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浅谈影响钢结构焊接质量的环境因素

来源:用户上传      作者: 陈苏利 徐焕明

  摘要:施工现场环境在一定程度上存在不稳定性,而工程结构材料、构件节点构造也在不断发展和变化。环境因素对于各种焊接缺陷的影响,目前还只是处于定性分析阶段,需要采用工艺试验和工程经验相结合的办法,制定预防和消除各种焊接缺陷的有效措施。笔者针对新时期建筑钢结构的特点、焊接难点及钢结构焊接的环境特点,对影响钢结构焊接质量的环境因素、焊接缺陷及其形成过程进行具体分析,探讨消除环境因素影响的防护措施。
  关键词:钢结构;现场;应力;
  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。钢结构施工现场实行项目经理负责制,项目管理水平、人员素质和技术装备参差不齐。因此,除自然条件外,钢结构工程的结构特点和安装工艺方法,也构成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、风雨雪雾等恶劣天气,以及夜间光线昏暗等作业环境。
  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。金属构件是带电导体,焊接熔池产生高温热辐射。
  2影响钢结构焊接质量的理化环境因素
  影响钢结构焊接质量的理化环境因素主要是指空气的温度、湿度和风力,其次是指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,也最难控制;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,而氢元素又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理化环境因素导致的焊接缺陷形成过程
  一般情况下,施工人员对传统钢结构材料 (Q235)的节点构造和焊接工艺己经掌握,对现场焊接环境的控制和防护技术也比较成熟。但正如前文所述,新时期建筑钢结构在快速发展的同时伴生着许多结构上、材料上的特点,焊接质量对环境条件更敏感,焊接人员面临许多新问题。这就要求焊接施工人员必须对环境因素所产生的焊接缺陷类型、危害性和形成过程系统地进行分析,有针对性地制定对策,才能解决钢结构工程实际存在的焊接问题。焊接缺陷的产生是各种因素共同作用的结果。在此仅分析以理化环境因素为主导所产生的焊接缺陷。
  3.1气孔
  气孔的存在降低了焊缝的有效截面,降低焊缝金属的强度和韧性,对疲劳强度和动载强度更为不利。气孔的类型主要是氢气孔和CO气孔。
  1)氢气孔:低碳钢和低合金钢在多数情况下,氢气孔存在于焊缝表面,形似喇叭口,而气孔周围有光滑的内壁。但当环境湿度较大,如雨雪雾天气、下雨雪前后、钢材表面结露、坡口周围含有水分未清理干净;焊条药皮受潮,加上低温环境焊接,焊缝结晶冷却速度过快,氢元素来不及上浮而残存于焊缝内部,则会形成内部氢气孔。
  2) CO气孔:焊件或焊丝表面的黄色铁锈mFe2O3 * nH20) .氧化铁皮(Fe3O4+Fe2O3)在加热时分解出[O]与金属自身的[C]合成CO。当结晶过快时来不及逸出,形成了沿结晶方向分布的条虫状内部气孔。黄色铁锈中的结晶水在加热时还会分解出
  H2.同时增加了生成氢气孔的可能性。
  3.2裂纹
  裂纹是钢结构焊接中最危险的一种缺陷。它除了减少结构承载截面,还会产生严重的应力集中,在结构使用中会逐渐扩展并发生脆断,带来灾难性的事故。建筑钢结构与环境因素有关的裂纹有三类,即冷裂纹、层状撕裂和热裂纹。
  1)冷裂纹:冷裂纹一般在焊后冷却过程中产生,具有延迟出现的特征。分布于热影响区。冷裂纹的形成与钢材的淬硬性、节点的约束度及接头含氢量有关。而低合金高强钢的淬硬倾向主要取决于板厚、焊接工艺和冷却条件。其实质即生成马氏体组织的含量多少。冬季大
  风降雪等低温环境会使节点焊缝周围的温度场变化不均匀,冷却速度过快,使熔合区的组织成分转变为马氏体组织。另外氢是造成冷裂纹延迟特征的主要因素,因而所有可供H的湿环境天气、受潮的焊条、含结晶水的铁锈,都可以促使焊接热影响区出现延迟性冷裂纹。
  2)层状撕裂:厚板结构的T型接头、十字接头和角接接头,在刚性约束的条件下焊接,则可能沿板材轧制方向出现具有阶梯状的裂纹即层状撕裂。层状撕裂是一种低温开裂,事先用无损探伤方法也检验不出来,使用中易造成危害事故。一般认为在低合金钢焊接热影响区附近,如根部或焊趾裂纹引发的层状撕裂,都与氢元素有关。
  3)热裂纹:低温下焊接低合金钢时,在焊缝结晶后期发生。这种结晶热裂纹出现在焊缝上,一般沿焊缝中心线纵向分布。主要是由于低合金高强钢S.P杂质含量超标,在焊缝结晶过程中存在偏析,形成低熔点共晶物。低温焊接时焊缝冷却速度加大,使焊缝收缩力大于晶间结合力,从而引起焊缝开裂。
  3.3残余应力和变形
  焊接热循环过程中加热不均匀,构件受节点刚性约束,仲缩不自由,内应力超过钢材屈服应力时产生残余应力和变形。残余应力影响结构承载力;焊接
  变形影响结构尺寸。
  4结语:
  钢结构的焊接是钢结构工程施工中的重要环节。人们在质量控制方面,往往只强调做好原材料检验、焊接工艺参数确定、焊接操作模拟训练、焊接设备调试等工作,却忽视了对施工现场环境影响因素的评价和采取针对性的控制措施,造成一些钢结构工程的焊接质量缺陷,有的甚至成为事故隐患。分析焊接质量的影响因素、制定有效的焊接工艺措施、确保焊接质量符合规范要求,是钢结构工程焊接技术和质量管理的重点。
  参考文献:
  [1]李井明.施工现场环境对钢结构焊接质量的影响[J].城市建设理论研究:电子版,2013
  [2]杨武..现场环境对厚钢板焊接应力的影响研究[J].重庆交通大学学报, 2010
  [3]杨桂杰.现场环境对钢结构焊接质量的影响[J].商品与质量・建筑与发展,2014
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