浅析低温下钢结构焊接的质量控制
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【摘 要】钢结构工程冬季施工不可避免地涉及低温焊接，也是我国钢结构施工中不可回避的话题。冬季低温环境下，由于焊接温度与环境温度相差较大，焊缝热胀冷缩急剧，造成焊缝出现裂纹。因此，相比较常温下焊接，应制定更加严格的技术保证措施。论文以呼和浩特市高架桥钢箱梁的低温焊接为例，以期对焊接质量的控制起到参考作用。
【Abstract】The construction of steel structures in winter inevitably involves low temperature welding， which is also an unavoidable subject in the construction of steel structure in China. In the low temperature environment of winter， due to the great difference between the welding temperature and the environment temperature， the thermal expansion and cold shrinkage of the weld seam are rapid， which will cause cracks in the weld seam. Therefore， more stringent technical assurance measures should be formulated compared with normal temperature welding. In this paper， the low temperature welding of steel box girder in Hohhot viaduct is taken as an example， hoping to play a reference role in the control of welding quality.
【关键词】钢结构;低温;焊接;钢箱梁
【Keywords】steel structure; low temperature; welding; steel box girder
【中图分类号】TU391 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2019）06-0009-02
1 低温焊接易出现的问题及原因分析
1.1 焊缝过宽或过窄
造成焊缝过宽或过窄的原因主要有两个，其一是低温条件下人体的灵敏度降低，操作的精度降低，容易造成焊缝控制不当的情况;其二是焊接过程中的胀缩，低温环境不仅会影响焊接后焊材与母材的融合，还会影响焊材及母材的收缩一致性。
1.2 焊材裂缝或脆断
焊材的裂缝或脆断在低温焊接的过程中较为常见。当母材及焊材处于低温环境下，焊接过程使焊條瞬间加热至融化状态，作用在低温的母材上时，又从骤热突然过渡到自然环境的骤冷，使得焊材剧烈收缩，从而出现裂纹及脆断现象。
1.3 夹渣、未熔透现象
夹渣和未熔透的现象虽然在低温焊接过程中不常见。但是处于低温的环境，在进行焊接的时候仍旧采用与正常温度下一样的电流进行加热焊接，容易导致焊条的融化不完全，从而造成夹渣、未熔透的现象。
2 保证低温焊接质量的措施
2.1 施工前准备
2.1.1材料准备
所选用的焊接材料是钢结构焊接质量的重要影响因素。焊丝焊剂的选择必须考虑钢材的化学成分、力学性能、焊缝形式以及拟采用焊丝焊剂的材料性能。在保证设计要求的前提下，焊丝焊剂优先采用屈服强度较低、冲击韧性好的氨碱含量低或者钛钙型焊条。
以呼和浩特市高架桥钢箱梁的低温焊接工程为例，该工程所使用的钢材材质为Q345QE，是具有较高的强度、韧性以及抗冲击能力的材料，而且还具有耐低温、耐腐蚀的性能，专用于公路桥梁及铁路的钢材[1]。
该工程拟采用CO2气体保护焊的焊接方法，焊机大电流工作时，热量输出较大，焊丝的选用时应考虑此因素造成的影响。必须保证焊缝焊丝在此工作状态下有良好的抗冲击性能及外观质量。本工程拟选用韧性较好的Supercored 71H药芯焊丝，此焊材是适用于构件全部焊缝位置的钛型药芯焊丝，此焊材除了具有良好的韧性外，焊接时电弧稳定，脱渣性良好。
2.1.2 人员准备
进行重要钢结构焊接的人员，必须经专业培训且通过考试，并持有效证件。但因焊接构件类别、规格、材质的不同，焊接人员技能资格等级要求也不同，因而必须对焊工技能资格进行严控。一是核查及确认焊接工人资格，即考核项目与焊接工作一致;二是监控焊工资格的时效性。
2.1.3 焊接工艺选择
坡口样式：焊接接头切割坡口是为了保证电弧深入焊缝底部，使底部能够熔透。在选择坡口样式时应能保证焊缝熔透，坡口易加工，提高效率，节约焊材，减少焊后变形等。为此，工程中应根据实际条件采用合理坡口形式。本工程主要采用单边V形坡口，T形接头采用K形坡口。 焊接次序：先焊收缩量较大焊接节点、后焊收缩量较小焊接节点、先单独焊接后整体焊接，化解约束的合理顺序，从根本上減少裂纹源。由于本工程对接焊缝较长，由两焊工自中间同时向两端退焊，以防钢箱梁扭曲变形[2]。
2.1.4 施工作业条件及安全设施
焊接操作平台、马道、吊篮等均应注意清除雪、水，并有防止人员滑倒的措施。焊工和其他辅助人员要配备防寒服装。应该充分认识到低温焊接施工在安全保障方面的难度是很大的，必须有充分的措施保证。
2.2 施工过程控制
2.2.1 焊前预热
低温焊接易出现质量问题的主要原因就是焊接环境的温度与焊接过程中的温度差别太大，从而导致焊接材料出现剧烈的热胀冷缩现象，严重地影响了金属结构的严密性和稳定性，使得焊接结果无法满足工艺需求。针对这一问题，本文认为可以采用焊前预热的工艺减小焊接过程与焊接前后的焊接材料的温差，从而使得焊接材料在焊接过程中收缩均匀。而进行焊前预热的方法可以采用火焰对其各部位均匀升温，去除焊时母材与焊接区域的过大温差，尽量促使接头在同轴线上均匀胀缩。提高焊接材料焊接前与焊接过程中的温度稳定性，从而使其达到整个过程中金属结构的稳定。
本工程运用火焰加热预热，对接焊缝区域加热采用大型烤枪，热源采用氧—乙炔中性焰，操作者进行对称加热。较长焊缝采用烤枪加热受热不匀，沿焊缝长度向布置一根圆钢管，在钢管一侧等间距开孔，在钢管中通入天然气进行均匀加热。预热范围沿焊接区域中心向两边100mm以上，并按最厚母材板厚三倍以上范围实施。加热力求均布，采用温度仪实时监测，严控加热温度，以保焊缝区域均匀受热。预热温度监测须在距坡口边沿离板厚3倍的地方实施。当预热区域温度均匀达预定值后，覆盖保温物资至恒温20～30min。
2.2.2 防风及层间温度控制
施工时原则上遇到风、雨、雪天不得施焊，如需施焊需注重对风的防范。应当选取防风的场所或者搭设棚罩进行挡风，这样不仅可以使得环境温度在一定程度得以提升，而且可以起到更好的恒温效果。
在焊接中需严控层间温度，保证其恒温在110～190℃之间，每个接头应一次焊完中间不得停歇。如果确需中断，需严格把控各个焊接点及焊接层次之间的温度关系，采用必要的后热、缓冷措施，开始焊接时应重新预热并据节点形式及板厚提高预热温度，只有这样才能实现焊接层次之间的紧密结合。此外，二次加热需在一次加热区扩大大于等于一倍板厚的区域。
2.2.3 焊后热
在進行焊接工艺之后对焊接材料进行二次加热，这一举措的意义在于减少焊接材料裂缝及脆断情况的发生。后热温度一般为200～250℃，在较寒冷地区焊后热温度需较温暖地区高50～100℃。
2.2.4 焊后缓冷
在进行焊后加热过程之后，对焊接材料采取厚棉被覆盖包裹等形式进行缓冷，密闭空气流通部位，并缓冷至焊接区、焊缝正面、背面均达周围环境温度为止。焊后保温可以有效地对焊接后的金属材料的散热进行有效控制，从而防止骤冷骤热对焊接工艺的效果产生影响。
3 焊接质量检查
焊接质量的保证，不仅焊后要进行验收，还需在焊前及焊中进行检查，实现全程管控。通常焊接检查包括焊前、焊中和焊后检查3个阶段。在各阶段，检查工作内容应符合设计要求及现行技术规范。
4 结语
在钢结构焊接工程中，低温焊接是冬季钢结构施工的重要一环。为满足进度要求，钢结构冬季焊接必须进行时，如何控制低温厚板焊接质量，是需工程技术人员重点解决的难题。必须据工程实际分析，采取必要的技术措施、焊接工艺及管理措施，克服低温环境的不利影响，从根本上提高焊接质重和大幅度减少焊接变形以达到设计及现行规范要求。
【参考文献】
【1】徐海林.谈钢结构焊接施工质量控制[J].山西建筑，2015（12）：210-220.
【2】陈忠，徐前，陈久勇.建筑钢结构焊接施工的质量控制分析[J].金属加工（热加工），2015（8）：74-76.
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