建筑鋼結構焊接關鍵技術研究

文／張健、胡龍如、曾慶亮、孫麗、周云 中國機械工業第五建設有限公司 安徽合肥 230031

引言：

在社會經濟快速發展的情況下，建筑外形也越來越多樣，特別是高層建筑和超高層建筑的不斷發展為建筑鋼結構的有效運用提供了條件。為了提高建筑鋼結構的焊接質量，需要對建筑鋼結構在焊接過程中存在的問題全面分析，并且在鋼結構焊接施工過程中，需要對新技術進行充分應用，才能夠減少在焊接施工中存在的誤差，保證鋼結構建筑的焊接水平和施工質量。

1、鋼結構建筑概述

近年來，在我國高層和超高層建筑不斷發展的情況下，建筑鋼結構的應用越來越普遍，這主要是我國現代科學技術不斷發展的結果。在我國建筑行業可持續發展的過程中，對鋼結構進行有效應用是提高高層建筑和超高層建筑建設水平的重要基礎。高層建筑鋼結構的社會效益和經濟效益比較突出，能夠一定程度上體現國家的發展程度，而超高層建筑在國家發展過程中也發揮著越來越重要的作用，甚至在一定程度上，高層建筑、超高層建筑的數量可以作為衡量城市發展水平的指標。

目前，在鋼結構建筑不斷發展的過程中，鋼結構焊接施工的難度也越來越大，特別是超高層鋼結構建筑具有懸、斜、重、高的特點，會直接影響焊接工作的難度。超高層建筑鋼結構焊接的特點主要表現在以下方面：

（1）對高強度鋼的應用比較多，并且鋼板的厚度比較大，在焊接施工過程中難度也比較大。施工人員要防止焊接變形，對殘余應力進行消除，要防止層狀撕裂。

（2）在超高層建筑鋼結構焊接施工過程中，需要利用多種異型鑄鋼件，節點也比較，焊接的縫隙縱橫交錯，需要根據實際情況完成結構焊接作業，花費的精力也比較大。很多時候在鋼結構焊接過程中，可能會出現變形情況，而對變形進行控制的難度比較大?，F在鋼結構焊接過程中，可能會出現彎曲、變形、翹起等問題，尤其是鋼板剪力墻焊接過程中，因為尺寸比較大，橫豎焊接縫隙比較長，焊接變形的控制難度會進一步增加。

（3）在高層建筑鋼結構施工過程中存在很多高空作業，尤其是超高層鋼結構建筑的焊接工作主要是在高空進行的，一些高層下部樓層會有未完成的樓板施工。在這種情況下，對焊接工作的挑戰也更大，并且存在巨大安全隱患。在高空焊接作業中，需要構建焊接施工平臺，并且要做好防風擋雨等不同措施，作業環境比較惡劣，會對員工的身體健康產生極大傷害。

2、我國鋼材發展現狀

因為鋼結構在我國建筑工程項目中的應用越來越普遍，目前的鋼材類型也越來越多，鋼結構工程的承載力比較大。利用高強度鋼能夠減少鋼材用量和加工量，對節約建筑成本和資源有幫積極幫助。高強鋼是以低碳鋼或者低合金高強鋼為基礎加入碳化物或者氮化物的微量合金元素的鋼種。在高強鋼研發過程中微合金元素的含量一般為0.2%以下，微合金元素的有效加入可以對鋼的晶粒進行細化，對提高鋼的強度和韌性有積極幫助。

高強鋼一般具有純凈化、細晶粒、低碳微合金等特點的鋼材，其質量一般是超均勻性、超細晶粒，在不增加甚至降低碳和合金元素的情況下，高強鋼的強度和壽命能夠提升1倍左右。在高強鋼制作生產過程中，可以改變熱處理方式、加熱溫度和保溫時間和冷卻條件等，對鋼的組織類型以及不同組織比例進行調整，從而改變鋼力學性能。這樣能夠根據具體的鋼材需求對鋼的強度、塑性、韌性等性能進行合理控制。鋼的良好性能除了在其中添加為合金元素之外，還可以通過改變生產方式對鋼的性能進行控制，通常情況下，與一般熱軋鋼強度相同時，鋼的含碳量較低可以提高鋼材的焊接性能，但是對焊接工藝的要求也更加嚴格。

使用高強度鋼材時，必須重視對新鋼種進行焊接性試驗，并對焊接工藝進行科學評估，才能夠編制出完善可靠的焊接工藝規程。在高強鋼使用過程中，需要從以下要點出發加強質量控制工作：

（1）高強鋼的屈強比一般在0.85之內，并且高強鋼的焊接需要對焊縫返修次數和熱循環次數進行嚴格控制，盡可能提高焊縫一次合格率。

（2）在高強鋼焊接前的預熱、焊接后加熱處理過程中都需要進行試驗操作，根據試驗結果確定相應的參數。同時要對高強鋼的焊接方式進行準確控制。

（3）在高強鋼焊接過程中，可以利用多層多道錯位的方法完成焊接工作。也可以利用機器人自動焊等新型焊接技術，提高焊接工藝效果和焊接質量。

3、建筑鋼結構在焊接中的問題

3.1 收縮問題

通常情況下，在鋼結構焊接過程中存在的最主要問題是施工原材料剛度不達標或者原材料質地不均勻，會導致在焊接完成后的鋼材出現收縮問題，這會對整體建筑鋼結構的質量和穩定性產生影響。

3.2 不均勻問題

在焊接過程中如果沒有對焊縫進行有效處理，可能會導致鋼材出現收縮不均勻的情況。在焊接施工過程中，如果工作人員沒有嚴格按照相應的焊接工藝要求進行焊接操作，可能會導致操作失誤，導致鋼結構局部變形、應力集中等問題，對鋼結構的運用效果會產生嚴重影響。在這種情況下，工作人員必須快速采取有針對性的措施進行處理，為了有效對局部變形問題進行控制。

3.3 焊接縫設計問題

工作人員在焊接縫設計過程中，需要保證焊接縫均勻分布，能夠有效環節局部變形。如果不熟悉焊接細縫，需要降低焊接細縫出現交叉的情況，并且要對焊接細縫的部署密集度進行控制，防止出現局部變形。在開展鋼材焊接工作時，要增強主次焊接縫的區別，可以先完成關鍵焊接縫焊接作業，之后再進行次要焊接縫焊接操作。

4、建筑鋼結構焊接關鍵技術

4.1 現場焊接機器人技術

隨著鋼結構焊接關鍵技術的不斷發展，目前在鋼建筑鋼結構焊接過程中使用的新型技術包括現場焊接機器人技術。在工廠施工過程中焊接工作已經能夠實現自動化作業，但是在建筑施工現場開展焊接工作時，自動化作業水平相對較低。在信息化以及自動化技術不斷發展的背景下，機器人在不同行業都有所應用，而焊接機器人在建筑鋼結構焊接工作中的有效應用能夠提高焊接工藝的自動化水平。自動化焊接技術的優勢比較突出，在操作過程中對操作人員的實際操作能力要求比較低，可以降低工作人員的勞動強度，并且通過自動化焊接工藝實現焊接點的形狀更加美觀。例如在北京鳥巢工程鋼結構焊接過程中，對軌道式焊接機器人的應用取得了突出成就，主要是利用實心焊絲CO2保護焊。此外，在其他工程中也使用了仰焊的方式；在一些大樓工程建設過程中，也對焊接機器人進行了有效應用。

對相關的工程經驗進行分析，在當前焊接機器人應用過程中，可以從以下角度出發實現鋼結構焊接工作：

（1）要注重加強現有機器設備的開發與研究工作。在新型機器設備開發過程中，要可以進行全部位置的焊接。在焊接現場施工時，相對于傳統的焊接機器人無法對焊接位置進行全部焊接，即使能夠全部焊接，工作效率也較慢。因此，在對新型機器人設備進行開發研究的過程中，需要根據存在的具體問題進行創新，實現全方位焊接，確保其能夠適應施工現場的焊接需求。

（2）要重視焊接材料的改進工作，實現施工現場的自動化焊接作業。相關設計人員可以對焊接器材進行深入研發，將自我保護性能和防風性能以及使用性能等作為新型材料研發過程中的重點內容，制造出新型自動化焊接器材，確保焊接機器人能夠滿足施工現場的自動化作業需求，提高焊接作業效率和質量。

4.2 電加熱焊接技術

電加熱焊接技術在鋼結構焊接中的應用也比較普遍。在傳統的建筑施工過程中，鋼結構焊接之前需要進行預熱，焊接完成后需要進行保溫，大多數是以火焰加熱法為主的。但是在建筑鋼結構焊接過程中，建筑樓層越來越高，鋼結構的構件截面在不斷增加，鋼板厚度也在不斷增加，傳統火焰焊接加熱方法的不均勻性成為了當前的建筑鋼結構焊接過程中明顯的缺陷。而電加熱技術可以對鋼結構進行均勻加熱，能夠根據具體的焊接需求對加熱溫度進行控制，這促使電加熱技術在鋼結構焊接過程中有突出的應用優勢。在電加熱技術應用過程中，需要根據焊接熱處理構件的形狀尺寸和厚度對電加熱的溫度以及相關參數進行控制。

在電加熱焊接技術發展過程中需要加強電加熱器研究工作，電加熱器材質需要到工裝強力碳鋼優質陶瓷，保證電加熱器的質量。陶瓷磁鐵式的電加熱器作為比較常用的焊接器械設備，將其固定在焊縫坡口對應的兩側，可以完成焊接作業。如果焊接截面的復雜度比較高，可以使用接長導線將其與電腦溫控儀進行連接，完成通電加熱工作。在開始工作的過程中，需要先從新位置進行焊接，在焊縫兩側100mm的位置進行加熱，加熱的范圍兩側都比焊件厚度大1.5倍左右。而預熱溫度和焊接后的溫度控制，可以利用電腦溫控儀進行自動控溫。完成焊接作業后需要保證焊接后的溫度在250℃到300℃之間，持續兩小時左右，再緩慢冷卻。如果在焊接過程中施工環境的溫度為0度以下，需要將焊接完成后的溫度保證在200度左右，并且要根據相關的要求延長保溫時間，到達一定時間后才能夠使其緩慢冷卻到常溫。

4.3 其他焊接技術

除了以上兩種新型焊接技術之外，在傳統的焊接過程中還包括以下焊接技術：

（1）高強焊技術

高強悍技術也屬于一種相對先進的技術，高強焊技術的核心是強，在高強焊技術應用過程中，施工人員需要選擇極高強度的焊接材料，同時要根據材料的具體特性進行焊接，要保證焊材與鋼材之間能夠形成良好的關聯性，才能夠確保兩種材料通過焊接操作能夠緊密連接。除此之外，在高強焊技術應用過程中，對焊接接頭的強度標準也比較高。

（2）低溫焊技術

高強焊技術在不同方面都有極高的強度標準，但是在施工過程中無法滿足這些要求，會導致焊接質量受到影響。低溫焊技術的實用性更強，主要是在低溫條件下開展焊接操作，在一定程度上會增加工作人員的操作壓力，可以充分發揮低溫焊接技術的應用價值，提高鋼結構焊接質量水平。施工人員需要對施工現場進行嚴格的密封處理，在這一環節中物理和氣體密封是比較常見的密封方式，物理密封指的是施工人員根據焊接周邊環境，為了有效隔離其他環境采取防護層設置形式。

（3）焊縫檢測技術

在建筑鋼結構焊接施工過程中，需要對檢測技術進行充分應用，這樣才能夠對焊接質量進行科學把握。施工人員可以從鋼結構設計標準進行檢測。全熔焊焊接顯示是現場安裝柱和柱之間的有效對接方法，在全熔透焊的過程中，還包括鋼梁和鋼柱牛腿上下翼緣焊接。大多數企業在大面積鋼板焊接過程中會利用高強度螺栓進行連接，而角焊縫是雙剪連接板和鋼柱腳。在施工過程中對焊縫進行檢查時，一旦出現安全隱患，要及時上報領導部門，安排技術人員對問題進行處理。一些施工單位在開展焊縫檢查工作時，會利用斜探頭完成超聲波探傷，利用這種形式可以準確定位探傷的位置，發現質量隱患，并且能夠對焊縫的合格標準進行準確分析。

5、提升建筑鋼結構焊接技術水平的措施

5.1 重視焊接前準備工作

為了保證建筑鋼結構焊接質量，需要加強焊接前的準備工作，一般可以從以下角度出發：

（1）操作人員必須對鋼柱安裝和焊接標準進行全面掌握，在鋼結構焊接過程中可以利用鋼管材料構建的平臺進行焊接。還要根據不同地區建筑項目的差異化焊接內容進行焊接操作。為了保證焊接質量，施工人員需要從具體工程項目的焊接環境出發，對焊接過程的材料和焊接工藝參數等進行科學把握。一般情況下，焊接工作量相對較多的項目可以利用二氧化碳氣體保護焊進行操作。

（2）在焊接材料等準備工作完成后，施工人員還要加強人員管理和安排。與其他建筑施工環節相比，鋼結構焊接操作對工作人員的專業性要求比較高，焊接工作人員必須持證上崗，并且嚴格按照行業標準有序開展焊接工作。在企業招聘時也要提高工作人員的門檻，加強工作人員崗前培訓工作。

5.2 完善建筑鋼結構焊接與切割工藝

在建筑鋼結構施工過程中，還要完善建筑鋼結構焊接工藝。建筑鋼結構加工的優點比較多，焊接施工是結構施工過程中的關鍵環節。為了保證鋼結構的質量，在建筑施工過程中需要對多種創新技術進行有效運用。在建筑鋼結構施工過程中，對智能化技術、自動化技術等進行有效應用可以提升焊接效率。因此，需要加大智能化切割和焊接技術研究工作，智能化焊接以及切割技術除了可以對焊接品質進行科學把握，這可以提高鋼結構施工的整體水平。

此外，需要提升焊接技術的需求，根據建筑項目鋼結構施工進程，對焊接技術的應用效果進行科學把握，提高鋼結構的施工質量，保證鋼結構焊接技術品質。在鋼結構施工過程中，鋼結構的安裝施工原則以及焊接技術人員等都會對鋼結構的施工效率和施工質量產生影響，進而對建筑工程項目整體的質量產生影響。

在我國科學技術不斷發展的情況下，為了推動建筑行業的持續發展，需要將現在的技術應用在建筑工程鋼結構焊接施工過程中，提升焊接水平，保證鋼結構整體施工質量。因此，在科學技術發展過程中對新技術進行應用，可以完善建筑鋼結構焊接和切割技術，同時提升建筑鋼結構焊接技術人員的綜合素質。在焊接操作時，與實際情況進行結合，對新型焊接技術進行應用，提高建筑工程結構施工質量。

5.3 提升焊接工作人員的綜合素質

提升焊接工作人員的專業水平和綜合素質也是提升建筑鋼結構焊接質量的重要措施。鋼結構焊接工作人員的技術水準和綜合素質會直接影響鋼結構焊接的整體質量。在焊接技術快速發展的情況下，焊接材料種類也在不斷豐富發展，焊接技術人員是保證鋼結構的施工品質的重要因素，需要強化自身的專業素質，對焊接技術要點全面掌握。尤其是新的焊接技術對工作人員的專業性要求比較高。建筑鋼結構焊接技術人員在上崗之前必須進行嚴格專業的培訓和考核，在獲取相應資格證書后才能夠持證上崗。

在社會經濟時代不斷發展的情況下，對建筑鋼結構進行焊接施工時，技術人員需要根據社會時代的發展潮流，提高自身的基礎能力和整體素養。在實際施工中要提升自身的知識儲備量。

除了對專業技能的重視，相關部門也要加強各類技術人員職業道德培訓工作，培養出高水平、高技術的專業隊伍，才能夠推動建筑工程的健康持續發展。

5.4 強化焊接施工質量監控

在建筑鋼結構焊接施工之前，需要加強焊接材料質量管理工作，這也是提升鋼結構焊接水平的重要措施之一。根據相關部門的規定開展檢查工作時，要選擇質量過關的焊接材料。在對材料質量檢測時，需要及時監測記錄信息，并對檢測結果進行記錄，防止出現問題。根據施工過程中的具體要求和位置對焊接施工技術進行充分檢測，在焊接施工完成后，需要對焊接工藝的焊接問題等進行全面檢查，確保焊縫均勻，如果出現問題要進行補焊。在焊接施工過程中，需要加強焊接施工過程中的檢查和監督工作，一旦發現質量問題，需要及時采取有效措施解決。目前，在焊接施工過程中，可以對實時監測技術進行應用。現階段計算自動化的軟件監測系統作為監測領域的重要手段，將其應用在鋼結構焊接質量監督與監測工作，可以保證監測工作的有效性。對施工過程中的巨型斜撐鋼、管柱用桁架等進行實時監測并傳輸實時監測數據。通過軟件分析了解在焊接過程中出現的具體問題，并及時采取促使解決，避免在焊接過程中出現失誤。

結語：

總而言之，在鋼結構焊接施工過程中有很多優勢，目前，鋼結構產品在建筑施工過程中的應用也越來越普遍。為了保障建筑工程項目的整體施工質量，也要加強鋼結構焊接技術研究和創新工作。我國的焊接技術發展越來越成熟，處于全球前沿水平。但是焊接技術仍然存在很多缺陷和問題，需要解決這些問題、消除不足之處，才能夠進一步提升我國鋼結構焊接工藝水平，保證建筑鋼結構的整體施工質量。