建筑钢结构焊接关键技术

建筑钢结构焊接关键技术

赵晓楠1  魏世勋2  孙宇3

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3身份证号码：630104198511170517

摘要：大多数钢结构工程,采用的连接方式主要是焊接，焊接具有得天独厚的优势，适合在各种复杂工况下进行，然而，在钢结构焊接连接时，国内外钢结构规范都有不同的要求。结合现阶段钢结构焊接质量中存在的问题, 从钢结构焊接裂纹控制难点出发, 阐述焊接接头裂纹的分类和产生机理, 并针对不同的焊接裂纹逐一分析其防治措施, 通过在工程实践中应用进而分析和掌握焊接裂纹防治措施的有效性, 以期为后续钢结构焊接施工提供借鉴。

关键词：建筑工程；钢结构；焊接技术

中图分类号：TG40　     文献标识码：A

引言

在现代建筑工程中，钢结构以其轻质高强、施工便捷等优点受到了广泛关注。 其中，劲性柱作为钢结构体系的重要组成部分，承担着传递和分散荷载的关键作用。 在实际施工过程中，由于施工工艺的复杂性和多样性，劲性柱的施工质量往往难以得到有效控制，这在一定程度上制约了钢结构工程的进一步发展。本文基于钢结构的特点, 分析焊接技术在钢结构制造的应用现状及面临的问题, 并对钢结构智能焊接关键技术进行了分析。 这对国内海工钢结构焊接制造具有参考价值。

1、钢结构焊接技术概述

建筑钢结构的焊接件包括钢柱与钢柱的焊接、钢梁连接板与预埋件的焊接、箱形矩形柱与箱形矩形柱的焊接、钢柱与钢梁的对接，针对不同焊接部位采取不同的焊接方式，现场钢结构焊接主要采用 CO2气体保护焊、埋弧焊、电弧焊方式，其中箱型矩形柱与箱型矩形柱的焊接、钢柱型钢牛腿与型钢梁对接采用 CO2气体保护焊，型钢柱与型钢柱的焊接采用埋弧焊，钢梁连接板与预埋件的焊接采用电弧焊。焊接时，在距离焊点大约10mm的焊缝处引燃电弧。随后，将电弧平稳地拉回到起始焊点，并在该位置短暂停留数秒，进行预热。预热完成后，调整电弧长度，确保熔化的熔池能够准确填充到预设的焊缝间隙中，达到所需厚度。接着，以稳定的速度向前推进，直至完成整个焊缝的焊接。整个过程采用多层多道焊方法对钢结构焊接作业，这种焊接方法的关键在于确保焊接接头能够合理错开，避免焊接过程中产生的应力集中和变形。在多层焊接过程中，每两层之间的焊道接头相互错开，错开的距离一般控制在 20 ～ 40mm 之间。此外，当有两名焊工同时进行钢结构焊接作业时，焊道接头也每层错开。在每道焊接完成后，清除焊渣和飞溅物。这些杂质不仅会影响焊接接头的外观质量，还可能对焊接性能产生不利影响。如果发现焊瘤等缺陷，及时进行铲磨处理，确保焊接接头的平整度和光滑度。

2、提升建筑钢结构焊接技术的措施

2.1、焊接参数的设定

对各类焊缝的承载力设计计算，AISC360-22 和 GB50017—2017 均按照焊缝强度乘以焊缝有效面积表达。在确定承载力所用的角焊缝的几何长度，中美存在一定差异，AISC360-22 中，计算承载力所用的角焊缝不减去端部缺陷。然而，在 GB50017—2017 中，则需要减去端部缺陷，一般扣除焊脚尺寸hf的2倍。由于中国规范焊缝有效长度的值偏小，所以得出的焊缝有效面积也相应地偏小，那么，计算的焊缝强度σf = F/Sw（其中，F 是焊缝受到的力；Sw是焊缝的有效面积）相对偏大，因此，中国规范关于焊缝有效长度的选取，相对于美国规范要更安全。AISC360—22 中，在三面围焊设计时，不考虑端焊缝（焊缝3）强度提高。在GB50017—2017中，则需要考虑端焊缝（焊缝 3）强度提高，对于承受静力荷载和间接承受动力荷载的结构，需要乘以增大系数βf=1.22。中国在这部分设计时，更过于保守，设计结果安全性更高。

2.2、提升焊工技能

选拔高水平焊工，对不锈钢预埋件112mm厚板焊接进行专项培训和取证，确保焊工的资质水平和操作水平。对取证焊工进行专项焊接强化练习和理论知识培训, 提高焊接操作人员对焊接速度的把控和焊接裂纹等缺陷的有效控制。 同时, 对焊工进行现场焊接模拟演练, 通过对焊接位置、 焊接地势环境进行模拟, 提高焊工适应实体焊接作业的能力。通过焊接工艺优化、 材料控制、 环境改善和人员技能提升等方面控制, 不锈钢预埋件焊接接头裂纹的产生概率大大降低, 其焊接一次验收合格率达 99%,保证了焊接质量, 为后续焊接施工积累了经验[1]。

2.3、 格构钢梁安装节点

设计图纸规定，格构钢梁两头均为相贯线切口。由于相贯线切口呈弧状，在现场安装格构钢梁时，无法在格构钢柱已安装的情况下将格构钢梁安放到位，只能对格构钢梁对接部位进行切割和补焊，这样就会影响连接节部位的焊接质量。经与设计和监理单位协调，将格构钢梁与格构钢柱对接节点，改为格构钢柱带牛腿的结构，即在格构钢柱上部焊接牛腿，使用牛腿将格构钢梁吊装就位后，焊接其对接焊缝。

2.4、 环梁连接法

环梁连接法是在梁柱结合处加一环梁，以满足结构梁纵向钢筋的锚固长度，因为所有的力都在环梁结点处，设计环梁时，环梁钢筋间距密，钢筋直径偏大，施工时结构梁钢筋很难锚入环梁中。环梁主筋为 C25,环梁腰筋为 C25,环形钢筋加工困难,环形钢筋绑扎困难,基本采用绑扎搭接,机械连接及焊接连接现场无法施工,连接质量存在一定风险,环梁钢筋绑扎耗费大量人工,现场10 个钢筋工1 d 绑扎两个环梁，此方法施工时，需借用塔吊将绑扎好的环梁安装梁柱节点位置，需考虑塔吊的起重吊装能力，同时柱竖向受力钢筋需等环梁安装完成后才能从环梁钢筋之间的缝隙插进去，影响柱纵向受力钢筋垂直度，存在一定的质量风险，环梁钢筋与结构梁纵向受力钢筋叠加层数较多，结构梁或环梁主筋需错开安装，存在部分位置钢筋保护层过大的现象。 该方法不适用节点处梁柱钢筋密的情况，同时为了方便现场施工，该方法设计时尽量考虑将环梁主筋腰筋的间距增大，尽量减小环梁主筋腰筋的规格尺寸，以确保结构梁钢筋能顺利锚入环梁[2]。

2.5、焊缝跟踪

在焊接过程中, 热变形不可避免地导致修正后离线轨迹和实际焊接轨迹存在偏差。 通过传感器实时跟踪焊缝位置, 对机器人轨迹偏差进行实时补偿,并引导焊枪按照实际轨迹进行焊接, 从而完成精确焊接, 保证焊接质量。 目前主流跟踪方式如下:电弧跟踪利用电弧自身参数作为跟踪信号, 无需附加设备且抗干扰能力强[10]。 在工作过程中可以直接获取电流和电压的变化, 根据电压会随弧长的改变而变化的特点, 完成焊缝的识别与跟踪。 该方法不受环境光、 弧光等因素的干扰, 跟踪性能较好, 但电弧传感器使用时要求传感器与焊缝处于摆动或旋转等相对运动状态, 因此对于组对定位焊位置及焊接空间狭小、 焊缝形状复杂的钢结构工件, 检测精度较差。为了适应中厚板工件的焊接, 基于视觉的多层多道排道规划在传统排道算法基础上, 使用视觉算法对焊缝的剩余填充高度及焊层的剩余宽度进行提取, 测量焊缝坡口的变化, 对每层的焊道坐标进行修正[3]。

结束语

总之，钢结构焊接连接设计一定要符合所在国规范要求的结构件的强度、刚度以及稳定性要求，传力简捷，构造简单。因此，本研究详细探讨了焊接施工的各个环节，从焊接前的准备工作，到焊接过程的质量控制，再到焊接后的检测与评估，构建一个完整、系统的质量控制框架。

参考文献：

[1]祖庆芝.基于焊缝组织细化的建筑钢结构焊接接头性能研究[J].太原学院学报(自然科学版),2023,41(01):11-15.

[2]董晶.建筑钢结构焊接影响因素及焊接质量管控[J].中国建筑装饰装修,2022,(23):120-122.

[3]程登,张发荣,李正,等.建筑钢结构箱形构件电渣焊焊接工艺的优化[J].金属加工(热加工),2022,(10):54-57.