钢结构焊缝连接技术的应用和发展

钢结构焊缝连接技术的应用和发展

王成斌迟鹏骋刘首旭

中国建筑第八工程局有限公司东北分公司

摘要：钢结构建筑节点处连接方式的优劣对整体性能的影响非常大，钢结构破坏最薄弱的环节一般都是在节点连接处，而焊缝连接相较于其他连接方式效果更好，应用也更为广泛。焊缝连接是将两种或两种以上材料通过物理方式连接成一体的技术，其优点有：不削弱构件截面，节省材料，操作简单，生产效率高，可实现自动化生产，而且焊接相比于其它连接方式刚度更大，密封性能更好。

关键词：钢结构建筑；焊缝连接；二氧化碳气体保护焊

1焊缝连接的应用

钢结构是由钢制材料组成的结构，是建造大跨度、超高和超重型建筑的理想结构，在实际工程中应用非常广泛。比如美国新海湾大桥是世界上跨度最大的单塔自锚抗震悬索钢结构桥梁，能确保每天27万辆车通过。该大桥的总用钢量高达4.5万t，大桥在制造期间遇到最大的工程难题是钢塔的制造，单根塔柱结构形式复杂，刚性强、变截面、不等边、五边形的钢柱形状给钢板之间的连接带来了难题。美国新海湾大桥钢塔上钢材连接采用的是在普通焊缝连接方式上加以创新的的窄间隙电液焊。

钢塔焊缝需要的组件中，有4台进入爬梯的机器，其他装置包括轻质移动梯平台、冷却滑块定位板、熔嘴定位和夹紧系统、双丝电极驱动系统、冷却水歧管、足够长的焊接电缆和六个冷却滑块。每11m长的熔嘴材料必须从一个水密容器中撤出，并小心地降到焊缝接头开口处，额定焊接速度为每分钟37mm，每道焊缝大约需要4.5h才能焊完。由于施焊时能够直接接触到的焊接接头有限，大桥的焊接有一定难度。我国振华重工企业承建了大桥4.5万t钢结构的焊接工作，并提前5个多月完成既定任务，一举成为国内首家通过“相控阵技术检查的大桥钢构高精尖焊接”企业。2013年，新海湾大桥正式通车，也标志着我国焊接技术的进步和成熟。

2焊缝连接的发展现状

2.1焊接存在的问题及解决措施

2.1.1焊缝节点脆性断裂

焊缝节点脆性断裂是指焊缝节点未经明显的变形而发生的断裂。钢材焊缝处在反复荷载作用下引起材质的破裂，称为疲劳破坏。引起疲劳破坏的因素有很多种，首先就是钢材本身化学元素的影响。钢材中含有的碳、氮、硅、锰等微量元素，虽然含量很少，但其对钢材的性能有着至关重要的影响。在这种情况下进行焊接，焊缝节点位置最容易出现缺陷，例如裂纹、气孔、未焊透等问题，会造成局部应变集中，使得焊缝逐步产生破坏。此外，在较低温度下工作的工件，钢材的韧性、塑性会降低，在相同应力的情况下，产生脆性破坏的可能性变大。在相同情况下，不同的焊接质量跟焊接工艺也会影响焊缝的强度。

预防焊缝节点脆性断裂措施可从以下几个方面考虑：①选用优质焊条，必要的话可选择跟原工件强度相近的焊条。当焊条跟原工件强度相差过大，在同一较大应力条件下工作时焊缝会断裂，所以必须严格控制焊缝焊接质量，定期检查已加工的工件，清除不符合标准的工件。②合理选择焊接方法，例如当板进行拼接时，尽量采用对接焊缝而不是采用角焊缝。避免采用多条交叉焊缝，使横向加劲肋与工件受拉一侧保持一定的安全距离。焊接完成后，及时对焊缝处进行切口消除，打磨表面使其光滑，减少残余应力。正确使用工件，不超负荷使用，不违规使用，确保工件的强度及焊接强度按照正常使用来设计。

2.1.2焊接变形

引起焊接变形主要有人为因素与非人为因素。人为因素是指构件本身在焊接前焊缝布置不均，从而导致不均匀收缩，最终产生变形。操作时焊接温度、速度等不一致以及搭接不合理会引起应力集中，也会引起变形。非人为因素是指焊接工件本身的原因或者操作人员无法控制的原因，其中包括温度。在温度影响下，加工件受热不均匀也会引起变形。

预防焊接变形，对于人为因素，可通过检查等环节避免。焊接过程中，焊接人员应严格遵循国家相应的焊接规定和标准，组织专门人员定期检查已加工的工件，核实相关的工件参数，检查工件的摆放、焊接平台的搭建等是否合理。对于非人为因素，存在着一些不可控的成分。焊接人员要秉持特殊情况特殊对待的态度，根据焊接构件的特点选择适宜的焊接工艺，尽可能避免非人为因素导致的变形。最后，要在焊接过程中注意检测工件的各项参数是否满足设计标准和设计目的。

2.1.3焊接残余应力

对于焊接结构来说，残余应力也会直接影响焊缝断裂性能。焊缝的残余应力包括横向残余应力和纵向残余应力。由于构件在焊接前后加热过程中钢结构受热不均匀膨胀产生纵向残余应力等造成较大收缩变形导致产生横向残余应力。

消除残余应力的方法较多，其中局部低温势处理法和热时效法的效果较好。局部低温势处理法是在靠近焊缝区域两侧的范围进行加热，同时对中部区域进行冷却处理，从而形成温差。这两区域的材料受到不同温度影响，产生的不同变形相抵消，相当于抵消了残余应力。另一种热时效法的工作原理是先加热待焊接构件达到塑性状态的温度范围并保温。这样操作会使应力逐渐消除，然后将构件冷却。虽然此方法消除残余应力比较成熟且可靠效率高，但热时效法不符合绿色节能和可持续发展的理念。

2.2两种焊接形式及其优越性

目前主要有对接焊缝构造和角焊缝构造两种焊缝构造形式。对接焊缝构造形式中衬板采用双边焊缝构造形式节点的构件抗断性能显著提高，对高强钢梁柱翼缘对接焊缝而言，焊接加工质量占主要因素。对接焊缝构造形式，在未来的梁柱节点上连接应用方面将会有很大发展。当角焊缝连接的梁柱节点遇到破坏时，会导致起落弧处出现缺陷，引起应力集中并产生裂纹。对于对接焊缝和角焊缝而言，即使节点破坏位置相同，破坏形式也不尽相同。由此可见，结构的破坏形式或极限承载力等会因焊缝形式的差异而不同。

焊接结构有以下优点：节省材料，生产效率高，构造简单，操作方便。通过焊接，可将不同形状、不同厚度和不同种类的金属连接起来，节点强度高。对静力和疲劳试验的结果表明，铆接和焊接件的静强度相差4.9%，可认为焊接件的静力和疲劳性能不低于铆接件；而在成本方面，栓接比焊接的预计成本要高得多。钢结构节点连接通常采用单一的连接方式，然而在改造工程中，可以发挥创新思维，在一个连接节点处采用两种或两种以上的连接方式，来进一步提高节点的强度和抗裂度，从而提高节点的承载能力。以焊缝连接形式为主、栓接为辅的新型节点连接方式，已得到较为广泛的应用。

2.3二氧化碳气体保护焊

深圳大运中心主体育馆首次采用单层折面空间网格结构的钢屋盖形式，但由于其焊接过程中存在焊接热量集中、焊接变形和应力难以控制等难题，在经过一系列试验后，最终选择了二氧化碳气体保护焊进行焊接。二氧化碳气体保护焊是以二氧化碳气体作为保护介质，隔绝空气与可融化的金属焊丝，从而达到焊接的稳定与控制焊接变形的目的。二氧化碳气体保护焊相较传统焊接有着诸多优势，其焊接成本低，二氧化碳气体易于获得，焊丝便宜。由于材料隔绝了空气，焊缝抗锈蚀能力提高。同时，此种焊接方式操作性能好，不但不限工件厚度，而且便于全方位焊接和检测。二氧化碳气体能起到很好的冷却效果，焊接时热量集中的问题得到有效解决，工件热影响区域减小，变形同时减小。最后，二氧化碳气体保护焊方便快捷，焊后无须进行清理工作，省时高效。二氧化碳气体保护焊也有一些缺点。当进行室外作业时，必须依靠挡风装置才能进行焊接；设备相较传统焊接设备更为复杂，维修不易；高温下二氧化碳气体具有强氧化性，焊接对象局限于不易被氧化的材料；同时，二氧化碳气体保护焊光热辐射较强，必须注意劳动保护等。

参考文献

[1]王杰锋.浅谈建筑钢结构焊接技术的应用[J].卷宗，2017（27）.

[2]刘杰，宋晓帆.道桥施工钢结构与焊接技术的优化应用[J].建材与装饰，2018，No.541（32）：280-281.

[3]张家成.建筑钢结构焊接施工技术及质量控制分析[J].建材发展导向：上，2017，15（9）：110-110.