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浅析钢结构焊接质量的环境要求及控制措施
摘 要: 焊接是建筑钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。随着钢结构建筑的广泛应用，钢结构焊接施工过程中出现的钢结构质量问题及环境因素所产生的焊接缺陷更容易引发灾难性的工程质量事故，因此要引起了大家的高度关注。 关键词:钢结构焊接;环境特点; 控制措施 前言 目前，随着国民经济的快速发展，现代建筑钢结构的发展，钢结构在各方面工程的应用所占比重越来越大。焊接是建筑钢结构连接的主要方式之一，焊接质量在钢结构工程中极为重要。当今结构体型和节点构造复杂多样,结构材料也由低碳钢逐渐发展到低合金高强钢,出现铸钢、铝合金等新型材料。这些金属材料在焊接过程中会发生一系列变化,产生缺陷的可能性比低碳钢要严重得多。特别是在冬季施工,气温低、湿度大的天气经常遇到,更容易导致碳当量相对较高的低合金高强钢焊缝的热影响区产生淬硬组织,产生延迟裂纹。另外还容易出现层状撕裂、结晶热裂纹、气孔等焊接质量缺陷。尤其是对厚板和约束度大的节点影响最大,即使是低碳钢也存在出现冷裂纹的可能性。这些焊接缺陷加大了焊缝应力集中的现象,严重削弱了结构承载力。而淬硬组织、层状撕裂这类缺陷用常规的超声波探伤方法也检查不出来,延迟裂纹还具有脆断特性,所以说这种环境因素所产生的焊接缺陷更容易引发灾难性的工程质量事故。 1建筑钢结构施工现场焊接的环境特点 钢结构施工就是将加工制作好的构件,按照一定的次序,拼装吊装到设计预定的位置,然后进行测量连接固定,逐件逐单元地集成并最终形成结构体系的过程。安装工艺方法根据钢结构工程类型现场决定。建筑钢结构施工现场焊接作业与其他行业相比,机械化程度低,手工操作多。目前常用的焊接方法还是手工电弧焊,特殊情况下才使用CO2保护焊或栓塞焊。钢结构工程的结构特点和安装工艺方法,决定了施工现场焊接的环境特点。 (1)露天作业、野外施工。存在高温、严寒,风雨雪雾等恶劣气象环境;存在夜间光线暗能见度低的环境。 (2)高空作业、流动施工。操作位置多变,操作空间有限。 (3)多工种交叉作业、多障碍环境作业。施工场地有限,现场交通不便。现场材料设备多,临时堆放物多,易燃易爆材料多。各工种工序的成品和半成品之间容易发生污染。 (4)带电作业、高温作业。金属构件是导体,焊接熔池易产生高温热辐射。 根据以上http://www.unjs.com特点,可以将焊接环境划分为两种类型:其一是直接影响焊接接头质量的理化环境和通过影响焊接设备性能、焊接材料性能、焊接工艺参数的稳定性而影响焊接接头质量的理化环境。GB/T 19001-2000标准6.4条款:“为达到产品符合要求所需的工作环境”指的就是这种直接影响工程质量的理化环境。其二是直接影响操作人员的身体健康、劳动保护、安全卫生、心理活动而间接影响操作质量的劳动环境。施工现场的劳动环境,一方面影响焊工的身心健康,防护不当容易发生职业安全事故。另一方面影响焊工操作技术水平的正常发挥,又容易导致焊缝存在气孔、夹渣、咬边、焊瘤等焊接质量缺陷。因此施工现场的劳动环境间接影响焊接工程质量。值得一提的是项目施工组织、质量保证体系运行这种管理环境也直接或间接地影响着焊接工程质量。 2影响钢结构焊接质量的环境因素 一般情况下分析影响钢结构焊接质量的环境因素就是指直接影响工程质量的理化环境因素。这种理化环境因素主要包括空气的温度、湿度和风力三个指标,其次是焊件坡口区域的清洁程度。其中温度的影响效果最直接、后果最严重,又最难控制;湿度次之;风力可在局部小环境内得到控制;坡口区域的清洁程度容易保证。这些环境因素在焊接质量的形成过程中所起的作用有所不同。 (1)空气温度直接影响焊接热循环过程、焊接熔池冶金化学反应程度、焊缝和热影响区金相组织转变、合金元素和应力的分布,最终影响焊接接头的质量和性能。其次空气温度也影响焊接设备的工作性能。 (2)空气湿度对焊接质量有影响,是因为水分是氢元素的主要来源。而氢元素直接参与熔池的冶金化学反应。氢元素的溶解度和扩散速度随着焊缝金属的结晶、组织转变不断发生变化。氢元素的含量和分布直接影响焊接接头的脆性转变和延迟裂纹的发生发展,对焊接结构的质量和安全危害极大。空气湿度对焊接材料的影响也如此。 (3)风力即焊接区域空气的流速。主要是影响焊接电弧形态和气体保护氛围的工艺稳定性;其次与温度共同作用影响焊缝冷却速度,从而影响焊接热循环、冶金化学反应程度、接头组织转变和应力分布。 (4)焊接前坡口区域存在的水分、油漆、铁锈等污染物,含有C、O、H等化学元素。在焊接加热时,直接参与冶金反应,改变了正常的化学反应成分和元素含量,增加了焊接接头产生缺陷的机率。 3焊接作业区环境的具体要求 (1)焊接作业区风速:手工电弧焊不超过8m/s;气体保护电弧焊及药芯焊丝电弧焊不超过2 m /s。 (2)焊接作业区的相对湿度不得大于90%。 (3)焊接作业区的环境温度应保持正温(即高于0℃)。 (4)焊件接口100 mm范围内不得有水、油、锈等杂物。 4施工现场环境因素的控制措施 4.1项目管理控制 (1)针对环境影响,岗前专题教育。利用技术交底和岗前培训机会向焊接相关人员明确提出:施工现场环境对焊接质量的危害影响、控制指标和保证措施。 (2)施工组织安排,考虑环境因素。调整工种工序,为焊工提供适宜的工作面;限制焊工的工作时间,尽量安排在气温相对适宜的时间焊接; (3)焊接施工期间,专项检查评比。根据天气预报,特别是在下雨下雪前后,空气有雾期间,及时组织相关人员到现场检查,落实防护措施。 4.2焊接材料控制 (1)使用前按要求对焊条进行烘干。焊工应持保温筒领取焊条,盖好保温筒盖,焊条随用随取,严禁就地散放。受潮焊条不得使用。 (2)CO2气瓶应放在0℃以上环境里。使用前应预先倒置,打开阀门将水放尽,方可使用。 (3)尽量选用冲击韧性好的低氢型焊条,必要时采取高韧性超低氢型焊条。焊丝的含碳量 (4)超声波探伤耦合剂可采用环保防冻型。 4.3低温焊接试验 (1)当焊接作业区的环境温度低于0℃时,应通过低温焊接试验确定实际焊接工艺参数、预热处理措施。把需要进行低温焊接试验的钢材,按材质、板厚、焊接方法、焊接材料、接头形式、焊接位置分类统计列表。 (2)对原材料进行复检,明确杂质含量,确定其可焊性。 (3)根据施工现场环境等工程实际情况,确定试验项目,拟定预热温度、焊接工艺参数、焊后处理措施。焊接技术人员要注意《建筑钢结构焊接技术规程》( JGJ 81-2002)表 6.2.1中预热温度的适用条件。一般可参考此表并以工程实际情况作为变化条件,调整拟定焊接试验的预热温度。工程实际情况指钢材类别、焊接接头的形式和节点构造尺寸、焊接方法、熔敷金属的扩散氢含量、焊接热输入大小、操作地点环境温度。一般情况下操作地点的环境温度低于0℃时,预热温度应高于常温预热温度15~25℃。 (4)按规定要求加工试件并由现场熟练焊工完成试焊。 (5)按规定要求检测试件。 (6)确定焊接试验结论,根据评定合格的试验参数,编制现场实际焊接工艺文件。
4.4一般工艺要求 (1)施焊前必须将焊接坡口区域100 mm范围内的水、锈、油污清理干净。 (2)检查节点组装尺寸,焊口组装间隙。 (3)定位焊应由正式焊工焊接。当定位焊出现气孔和裂纹时,必须清除重焊。 (4)施焊期间,严禁焊工随意打火引弧。 4.5工艺温度控制 4.5.1预热温度控制 (1)实际预热温度根据低温焊接试验编制的焊接工艺文件确定。注意定位焊的预热温度比常温时的预热温度约高20℃。当环境温度低于0℃时,对于常温下不需要预热的钢材,也应当将构件焊接区各方向大于或等于2倍钢板厚度且不小于100 mm范围内的母材,加热到20℃以上方可施焊,且在焊接过程中均不应低于这一温度。 (2)预热方式常用火焰加热和电加热。在现场环境气温低、板厚加大、材质可焊性差等不利条件施焊过程中,还应采用伴随预热。 (3)预热处理范围。坡口两侧,宽度为焊件厚度的2倍,且大于等于100 mm。电加热片外面要覆盖保温材料。 (4)测温方式采用远红外线测温仪,测温点一般在距坡口边缘75 mm处,平行于焊缝中心的两条线上。伴随预热采用自动温控仪控制,热电耦置于坡口边缘50 mm、相邻两加热片中间的位置。 4.5.2焊接热输入控制 参考公式Q=60IU/V,其中:Q焊接热输入kJ/cm、I焊接电流、U电弧电压、V焊接速度。 4.5.3层间温度控制层间温度下限不低于相应接头的预热温度,上限不超过热影响区的过热温度。用远红外线测温仪,测温点在焊缝坡口内部。 4.5.4后热温度控制 (1)对于特厚板和节点拘束应力较大的焊接接头才采取后热消氢处理。一般在焊接接头热影响区冷却到100℃之前,将整个焊口区域均匀加热到200~250℃,然后选用保温棉毡覆盖保温。覆盖范围:焊缝周围800 mm。保温时间按每25 mm板厚不小于0.5 h,总保温时间不小于1 h确定,最后再缓冷到常温。 (2)一般接头(板厚50 mm以下)主要采用岩棉毡覆盖保温,并用铁丝绑扎。覆盖范围应在焊缝周围800 mm,覆盖时间为2~3 h。 5防护措施 (1)确认现场焊接作业区环境不符合规定(JGJ 81第6?1?6条)要求时,施焊前必须在焊接作业区设置防风、防雨或保暧防护棚。 (2)防护棚的搭设,应当符合现场实际情况,满足焊接工艺要求,同时必须保证安全性和实用性。 (3)防护棚一般可采用架管或角钢搭设架,内侧安装彩钢板,外挂三防布(防风、防火、防水),底板最好铺装隔热阻燃材料。防雨棚要注意密封,防止雨水顺构件流淌。 (4)通常情况下,焊接作业区应当准备应急遮盖的防护材料。如防水用的铁皮,缓冷用的玻璃棉毡、石棉布等。 6结束语 施工现场环境对钢结构的焊接质量有着举足轻重的影响,施工单位全体员工必须给予高度重视。特别是焊接技术人员,必须根据现场实际情况,全面分析影响焊接质量的各种因素,随时调整焊接质量控制措施;焊接质量管理人员必须重视过程控制,严格工序检查;焊接操作工人应当自觉遵守工艺文件规定,认真落实各项控制措施和防护措施。施工现场环境客观上存在不稳定性,而工程结构材料、构件节点构造也在不断发展变化。对于各种焊接缺陷的影响因素,目前还只是处于定性分析阶段;对于预防和消除各种焊接缺陷的有效措施,也还是采用工艺试验和工程经验相结合的办法。因此,对于特定施工环境下的焊接工艺参数、质量控制和防护措施还需要广大工程技术人员不断创新和逐步完善。 参考文献 [1]JGJ 81-2002建筑钢结构焊接技术规程[S].
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