小的接頭，針對約束較強的接頭，采用快速連續焊接的措施，避免焊接后金屬溶液凝固降溫至最低預熱值，直至全部焊接完成，并且優先對固定位置進行焊接，向較大變動的方向逐漸移動施焊，盡可能使用平焊技術，并選用二氧化碳氣體進行保護，如果發現變形問題，則暫緩作業由專業人員評定給出方案后校正施工。另外還需要注意：可對坡口焊接母材進行翻轉，在距坡口1/3處施焊，隨后再翻轉焊接其他點位，橫焊優先于豎焊作業，腹板以及兩側焊接，在對它們進行焊接期間，必須將焊工安排在筋板兩側，另外兩側的焊工要一起焊接，從而防止變形，焊接后的腹板以及筋板也能維持垂直狀態，采用超聲沖擊和振動等技術消除焊接位置應力，至施工完畢，根據不同的接頭類型選擇匹配的無損檢測方案，可選方案包括射線照相檢測、超聲波檢測、滲透檢測、磁粉檢測、外觀檢驗、電磁檢測等，必要時還需要進行NDT檢測，并做好檢測記錄。

3.3 事后控制

1)根據無損檢測信息，判定問題，并分析問題產生的原因，經技術鑒定和談論后提出返修建議，并編制返修方案，交責任人員簽字批準，返修前需檢查母材性能是否完好，預判返修之后是否會影響結構性能，對返修位置材料進行清潔和預熱等處理。2)焊接位置表面存在夾渣氣孔等問題，如果打磨之后能滿足設計要求的，可不再施焊，角焊位置存在問題，可直接進行二次焊接，或者是打磨剔除后再進行焊接；返修作業時施工部位的長度應當確保大于5 cm，全焊透位置內部出現問題的，需要用弧氣刨剔除之后再施焊，適用氣體保護措施。3)做好返修記錄，確認返修環節焊接位置無其他問題后，實施二次無損檢測。

4 結語

大型鋼結構在我國制造、交通、建筑等行業中均普遍使用，其工程質量直接影響了社會經濟發展，而焊縫過大、結構變形、焊接點不牢固等各種問題普遍存在，因此需要在專業層面進行深入研究，結合實踐經驗提高工藝技術的適用效果，促進施工的精細化作業。

參考文獻:

[1] 朱萬忠.大型鋼結構制造過程中的焊接質量控制分析[J].科技與企業,2016(1):145-146.

[2] 林焱彬.大型鋼結構制作中焊接變形的控制[J].中外企業家,2016(14):230.

[3] 江 茜.大型鋼結構構件焊接中質量問題及預防措施[J].建筑技術,2003(2):125-126.