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来源：《建筑工程技术与设计》2014年第36期
【摘 要】 本文通过滨海新区西外环高速11标的海河特大桥主桥钢桁梁施工为例，叙述钢桁梁加工制作焊缝焊接施工时焊缝出现的质量通病，并对问题进行分析，制定出相关的预防控制措施。
【关键词】 钢桁梁 焊缝质量通病 预防控制措施
1 引言
以前，传统的钢结构桥梁大部分采用螺栓连接和铆钉连接方式。近几年，伴随着国内钢结构焊接工艺水平的日益成熟，逐渐采用全焊接方式连接的钢结构桥梁也越来越多，除了保证钢结构桥梁杆件尺寸加工和线型满足要求外，钢结构桥梁焊缝焊接质量成为关键质量控制点之一。本文通过对滨海新区西外环高速11标海河特大桥主桥钢桁梁焊接施工时出现的焊缝质量通病进行介绍和分析，并制定出相关问题的预防措施，确保焊缝焊接质量。
2 工程概况
本工程为滨海新区西外环高速公路（津汉高速—海景大道）工程第11标段，起讫桩号K24+339，终点桩号K25+979，标段全长10m，为跨海河特大桥的主桥及南侧高架桥部分施工，桥梁面积68060m2。
海河特大桥设计采用〈95m+140m+95m〉钢桁架连续梁跨海河主河槽，主桥分为上下两幅，每幅横向由6榀桁架组成，每榀桁架由上弦杆、下弦杆和腹杆组成，上弦杆线形随道路纵断线型，下弦杆线型为悬链线，腹杆分为竖杆和斜杆，腹杆节点之间的间距随梁高变化。上弦杆、下弦杆为箱型截面，上弦杆为等高度箱型截面，下弦杆为变高度箱型截面。主材材质为Q345qD，焊接板厚范围12～30mm。主要焊接接头有全熔透对接、全熔透角接、T型角接（不开坡口）接头等。
3、钢桁片焊接施工
3.1焊接方法及选用焊接材料
根据设计材质（Q345qD）及本桥结构焊接接头型式，现场采用埋弧自动焊、焊条电弧焊、CO2气体保护焊完成本结构的焊接工作。焊接方法及采用的焊接材料见下表1。
表1 焊接方法及拟采用的焊接材料
序号 焊接方法 焊材牌号及规格 应用范围
1 埋弧自动焊
实芯焊丝 H08Mn2E+SJ101Q（Φ4.0） 钢板接长对接（长焊缝>1m）
箱型杆件棱角焊缝填充、盖面焊接
2 CO2气体保护焊
实芯焊丝 MG50-6
（Φ1.2） 钢板接长对接（短焊缝
箱型杆件棱角焊缝打底、填充焊接
3 CO2气体保护焊
药芯焊丝 YJ501Ni-1
（Φ1.2） 工地现场对接焊缝、角焊缝等
4 焊条电弧焊
焊条 J507Ni
（Φ4.0） 工件的定位焊，其它气保焊难以施焊位置的焊缝及焊缝的修补焊等
选用的焊接材料化学成份和力学性能均需与母材匹配，且部分指标优于母材。
3.2焊前准备
3.2.1焊接工艺评定
施工前，对各种接头形式，进行焊接工艺评定试验，其焊接接头力学性能、屈服强度不低于基材的标准值；延伸率、低温冲击不低于基材的标准值。
3.2.2原材料及焊接胎架准备
将原材吊装至数控切割机操作平台上，在数控电脑内输入钢板设计切割尺寸，然后启动数控切割机开始切割钢板；待切割机将钢板切割完成后，用铣边机将切割好的钢板四周边缘加工坡口，等厚钢板焊接时坡口按1：1加工，不等厚钢板焊接时按1：8比例加工。最后将加工好的钢板吊装至焊接组拼胎架上准备焊接。海河特大桥纵向12榀梁为主要受力杆件，为保证12榀梁制造精度，厂内制作钢桁架梁专用胎架，对12榀梁进行匹配制作。胎架线形根据钢桁架梁下弦杆线形确定，根据监控单位要求设置预拱值，保证钢梁制作质量符合设计要求。
3.3焊接施工
焊接前，工件应在放平的状况下施焊。防止因焊接应力产生杆件的扭曲变形。节点板由于自由端较长为控制焊接变形焊接前要设置工艺支撑。
焊接前先将待焊区域打磨显露出金属光泽。板厚≥28mm需要预热，预热温度为80～120℃。当环境温度低于5℃时，原不要求预热的接头也应进行预热处理，预热温度80～120℃。层间温度不低于预热温度，当低于预热温度时，需重新预热；控制在150℃～180℃左右，且不超过250℃。
采用CO2气体保护焊打底，埋弧自动焊或焊条电弧焊填充盖面进行焊接。焊接采用多道焊，手工焊接时，焊条作适当横向摆动。施焊时，环境温度不低于5℃，空气相对湿度不高于80%。当相对湿度高于80%时，焊前应用烤对焊区进行烘烤除湿，焊条、焊剂在空气中暴露时间尽量避免超过2小时。
焊接完成后按规范要求对焊缝进行超声波探伤检查。探伤合格后对部件进行矫平并顺应力方向将焊缝余高磨平。
4、焊缝常见的通病产生原因及控制措施
在海河特大桥主桥杆件焊接组拼施工中，常见的焊缝通病有：夹渣、焊缝气孔、裂纹、咬边、弧坑、焊瘤以及未焊透等七种情况，分析这些通病产生的原因，并制定出相应的控制措施是保证焊缝质量合格的关键。
4.1夹渣
夹渣是残留在焊缝中的熔渣，属于固体夹杂缺陷的一种，根据其形成的情况，可以分为点状夹渣和条状夹渣两种（图1）。
图1 焊缝夹渣
夹渣会降低焊缝的塑形和韧性，其夹角往往造成应力集中，特别是在空悴倾向大的焊缝，尖角顶点常形成裂纹。
夹渣产生的原因主要有以下方面：
1、待焊区焊前杂物未清理干净，有锈皮、氧化物或碎渣等杂物。
2、焊接作业时，电焊机电流过小，电弧不稳定，熔深小。
3、焊接时焊接速度过快，引起焊缝两侧吹边，导致产生夹渣。
4、焊接施工过程中，层间焊渣清理不干净。
控制措施：
1、焊接施工前，将坡口两侧20-30cm范围内的锈皮、碎渣等杂物清理干净.
2、焊接时，选择合理的焊接电流和焊接速度。一般可根据焊条直径按经验公式I=（30～55）*d进行选择，式中I为焊接电流（A），d为焊条直径（mm）。再根据焊缝位置、接头形式、焊接层次、焊件厚度等进行适当的调整。焊接过程中，通过焊缝成型判断电流是否合适：电流过小时，焊缝窄而高，且两侧与原材钢板熔合不好。
3、每层焊缝施焊完毕后，及时将焊渣敲掉并清理干净，仔细检查确定熔池和周围无其他杂物后，再开始下一层焊接施工。
4.2焊接气孔
所谓焊接气孔，就是液态焊缝金属在结晶过程中，由于气体的作用所形成的空穴或孔洞。焊接气孔按位置分有两种，一种是留在焊缝内部的内气孔；一种是在焊缝表面的外气孔（图2）。
图2 焊接气孔
气孔的存在不仅会影响焊缝的致密度，还会减少焊缝的有效面积，降低焊缝的力学性能。
焊接时产生气孔的原因有以下几点：
1、焊缝表面和坡口处有油渍、锈、水份等污染物存在；
2、焊条、焊丝、焊剂药皮受潮，使用前没有烘干；
3、焊接速度过快，熔池保护效果不好，空气无法浮出熔池。
控制措施：
1、焊前将坡口两侧20～30cm范围内的油污、锈、水份等污染物清除干净。
2、对受潮的焊条、焊丝、焊剂严格地按照说明书规定的温度和时间进行烘焙。
3、减慢焊接速度可使焊接时焊接时间加长、熔深加深，熔池体积增大，利于气泡浮出熔池。
4.3裂纹
焊接裂纹是指在焊接应力及其他致脆因素共同作用下，焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的一种新界面的缝隙。按照裂纹的形成的温度范围和原因，可分为热裂纹、冷裂纹、再热裂纹及层状撕裂四种。本工程的钢桁梁加工制造过程中常见的是冷裂纹（图3）。
图3 焊缝裂纹
裂纹是焊接中最危险的缺陷之一，它不仅严重削弱了结构焊缝的承载力和抗腐蚀能力，即使不太严重的裂纹，由于在使用过程中造成应力集中，会成为各种断裂的断裂源，造成结构的低应力破坏。
通过现场实际焊接情况及调查研究证明，钢种的淬硬倾向、焊接接头含氢量及其分布以及焊接接头所承受的应力状态是产生裂纹的三个主要因素。
控制措施：
1、选用含氢量较低的焊材，焊前必须烘干，去除油污等污染物。
2、焊接热循环应缓冷，采用较小的线能量和预热，由于冷裂纹具有延迟性，因此焊后紧急后热，保温缓冷有助于防治冷裂纹的产生。
3、在生产过程中合理安排杆件焊接顺序，使接头在最小的拘束条件下施焊，必要时可以采取分区对称、分段、反向等焊法，以降低焊接应力。焊接线能量不宜选择过大，焊接热量更不应长时间集中于局部部位。
4.4咬边
咬边是指在焊接过程中，由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，而在母材上产生沿熔合线方向的沟槽或凹陷（图4）。
图4 焊缝咬边
咬边是焊接中较为严重的表面缺陷，会造成应力集中，降低结构承受动负荷的能力和降低疲劳强度，严重时会产生裂纹而断裂。
造成焊接咬边的原因主要是焊接时电流过大，电弧过长，焊条角度不当，焊条或焊丝送进速度不合适等。
控制措施是焊接时选择稳定的焊接电源和合适的焊接电流，掌握好焊条或焊丝的运条方式，控制好电弧。
4.5弧坑
弧坑一般是指在焊接收尾处（焊缝终端）形成低于焊缝高度的凹陷坑。弧坑的存在减小了焊接截面，降低了接头的有效强度，并且弧坑处常伴有弧坑裂纹，危害较大（图5）。
图5 焊缝弧坑
弧坑产生的原因主要是由于收弧时焊条或焊丝未作短时间停留和断弧或熄弧造成的。
控制措施是尽量减少断弧次数，每次熄弧前应稍微停留或多几次摆动焊条或焊丝，使较多的焊条或焊丝融化填满弧坑处。
4.6焊瘤
焊接过程中金属流溢到加热不足的母材或焊缝上，凝固成金属瘤，这种未能和母材或前道焊缝熔合在一起而堆积的金属瘤称为焊瘤（图6）。焊瘤在施工中多见于手工立焊操作时。
图6 焊瘤
焊瘤处容易引起应力集中且影响整个焊缝的外观质量，此外焊瘤下面往往存在未焊透、未熔合等缺陷，过大的角接焊缝瘤还降因接头强度不足而断裂。
焊瘤产生的原因主要有以下几点：
1、电焊工操作不熟练和焊接规范选择不当，立焊、仰焊时焊接电流过大，焊接速度慢，电弧过长。
2、背面焊瘤是在焊接时熔池温度过高，焊条深入过深，熔化金属流向背面过多所致。
预防焊瘤的主要控制措施是：提高焊接操作人员的技术水平，正确选择焊接参数，焊接时注意熔池大小，以便调整焊接电流和焊接速度；灵活调整焊条角度，严格控制熔池温度，不得使其过高。
4.7未焊透
未焊透是指母材金属未熔化，焊缝金属没有进入接头根部的现象（图7）。
图7 未焊透
焊缝未焊透会减少焊缝的有效截面积，使焊接接头的强度下降，因未焊透引起的应力集中严重降低焊缝的疲劳强度，可能成为裂纹源，从而造成焊缝的破坏。
未焊透产生主要是由于焊接的参数选择不当，如焊接电流过小，焊接速度过快、焊条角度不当、电弧发生偏吹；对接间隙太小及坡口角度不当，比如钝边太厚或一侧厚、一侧薄等原因。
主要控制措施是：使用较大电流焊接是防止未焊透缺陷的基本方法，焊接时控制好焊接速度以及焊条角度。角焊缝施焊时，用交流代替直流可防止电弧偏吹。调整合适的焊缝间隙，严格按设计要求比例进行坡口加工，并保持坡口清洁。
5结束语
滨海新区西外环高速海河特大桥主桥全长330米，为全焊接钢桁架结构桥梁，主焊缝长3.2万延米，全桥焊缝总长度11万延米。通过对焊缝的质量通病进行分析研究，并制定出预防焊缝通病的控制措施，大大减少焊缝返修率，并节约了一定的工期和成本，降低了施工风险，保障了工程质量，为同类工程施工提供借鉴。
参考文献
[1]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000。
[2]《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002。
[3]《钢结构制作安装便携手册》 郑训兵，曲宝义，边春兴等编著。
[4] 《钢结构工程常见质量问题及处理200例》 孙邦丽，张英楠，陈海霞等编著。
