摘要：由于钢结构自重轻、施工期工期短、整体抗震性好、材料强度高、工厂专业化制作、对环境污染小等优点，近年来钢结构在大跨度桥梁、厂房、会展中心、体育场馆、机场航站楼、及超高层建筑中广泛应用，并取得很好的成效。目前钢结构的连接方式主要是焊接，所以焊接质量的好坏严重影响到钢结构的质量、安全和寿命，因此要制定合理的焊接方案，在焊前、焊中、焊后的整个焊接过程中采取控制及预防措施，保证焊接质量。但是在实际的焊接过程中还时常出现较多的焊接质量问题，现对焊接中常见的焊接质量问题论述说明其形成的原因，进而探讨解决焊接质量问题的预防措施，从而保证钢结构在加工制作焊接及现场焊接过程中的焊接质量。
关键词：钢结构；焊接；质量；预防
1 钢结构节点的连接方式和焊接工艺流程
1.1 钢结构节点的连接方式
钢结构节点的连接方式主要有铆接、螺栓连接和焊接，目前的连接方式以焊接为主。铆接在19世纪20年代开始使用，在钢构件连接处的重叠部位工厂钻好铆钉孔，铆钉孔径一般比铆钉大1至2毫米，将铆钉塞入铆钉孔中，然后用铆钉枪或铆钉机将铆钉另一端压成铆钉头的形状进行铆合封闭，从而达到钢构件的连接。但是铆接的连接方式费工、费料，目前不常用，钢结构中一般采用螺栓连接代替铆接。螺栓连接与铆接相似，钢构件连接部位预先在工厂开好螺栓孔，螺栓孔径一般比螺栓大2毫米，一般在施工现场安装螺栓，然后用螺栓枪或扳手紧固螺母，从而达到钢构件间的连接。螺栓连接分为普通螺栓连接和高强螺栓连接，当前应用最多的是高强螺栓连接，高强螺栓连接又分为摩擦型高强螺栓连接和承压型高强螺栓连接两种。虽然螺栓连接具有安拆方便、利于检修和更换的优点，但是螺栓连接需要工厂开孔，开孔不但精度要求高、施工成本高、费材，而且还削弱了构件截面强度，另外螺栓间受力不均，部分螺栓可能因受力过大遭到破坏，进而影响钢结构结构的使用寿命和安全。而焊接方式不但不需要工厂打孔、不削弱截面强度，还省时、省材、成本低，而且还使用于各种不规则形状的连接。
1.2 钢结构焊接工艺流程
在钢结构焊接前首先要结合工程中钢结构的节点形式、钢材强度等级及质量等级、板厚、焊材的等级、坡口形式等进行焊接工艺评定，评定的目的是针对不同焊接节点、不同的钢材及焊材以确定出最佳焊接工艺参数和工艺流程，保证钢结构的焊接质量。钢结构焊接工艺流程如下图所示：
2 焊接质量问题
钢结构焊接中最常见的质量问题有焊缝夹渣、焊缝气孔、焊缝未融合、焊缝裂纹、焊缝咬边、焊瘤等。
2.1焊缝夹渣问题
焊缝夹渣顾名思义就是残留在焊缝中的熔渣，按熔渣成形的形状划分，有线状的熔渣、孤立的熔渣以及其他形式的熔渣。焊缝中的夹渣不但会造成焊缝的塑性和韧性降低，而且在夹渣的尖角部位产生较大的集中应力，在较大集中应力作用下，焊缝的夹渣部位首先形成裂纹并向外扩展，进而导致焊缝强度下降、焊缝开裂、结构破坏。焊接过程中产生夹渣的原因很多，一是焊接参数不合理焊接电流太小，导致液态金属和形成的熔渣未分开，熔渣夹杂在焊缝之中；二是焊接速度不合理，速度太快，焊接的熔渣未来得及从液态金属中浮起就被下一道焊缝所覆盖；三是在多层多道焊接过程中，多层焊缝的层间及多道焊缝道间的熔渣未清理干净。
2.2焊缝气孔问题
焊缝气孔是指在焊接时金属凝固的速度大于气体逸出的速度，气体在金属凝固前未逸出，残留在焊缝中所形成的空穴。产生焊缝气孔的原因很多，主要有焊条受潮未烘干、焊接保护气体不纯含水量超标、坡口及其附近母材上的铁锈及油污未彻底清除等原因。
2.3焊缝未融合问题
焊缝未熔合是指在多层多道焊接时分层焊缝金属之间及分道焊缝金属之间，或焊缝金属与母材之间未熔合而产生的焊缝缺陷。焊缝未熔合根据其形成的部位来划分，分为多层多道焊接时的层间未熔合、焊缝根部未熔合及焊缝与坡口处母材未熔合三种。未熔合缺陷不但会造成焊缝截面减小，截面强度减小，而且在未融合的区域易产生很大的集中应力，一旦焊缝被破坏，将造成很大的危害。焊缝层间未融合产生的主要原因是多层多道焊接时，焊缝层间的熔渣未清彻底；焊缝根部未熔合产生原因很多，主要原因有焊缝坡口的钝边过大，焊缝间隙太小，母材根部错边太大；焊缝坡口未熔合的原因主要有：运条角度不合适电弧指向偏斜、坡口侧壁有铁锈及油污未清彻底等原因。
2.4焊缝裂纹问题
焊缝裂纹是比较常见的焊缝缺陷，产生焊缝裂纹的原因很多，主要原因是在焊接收缩应力的作用下，在焊缝节点局部区形成的新界面，即产生的焊缝裂纹。焊缝裂纹口尖锐，在尖锐的裂纹口部易造成很大的集中应力，影响结构安全，所以焊缝裂纹是非常危险的焊缝缺陷。焊缝裂纹根据其形成的过程可以分为热裂纹和冷裂纹，热裂纹是在焊接过程中焊缝高温下生成的裂纹，焊缝裂纹形成在焊接缝之中，焊缝在逐渐冷却的过程中收缩，产生收缩的拉应力是焊缝热裂纹产生的主要原因。焊缝冷裂纹是在焊接完成后焊缝冷却到较低温度时出现的裂纹，氢元素是产生焊缝冷裂纹的主要原因，在焊缝冷却过程中氢元素向热影响区扩散，如果扩散的氢元素未逸出，就会聚集在离熔合线附近的热影响区中，导致热影响区变脆变硬，在焊接收缩拉应力的作用下产生了焊缝冷裂纹。裂纹如图：
2.5焊缝咬边问题
焊缝咬边是在沿焊趾的母材部位产生的沟槽，焊缝咬边不但造成母材截面面积减小强度降低、被咬边母材的边缘组织被淬硬易引起裂纹，而且咬边处产生较大的集中应力，影响结构安全。其产生的主要原因：一是焊接参数不合理，电流、电压太大；二是焊接操作方法不当，如焊条施焊角度不当，破口两侧施焊停留时间过短或过长。
2.6焊缝焊瘤问题
焊缝的焊瘤是指在焊接过程中焊材熔化的金属液体流淌焊缝区域以外所形成的疙瘩，其产生的主要原因有：焊接参数选择不当焊接电流大，焊接坡口未清理干净使母材未熔化，焊条施焊角度不当等。
3 焊接质量问题的预防措施
3.1夹渣的预防措施
焊接前进行焊接工艺评定，选择合理的焊接工艺参数，控制焊接电流的大小，选用适宜焊条的直径；对焊接人员焊前培训并考试，考试合格后方能焊接；选择脱渣性好的焊条；多层多道焊接时彻底清除层间熔渣及药皮；调整焊条角度和运条方法。
3.2焊接气孔的预防措施
焊接前对焊条、焊丝进行烘干，焊中采取措施防潮、防雨；选择合适的工艺参数；对施焊的母材进行除锈、除油污；保证保护气体的纯度。
3.3未融合的预防措施
焊接前进行焊接工艺评定，合理地选择焊接工艺参数，适当加大的焊接电流，注意根部、坡口及层间部位的清理。
3.4裂纹的预防措施
对于热裂纹来说，裂纹的出现就是由于偏析现象的出现主要与应力有关，为此从两方面采取预防措施。材料方面：在焊接前对钢材及焊材进行复试，检测钢材及焊材中的硫、磷、碳元素是否超标，要保证所要焊接的钢构件及选用的焊材没有超标的有害元素；焊接工艺方面：一是焊前进行焊接工艺评定，选择合理的工艺参数，多层多道焊接，妥善安排焊接顺序和焊接方法，降低应力集中；二是严格控制焊缝层间温度，缩短焊缝层间金属在焊缝高温区的停留时间；三是控制收弧速度不要太快，防止出现弧坑造成偏析产生裂纹。关于冷裂纹的预防措施同样从焊材、母材选择及焊接工艺两个方面来控制，材料方面：选择碱性低氢型的焊条和焊剂，减少焊缝金属的氢元素含量，进而减少氢元素的扩散和聚集；做好钢构件母材与焊材的匹配，焊接前对母材及焊材进行复试，进行物理性能及化学分析检测。焊接工艺方面：焊前进行焊接工艺评定，选择合理的焊接电流、电压，选用正确的焊接顺序和合适的焊接速度；在低温环境中焊接，焊前要预热、焊中要控制焊缝层间温度、焊后要热处理或采用保温棉保温缓冷，减小焊缝的冷却速度，进而减少冷裂纹出现的可能性。
3.5咬边的预防措施
咬边的预防措施从两方面进行控制，一是焊前进行焊接工艺评定，选择合理的焊接参数，如电压电流参数、焊接速度和顺序等；二是焊接操作要规范，如运条的方法要正确、焊条的角度要恰当、电弧的长度要适中等。
3.6焊瘤的预防措施
在焊接的过程可以采用以下措施来控制：焊接操作要规范，立焊时焊接电流适当调小，焊条左右摆动时两边慢、中间快，控制熔孔大小避免背面出现焊瘤等。
4 结语
在钢结构构件连接方式中，焊接是最常见、最主要的连接方式，焊接质量的好坏直接影响到施工的质量、进度、成本及建筑结构的安全性，只有全员、全面、全过程的强化焊接质量管理，并对影响焊接质量的“人、材、机、法、环”五要素采取措施重点预控，使质量保证体系在一定深度下有效运行，提前对焊接质量问题进行分析，找出其产生的原因，同时采取预防措施来进行提前预防，才能切实保证钢结构的焊接质量及和工程质量。
参考文献：
[1]刘光文.金属材料焊接中的缺陷分析及对策[A].科学论坛，2014.
[2]董新，王海峰.常见焊接缺陷的成因探讨级对策[A].第十五届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（下），2011.
[3]赵洪.金属材料焊接成型中的主要缺陷及控制措施探讨[P].工业技术，2018.
论文作者:王建伟
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第13期
论文发表时间:2019/1/22
标签：裂纹论文; 螺栓论文; 钢结构论文; 预防措施论文; 焊条论文; 应力论文; 质量论文; 《建筑细部》2018年第13期论文;