剖析钢结构焊接工艺及注意事项

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　　摘要：焊接作为构建钢结构的一种主要连接方法，随着新技术、新材料、新设备、新工艺的不断涌现，在我国建筑钢结构建设中发挥更加重要的作用。据统计，约50％以上的钢材在投入使用前需要经过焊接加工处理。因此，焊接水平的提高是实现钢结构技术快速发展和确保建筑钢结构施工质量的关键所在。本文深入剖析了高强钢焊接、低温焊接和厚钢板焊接等几种施工工艺以及一些注意事项。
　　关键词：钢结构焊接工艺
　　焊接技术就是高温或高压条件下，使用焊接材料（焊条或焊丝）将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法，在建筑钢结构的建设中发挥了重要的作用。在近代的金属加工中，焊接比铸造、锻压工艺发展较晚，但发展速度很快。焊接结构的重量约占钢材产量的45%，铝和铝合金焊接结构的比重也不断增加。钢结构焊接工艺一般可以分为以下几种：
　　一、高强钢焊接施工工艺1、焊材选配原则①强匹配。强节点弱杆件：焊接材料熔敷金属的强度、塑性、冲击韧性高于母材标准规定的最低值。焊接接头(焊缝及热影响区)各项性能全面要求达到母材标准规定的最低值。②兼顾焊缝塑性。厚板焊接时按厚度效应后的强度选配焊材，节点拘束度大时可在1/4板厚以下配用低强焊材。③满足冲击韧性要求。必须重点选择焊材的韧性，使焊缝及热影响区韧性达到钢材的标准要求。2、高强钢焊接性评价方法①碳当量计算评定法。②热影响区最高硬度试验评定法。③插销试验临界断裂应力评定法。3、最低预热温度确定方法 ①裂纹试验控制。根据斜Y坡口试样抗裂试验确定最低预热温度。②硬度控制。根据一定碳当量的钢材，其不同板厚T形接头角焊缝热影响区硬度达到350 HV对应的冷却速度(540℃时)，查表确定焊接线能量。③根据裂纹敏感指数、板厚范围、拘束度等级、熔敷金属扩散氢含量确定最低预热温。④根据接头热输入、冷却时间和钢材的特定曲线图确定最低预热温度。 4、焊接质量控制 ①控制热输入与冷却速度。控制焊接电流、电压、焊接速度以及熔敷金属800 ℃～500 ℃区间的冷却时间。②控制焊缝中碳／硫／磷／氮／氢／氧的质量百分比。选用优质碱性低氢焊材，采用良好的操作手法充分保护熔池金属(短弧、限制摆动、倾角稳定)。③应力与变形控制。选用高能量密度、低热输入的焊接方法，如气体保护焊；用小线能量，多层多道焊接；减小焊接坡口的角度和间隙，减少熔敷金属填充量；采用对称坡口，对称、轮流施焊；长焊缝应分段退焊或多人同时施焊；用跳焊法避免变形和应力集中。 总之，对于高强钢的焊接，应根据钢材本身的强化机理和供货状态，综合考虑其性能要求，合理选择焊接材料和试验方法对其焊接性作出评价，制定合理的焊接工艺，以指导实际焊接生产。对该钢种的焊接应主要考虑采取措施以降低其冷裂倾向。在焊接时应严格控制层间温度和焊接线能量，防止接头出现弱化现象。
　　二、低温焊接施工工艺 1、焊材的选择 在低温环境中，应尽量选择低氢或超低氢焊材，对焊材严格执行烘焙和保温措施。 2、焊前防护 在焊接作业区域搭防护棚，使焊接区域形成相对封闭的空间，减少热量的损失，若无条件搭设防护棚，应该采取其他有效措施对焊接区域进行防护；气体保护焊时，焊接气瓶也应采取相应措施进行保温。 3、焊接质量控制 ①预热与层间温度。低温环境下的预热温度应稍高于常温下的焊接预热温度，加热区域为构件焊接区各方向大于或等于二倍钢板厚度且不小于100mm范围内的母材，焊接层间温度不低于预热温度或标准(JGJ81―2002)规定的最低温度20℃ (两者取高值)。②加大定位焊时的热输入。适当加大定位焊的热输入，增大焊缝截面和长度，并采用与正式焊接相同的预热条件，不在坡口以外的母材上打弧，熄弧时弧坑一定要填满，可以有效减少由于定位焊接引起的收缩裂纹。③采用合理的焊接方法。尽量使用窄摆幅，多层多道焊，严格控制层间温度。④焊接后热及保温。焊接后及时对焊接接头进行后热保温处理，利于扩散氢气的逸出，防止因冷速过快而引起的冷裂纹，同时适当的后热温度还可以适当降低预热温度。
　　三、厚钢板焊接施工工艺 建筑钢结构中厚钢板得到大量的使用，如北京新保利大厦工程使用的轧制H型钢翼板厚度达到125 mm，国家体育场(鸟巢)工程用钢最大板厚达110 mm。大量钢结构工程采用厚钢板，促进了厚钢板焊接技术的发展，同时也丰富了建筑用钢的范围。 厚钢板焊接的关键是防止由于焊接而产生的裂纹和减少变形，应主要考虑以下几点： ①选用合理的坡口形式。如尽量选用双U或X坡口，如果只能单面焊接，应在保证焊透的前提下，采用小角度、窄间隙坡口，以减小焊接收缩量、提高工作效率、降低焊接残余应力。②合理的预热和层间温度。③后热和保温处理。
　　四、钢结构焊接施工还应注意的几个注意事项
　　1、焊接材料与母材的匹配
　　虽然焊接材料的选择是设计人员的责任。但是由于种种原因，部分设计人员并没有重视此类问题，导致现场焊接出现问题。焊接材料与母材匹配的原则是“不同强度等级母材选型；铸钢件与钢材焊接时，焊接材料按钢材选型。原因是焊接材料的强度普遍要求高于母材，材料连接处的焊接材料的强度不应与母材强度相差过大。
　　2、要重视焊前及焊接过程的控制和焊后处理
　　焊接过程是一个不均匀的加热和冷却过程。在施焊时，焊件上产生不均匀的温度场，焊缝及附近温度高，达1600℃以上，其邻近的区域则温度急剧下降。不均匀的温度场产生不均匀的膨胀。高温处的钢材膨胀最大，由于受到两侧温度较低，膨胀较小的钢材的限制，产生热状态塑性压缩。在焊缝冷却之后，会产生残余应力或变形。另外，实际焊接接头中，有的焊件不能自由伸缩。施焊时膨胀受到阻碍，焊缝冷却后便产生了约束应力。
　　焊接残余应力和变形的存在，会降低结构钢度，对压杆稳定产生不利影响，在低温下使裂缝发展，加速构件的脆性破坏，并对疲劳强度不利。
　　为了减少产生焊接残余应力和变形，在施焊前可以采用预设反变形，预热等措施进行预防；在焊接过程中采用合理的施焊次序，如钢板对接时采用分段退焊，厚焊缝采用分层焊，工字形截面按对角跳焊等；焊后可采用消氢处理或焊后热处理等方式消除应力、矫正变形。
　　3、焊接对作业环境的要求
　　钢材焊接对环境的要求非常严格，如果在不良环境中施焊，就会产生焊接质量问题。因此，我们对钢结构有三不焊的要求，即四级以上大风天不焊，雨天不焊，低温不焊。这类天气，焊接后焊缝材料降温迅速，易造成焊接处产生较大残余应力或变形，甚至产生裂纹。
　　根据平时的工作经验，
　　五、结束语
　　总之，不同的焊接方法有不同的焊接工艺，而不同的焊接工艺又需要注意不同的问题。作为构建钢结构的一种主要连接方法，凡是在焊接施工中重视了问题并加以有效控制的工程，焊接质量都能达到验收要求。反之，如果不重视，往往会出现一系列的问题，进而影响工程的进度和质量。
　　参考文献：
　　王国凡.钢结构焊接制造[M].北京:化学工业出版社,2004.
　　GB50205―2001,钢结构工程施工质量验收规范[S].
　　陈祝年.焊接设计简明手册[M].北京：机械工业出版社，1997，3.

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