賈雄飛
摘? ? 要:在國內(nèi)建筑工程中,鋼結(jié)構(gòu)作為建筑結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)框架,具有綠色環(huán)保、空間大和強度高等特點,在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和塔桅建筑、超高層建筑以及大型工業(yè)廠房中等建筑工程中得到廣泛應(yīng)用。隨著建筑結(jié)構(gòu)超高層化和大跨度化,高性能鋼材應(yīng)用增多,分析和討論建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn)效率,對于提高建筑工程質(zhì)量和效率具有重要意義。
關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);焊接技術(shù);質(zhì)量管理;措施
1? 建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接裂紋的特征及產(chǎn)生機理
1.1? 熱裂紋
在較高的溫度條件下,建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接容易出現(xiàn)熱裂紋,在焊接的過程中,焊縫受到溫度的影響,發(fā)生了結(jié)晶反應(yīng),再加上金屬本身的拉伸應(yīng)力的影響,導(dǎo)致熱裂紋呈現(xiàn)出來不同的形態(tài),通過分析這些形態(tài),又可以將其劃分為不同的種類。由于高溫和拉伸應(yīng)力的影響,在焊接的過程中受熱不均勻,導(dǎo)致受熱面出現(xiàn)了失衡的現(xiàn)象,這一現(xiàn)象導(dǎo)致焊縫處發(fā)生了結(jié)晶,這一結(jié)晶受到金屬雜質(zhì)和拉伸應(yīng)力的影響,出現(xiàn)了多邊化的裂紋。凝固裂紋指的是在金屬焊接操作中金屬凝固,后期出現(xiàn)了脆性溫度,這個溫度導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)凝固裂紋。主要的形成過程是焊縫金屬結(jié)晶的晶粒之間存在很多的液相層,由于其韌性很低,在凝固的過程中溫度降低,基礎(chǔ)冷卻不均勻收縮,從而產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力,這一變形超過了金屬所能承受的臨界值,從而導(dǎo)致凝固裂紋的出現(xiàn)。液化裂紋指的是在焊接的過程中過高的溫度會導(dǎo)致金屬的化合物來不及擴散,同時形成了局部晶界,這一晶界液化導(dǎo)致了液化裂縫的出現(xiàn)。失塑裂縫指的是在焊接的過程中,由于受到熱循環(huán)的影響,使得金屬整體的塑性受到了影響,在加上金屬的拉伸應(yīng)力對結(jié)晶施加了力的作用,從而產(chǎn)生了失塑裂紋。
1.2? 冷裂紋
建筑鋼結(jié)構(gòu)的焊接所選用的工具存在一定的拘束度,在焊接的過程中,這一特點會對金屬的結(jié)構(gòu)造成一定的影響,施加不同類型的力,這些力相互作用,影響金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu),在焊接結(jié)束金屬冷卻后,金屬的結(jié)構(gòu)也變形結(jié)束,從而在焊接的熱影響區(qū)域出現(xiàn)了一些裂紋。此外接頭的含氫量會大量地融入到熔池內(nèi)。焊接結(jié)束后金屬進行冷卻,其中包含的氫會溢出,但是由于冷卻速度過快,導(dǎo)致金屬內(nèi)部的結(jié)構(gòu)中存儲了一部分氫氣,冷卻凝固并不完全,嚴重影響了鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,從而出現(xiàn)了冷裂紋。
1.3? 層狀撕裂
層狀撕裂的位置形態(tài)的特點包括:一是層狀撕裂會沿著焊接熱影響區(qū)域進行分布,主要是由于這一區(qū)域具有較長的拉伸應(yīng)力,非金屬交雜物分布進行擴散成為出現(xiàn)的層狀撕裂。第二起裂點一般出現(xiàn)在焊縫的根部或者焊趾處,所形成的裂縫,平行于鋼板表面呈現(xiàn)出階梯狀。
2? 高效焊接技術(shù)應(yīng)用
早期建筑鋼結(jié)構(gòu)主要采用焊條電弧焊,效率低下,且對焊工經(jīng)驗和技術(shù)依賴程度高。提高焊接生產(chǎn)效率,一方面提高熱輸入率,另一方面提高自動化程度。采用鋼強度一般在195MPa~420MPa之間,由于大跨度橋梁結(jié)構(gòu)和超高層建筑結(jié)構(gòu),高性能鋼在建筑鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用,高強鋼因減少自重和工時。自20世紀80年代,高效焊接方法開始推廣使用。如電渣焊、多絲埋弧焊、CO2氣體保護焊等引入鋼結(jié)構(gòu)焊接生產(chǎn),雙絲貼角埋弧焊的H型鋼生產(chǎn)線,焊接規(guī)范參數(shù)穩(wěn)定,焊接缺陷如氣孔以及裂紋比例低,焊縫成形美觀,極大地提高了鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
埋弧焊特別是雙絲、多絲埋弧焊顯著提高熱源效率,熔深淺,焊接缺陷少。但由于熱量輸入大,開裂敏感性增大。特別是對大跨度鋼結(jié)構(gòu)中,大厚度柱梁結(jié)構(gòu)為高強鋼材料時,裂紋敏感性顯著增加。對于厚板鋼結(jié)構(gòu),制定焊接工藝時,將焊接熱輸入作為要點,只要控制合理,箱形鋼柱、梁結(jié)構(gòu)外板厚度達到數(shù)十毫米和超高層鋼柱節(jié)點處鋼板厚度達200mm。雙絲大電流埋弧焊工藝,兩根焊絲總電流值可達4000A,一道焊接即可完成。試驗表明,焊接國產(chǎn)Q420及以下強度各鋼種單絲或多絲埋弧焊可以保證焊接質(zhì)量。
盡管埋弧焊的高效化和自動化,在電弧穩(wěn)定性、焊接工藝參數(shù)穩(wěn)定性以及焊接質(zhì)量等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。然而,建筑鋼結(jié)構(gòu)形式多樣,除了集成化鋼結(jié)構(gòu)建筑,大部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件都缺少單一化標準,使智能化焊接方法焊接效率難以充分挖掘,半自動的CO2氣體保護焊接為主,成為鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)效率瓶頸。
示教型焊接機器人具有自動送絲、自動行走以及焊槍位姿調(diào)節(jié),大大提高了焊接效率和質(zhì)量。然而,局限于建筑鋼結(jié)構(gòu)的多樣化非標件,如普遍采用的H形牛腿結(jié)構(gòu),在某公司2018年牛腿結(jié)構(gòu)統(tǒng)計數(shù)據(jù)中占比80%以上。示教過程中軌跡和位姿編程時間占比大,幾乎達到整個焊接時間的30%~40%,機器人整體焊接效率與人工焊接效率相當。通過對牛腿參數(shù)化設(shè)計,建立不同焊縫坡口形式對應(yīng)焊接工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫,離線編程模擬最小截面H形牛腿和最大截面H形牛腿機器人運行軌跡和焊接位姿,以及機器人參數(shù)化編程界面設(shè)計,實現(xiàn)了不同規(guī)格牛腿示教自動焊接,將參數(shù)化編程時間占機器人焊接時間比例降到了5%-20%之間,大大提高了非標H形牛腿接頭結(jié)構(gòu)焊接效率。
3? 鋼結(jié)構(gòu)建造的變形控制
(1)完善管理制度,提升焊接技術(shù)。隨著現(xiàn)代焊接技術(shù)的不斷改革創(chuàng)新,已經(jīng)具備相對成熟的技術(shù)體系,具有獨特的優(yōu)勢,并在鋼結(jié)構(gòu)建造中占據(jù)著重要地位。但由于其在施工過程中很容易出現(xiàn)變形現(xiàn)象,影響著鋼結(jié)構(gòu)建造的整體施工質(zhì)量。因此,為了更好地控制海上平臺鋼結(jié)構(gòu)建造的變形現(xiàn)象,首先,要及時完善相關(guān)的管理制度,設(shè)立焊接質(zhì)量管理體系,管理工作者要時刻監(jiān)督焊接技術(shù)人員在施工過程中嚴格按照結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進行焊接,遵循正確的焊接順序,遵守相關(guān)的施工要求,認真檢查焊接質(zhì)量。另外,管理人員要對焊接技術(shù)人員進行嚴格把關(guān),確保相關(guān)施工人員具備豐富的焊接工作經(jīng)驗和符合要求的技術(shù)水平。除此之外,要定期對焊接技術(shù)人員進行專門的技術(shù)培訓(xùn),學(xué)習(xí)先進的焊接技術(shù),配備先進的焊接設(shè)備,從而有效保障海上平臺鋼結(jié)構(gòu)建造過程中的整體施工質(zhì)量,避免因質(zhì)量問題造成安全事故。
(2)科學(xué)合理設(shè)計,選用正確焊接方法。鋼結(jié)構(gòu)的建造是以設(shè)計師的設(shè)計圖為基本標準進行施工,工程設(shè)計合理是影響海上平臺鋼結(jié)構(gòu)建造整體質(zhì)量的影響因素之一。鋼結(jié)構(gòu)建筑的設(shè)計不同于其他建筑設(shè)計,不僅要求設(shè)計人員要對節(jié)點構(gòu)造進行規(guī)劃,還需要充分了解不同鋼結(jié)構(gòu)材料的特性,以及不同鋼結(jié)構(gòu)材料之間的焊接要求,在設(shè)計圖中對焊接位置的關(guān)鍵點進行仔細斟酌,以把控施工過程中焊接變形問題出現(xiàn)的概率。在設(shè)計方案中,要充分考慮合適的焊接方式,結(jié)合海上平臺鋼結(jié)構(gòu)建造的實際要求嚴格控制好焊縫位置、數(shù)量與尺寸,防止因為焊縫數(shù)量過多影響鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定;采用科學(xué)正確的焊接方法,減少出現(xiàn)多余的焊接縫隙,預(yù)防焊接變形情況的出現(xiàn)。
4? 結(jié)束語
制作鋼結(jié)構(gòu)件的過程中,經(jīng)常會發(fā)生焊接變形。造成鋼結(jié)構(gòu)焊接變形的原因較多,因此在制作鋼結(jié)構(gòu)件過程中要對控制焊接變形給以重視。對鋼結(jié)構(gòu)件焊接變形進行控制的同時要對于殘余應(yīng)力的控制給以重視。通過對焊接變形的控制,提高鋼結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量,保障鋼結(jié)構(gòu)件的性能。
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