方世亮
广西建工集团第五建筑工程有限责任公司 广西柳州 545001
摘要：钢结构是当前（超）高层建筑、大跨度建筑、异形建筑中应用比较多的结构形式，焊接过程中影响焊接质量的原因多种多样，尤其是钢结构材料的性能及匹配性、焊接所采用的工艺方法以及焊接现场环境等因素影响最为明显，本文主要就这三大方面影响因素及相应对策进行分析探讨。
关键词：建筑钢结构；焊接质量；影响
钢结构工程体系复杂，施工技术难度大，焊接作为重要的基础连接工艺，焊接过程所产生的焊接变形、焊接应力以及焊接缺陷等质量问题，会直接影响到钢结构的整体稳定性、承载力以及抗震性、延性，因此，焊接质量可谓是影响整个钢结构工程质量的关键环节。但另一方面，由于钢结构体系繁多、节点构造复杂、焊接接头形式多等客观原因，又决定了焊接质量容易受到多种因素的影响，不同钢材/焊材、不同操作者、不同工艺、不同环境、不同设备情况下焊接质量都可能呈现不同效果，尤其是钢结构材料的性能及匹配性、焊接所采用的工艺方法以及焊接现场环境等因素影响最为明显，现本文结合多年建筑钢结构施工经验，从以上三大方面就该问题展开尝试性探讨。
1钢结构材料的性能及匹配性的影响及对策
母材和焊材作为建筑钢结构焊接工程的第一质量要素，材料性能（膨胀系数、导热系数和比热等）及其匹配对焊接工艺性能和焊接接头的使用性能有着直接影响，如母材热传导系数越小焊接过程中变形几率越大，而焊材品种与钢材品种强度不配匹则会降低焊缝的塑、韧性。因此，在选择钢结构材料方面，要尤其注意如上两点。首先，钢材的选择必须满足结构的强度、塑、韧性以及疲劳性能的要求，同时还要保证可焊性良好。从当前我国建筑用钢材来看，基本属于低碳钢或低合金高强钢，以上两类钢材基本上都具备了较好的焊接性能，因此我们要注意的就是所选钢材是否存在脆化倾向及冷裂纹倾向，对此，可借助碳当量及焊接工艺评定对特殊钢种和首次采用的钢材进行评价，从而确定母材的可焊性是否良好。其次，要保证母材与焊材的匹配性。当前在钢材与焊材的国产匹配中不对等问题比较突出，主要表现为有钢材没焊材、焊材韧性指标远远低于强母材的指标、焊缝中杂质明显高于母材等，其结果就是导致钢结构焊接工程中不得不降低标准，该问题一时无法有效解决，实践中在选择焊材时应尽可能保证焊材熔敷金属的化学成分接近母材，一般要求焊材熔敷金属的力学性能不小于相应母材标准的性能下限值。建筑钢结构中钢材与焊材的匹配方面，主要有低强匹配及异质焊材匹配两种方式，前者如焊接780MPa钢材时采用590MPa 级的焊材，后者如焊接 9Ni 钢时选用镍基合金焊接材料，以上两种匹配均能取得较好的焊接效果，此外无镀铜焊丝具有导电性能及工艺性能良好、飞溅少、污染少等优势，值得推荐。除匹配问题外，选择焊材时还要注意焊缝的塑性问题及冲击韧性要求，考虑塑性问题是由于钢材在实际生产中会存在一定的厚度效应，这是客观规律，因此在选用焊缝材料时必须在母材厚度效应基础上进行合理选择，若节点拘束度较大时可优先选用低强度焊材；而冲击韧性要求则是为了保证焊缝的韧性满足钢结构设计准则，对此必须严格控制焊材中碳、氢、硫、氧等杂质元素，这是由于焊材中以上元素含量越多越容易引发焊接头的脆化、软化及裂纹倾向等焊接性问题，如焊材熔敷金属含氢量越高则焊接头冷裂纹的敏感性越强，从而造成焊接结构的早期破坏影响其安全运行，因此低氢类焊料适用于无裂纹钢材的焊接。
2焊接工艺的影响及对策
焊接工艺作为钢结构焊接工程的重要过程工序，焊接过程中影响焊接质量的因素最多也是最直接的，如焊接顺序、焊接方法、焊接输入电流电压量、构件的定位或固定方法、焊接胎架及夹具的应用等等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆我们知道，焊接质量问题主要表现为焊接变形、焊接应力以及焊接缺陷三大方面，而焊接工艺不合理则是造成以上缺陷的主要和直接原因。如，焊接顺序不当、焊接电流偏大或分部构件尚未焊接完即进行整体组装焊接，往往会造成焊接变形；厚钢板焊接时若应用的热源差异较大，则容易造成温度场差异，从而出现残余应力；焊接电流过大或电弧过长、焊条和焊丝角度不合适、埋弧焊时电压过低等等，则容易产生咬边外观缺陷。因此，合理制定工艺措施加强焊接过程的工艺管制，是保证焊接质量的重要前提。鉴于焊接变形对钢结构的安全性及可靠性影响最大，而造成焊接变形的各种工艺因素中，焊接顺序的影响最为显著，因此笔者在此详细分析焊接顺序问题。合理的焊接顺序既能防止过度的残余应力，又能有效控制焊接变形，如图2为腹板较宽需多块钢板拼接时的焊接顺序示意图，合理的焊接顺序应是先焊接焊缝l～3再焊接焊缝4，其中焊缝l～3可互换焊接顺序，但焊缝4必须排在最后，原因是由于焊缝l～3焊接完成后会产生横向收缩，再焊接焊缝4（产生纵向收缩）时已得到释放，若焊接顺序不合理则不但会在丁字口处产生严重的应力集中，还可能造成钢板的波浪状变形。要控制焊接变形，还可通过合理设置坡口、采用反变形法以及对称焊缝采用对称焊接施工等方式。此外，由于建筑用的低碳钢及低合金高强钢对热输入的变化具有较好的适应能力，使得长期以来部分施工单位在焊接中忽视了对焊接热输入的控制，该做法并不恰当。无论是低碳钢或低合金高强钢对热输入的适应性都是有极限的（一般为50 kJ/cm），大热输入会导致焊接接头组织和性能劣化，大大降低焊接接头组织的韧、塑性甚至强度，尤其是D、E 级钢（D级代表-20 ℃低温冲击韧性要求、E 级代表-40 ℃低温冲击韧性要求）对热输入的变化更是敏感，因此焊接过程中必须对热输入进行有效控制。
图1 焊接顺序示意图
3 现场环境的影响及对策
焊接工程为露天作业、野外施工及高空作业，现场环境恶劣，在焊接质量的形成过程中存在较多理化影响因素，使得焊接质量难以保证。其中，影响效果最直接、后果最严重的四因素从高到低依次为：温度→湿度→风力→坡口区域清洁程度，在以上四大因素的作用下，大大增加了焊接过程中焊接变形、焊接应力以及焊接缺陷等质量问题的发生率。以焊接缺陷为例，建筑钢结构与环境因素有关的焊接缺陷主要表现为裂纹（冷裂纹、层状撕裂及热裂纹）及气孔，其中裂纹缺陷对钢结构危害极大，既降低了结构的有效承载截面，还会造成严重的焊接残余应力，从而导致结构在使用中可能发生脆断事故。要缓解现场环境因素对钢结构焊接质量的影响，应保证焊接作业区环境符合《规程》（JGJ81—2002）中的相关标准要求，即：焊接作业区风速，手工电弧焊≮8 m/s，气体保护电弧焊及药芯焊丝电弧焊≮2m/s；焊接作业区相对湿度≮90%；焊接作业区环境温度应＞0℃，温度＜0℃情况下必须通过低温焊接试验确定实际焊接工艺参数、预热处理措施；焊接施工前应保证坡口区域无水、油漆、铁锈等污物。在现场焊接环境不能满足相关规范要求的情况下，必须合理设置防风、防雨或保暧防护棚，从而最大限度地减少现场理化环境因素对焊接质量的不利影响。
总之，钢结构体系具有轻质、高强、耐久等优势，是当前（超）高层建筑、大跨度建筑、异形建筑中应用比较多的结构形式，但钢结构的特性也决定了其对焊接质量有严格要求。焊接过程中，影响焊接质量的原因多种多样，笔者以上只侧重对三方面因素进行了简要总结，实践中我们应不断总结和积累相关经验，及时了解并掌握影响焊接质量的主要因素，针对性地采取相应技术对策，从而为钢结构工程达到所要求的质量水准奠定良好的技术支撑。
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论文作者:方世亮
论文发表刊物:《防护工程》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/30
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